石 際，董宏成，鄭丹玲

(重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶400065)

責(zé)任編輯:許 盈

目前，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用日益增多，WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。在傳統(tǒng)WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)中，接入控制器(AC)、Mesh出口節(jié)點(diǎn)(MPP)、Mesh節(jié)點(diǎn)(MP)、接入點(diǎn)(MAP)是無線Mesh網(wǎng)的核心設(shè)備，用戶站(STA)通過MAP接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸[1-2]。

1 基于負(fù)載均衡的接入點(diǎn)選擇

1.1 具有負(fù)載控制功能的接入控制器裝置

由于接入控制器本身具有信息收集、管理控制和定時(shí)器的模塊，為實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的管理與控制[6]，添加了負(fù)載均衡控制模塊(包括負(fù)載計(jì)算與判決兩個(gè)子模塊)，其中負(fù)載計(jì)算模塊具有STA數(shù)量計(jì)算、節(jié)點(diǎn)負(fù)載計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載計(jì)算3個(gè)功能，判決模塊包括用門限值比較與接入用戶數(shù)量判斷兩大功能，如圖1所示。

圖1 接入控制器裝置

在基于負(fù)載均衡的接入點(diǎn)選擇過程中，首先通過信息收集模塊和定時(shí)器周期性地收集網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，并由各節(jié)點(diǎn)自身通過CAPMAP隧道將其狀態(tài)信息上報(bào)給AC;其次通過使用負(fù)載計(jì)算模塊，利用收集到的數(shù)據(jù)信息計(jì)算各個(gè)active狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)以及各網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，進(jìn)一步交給判決模塊處理;將上述信息和預(yù)設(shè)的門限值對(duì)比，若大于門限值則拒絕連接響應(yīng)，反之若小于門限值則確認(rèn)連接響應(yīng)，并根據(jù)基于負(fù)載均衡的接入點(diǎn)選擇方法判決每個(gè)STA接入的MAP;最后將判決的結(jié)果通過管理控制模塊下發(fā)指令，收到指令的節(jié)點(diǎn)立即執(zhí)行判決信息。

1.2 網(wǎng)絡(luò)效用模型

1.2.1 單個(gè)網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)

本文使用網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)來評(píng)估用戶接入網(wǎng)絡(luò)后對(duì)網(wǎng)絡(luò)收益的影響，包括網(wǎng)絡(luò)基本效用UP、為新用戶提供服務(wù)獲得的效用WP以及新老用戶互相競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)收益的下降值EP。則該函數(shù)Np的表達(dá)式如下

網(wǎng)絡(luò)基本效用為不接用戶時(shí)的基本收益U0與已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)的用戶使用網(wǎng)絡(luò)資源帶來的收益之和，其中Bi表示第i個(gè)用戶使用的網(wǎng)絡(luò)資源，m個(gè)已接入用戶總共占用大小為Bm的網(wǎng)絡(luò)資源;P表示用戶使用單位大小的網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)該支付的費(fèi)用

為新用戶提供服務(wù)獲得的效用定義為新用戶接入網(wǎng)絡(luò)后為網(wǎng)絡(luò)帶來的收益，其中Br代表需求帶寬，Ba表示可用帶寬，新用戶數(shù)量為k個(gè);當(dāng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源充足不會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng);當(dāng)時(shí)，用戶無法獲得請(qǐng)求帶寬，網(wǎng)絡(luò)資源短缺從而導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)，表達(dá)式為

因新老用戶互相競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源產(chǎn)生的效用體現(xiàn)在發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)之后老用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不滿意而造成費(fèi)用上的損失，設(shè)老用戶總數(shù)為m個(gè)，F(xiàn)為損失費(fèi)用的單位化量綱，Q為QoS不滿意度大小，表達(dá)式如

本文使用帶寬偏移率(Bvr)來體現(xiàn)新老用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)程度，帶寬偏移越大競(jìng)爭(zhēng)越激烈。接入用戶數(shù)量k與Bvr的關(guān)系如式(5)所示，帶寬偏移率隨著用戶增多而變大。

進(jìn)一步的，使用sigmod函數(shù)[7]表述帶寬偏移率與QoS不滿意度之間的非線性關(guān)系，如式(6)所示，參數(shù)a，b分別表示網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬偏移的靈敏度和容忍度。

綜上，得出單個(gè)網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)表達(dá)式為

1.2.2 聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)

在2個(gè)WLAN Mesh信號(hào)覆蓋的重疊區(qū)域，當(dāng)有新用戶欲接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無論是網(wǎng)絡(luò)一還是網(wǎng)絡(luò)二，由于新老用戶之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)，網(wǎng)絡(luò)效用都在不同程度上受到了影響。定義兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合效用的表達(dá)式如

式中:α，β分別為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)聯(lián)合效用影響程度的權(quán)值，α+β=1。若共有k個(gè)用戶待接入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)網(wǎng)絡(luò)一接入j個(gè)用戶，網(wǎng)絡(luò)二接k-j個(gè)用戶。

進(jìn)一步地，根據(jù)可用帶寬是否滿足需求帶寬，可分為4種情況討論。

當(dāng)Ba1/k＞Br，Ba2/k＞Br

當(dāng)Ba1/k＞Br，Ba2/k≤Br時(shí)

當(dāng)Ba1/k≤Br，Ba2/k＞Br

當(dāng)Ba1/k≤Br，Ba2/k≤Br

1.3 基于負(fù)載均衡的接入點(diǎn)選擇流程

使用基于負(fù)載均衡的接入點(diǎn)選擇方法如圖2所示，需要通過AC收集信息，計(jì)算聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)收益最大時(shí)對(duì)應(yīng)的接入數(shù)量關(guān)系，進(jìn)而判決接入每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量，若兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況不同，那么接入每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量也不相同。

圖2 基于負(fù)載均衡的接入點(diǎn)選擇方法流程

操作流程如下:

1)MAP周期性地掃描STA，并在每個(gè)周期結(jié)束的時(shí)候?qū)⒆陨淼呢?fù)載信息(該節(jié)點(diǎn)接入用戶使用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的大小)、掃描的STA信息以及時(shí)間戳信息上報(bào)給AC。

2)AC接收MAP發(fā)來的消息，并作記錄。由于MAP在本次周期內(nèi)上報(bào)的某些STA信息可能在之前周期內(nèi)也上報(bào)過，為了節(jié)省空間避免重復(fù)，AC可以預(yù)設(shè)一個(gè)過期時(shí)間，根據(jù)記錄的時(shí)間戳信息檢測(cè)到STA與MAP的對(duì)應(yīng)關(guān)系已經(jīng)過期失效，則刪除對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3)執(zhí)行探測(cè)請(qǐng)求、探測(cè)響應(yīng)及認(rèn)證過程3個(gè)步驟(與傳統(tǒng)接入方法相同)。待認(rèn)證成功后，STA會(huì)通過一個(gè)MAP向AC發(fā)送連接請(qǐng)求，在STA首次發(fā)起連接請(qǐng)求消息時(shí)，通常會(huì)選擇具有最強(qiáng)RSSI的MAP。

4)AC計(jì)算MAP節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，以用戶數(shù)標(biāo)識(shí)MAP節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，則第i個(gè)MAP節(jié)點(diǎn)的負(fù)載大小為該節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有接入用戶使用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的總量，第I個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為網(wǎng)內(nèi)所有MAP負(fù)載之和。設(shè)Bj為第j個(gè)用戶使用的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源大小，MAP節(jié)點(diǎn)負(fù)載及WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)負(fù)載表達(dá)式如下

5)AC收到發(fā)自STA的連接請(qǐng)求消息后，首先根據(jù)先前收集到的STA與MAP對(duì)應(yīng)關(guān)系的信息，分析每個(gè)待接入網(wǎng)絡(luò)的STA對(duì)應(yīng)候選MAP的個(gè)數(shù)，可分為3種情況。

(1)若只有一個(gè)MAP掃描到了STA，比較節(jié)點(diǎn)負(fù)載值Li_MAP與預(yù)設(shè)最大值LMAX之后轉(zhuǎn)向7)。

(2)不同的WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有多個(gè)MAP掃描到了該STA，則轉(zhuǎn)向6)。

(3)同一WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有多個(gè)MAP掃描到了該STA，比較Li_MAP和LMAX之后轉(zhuǎn)向7)，并選擇負(fù)載最輕的節(jié)點(diǎn)發(fā)送連接確認(rèn)響應(yīng)，若無任何節(jié)點(diǎn)滿足條件則發(fā)送連接拒絕響應(yīng)。

6)通過計(jì)算得出使聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)效用最大時(shí)對(duì)應(yīng)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入用戶的數(shù)量，并分別接入兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中若用戶過多、部分用戶無法接入網(wǎng)絡(luò)或沒有任何節(jié)點(diǎn)滿足條件，則發(fā)送連接拒絕響應(yīng)。

7)若存在滿足條件的MAP，則被選中的MAP節(jié)點(diǎn)向STA返回連接確認(rèn)響應(yīng)，STA接入網(wǎng)絡(luò)成功。若欲接入用戶過多或者沒有合適的MAP被選擇，需要拒絕用戶的接入，則通過RSSI最強(qiáng)的MAP向其返回拒絕連接響應(yīng)，其中攜帶拒絕原因指示碼。

2 性能分析

若2個(gè)WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍大小相同且交織覆蓋，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只有1個(gè)MAP節(jié)點(diǎn)，多個(gè)STA在該區(qū)域內(nèi)呈均勻分布狀。設(shè)新用戶可全部被接入兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，按照傳統(tǒng)的接入點(diǎn)選擇方法，接入到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)量相等，為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接25個(gè)用戶。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

本文從網(wǎng)絡(luò)容量與負(fù)載率的角度將基于負(fù)載均衡的接入點(diǎn)選擇方法與傳統(tǒng)的RSSI強(qiáng)度為接入準(zhǔn)則的方法進(jìn)行比較，通過改變網(wǎng)絡(luò)可用帶寬與已用帶寬大小調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的容量及負(fù)載率，分3種情況討論。

表1 參數(shù)設(shè)置

1)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量相同、負(fù)載率不同。

設(shè)可用帶寬Ba1=3.5 Mbit/s、Ba2=6 Mbit/s，已用帶寬Bm1=6.5 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，即網(wǎng)絡(luò)一的負(fù)載更重，聯(lián)合效用影響因子α=β=0.5，即兩個(gè)容量相同，對(duì)聯(lián)合效用的影響也相同，且網(wǎng)絡(luò)二中的可用帶寬資源更多。對(duì)聯(lián)合效用的影響因子α=β=0.5。該情況下接入用戶數(shù)量對(duì)QoS不滿意度比率及網(wǎng)絡(luò)收益的影響如圖3所示。

圖3 情況一:接入用戶數(shù)量對(duì)QoS不滿意度及網(wǎng)絡(luò)收益的影響

圖3 中，隨著接入用戶數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)一的QoS不滿意度變化更大，且其收益低于網(wǎng)絡(luò)二。同時(shí)，在x軸位于18時(shí)得到的聯(lián)合收益最大(即網(wǎng)絡(luò)一接18個(gè)用戶，網(wǎng)絡(luò)二接32個(gè)用戶)，高于采用傳統(tǒng)的接入選擇方法(每個(gè)網(wǎng)絡(luò)各接25個(gè)用戶)所得的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)收益。

2)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量不同、負(fù)載率相同。

設(shè)可用帶寬Ba1=7.2 Mbit/s，Ba2=6 Mbit/s，已用帶寬Bm1=4.8 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，聯(lián)合效用影響因子α=0.6，β=0.4，即網(wǎng)絡(luò)一容量更大，其對(duì)聯(lián)合效用的影響高于網(wǎng)絡(luò)二，且該網(wǎng)絡(luò)中的可用帶寬資源更多。該情況下接入用戶數(shù)量對(duì)QoS不滿意度比率及網(wǎng)絡(luò)收益的影響如圖4所示。

圖4中，隨著接入用戶增加，網(wǎng)絡(luò)二的QoS不滿意度變化更大且其收益低于網(wǎng)絡(luò)一。同時(shí)，在x軸位于28時(shí)得到的聯(lián)合收益最大(即網(wǎng)絡(luò)一接入28個(gè)用戶，網(wǎng)絡(luò)二接入22個(gè)用戶)，略高于采用傳統(tǒng)的接入選擇方法所得的網(wǎng)絡(luò)收益。

圖4 情況二:接入用戶數(shù)量對(duì)QoS不滿意度及網(wǎng)絡(luò)收益的影響

3)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量不同、負(fù)載率也不同。

設(shè)可用帶寬Ba1=3.5 Mbit/s，Ba2=6 Mbit/s，已用帶寬Bm1=8.5 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，聯(lián)合效用影響因子α=0.6，β=0.4，即網(wǎng)絡(luò)一容量更大，其對(duì)聯(lián)合效用的影響高于網(wǎng)絡(luò)二，且網(wǎng)絡(luò)二中的可用帶寬資源較多。該情況下接入用戶數(shù)量對(duì)QoS不滿意度比率及網(wǎng)絡(luò)收益的影響如圖5所示。

圖5 情況三:接入用戶數(shù)量對(duì)QoS不滿意度及網(wǎng)絡(luò)收益的影響

圖5 中，隨著接入用戶數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)一的QoS不滿意度變化更大。同時(shí)，在x軸位于16時(shí)得到的聯(lián)合收益最大(即網(wǎng)絡(luò)一接16個(gè)用戶，網(wǎng)絡(luò)二接34個(gè)用戶)，明顯高于采用傳統(tǒng)的接入選擇方法所獲得的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)收益。

3 結(jié)論

最后可以得出，由于隨著新接入用戶數(shù)量的增加，負(fù)載重或可用帶寬資源少的網(wǎng)絡(luò)中對(duì)帶寬資源的競(jìng)爭(zhēng)更為激烈，新接用戶后對(duì)QoS不滿意度的影響較大，且導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)收益低。同時(shí)，采用基于負(fù)載均衡的接入選擇方法得到的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益大于采用傳統(tǒng)RSSI強(qiáng)度接入選擇方法所得的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益。

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