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        WLAN無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化技術(shù)研究

        2016-04-12 00:00:00陳建高超劉劍
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2016年17期

        摘 要: 針對WLAN無線接入網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方法,分別從傳播預(yù)測及覆蓋設(shè)計方面研究覆蓋規(guī)劃、分析研究基于DCF協(xié)議的容量規(guī)劃以及干擾分析和信道優(yōu)化配置等。其中容量規(guī)劃部分采用已有退避窗口機制(BEB)的二維馬爾可夫模型,對基于CSMA/CA協(xié)議的DCF性能進(jìn)行分析并改進(jìn)。提出了基于RTS/CTS機制改進(jìn)的退避算法,得出了飽和條件下系統(tǒng)歸一化吞吐率、丟包率、網(wǎng)絡(luò)延時等性能,以指導(dǎo)實際吞吐量的估算和網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃。經(jīng)過理論分析和OPNET仿真比較,所提出的新算法降低了數(shù)據(jù)包的碰撞概率,從而降低了時延,增加了系統(tǒng)吞吐率,進(jìn)而增加了網(wǎng)絡(luò)容量。

        關(guān)鍵詞: WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃; 覆蓋規(guī)劃; 容量規(guī)劃; 系統(tǒng)吞吐量

        中圖分類號: TN925+.93?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2016)17?0045?04

        0 引 言

        隨著移動通信技術(shù)的日益普及及無線局域網(wǎng)在技術(shù)上的成熟,產(chǎn)品種類不斷增加且成本下降,據(jù)統(tǒng)計,未來幾年內(nèi),無線局域網(wǎng)在全世界將有較大的發(fā)展[1]。WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃對運營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。近年來,一些城市的重點地區(qū)建立“熱點”區(qū)域,為用戶提供良好的無線寬帶業(yè)務(wù),無線局域網(wǎng)(WLAN)成為寬帶業(yè)務(wù)最主要的承載方式[2]。對電信運營商而言,甚至成為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)競爭不可或缺的網(wǎng)絡(luò)形式,是TD?SCDMA等3G業(yè)務(wù)的有效補充,成為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)“最后一公里”技術(shù)的最主要無線通信實現(xiàn)形式。然而,WLAN建設(shè)的關(guān)鍵是WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[3],目前無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案并不是很系統(tǒng),某些網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法中覆蓋與容量估算過程考慮因素少,并且簡單粗糙。因此,成功地規(guī)劃能很好地平衡網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量、質(zhì)量及建網(wǎng)成本,對滿足用戶移動性要求和網(wǎng)絡(luò)無所不在的要求起到了至關(guān)重要的作用。

        1 無線局域網(wǎng)的覆蓋規(guī)劃

        目前大多數(shù)無線局域網(wǎng)局限在一個很小的室內(nèi)空間里,沒有普遍實現(xiàn)大面積的覆蓋和鏈接,WLAN無線局域網(wǎng)大都在使用2.4 GHz頻段,穿透性與衍射能力很差,而且現(xiàn)代建筑質(zhì)量也對室內(nèi)形成了較強的屏蔽[4]。這些都導(dǎo)致無線局域網(wǎng)覆蓋面積十分有限,因此需要多個AP進(jìn)行無縫覆蓋,統(tǒng)一規(guī)劃。了解WLAN網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式,采用室內(nèi)還是室外覆蓋,然后再根據(jù)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行鏈路預(yù)算,這樣就可以初步確定需要布放的AP數(shù)量和位置。

        對于WLAN通信距離的計算,可以先根據(jù)設(shè)備的性能指標(biāo)或者依據(jù)設(shè)備的測試結(jié)果確定發(fā)射機的功率輸出、接收機靈敏度和天線增益等參數(shù)。根據(jù)具體的信道環(huán)境,選擇合適的信道模型,建立信號的路徑損耗模型。根據(jù)鏈路預(yù)算方程計算通信距離。

        假定使用的是全向天線,無線信號的傳播不受建筑物的影響,那么此時AP的覆蓋范圍大約是半徑為[R]的圓,半徑[R]表示接入點與站點間達(dá)到指定通信質(zhì)量的最大通信距離。而AP發(fā)射基站的功率受限,也就是說單個AP的覆蓋區(qū)域有限。有必要部置若干個AP設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合覆蓋較大區(qū)域。而在一些特殊的覆蓋地域應(yīng)該綜合考慮用戶特征和建筑物類型,并可以采納[Z]因子方法計算AP數(shù)目。為了方便計算,首先將圓轉(zhuǎn)變成正方形,圓的半徑為[R,]并在其內(nèi)做一個內(nèi)接的正方形(邊長是Z),半徑[R]與邊長[Z]和面積[S]的對應(yīng)關(guān)系如表1所示(其中Z省去小數(shù)部分)。

        表1 圓半徑[R]與正方形邊長[Z]及面積[S]的對應(yīng)關(guān)系

        [S=Z2 /m2\R /m\Z /m\S=Z2 /m2\R /m\Z /m\100\7\10\2 000\32\45\200\10\14\2 500\35\50\400\14\20\3 000\39\55\800\20\28\3 500\42\59\1 000\22\32\4 000\45\63\1 500\27\39\4 500\47\67\]

        根據(jù)具體需求和場景選擇AP的布放位置,并要根據(jù)實地測量的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。確保布設(shè)的AP設(shè)備能夠覆蓋到所有的區(qū)域。AP的覆蓋區(qū)域需要根據(jù)接收到的信號強度確定,首先設(shè)定好一個閾值,進(jìn)一步規(guī)定信號強度不低于這個閾值的區(qū)域確定為AP的覆蓋區(qū)域,生成AP的覆蓋區(qū)域圖,可根據(jù)定位原則調(diào)整AP位置,直到滿足所設(shè)的閾值條件為止。

        2 無線局域網(wǎng)的容量規(guī)劃

        本文重點研究應(yīng)用于WLAN中基于競爭的MAC協(xié)議,特別是IEEE 802.11DCF。如果WLAN內(nèi)站點的數(shù)量增多,那么站點發(fā)出的數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)包之間碰撞的概率將會升高,從而大幅度降低了系統(tǒng)的吞吐率,延遲時間也會增大。為了改善系統(tǒng)性能,競爭周期中產(chǎn)生的空閑信道浪費問題以及數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中發(fā)生的碰撞問題都亟待解決[5]。

        MACAW協(xié)議中介紹了一種新的退避算法MILD算法,但是當(dāng)單元內(nèi)某一節(jié)點離線,容易增大接入點的退避值,從而導(dǎo)致空閑信道浪費和增大延遲?;贐EB算法改進(jìn)的EIED算法,在吞吐量和延時方面優(yōu)于BEB算法,但當(dāng)節(jié)點數(shù)大于60時,MILD比EIED的吞吐量大。本文提出了基于RTS/CTS機制改進(jìn)的退避算法,由于BEB算法中,上一次成功傳輸?shù)墓?jié)點比其他節(jié)點更容易獲得信道。該算法中讓發(fā)送成功的節(jié)點與發(fā)送失敗的節(jié)點的退避窗口改變的慢一些,非發(fā)送站點的競爭窗根據(jù)上次數(shù)據(jù)包的傳輸結(jié)果而改變。為了大大降低數(shù)據(jù)包的碰撞概率,改變了RTS,CTS,ACK包的幀格式,增加退避值與退避窗等字段,使得要競爭信道的節(jié)點能夠根據(jù)偵聽到的其他站點的退避值與退避窗信息選擇合適的退避值。從而增加系統(tǒng)吞吐量、減小網(wǎng)絡(luò)延時。

        為了解決上述BEB算法存在的問題,使節(jié)點成功發(fā)送后競爭窗縮減為[12,]以防止因節(jié)點每次成功發(fā)送后都將CW重置為CWmin,引起更多的數(shù)據(jù)沖突,碰撞增加。鑒于在MACAW協(xié)議中,每個站點的退避時間量將反映對應(yīng)站點周圍的碰撞情況,一個成功傳輸?shù)墓?jié)點的退避值與本地爭奪層次相關(guān),此值能正確反映此時信道中的競爭狀況。因此使其他偵聽到成功傳輸?shù)墓?jié)點將當(dāng)前退避值設(shè)置為自己的競爭窗,從而可以更好地接入信道。

        3 無線局域網(wǎng)的頻率規(guī)劃

        用2.4 GHz的ISM頻段應(yīng)用于IEEE 802.11b/g設(shè)備,其工作頻率是2 400~2 483.5 MHz頻段,可使用帶寬為83.5 MHz,分13個信道,每個信道帶寬[6]為22 MHz。該設(shè)備使用的13個信道的中心頻率均以5 MHz間隔進(jìn)行分布,其使用的頻段中具有3個互不交迭的信道。單AP設(shè)備性能由于同頻干擾而下降,為了確保在增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋的同時增加AP能同比的增加網(wǎng)絡(luò)容量。因此在規(guī)劃時,盡量把頻率不相交迭的信道設(shè)置為兩個相鄰AP的頻點。當(dāng)室內(nèi)有分布不規(guī)則的隔斷時,那么覆蓋區(qū)域的劃分應(yīng)依靠隔斷物,可以通過合理地規(guī)劃頻率減少同頻干擾。

        在2.4 GHz信道帶寬下,WLAN主要使用1,6,11三個信道,因為這三個信道互不交迭。為了擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍同時降低干擾,使用信道復(fù)用技術(shù)??梢圆捎靡韵略瓌t選擇可用頻點。

        (1) 一般以1,6與11號頻點進(jìn)行信道復(fù)用,若設(shè)備AP雜散指標(biāo)不佳時,也可使用1,7和13頻點進(jìn)行信道復(fù)用;

        (2) 網(wǎng)絡(luò)容量需求高,頻率復(fù)用難度高時,也可以采用1,5,9和13頻點進(jìn)行信道的復(fù)用;

        (3) 某些特定應(yīng)用場合中,AP設(shè)備都配置在同一頻點,因而把設(shè)備當(dāng)做無線中繼應(yīng)用時,覆蓋范圍可以擴大。

        對于中小型無遮擋的開闊空間,在滿足需求時最多布放3個AP,每個AP可以配置1,6,11之中的任意一個頻點。對于超大型無遮擋的開闊空間,需使用3個以上的AP。為了避免同頻干擾現(xiàn)象,必須嚴(yán)格控制好AP的信號覆蓋[7];在IEEE 802.11b/g中,可以通過交替使用不同的信道,并規(guī)劃地排列蜂窩。為了擴大覆蓋范圍并減小干擾,可以使用互不交迭的信道1,6和11信道有規(guī)劃地排列蜂窩,提升覆蓋范圍和系統(tǒng)容量,如圖1所示。圖中顯示使用信道1的客戶移動時,必須從一個信道切換到另一個信道。交替使用信道從而避免干擾,這就是常說的信道復(fù)用,重復(fù)使用如圖1所示的信道復(fù)用模式,可以實現(xiàn)更大區(qū)域的覆蓋,如圖2所示。

        在有遮擋物的熱點區(qū)域中,應(yīng)該利用熱點區(qū)域的阻擋物達(dá)到重復(fù)使用信道的目的。對于多層大樓的覆蓋區(qū)域,環(huán)境相對封閉,為了使WLAN頻率合理地復(fù)用,可以通過利用樓層的墻體損耗和其他阻擋損耗實現(xiàn)。對于全向天線,RF信號的輻射圖是一個以天線為中心的圓環(huán)。RF信號也會向下和向上傳播,這樣相鄰樓層中的無線信號傳播也會受到影響。如圖3所示的二維信道布局應(yīng)用在兩層樓中的其中一層,但是需要交替地使用信道頻段在建筑物樓層的平面內(nèi)和樓層之間。

        規(guī)劃WLAN網(wǎng)絡(luò)需要將AP蜂窩區(qū)域的大小,天線的發(fā)射功率以及使用的頻點進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)。對于部分地點容量需求較大的情況,為了避免樓道內(nèi)的天線密度過高,盡量采用天線進(jìn)入房間的方式。AP密度過高,可以采用降低AP發(fā)射功率和使用定向吸頂天線取代全向天線的方式控制AP的覆蓋范圍。

        4 試驗檢測結(jié)果與分析

        通過對網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均時延、重傳次數(shù)和丟包率性能進(jìn)行OPNET仿真,對所提新算法與傳統(tǒng)DCF算法進(jìn)行分析比較。主要針對10,20,30,40,50節(jié)點的場景進(jìn)行仿真。對改進(jìn)的CSMA/CA方案進(jìn)行仿真平臺的建立,主要對網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點層和進(jìn)程層三層進(jìn)行仿真模型的建立,網(wǎng)絡(luò)層主要通過子網(wǎng)、節(jié)點、鏈路和地理信息描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌诰W(wǎng)絡(luò)層中共配置了30個節(jié)點。因為搭建的網(wǎng)絡(luò)是無中心節(jié)點的,所以網(wǎng)內(nèi)的站點在通信過程中基于DCF競爭信道。節(jié)點層模型用來定義各個網(wǎng)絡(luò)對象(節(jié)點)的行為。節(jié)點模型由多個模塊和連接線組成,本文主要分析MAC接入的性能。

        為了進(jìn)行比較全面的分析,針對不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件,分別仿真吞吐量、延時性能等。仿真中所用參數(shù)如表2所示。

        如圖4所示給出了在飽和狀態(tài)下,仿真場景分別是20,30,40,50節(jié)點的包重傳次數(shù),可以看出:隨著站點數(shù)的增加,包重傳次數(shù)增加,這是因為更多的站點競爭信道試圖發(fā)送導(dǎo)致更多的碰撞,從而使包重傳;改進(jìn)算法的包重傳次數(shù)明顯小于傳統(tǒng)算法,表明了改進(jìn)算法的先進(jìn)性。

        圖5給出了站點數(shù)分別為10,20,30不同場景下,歸一化吞吐率隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化情況。可以看出:站點數(shù)多的網(wǎng)絡(luò),隨著負(fù)載的增加,相對于站點數(shù)少的網(wǎng)絡(luò)吞吐率更易趨向飽和;網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時,站點數(shù)的多少對吞吐量影響不大,但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到一定程度時,站點越多,吞吐量越小。如圖5所示,站點數(shù)為20,30時,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載<0.6時,吞吐率基本沒有差別,但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載超過此值時,30個站點的吞吐率明顯小于網(wǎng)絡(luò)場景為20個站點的吞吐率。這是因為更多的站點競爭信道試圖發(fā)送導(dǎo)致更多的碰撞,從而使吞吐率下降。

        通過仿真低負(fù)載和高負(fù)載的不同網(wǎng)絡(luò)場景下,網(wǎng)絡(luò)平均延時隨站點數(shù)的變化情況。仿真結(jié)果如圖6所示,可以看出:無論算法有無改進(jìn),站點數(shù)越多,延時就越大。這是因為有更多的站點競爭信道從而引起更多沖突,新算法的延時比原有算法小。當(dāng)站點較多或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時,時延有較大的改善;但是當(dāng)站點數(shù)小或是負(fù)載較輕時,新算法改進(jìn)的并不明顯。這也說明了在網(wǎng)絡(luò)競爭激烈時,此算法可以在很大程度上減小碰撞。

        對在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為0.8,站點數(shù)分別為40,50時的丟包率進(jìn)行仿真,從圖7中可以看出文中提出的新算法在丟包率方面明顯小于原算法。這也是因為新算法可以大大降低數(shù)據(jù)包的碰撞概率,從而減小了由于數(shù)據(jù)包達(dá)到重傳極限而引起的丟包情況。

        5 結(jié) 論

        本文在對室內(nèi)和室外無線傳播環(huán)境和WLAN無線鏈路預(yù)算方法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了合理可行的無線網(wǎng)絡(luò)布局,使成本最小化且保證了WLAN網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。對IEEE 802.11系統(tǒng)吞吐量、延時等性能進(jìn)行分析及OPNET仿真研究,實現(xiàn)了既定規(guī)模下網(wǎng)絡(luò)容量的最大化。有效地防止了接入用戶過多以及數(shù)據(jù)傳輸量超過設(shè)備AP最大承載這種情況的發(fā)生。對可用頻段2.4 GHz和頻點劃分進(jìn)行研究,提出了二維信道配置方案,完成了WLAN頻率規(guī)劃。在課題研究過程中,覆蓋規(guī)劃中考慮的因素有限,下一步將針對具體情況進(jìn)行實地勘察并深入論證。

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