王新峰　劉霜霜

1(吉首大學(xué)軟件服務(wù)外包學(xué)院　湖南 張家界 427000)2(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　湖南 長沙 410208)

?

WLAN網(wǎng)絡(luò)中無線射頻資源的自動管理策略

王新峰1劉霜霜2

1(吉首大學(xué)軟件服務(wù)外包學(xué)院湖南 張家界 427000)2(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南 長沙 410208)

針對WLAN網(wǎng)絡(luò)中無線射頻資源之間會相互干擾，尤其在大規(guī)模部署時，需要花費大量的人力和時間成本去調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置等問題，給出一個自動無線資源的管理策略。該策略分為4大塊功能：射頻分組、信道自動調(diào)整、功率自動調(diào)整、盲區(qū)探測和修復(fù)，每個功能解決一個特定問題。該自動調(diào)整策略綜合了設(shè)計時間、人力成本、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、用戶體驗等，經(jīng)測試確認可行有效。

WLAN無線資源功率調(diào)整信道調(diào)整

0　引　言

在手機、PAD、智能手表等智能設(shè)備普及的今天，隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)是一件很普通的事情，而這背后是無線局域網(wǎng)WLAN的功勞。WLAN是20世紀90年代計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物, 它提供了一種使用無線多址信道的通信方式?，F(xiàn)在流行的WLAN系統(tǒng)一般由接入控制器AC和無線接入點AP組成， AP的設(shè)置都由AC發(fā)出，如圖1所示。STA(Station無線客戶端)如：手機、電腦等通過AP接入網(wǎng)絡(luò)。

圖1　典型WLAN結(jié)構(gòu)

1　大范圍部署WLAN存在的問題

WLAN的初衷是針對家庭、小辦公室應(yīng)用，這時單個AP的工作信道和發(fā)射功率的配置是不需要特別關(guān)注的。隨著WLAN技術(shù)被越來越廣泛地使用在學(xué)校、銀行、企業(yè)、商場等，高密度WLAN已經(jīng)成為常見部署，此時WLAN的部署難題也就逐漸凸現(xiàn)出來。WLAN部署面臨以下幾個問題：

1) 無干擾信道少

802.11b國際標準規(guī)范中只有三個(1，6，11)不重疊的信道，如圖2所示。

圖2　802.11b只有三個不重疊的信道

2) 無線功率易損耗，AP覆蓋范圍難確定

AP的覆蓋范圍和其提供的接入速率是緊密相關(guān)的，STA距離AP越遠，AP提供的接入速率越低，如圖3所示。無線電波具有穿越介質(zhì)后能量易損耗的自然特性，功率設(shè)置太高會造成不同AP之干擾，設(shè)置太低可能會被障礙物損耗影響覆蓋范圍及速率。

圖3　距離與接入速度關(guān)系圖

3) 外界射頻環(huán)境不斷變化

在人人都能搭建WLAN的大環(huán)境里，即使經(jīng)過充分的調(diào)查，當(dāng)前的信道和功率設(shè)置是最優(yōu)的，下一時刻也可能就會惡化。

因此在AP高密度覆蓋的場合，管理員需要持續(xù)不斷地花費大量的精力進行AP的配置，且稍微配置不當(dāng)，反而可能由于干擾或其它原因使系統(tǒng)性能降低。

2　RRAM自動分配策略

2.1RRAM策略的目標及應(yīng)用場景

針對WLAN的大規(guī)模部署存在的問題，本文給出一個無線射頻資源自動管理策略RRAM(Radio Resource Auto-Management)。該策略合理地利用和部署無線射頻資源如信道、功率、負載均衡、準入控制等，在保證整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定的前提下，提供更多接入和更高速度的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。RRAM策略總共分4大塊，如表1所示。

表1　RRAM功能表

RRAM管理策略能夠解決如下四種常見的實際用戶場景：

場景一AP覆蓋范圍過度重疊的信道功率選擇

對于一個AC或者多個AC在同網(wǎng)絡(luò)中存在AP覆蓋范圍重疊的情況如圖4、圖5所示，可以運用RRAM策略進行調(diào)整。

圖4　單AC下信道過度重疊場景

圖5　多AC下信道過度重疊場景

場景二AP上線時的信道動態(tài)選擇(AP重疊區(qū)域內(nèi)依然有未使用的不重疊信道)

AP1處于1信道和AP2處于6信道是原有已部署好的，突然加入AP3強行位于1信道(友商或私人的不可改)，如圖6所示。這時發(fā)現(xiàn)AP1還有可選不重復(fù)的11信道，此時應(yīng)調(diào)整AP1切換到11信道。

圖6　AP上線動態(tài)選擇信道場景

場景三功率動態(tài)調(diào)整(覆蓋范圍內(nèi)某AP離線時，提升同頻AP功率以填補覆蓋，如圖7所示)

圖7　AP動態(tài)修改功率場景

場景四盲區(qū)探測和修復(fù)

無線用戶處于AP3的覆蓋范圍之外或邊緣處，如圖8所示，導(dǎo)致無線用戶連接不穩(wěn)定。在這種情況下，AP3應(yīng)該可以檢測到覆蓋盲區(qū)，并自動調(diào)高發(fā)射功率，將無線用戶納入覆蓋范圍?！?/p>

圖8　AP覆蓋存在盲區(qū)場景

2.2RRAM各功能實現(xiàn)原理

2.2.1射頻分組

在有限的資源內(nèi)不同AC獨立控制自己的AP，做不到統(tǒng)籌安排。如圖9所示場景，圓圈代表AP，里面的數(shù)字是信道號(注：有的AP有雙天線，這里假設(shè)每個AP只有一個射頻天線，只需為每個AP分配一個信道)。在這種場景下，AC1不管分配什么信道都會造成干擾。

圖9　多AC場景

為了統(tǒng)一考慮需要將射頻覆蓋區(qū)域相重疊的AP組成一個射頻組(RF Group)，選舉出一個領(lǐng)導(dǎo)AC。射頻組內(nèi)AP的信道分配、發(fā)射功率選擇統(tǒng)一由領(lǐng)導(dǎo)AC集中決策。

射頻組建立的前提必須是在具備RRAM功能的AC上，且不同AC之間網(wǎng)絡(luò)互通。其次，每個AP都會以最大功率和最小速率發(fā)送一個鄰居信息報文，報文包含AP的鄰居列表和AC信息。其他AP接收到鄰居信息報文之后交給AC，AC依據(jù)鄰居的鄰居是自己鄰居的方法跟其他AC通信確認射頻組。

領(lǐng)導(dǎo)AC的選舉有兩種方式：

① 手動給每個AC的設(shè)置一個優(yōu)先級，AC之間通信時比較優(yōu)先級，優(yōu)先級高的作領(lǐng)導(dǎo)。

② 自動選舉， AC之間通信時比較MAC地址， MAC地址小的作領(lǐng)導(dǎo)。

為了應(yīng)對現(xiàn)有領(lǐng)導(dǎo)AC下線或有新AC加入導(dǎo)致格局改變，AC之間需要定時通信確保及時選舉新的領(lǐng)導(dǎo)。

2.2.2信道自動調(diào)整

信道自動調(diào)整算法，簡稱DCA算法。DCA算法在射頻組領(lǐng)導(dǎo)AC上運行，默認周期20分鐘，基于每個RF Group，為所有的AP制定最優(yōu)化的工作信道配置。DCA算法只考慮為數(shù)不多的幾個度量：

? 信號強度——每臺AP在所有工作信道監(jiān)聽到的鄰居信息的RSSI值；

? 干擾——AP報告的802.11數(shù)據(jù)發(fā)送時被干擾的時間百分比；

? 噪聲——AP在每個工作信道上監(jiān)測到的噪聲值。

其中，主要的依據(jù)是信號強度，其他參數(shù)是可選的。

信道切換過程中會引起AP上的STA掉線，用戶體驗很糟糕，應(yīng)盡量避免頻繁的信道切換。DCA算法運行分為兩種模式：大面積部署和正常調(diào)整。

1) 大面積部署

該模式應(yīng)用在：當(dāng)一個場景在初次部署了大量AP時需要給每個AP設(shè)置一個合理的信道，當(dāng)場景里無線AP信道隨著時間變化而調(diào)整了一段時間需要恢復(fù)到初始信道時。在這種模式下DCA算法執(zhí)行流程如下：

首先，將所有AP的信道都設(shè)置為相同信道，這樣就知道誰所受干擾最大。

其次，組領(lǐng)導(dǎo)先將組中的AP成員按照工作信道上的干擾從大到小的順序排序。優(yōu)先處理干擾比較大的AP，因為先處理的AP的信道更容易被調(diào)整，排序算法使用插入排序。

最后，再按照以下步驟進行調(diào)整(類似于地圖涂色算法)。

① 按照信號強度從強到弱的順序處理每一個AP：先在可用信道列表中除去掉已修改過的鄰居工作信道，挑選出未受干擾的可用信道。

② 如果可用信道列表中有2個以上信道，按從小到大挑選一個可用信道。

③ 如果沒有可用信道，則挑選一個干擾最少的信道。

以下舉個簡單示例說明DCA的運行流程。如圖10所示場景，圖中每個圓圈代表一個AP，圈中A—1表示為這個AP名字是A所用信道為1。

圖10　未執(zhí)行DCA算法前AP信道

大面積部署時將所有AP信道都置為1，然后根據(jù)干擾進行排序，所受干擾從大到小為： A>F>E>B>C>D。

① A沒有已修改鄰居AP，所以A就直接先用1信道。

② 到F時，F(xiàn)鄰居中有A，此時1不可用，選用6信道。

③ 到E時，由于鄰居中A、F占用了1、6信道，只能選用11信道。

同理，B、C、D選取信道分別為11、6、6信道。

執(zhí)行完DCA算法后，最終AP信道設(shè)置如圖11所示，所有AP都分配到一個合理可用信道。

圖11　執(zhí)行DCA算法后信道AP信道分配

2) 正常調(diào)整

正常調(diào)整場景中AP是先后上線的，此時調(diào)整的只是剛上線的單個AP，不能調(diào)整其他AP，否則遇到惡意AP頻繁上下線，會導(dǎo)致本場景中其他AP震蕩影響用戶正常使用。AP上線時挑選信道依照以下步驟：

① 按照信號強度從強到弱的順序處理每一個鄰居：先在可用信道列表中除去鄰居工作信道；

② 直到處理完所有鄰居或者可用信道列表中只剩下一個可用信道。

③ 如果可用信道列表中只有一個可用信道就直接選取；如果有多個信道且包含了AP的當(dāng)前工作信道則保存當(dāng)前信道，否則按從小到大順序選取信息，算法結(jié)束。

2.2.3功率自動調(diào)整

功率自動調(diào)整算法，簡稱TPC算法。組領(lǐng)導(dǎo)使用該算法將每個帶寬的發(fā)射功率調(diào)低，限制過度的區(qū)域覆蓋和相同信道的干擾。

每個AP報告的鄰居列表按照RSSI從高到低排序，如果AP具有三個以上的鄰居，那么RF Group Leader基于每個帶寬、每個AP應(yīng)用TPC算法調(diào)低AP的發(fā)射功率，直到RSSI第三高的AP被監(jiān)聽到的信號強度低于TPC門限(典型值-65 dBm)而且滿足TPC的滯后條件。TPC通過以下流程決定是否需要調(diào)低發(fā)射功率：

1) 確定是否存在RSSI第三高的鄰居，其RSSI是否高于TPC門限。

2) 使用公式確定其發(fā)射功率：

AP最大發(fā)射功率+(TPC門限-RSSI第三高的鄰居的RSSI)

(1)

3) 比較當(dāng)前的發(fā)射功率和第2)步的計算結(jié)果(求其差)，確認是否超過TPC滯后量：

? 如果大于6 dB，那么發(fā)射功率應(yīng)該調(diào)低一級(3 dB)。

? 如果小于-3 dB，那么發(fā)射功率應(yīng)該調(diào)高一級(3 dB)。

功率級別與功率對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2　功率級別與功率對應(yīng)關(guān)系

2.2.4盲區(qū)探測和修復(fù)

盲區(qū)探測和修復(fù)算法——Coverage Hole Detection and Correction Algorithm。該算法是基于無線用戶的信號質(zhì)量確定覆蓋盲區(qū)，再增加用戶所連接AP的發(fā)射功率。

當(dāng)用戶的SNR(信噪比)低于一個給定的門限時，算法確定存在一個覆蓋盲區(qū)。SNR門限基于單個AP，并且主要依賴于AP的發(fā)射功率。發(fā)射功率越高，用戶能容忍的噪聲也會越大。

覆蓋盲區(qū)的SNR門限基于兩個值：AP的發(fā)射功率和AC的Coverage profile(根據(jù)場景可設(shè)置)值。計算公式如下：

SNR門限(|dB|)=|AP發(fā)射功率(dBm)-常數(shù)(17 dBm)-

Coverage Profile(dB)|

(2)

在上述式(2)中，因為大多數(shù)國家和地區(qū)規(guī)定AP發(fā)射功率上限20 dBm，同時Coverage Profile又不會小于3 dB，所以計算式等價于：

SNR門限(dB)=Coverage Profile(Db)+常數(shù)(17 dBm)-

AP發(fā)射功率(dBm)

(3)

根據(jù)式(3)容易看出SNR門限與AP發(fā)射功率的函數(shù)關(guān)系，即增加AP的發(fā)射功率相當(dāng)于降低SNR門限。一旦有一定數(shù)目的用戶的SNR低于SNR門限超過一定時間，這些用戶所連接的AP的發(fā)射功率就會增加(相當(dāng)于降低SNR門限)以修復(fù)覆蓋盲區(qū)。為了闡述該算法的決策流程，這里給出一個簡單的實例。不妨假設(shè)一臺AP上的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

? 一個無線用戶的SNR為13 dB

? 該AP配置的發(fā)射功率配置成11 dBm(功率級別4)(參見表2)

? AP所連接的AC配置的Coverage profile為12 dB

算法將按照以下步驟做出決策：

① 計算SNR門限：|11 dBm-17 dBm-12 dB|=|-18 dB|= 18 dB。

② 因為無線用戶的SNR(13 dB)小于SNR門限(18 dB)，所以應(yīng)該提高AP的發(fā)射功率。

③ 將無線用戶的SNR作為SNR門限，使用式(3)求出AP發(fā)射功率：

AP發(fā)射功率(dBm)=Coverage Profile(dB)-SNR門限(dB)+常數(shù)(17 dBm)=12 dB-13 dB+17 dBm=16 dBm。

④ 對上一步的結(jié)果按照功率級別向上取整，可得17 dBm(功率級別2)，這個功率即需要配置到AP上的發(fā)射功率。顯然，按照這個發(fā)射功率，計算出來的SNR門限為12 dBm，已經(jīng)小于無線用戶的SNR(13 dB)了。

3　結(jié)　語

本文給出的自動無線資源的管理策略已使用在銳捷網(wǎng)絡(luò)的WLAN設(shè)備之中，經(jīng)在高校和商場使用驗證該策略運行良好。當(dāng)然自動調(diào)整策略也存在問題，比如有人惡意干擾情況下，自動調(diào)整策略會頻繁調(diào)整功率和信道，為了應(yīng)對這種特殊情況，可以手動設(shè)置AP信道，配置禁止自動修改。

[1] 張康,賈振紅,覃錫忠,等.在無線局域網(wǎng)中基于信號干擾比的信道分配[J].計算機工程與設(shè)計,2015(3):576-580.

[2] 喬輝.關(guān)于WLAN覆蓋的研究[J].無線電通信技術(shù),2012,38(3):18-19.

[3] 研究院WLAN技術(shù)白皮書[M].銳捷網(wǎng)絡(luò)公司,2012.

[4] WLAN-RRM-HLD[M].銳捷網(wǎng)絡(luò)公司,2012.

[5] WLAN RRM Guide[M].銳捷網(wǎng)絡(luò)公司,2012.

[6] 黨安紅,張敏,朱世華,等.一種新的優(yōu)化動態(tài)信道分配策略及建模分析[J].電子學(xué)報,2004,32(7):1152-1155.

[7] 魏克軍,趙洋.基于IEEE 802.11協(xié)議的WLAN無線資源管理淺析[J].電信科學(xué),2006,22(8):11-13.

[8] 王曉健,戎蒙恬,劉超.無線局域網(wǎng)的一種功率控制算法[J].計算機仿真,2008,25(12):142-145.

RADIO FREQUENCY RESOURCE AUTO-MANAGEMENT STRATEGY IN WLAN

Wang Xinfeng1Liu Shuangshuang2

1(School of Software and Service Outsourcing,Jishou University,Zhangjiajie 427000,Hunan,China)2(HunanIndustryPolytechnic,Changsha410208,Hunan,China)

Radio frequency resources will interfere with each other in WLAN, especially in large-scale deployment, and it needs to spend a lot of manpower and time costs to adjust the network configuration. Aiming at the issue, this paper proposes a radio frequency resource auto-management strategy, which is divided into four functions: RF grouping, dynamic channel assignment, transmit power control and coverage hole detection and correction, and each function can solve a specific problem. The auto-management strategy proposed in this paper combines the design time, manpower cost, network stability, user experience, etc. This strategy is confirmed by the test is feasible and effective.

WLANRadio resourceTransmit power controlDynamic channel assignment

2016-04-08。王新峰，助教，主研領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。劉霜霜，講師。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.09.031