维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年１２月刊 （总第１Ｏ０期） 大众科技 ＤＡＺＨＯＮＧ ＫＥ Ｊ ２００７．１２ （Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ Ｎｏ．１ Ｏ０） ＷＬＡＮ网络容量的研究 蔡琳 （南京邮电大学，江苏南京２１０００３） 【摘要】介绍了一些改进网络容量的算法，详细论述了使用ＴＲＰ（ｔｅｔｈｅｄｅｓｓ ｒｅｌａｙ ｐｏｉｎｔｓ）来提高ＷＬＡＮ在特殊环境下的吞 吐量的方法，并对算法作出改进。 接入点ＡＰ 【关键词】无线局域网；ＴＲＰ； 最优化布置；负载均衡；容量改进； 【中图分类号】ＴＰ３９３，１ 【文献标识码】Ａ 【文章编号１ １００８—１１５１（２００７）１２—００１９—０３ 抖动和丢包率等服务质量（ＱｏＳ）要求。由于ＷＬＡＮ工作在２．４ ＧＨｚ或５ ８ ＧＨｚ的无线媒介中，受到无线传输多径衰落及多 普勒效应的影响，加上外界的干扰，使得Ｖｏ１Ｐ在ＷＬＡＮ上 传输受到了极大的。提高Ｖｏ１Ｐ在ＷＩａＹＮ上传输的容量 近年来，随着数据业务需求的不断增加，以ＩＥＥＥ ８０２。 ｌ１协议为基础的无线局域网（ＷＬＡＮ）的研究正逐渐成为人们 研究的热点。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合 的产物，是一种采用无线传输媒介的计算机局域网络，它以无 线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够 对于拓展ＷＬＡＮ的应用具有现实的意义。 有关文献分析了在ⅢＥＥ８０２．１１ ＡＰ覆盖范围内进行ＶｏＩＰ 传输时存在于ＡＰ和站点间的发送负载非平衡特性，提出了发 送负载均衡（ＴＬＢ）方法来提高可支持的ＶｏＩＰ容量数。通过在 ＡＰ中将下行的多个小ＩＩ）语音包封装成一个大的广播语音包 进行发送，降低ＡＰ下行数据发送的压力，均衡ｖｏ 链路的 上行和下行发送之间的负载量。这个ＴＬＢ机制的中心思想就 是改善ＡＰ下行发送数据包的重负载状况，通过将下行的多个 ＶｏＩＰ小的语音包在ＭＡＣ层上封装成一个大的广播语音数据 使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。 但是，采用无线信道进行信息传输也面临许多问题，比如： 网络安全性可靠性比较差，系统容量小而且覆盖范围难以控 制．这些问题都需要很好地解决。尤其是在用户负载较重的情 况下．如果不能很好地解决这些问题。可能会导致整个网络的 性能急剧恶化，严重时甚至会造成网络的瘫痪。为了使ＷＬＡＭ 技术得到更好更广泛的应用，下面就针对ＷＬＡＮ网络容量研 究现况进行讨论。 （一）负载均衡算法 负载控制就是为了在整个系统保持稳定和容纳更多的用 户。由于宽带无线业务具有实时性和动态性的特点，因此其整 个系统的业务流量呈波动变化，这就不可避免地存在“热点地 区”问题。如何均衡各个无线接入点的业务流量，最大限度地 满足接入服务，提高整个系统的容量，是ＷＬＡＮ网络面临的重大 问题。 包后再从无线媒介发送出去，各站点在接收到该广播语音包 后，进行解封装，提出对应自己的语音数据包部分，而将其他 的部分抛弃。经过理论分析和仿真实验，表明采用ＴＬＢ方法 后，ＷＬＡＮ支持ＶｏＩＰ传输的容量得到了极大的提高。 （二）ＴＲＰ的应用 在无线局域网中，无线信号会随着远距离传输急剧衰弱， 这同样会影响网络的吞吐量。为了降低这种信号的衰弱，提高 ｗＬＡＮ网络容量的方法还可以考虑增大无线ＡＰ的发射功率，扩大 无线ＡＰ的覆盖范围。ｗＬＡＮ中的功率控制可以分为两种，即：对 ＡＰ的功率控制以及对ＳＴＡ（无线工作站）的功率控制。对ＡＰ的 功率控制主要是完成了对目标空间的覆盖。由于ｓＴＡ通常是移 动设备，因此通过对ＳＴＡ的发射功率进行有效控制可以大幅度 地减ｄｘＳＴＡ发送数据包时所需的能耗，延长ＳＴＡ的工作时间。ＡＰ 有关文献指出了流量负载分布不均匀会导致不公平的带 宽分配，并提出了算法来解决用户ＡＰ的分配问题。提出的负载 均衡算法是利用集中式１ｖＬＡＮ网络结构，根据集中式控制器收集 到的接入点信息和站点信息进行的。一方面，它根据站点探测 请求信息，获知站点在网络中的位置：另一方面，它根据接入 点的当前业务量，获知其当前状态。基于这两类信息，可以对 关联到过载接入点上的、位于重叠区的站点实施迁移。该算法 能够使ＷＬＡＮ系统更有效地均衡各个无线接入点的业务流量，最 大限度地满足接入服务。 随着无线局域网的广泛应用，作为在有线网络中广泛应用 的覆盖范围主要取决于信号传输所造成的路径损耗，而路径损 耗的公式随应用场景的不同而发生改变。由于无线信道环境是 在不断变化的，因此最初的功率配置可能无法完全实现对目标 区域的覆盖，这样就会导致出现覆盖漏洞。为了解决这些问 的ＩＩ）语音（ＶｏＩＰ）技术必定会拓展到ＷＬＡＮ的应用中。负载均 衡的思想同样也用到了ＷＬＡＮ中的ＩＩ）语音传输上。ＶｏｌＰ是 将数字编码的语音打包后，在实时传输协议（ＲＴｅ）的控制下以 ＵＤＰ的模式传送。ＩＩ）语音的传输要求满足一定的时延、时延 题．就必须对网络中的ＡＰ进行动态的功率控制．通过调整发射 功率完成对漏洞的覆盖．但这种调整是极为复杂和费时的，因 为ＡＰ间的路径损耗与信号传输所经过的物理环境是密切相关 的．而且ＡＰ功率的调整还可能会对与其相邻的共道ＡＰ造成干 【收稿日期】２００７—１０—０３ 【作者简介】蔡琳（１９８５一），江苏靖江人，南京邮电大学通信工程专业硕士研究生，主要研究领域为组网技术和网络规划。 ．１９． 维普资讯 http://www.cqvip.com
扰，同时调整ＡＰ的发射功率来完成覆盖只会影响到下行链路的 覆盖区域。不会对上行链路产生影响。 根据前面的分析，可以考虑在．ＡＰ中采用Ｍ瑚Ｏ技术。ＭＩＭＯ 技术可以调整部分．ＡＰ的功率和天线的方向图，通过方向图的改 变可以完成对漏洞的覆盖，不需要对整个网络进行调整。所以 不会对网络中其他ＡＰ造成干扰。这对于．ＡＰ较多的大规模ｗＬＡＮ 是非常有意义的。 当需要连接的两个地方相隔比较远，无线．ＡＰ无法直接对其 连接，或者是之间存在障碍物，不能够直接连接的时候，可以 通过在中间放置更多的无线．ＡＰ作为中继器，利用无线．ＡＰ的接力 值，Ｔ（Ｉ，Ｐ， ）是一个ｘ１％特的数据包从参考功率为Ｐ的传送机 到达数十米以外的接收机的期望传送时间。我们把可以安装 １ｌ 的地区标记为ｓ。利用公式（１），我们得出以下最优化问 题： Ｏｂｊ∞价。： 丽， Ｖｉ ： … ２ｚ（２） ｓ．ｔ．（ｋ 功能，将无线信号从一个中继点传递到下一个中继点，并形成 新的无线覆盖区域，从而达到延伸无线网络覆盖范围的目的。 但这种方法不是在任何情况都能实施的。在布线花费太高或者 ０ 。 很明显，这个问题很难直接求解，我们可以考虑把整个网 络分成Ｑ 个相同大小的扇形区域，每个扇形区域又被分成 不可能的环境下，安装很多的无线．ＡＰ会大大提高了网络成本。 因此引进了在ＷＡＬＮ中布置ＴＲＰ的方法，这种中继结构能够在移 动主机和与其相连的接入点之间无线地转发数据来提高ＷＬＡＮ 的容量。我们把ＴＲＰ看作是不可移动的设备。下面就来讨论如 何在网络中布置ＴＲＰ，使得在尽可能少地使用ＴＲＰ的情况下达到 较好的网络性能。 我们的研究目标是使用ＴＲＰ提高基本服务集ＢＳＳ（Ｂａｓｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｔ）的吞吐量。为了简单起见只考虑单一的ＢＳＳ场景。 在ＢＳＳ中，有一个连接￣ＵＩＳＰ网络的ＡＰ，这个．ＡＰ为本地区域提供 无线覆盖。此外，所有的Ⅲ和．ＡＰ通过单个的信道相连。因此， 在任何时候只允许有一台传送机传送，在ＢＳＳ内同时传送会导 致碰撞的发生。在实际情况和经济不允许的环境下要提高一个 ＢＳＳ的吞吐量而不使用其他的无线资源，就得提出ＴＲＰ转发。图 ｌ给出了原始的ＢＳＳ和带有ＴＲＰ的ＢＳＳ之间的区别。 基本服务集ＢＳＳ 带ＴＫＰ的基本服务集ＢＳＳ 图１ 基本服务集和带ＴＫＰ的基本服务集ＢＳＳ １．ＴＲＰ的最优布置 我们把ＴＲＰ布置问题看成一个最优化问题。通过拉氏松弛 （Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）和次梯度算法（ｓｕｂｇｒａｄｉｅｎｔ）求解 最优解。 图２描述了一个简单的例子，在一个公园的中心安装一个 ＡＰ，这个ＡＰ在半径为Ｌ的蜂窝小区内提供无线覆盖。为了增强 网络的吞吐量，ＴＲＰ需布置在能使．ＡＰ和不同的Ⅲ之间平均原始 数据包处理时间最小的地方。矢量ｄ代表和ＡＰ相关的ＴＲＰ的位 移，矢量 表示预先定义的参考基线和ＴＲＰ所在射线间的夹角。 Ⅲ分布在网络的覆盖区域，密度函数是ｆ（１，ｅ）。期望值的计 算公式是 ｛。 。ｆ（ｚ，０）ｍｉｎｉ ，（ｚ），删 Ｔ（ｚ，ｄ ，０， ）］ａｇｄ ０（１） （，）表示当Ⅲ直接和．ＡＰ通信时的数据包处理时间期望 ．２０． ｎＩｘ ，个相同长度的小区ｃｅ１１，（６， ）表示１ＲＰ的候选位置， ｎ 警 镶 … ～≯～ 、鬻 ～秘ｊ 霉 糯 哦旃帮 图２一个公园的ＴＫＰ最优布置问题 为了更方便得到 丽的最小值，我们定义集合ｘ，Ｙ： ：，ｆ 其ＴＲ他Ｐ被设置在ｃ６， 。 ｙ ：Ｊｌ ， （６，ｆ）被 （ｉ，Ｊ）使用 ０，其他 （４） 因此，公式（２）重新记为： ｍｘｌ ｎ：毫 …Ｔ （ｆ）ｙ ，＋ ｚ ｅ － （ｆ， ，川ｙ 】 （ ） －Ｙ。 。，咤乳 ，：ｌ，ｖ（ｆ，－，） ‘６ １ ￣０ｍ毛－ Ｘ ，＝Ⅳ ‘ 。Ｘ…、＝１ （８） Ｙ（ ）ｆ（ ， ）一Ｘ（ ０，Ｖ（ｉ，ｊ），（ ， ）， （９） 。 ） ｘ ＝０，ｖ（ａ，ｆ） Ｓ’（１０） ，维普资讯 http://www.cqvip.com 目标函数（５）是就网络数据包处理时间总和的最小值。 ●Ａ”很小 由于二进制约束条件（３）和（４）的存在，不能用标准线性规 划方法求解上述公式。接下来就介绍了拉氏松弛迭代算法。 否则，算法重新回到第二步。 ３．算法改进 ＴＲＰ的引入很好地改善了ＷＬＡＮ的容量问题，尤其是在室外 不方便布线的地方。再根据上述提出的最优算法计算出ＴＲＰ的 最佳布置点，能使ｗＬＡＮ网络吞吐量最大。在使用拉氏松弛迭代 ２．拉氏松弛迭代算法 带有次梯度迭代的拉氏松弛法是一种为ＮＰ一难度问题提 供近似解的有效技术。考虑到ＴＲＰ配置公式的特殊参数，用以 下的迭代算法求解最优值： （１）建立函数 ｍａｉｍ ？一ｌ 。 ｏ ０ ，＋ 。 ¨Ｔ （ｆ）一 ｙ ｎ 。 薹 。蓦 （ｆ， ， ， ）一 】 ｓ・ ・满足（ ）（８）（９）（ ０） ， 是拉格朗日乘子。（“） ，（２）求解 由于拉各朗日乘子是确定的值，也就是所有拉格朗日乘 子之和是一个常量。为了求（１１）的最小值，我们开始计算 ｌｒ】＝Ｚｋ Ｚ ｎ（０ （ｆＪ，ｆ）～ Ｊ）（１２） ， ，闰ｊ＝ｏ 找到Ｎ个 的最小值，设与其对应的 ＝１，其 ｆ ｆ ＬＯ，ｒ 他的 一。。 （３）更新上下限 在每个迭代过程中，需要确定原始目标函数（１１）的上下 限。上限就是从第二步得出的次最优解，此时已经选择了ＡＰ 和Ｎ个ＴＲＰ候选点，而当前叠代的下限就是目标函数（１１）。 （４）更改拉格朗日乘子 在次梯度最优化过程中会修改拉格朗日乘子。在第ｎ步迭 代时，首先根据（１３）计算出该次迭代大小，ＵＢ和Ｌ是直到当 前迭代的最优上下限， 是 第ｎ次迭代的最优值， 是如下更新的常量。以 ‘ ２任意小正数开始，每次迭 代时如果Ｌ在 个连续迭代中都没有增加，则Ａ 的值减 半。拉格朗日乘子就以下面公式（１４）更新。 ｆ一＝ ∑ ：ｉ∑： 【】， 。。：！ ＋∑ ： 二生：２ ｉｅ ｇ－ ．～Ｙ ，一１］ （１３） Ｏ．Ｊ：ｍ 。， ｆ一（ 。 ＋耋 １）１‘ ４ （５）算法迭代和终止 当满足以下任何一个条件时算法终止： ●完成了预先定义的迭代步数； ●上限等于或者非常接近于下限； 算法计算最优值的时候，第二步的计算量最大，还有待改进， 可以考虑应用对称机制，减少计算 ，＂／７Ｊ的次数，从而简 化算法，降低算法复杂度。 由于网络被分成大小相同的扇区，根据对称的原理只需要 考虑一个扇区，而不需要考虑整个网络。假定要布置Ｎ个ＴＲＰ， 对Ｎ进行素数分解，并以递增的顺序保存于矢量ｗ中。对网络进 行扇形分割的方法不止一种，总的方法数记为ｎｕｍ＿ｗａｙ，也就 是ｗ的长度。则有如下算法： Ｓｔｅｐ ０：首先，定义如下变量： Ｓｔａｔｅ＝１，表示算法的当前状态。 ｃｕｒｒｅｎｔ ｎｕｍ ｓｅｃｔｏｒ＝Ｎ，表示算法的当前迭代 的同尺寸的扇区数目。 ｃｕｒｒｅｎｔ ｎｕｍ ＴＲＰ ｐｅｒ ｓｅｃｔｏｒ＝１．表示当前迭 代中布置在每个扇区的ＴＲＰ的数目。 Ｓｔｅｐ １： 与原算法第一步同 Ｓｔｅｐ ２ａ： 与原算法第二步同 Ｓｔｅｐ ２ｂ： 如果ＣｕⅡｃ册ｔ ｎｕｍ ＴＲＰ ｐｅｒ ｓｅｃｔｏｒ＋１个 ｖ（ａ．ｆ、的最小值相等Ｊ￣ｓｔａｔｅ＜ｎｕｍ＿ｗａｙ，则执行下列步骤： ｓｔａｔｅ＝ｓｔａｔｅ＋ｌ， ｃｕｒｒｅｎｔｎｕｍｓｅｃｔｏｒ —ｃｕｒｒｅｎｔｎｕｍ＿—ｓｅｃｔｏｒ／ｗ［ｓｔａｔｅ］， ｃｕｒｒｅｎｔｎｕｍＴＲＰ－Ｊ）ｅｒｓｅｃｔｏｒ： ———ｃｕｒｒｅｒｌｔ＿ｎｕｍ ｓｅｃｔｏｒ，且 合并Ｗ［ｓｔａｔｅ］个相邻扇区。 Ｓｔｅｐ ３：与原算法第三步同 Ｓｔｅｐ ４：与原算法第四步同 Ｓｔｅｐ ５：与原算法第五步同 这样算法就大大简化了，减少了计算量。同时为了使ＴＲＰ更 好地应用于各种网络环境中，还应考虑系统参数，比如路径损耗， ＡＰ和ＴＲＰ的功率以及可用的 量等，ｘ￣ｒＲＰ的最优布置的影响。 哪些地方应该多布置ＴＲｉＰ，哪些地方可以少量使用ＴＲｉＰ，都是根据 不同的网络环境变化的， 还有待进一步的研究。 【参考文献】 【１】Ｙ、Ｂｅｊｅｍｎｏ，Ｓ．Ｈａｎ，ａｎｄ Ｌ、Ｌｉ， “Ｆａｉｎｒｅｓｓ ａｎｄ Ｌｏａｄ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ，” Ｐｒｏｃ．ＡＣＭ ＭｏｂｉＣ０１２１，ＰＰ．３１５－３２９， Ｓｅｐｔ．２００４、 【２】陈立全，胡爱群、ＷＬＡＮ上ＶｏｌＰ容量提高的新方法Ⅲ．东南 大学学报（自然科学版），２００６．７． 【３】陈侃，李华，潘春建，谭红艳、集中式ＷＬＡＮ网络无线资 源管理研究Ⅱ］计算机工程，２００７、４、 ．２１．
