ＩＥＥＥ ８０２．１１寬帶無線局域網(wǎng)負(fù)載均衡優(yōu)化研究

摘 要：在基于IEEE 802.11的寬帶無線局域網(wǎng)中，隨著終端STA的接入、移動(dòng)和無線信道的時(shí)變性，各個(gè)接入點(diǎn)（AP）的負(fù)載將會(huì)產(chǎn)生差異，需要負(fù)載均衡優(yōu)化機(jī)制平衡各個(gè)AP的差異，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源的最大利用率。詳細(xì)討論了無線局域網(wǎng)中用到的幾種負(fù)載均衡機(jī)制，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合這些特點(diǎn)給出一種新的負(fù)載均衡機(jī)制。該機(jī)制能較準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)終端業(yè)務(wù)信息，降低切換失敗風(fēng)險(xiǎn)，快速達(dá)到APs之間的負(fù)載均衡，優(yōu)化提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。

關(guān)鍵詞：IEEE802.11； 無線局域網(wǎng)； 負(fù)載均衡

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)07-2135-03



Study on load balancing of IEEE 802.11 bandwidth WLANs

LIU Yan-bing1，2， YANG Qian-hui2， SUN Shi-xin1

(1.College of Computer Science， University of Electronic Science Technology of China， Chengdu 610054， China; 2.College of Computer Science Technology， Chongqing University of Post Telecommunications， Chongqing 400065， China)

Abstract:In the wireless local area networks based on the IEEE 802.11， each AP’s load is different because of the accesses and movements of Stations (STAs) and the time varying of wireless channels. Load balancing is required to balance the diversity of access points (APs) to maximize utilization of network resource. This paper provided a comprehensive study of different load balancing mechanisms， then gave a novel load balancing mechanism. This mechanism can exactly collect statistical traffic information of stations， reduce risk of handoff failure， achieve load balance of APs rapidly， and improve performance of the whole network.Key words：IEEE 802.11; wireless LANs; load balancing

0 引言

基于IEEE 802.11的寬帶無線局域網(wǎng)由于其低成本和快速接入IP網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前在機(jī)場、會(huì)展中心、咖啡廳和酒店等熱點(diǎn)地區(qū)利用無線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行覆蓋，為用戶提供高寬帶的無線接入。無線局域網(wǎng)有兩種工作模式，即獨(dú)立基本服務(wù)集和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)集^[1]。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于AP的發(fā)射功率小，覆蓋范圍有限，在一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集中需要多個(gè)AP以擴(kuò)大通信范圍。當(dāng)終端上電或者漫游出當(dāng)前AP小區(qū)時(shí)，終端通常是選擇收到信號強(qiáng)度(RSSI)最大的AP建立連接，這將導(dǎo)致某些APs超載，而其他的APs不能得到很好的利用，這樣將增加網(wǎng)絡(luò)的擁塞，造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，使網(wǎng)絡(luò)的整體性能下降。通過研究發(fā)現(xiàn)，無線局域網(wǎng)的負(fù)載均衡機(jī)制可以歸納為STA主控負(fù)載均衡機(jī)制^[2，3]、AP主控負(fù)載均衡機(jī)制^[4~8]和小區(qū)呼吸負(fù)載均衡機(jī)制^[9]三類。

無線接入網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)的研究還處于開始階段，標(biāo)準(zhǔn)尚未提出可行、可靠的解決方案；另一個(gè)研究課題是移動(dòng)性對無線接入網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量的影響也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文以結(jié)構(gòu)服務(wù)集為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)的基于RSSI的連接方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化：在終端接入的過程中，同時(shí)考慮RSSI和AP當(dāng)前的實(shí)際負(fù)載。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法能使網(wǎng)絡(luò)的整體性能得到提高，這對無線局域網(wǎng)進(jìn)一步提高QoS具有重要參考作用。

1 現(xiàn)有負(fù)載均衡機(jī)制

1．1 STA主控負(fù)載均衡機(jī)制

在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中，終端STA是控制連接和漫游過程的實(shí)體。在一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集ESS中，AP的覆蓋區(qū)域通常是相互重疊的，在重疊區(qū)域的移動(dòng)終端可以與任一能夠提供足夠信號強(qiáng)度的AP連接。現(xiàn)有連接技術(shù)迫使終端與信號強(qiáng)度最大的AP進(jìn)行連接，這種方法容易造成信號強(qiáng)的AP擁塞，而另一些APs空閑，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率低下。僅僅靠接收到的信號強(qiáng)度作為接入或切換的條件是片面的。一種可取的方法是平衡接收到的信號強(qiáng)度和AP的利用率，終端一方面要選擇能夠保證自己正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁P；另一方面通過選擇具有較低負(fù)載的AP以避免單個(gè)AP的飽和。一些廠家生產(chǎn)的AP^[10~12]在它們的信標(biāo)幀中通知AP的利用率。目前有大量研究集中在改進(jìn)接入和切換的條件。

Papanikos等人^[13]提出，當(dāng)終端發(fā)送探求請求后，APs在它們的探求響應(yīng)幀中提供所連接的終端數(shù)量、所連接終端的平均RSSI和從請求終端收到的RSSI，終端利用這些信息為所有可達(dá)的APs計(jì)算一個(gè)權(quán)值，然后與具有最低權(quán)值的AP連接。 Ekici等人^[2]提出了一種預(yù)連接算法，每個(gè)終端對AP貢獻(xiàn)的負(fù)載與該終端的連接速度成反比，與能夠提供最高有效數(shù)據(jù)速率的AP進(jìn)行連接。

1．2 AP主控負(fù)載均衡機(jī)制

AP主控負(fù)載均衡機(jī)制的核心思想是：AP處于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，AP之間通過分布式系統(tǒng)連接，相互之間可以在不影響STA業(yè)務(wù)的情況下相互傳遞負(fù)載均衡相關(guān)的信息。一個(gè)新的終端發(fā)送連接請求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)端考慮鄰近AP小區(qū)的負(fù)載和終端的需求，決定將新的終端連接到合適的AP。例如當(dāng)AP出現(xiàn)擁塞時(shí)，將拒絕新的終端接入；當(dāng)某個(gè)AP出現(xiàn)超載時(shí)，AP決定將一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)終端切換到另一個(gè)AP小區(qū)以降低網(wǎng)絡(luò)擁塞。

文獻(xiàn)[4~8]均采用AP主控負(fù)載均衡機(jī)制，使得AP之間的負(fù)載達(dá)到平衡。文獻(xiàn)[4~6]利用中心服務(wù)控制器提供負(fù)載均衡服務(wù)，中心服務(wù)控制器搜集每個(gè)AP的負(fù)載狀態(tài)，能夠較準(zhǔn)確地決定終端與哪個(gè)AP相連。在文獻(xiàn)[4]中，中心服務(wù)控制器除了提供最優(yōu)AP連接外，如果鄰近APs不能滿足STA的要求，中心服務(wù)控制器還建議終端切換到更遠(yuǎn)的AP。文獻(xiàn)[4]中，Bejerano等人提出不考慮終端的地理位置，網(wǎng)絡(luò)端對終端進(jìn)行公平帶寬分配，最大化每個(gè)終端的公平性。在文獻(xiàn)[6]中，考慮了不同業(yè)務(wù)產(chǎn)生的負(fù)載，不僅能夠有效控制STA的接入，平衡各個(gè)AP之間的負(fù)載，而且提供了QoS保證。這些機(jī)制最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)利用率，但是容易造成瓶頸。

1．3 小區(qū)呼吸負(fù)載均衡機(jī)制

小區(qū)呼吸技術(shù)開始是用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，即指小區(qū)的覆蓋范圍隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)增加、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大而減小。在文獻(xiàn)[8]中，O. Brickley等人采用小區(qū)呼吸技術(shù)平衡APs間的負(fù)載，以此來提高網(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)質(zhì)量。AP通過改變它的發(fā)射功率，重新配置它的覆蓋范圍，降低發(fā)射功率將減小該AP的覆蓋范圍，使得終端數(shù)減少，從而降低無線媒體上的碰撞率；反之，當(dāng)增加AP的發(fā)射功率時(shí)，將有效擴(kuò)大該AP的覆蓋范圍。

在圖1中，AP1只有STA1與之相連，其余終端都與AP2相連。如果所有終端都有相同的數(shù)據(jù)傳輸，那么AP2的負(fù)載將比AP1的負(fù)載高，于是AP2通過降低發(fā)射功率與離自己最遠(yuǎn)的STA3斷開連接，STA3將與AP1相連，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到平衡。但是此時(shí)有可能出現(xiàn)這樣的情況，比如終端1、2、3、4提供的業(yè)務(wù)量分別是6 Mbps、2 Mbps、5 Mbps、1 Mbps，在沒有執(zhí)行小區(qū)呼吸技術(shù)之前，AP1為6 Mbps、AP2為8 Mbps，執(zhí)行小區(qū)呼吸技術(shù)后，AP1為11 Mbps，AP2為3 Mbps，AP1和AP2的負(fù)載差異更大。所以，在執(zhí)行小區(qū)呼吸技術(shù)的過程中，AP與最遠(yuǎn)的終端斷開連接不一定是最優(yōu)的選擇，AP需要搜集終端的業(yè)務(wù)信息，統(tǒng)計(jì)終端業(yè)務(wù)等級，測量出真實(shí)負(fù)載。

2 負(fù)載分配算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1 基本思想

IEEE 802.11工作在2.4 GHz頻段上，使用14個(gè)可用信道的前面11個(gè)信道，信道1、6和11是不相互重疊，彼此之間不存在干擾。在該算法中，假設(shè)AP之間的覆蓋區(qū)域相互重疊，相鄰AP工作在互不干擾的信道上。在IEEE 802.11無線局域網(wǎng)中，終端通過主動(dòng)掃描或被動(dòng)掃描方式得到AP的信息。在被動(dòng)掃描模式下，終端通過在每個(gè)AP的可用信道上偵聽信標(biāo)幀得到AP的相關(guān)信息。在主動(dòng)掃描模式下，終端在特定信道上發(fā)送探詢請求幀，通過收到AP的探詢響應(yīng)幀而獲知AP的信息，如時(shí)間戳、信標(biāo)幀間隔等信息。因此可以通過擴(kuò)展信標(biāo)幀或探詢響應(yīng)幀的信息字段增加AP的負(fù)載信息，以達(dá)到AP的最優(yōu)選擇。在本文的優(yōu)化算法中，采取主動(dòng)掃描得到AP的相關(guān)信息。終端主動(dòng)掃描與AP建立連接的過程如圖2所示。為了使終端與AP之間更好地交互信息，需要擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中的探詢請求幀和探詢響應(yīng)幀結(jié)構(gòu)，在探詢請求幀結(jié)構(gòu)中增加終端發(fā)送需要占用的帶寬，探詢響應(yīng)幀結(jié)構(gòu)中增加AP統(tǒng)計(jì)到的負(fù)載信息。終端收到探詢響應(yīng)幀后，得到可利用AP的RSSI和負(fù)載信息。

文獻(xiàn)[14]提出的ISL函數(shù)能很好地描述RSSI與負(fù)載之間的關(guān)系，借助式（1）函數(shù)定義一個(gè)權(quán)值函數(shù)Wi:

其中：1≤i≤n，n表示向終端響應(yīng)探詢響應(yīng)幀的AP個(gè)數(shù)；li表示第i個(gè)AP的負(fù)載；l是終端探測到可用AP的平均負(fù)載；Sα是RSSI的最低門限值；Lα是AP能夠承受的最高負(fù)載。終端提取探詢響應(yīng)幀的負(fù)載信息，求出最大權(quán)值，終端向最大Wi的AP發(fā)送連接請求建立連接。

2．2 算法描述

通過以上分析研究，本文考慮在終端接入的過程中，同時(shí)考慮AP的RSSI和負(fù)載，整個(gè)負(fù)載均衡的算法過程中需要終端和AP的共同參與。設(shè)計(jì)的算法描述如下：

a）終端（STA）

（a)終端在信道上發(fā)送探詢請求幀，包括自己發(fā)送將占用的帶寬，啟動(dòng)定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。

（b)終端若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到探詢響應(yīng)幀，轉(zhuǎn)（c)；否則轉(zhuǎn)（a)。

（c)終端從探詢響應(yīng)幀中提取負(fù)載信息，比較相關(guān)信息是否與自己的相符，保存Ri和Li。

（d)終端掃描完所有信道后，計(jì)算權(quán)值Wi，保存Wi值，向權(quán)值Wi值最大的AP發(fā)送連接請求。

b）AP端

（a)AP收到探詢請求幀后，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前自身的負(fù)載信息，包括新終端加入后的負(fù)載。

（b)如果AP的負(fù)載沒有超過最大門限值，則構(gòu)造探詢響應(yīng)幀，向終端發(fā)回；否則轉(zhuǎn)（c)。

（c)AP不向終端發(fā)送探詢響應(yīng)幀。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

下面利用仿真工具對提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證。仿真場景：覆蓋面積是1 000×1 000 m2，實(shí)驗(yàn)中共有3個(gè)AP，AP帶寬是2 Mbps，各個(gè)AP之間相互重疊，分別工作在信道1、6和11，以降低相互之間的干擾，采用DCF信道訪問方式。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，AP1有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，AP2有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，AP3有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，將有終端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，在重疊區(qū)域的終端根據(jù)收到的信號強(qiáng)度和負(fù)載信息連接到相應(yīng)的AP。在實(shí)驗(yàn)中，本文設(shè)所有STA的負(fù)載均為200 kbps。根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)，由于AP1具有最強(qiáng)的信號強(qiáng)度，在重疊區(qū)域新加入的終端不考慮負(fù)載都將與AP1進(jìn)行連接，終端的接入造成AP1的負(fù)載量超過它所能承受的最大值，AP1的吞吐率隨著負(fù)載的增加而降低，造成數(shù)據(jù)包的丟失，影響系統(tǒng)的整體性能。圖3表示新終端接入前和接入后AP1吞吐量的變化情況。

圖4表示新終端接入前系統(tǒng)的吞吐量、新終端在接入的過程中只考慮信號強(qiáng)度以及同時(shí)考慮信號強(qiáng)度和負(fù)載時(shí)的吞吐量變化情況。從圖中可以看出，終端只考慮信號強(qiáng)度時(shí)，新終端均與AP1連接，使得AP1超載，終端碰撞加劇，造成系統(tǒng)的整體性能下降。但是終端在接入的過程中同時(shí)考慮信號強(qiáng)度和負(fù)載時(shí)，新終端的接入使得系統(tǒng)的吞吐率得到提高。

圖5表示系統(tǒng)延遲。在重疊區(qū)域的終端通過主動(dòng)掃描得到所有可利用AP的信息，通過計(jì)算結(jié)果，新終端將與權(quán)值最大的AP3進(jìn)行連接，減小了碰撞率，降低了系統(tǒng)延遲，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

4 結(jié)束語

在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中，終端在接入和漫游的過程中通常選擇收到信號強(qiáng)度大的AP建立連接，導(dǎo)致AP之間差異太大，浪費(fèi)了無線資源，造成系統(tǒng)性能下降。本文針對這一情況，進(jìn)行了改進(jìn)，新終端在接入的過程中同時(shí)考慮信號強(qiáng)度和各個(gè)AP的負(fù)載信息。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，綜合考慮信號強(qiáng)度和負(fù)載信息能提高系統(tǒng)的整體性能，降低

系統(tǒng)的延遲。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”