無線局域網(wǎng)的動態(tài)切分與重構(gòu)

許士博　劉曉蘭　任豐原

(清華大學計算機科學與技術(shù)系　北京 100084)

(xshbo@csnet1.cs.tsinghua.edu.cn)

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無線局域網(wǎng)的動態(tài)切分與重構(gòu)

許士博劉曉蘭任豐原

(清華大學計算機科學與技術(shù)系北京 100084)

(xshbo@csnet1.cs.tsinghua.edu.cn)

Splitting and Restructuring a WLAN Dynamically

Xu Shibo, Liu Xiaolan, and Ren Fengyuan

(DepartmentofComputerScienceandTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084)

AbstractDue to user mobility and favorite of collective activities, the distribution of users in WLANs is seriously uneven and changeable. When a lot of users congest in a WLAN, the WLAN performance degrades and the user experience becomes worse. To address dynamical congestion in a WLAN, existing solutions are unpractical. In this paper, through introducing shadow access point (SAP) and station mapping, a solution called splitting and restructuring dynamically (SRD) is proposed, and formal analysis of station mapping and performance is conducted, and an algorithm for the optimal mapping is devised. According to the change of WLAN status, SRD can dynamically split an overcrowded WLAN to multiple sub-WLANs and restructure them into a centralized WLAN. So, the distribution of stations in all sub-WLANs can be monitored and controlled centralizedly. SRD can reduce the number of stations in each sub-WLAN, and improve user throughput and alleviate the impact of both collisions and multi-rate. The simulation results show that SRD can improve the WLAN throughput a lot. Besides, SRD requires no modifications on user devices.

Key wordswireless local area network (WLAN); access point (AP); occasionally crowded; shadow AP (SAP); station mapping

摘要因用戶的游移和喜好集會活動，用戶在無線局域網(wǎng)(wireless local area network, WLAN)中的分布是非常不均勻的且是動態(tài)變化的.當1個WLAN的用戶數(shù)量很大時，整個網(wǎng)絡(luò)和每個用戶的吞吐量都會大幅下降.對于1個WLAN范圍內(nèi)的間歇擁塞問題，已有的性能改進方法存在一些不足.因此，提出了1套WLAN動態(tài)切分與重構(gòu)的方案SRD(splitting and restructuring dynamically)，引入了影子AP(shadow access point, SAP)和終端映射2個概念，并對終端映射和方案的整體性能進行了形式化分析，設(shè)計了最優(yōu)映射的計算方法.該方案能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載及狀態(tài)的變化，動態(tài)地將1個擁擠的WLAN切分成若干子網(wǎng)，并重構(gòu)成1個微型的集中式架構(gòu)的WLAN，從而對各子網(wǎng)中的終端分布進行監(jiān)控.因此，該方案能大幅減少1個子網(wǎng)中的終端數(shù)量，提高用戶吞吐量，緩解沖突和異構(gòu)速率的影響.仿真結(jié)果表明，該方案能成倍地提高網(wǎng)絡(luò)及每個用戶的吞吐量，此外，該方案的部署不需要用戶終端設(shè)備作任何的更改.

關(guān)鍵詞無線局域網(wǎng)；接入點；間歇擁塞；影子AP；終端映射

當前，無線接入點(access point, AP)被廣泛地部署在很多公共場所，為了以最低的成本覆蓋最大的面積，AP的部署在地里位置上一般都是均勻分布的，尤其是那些由運營商、單位、學校、小區(qū)統(tǒng)一批量部署的AP.然而，用戶在無線局域網(wǎng)(wireless local area network, WLAN)中的分布是嚴重不平衡且動態(tài)變化的.比如,在學校白天用戶大都集中在教室和圖書館，就餐時間則會轉(zhuǎn)移到食堂，而晚上又聚集到宿舍.1個更為具體的實例，在2008年ACM SIGCOMM大會上，WLAN活躍用戶的數(shù)量在5～90之間周期地波動[1].在用戶比較擁擠的WLAN中，網(wǎng)絡(luò)和每個用戶的吞吐量都比較低,由于用戶不規(guī)則的游移，總有些AP會間歇(偶發(fā))地處于擁塞狀態(tài).本文的研究重點和目標就是解決小范圍內(nèi)的間歇擁塞問題，即當1個WLAN范圍內(nèi)聚集很多用戶時，提升WLAN和每個用戶的吞吐量.

在用戶很多時吞吐量較差的主要原因有3個：1)每個用戶所能分得的傳輸機會減少；2)隨著用戶數(shù)量的增多，因同時發(fā)送引發(fā)的沖突增多，影響了網(wǎng)絡(luò)的性能；3)異構(gòu)速率(也稱為性能異常(perfor-mance anomaly)[2])和異構(gòu)傳輸模式的影響，用戶越多設(shè)備的異構(gòu)性和傳輸距離的差異越大，異構(gòu)速率和異構(gòu)傳輸模式的影響也就越大，這進一步降低了網(wǎng)絡(luò)性能.

學術(shù)界為解決以上問題，已有很多的研究和成果.文獻[3-4]將移動通信中的小區(qū)呼吸技術(shù)引入到WLAN中，可以動態(tài)地減少1個WLAN中的用戶數(shù)，以提升每個用戶分得的帶寬.文獻[5-6]使用非分布式協(xié)調(diào)功能DCF(distributed coordination function)的方法來避免或減少沖突.文獻[7-10]分別使用了不同的方法來緩解異構(gòu)速率的影響.然而，以上所有方法與現(xiàn)有終端設(shè)備都是不兼容的，它們需要修改用戶的終端設(shè)備.由于終端設(shè)備大都屬于用戶個人所有，以上條件在現(xiàn)實中難以得到滿足.

在現(xiàn)實中，為緩解間歇擁塞帶來的壓力，可以臨時地部署一些普通AP或移動AP(也稱為便攜AP).但是，在大部分環(huán)境下，AP的連線很不方便.此外，因移動AP的回程鏈路是移動通信網(wǎng)絡(luò)，其帶寬容量有限且流量收費，主要適用于個人.另一方面，即使臨時地部署了一些AP或移動AP，用戶在各AP之間的恰當分配也無法實現(xiàn)和保證.已證實，用戶在AP間的分配是1個影響WLAN性能的重要因素[3]，因為WLAN的性能不僅與用戶的數(shù)量有關(guān)，還與各用戶傳輸?shù)膱笪拇笮　鬏斔俾矢叩偷纫蛩赜嘘P(guān).

為提升小范圍間歇擁塞情況下網(wǎng)絡(luò)及用戶的吞吐量，本文提出一套無線局域網(wǎng)動態(tài)切分與重構(gòu)的方案SRD(splitting and restructuring dynamically).該方案的核心思想是將1個WLAN重構(gòu)成1個微型的集中式(centralized)架構(gòu)的WLAN，通過動態(tài)地調(diào)整其拓撲結(jié)構(gòu)來保持最優(yōu)的性能.因為現(xiàn)有的AP無法方便、有效地解決間歇擁塞問題，為此，SRD引入了1種特殊的AP，即影子AP(shadow AP, SAP)，SAP能實現(xiàn)WLAN的切分，且使用高吞吐量的WLAN作為回程鏈路.同時，本文將用戶在AP之間的分配形式化為終端映射問題，并對該問題進行了分析和求解，提出了1個啟發(fā)式算法.利用以上概念和方法，SRD能將1個WLAN動態(tài)地切分為多個子網(wǎng)(sub-WLAN)，這樣可以實現(xiàn)：

1) 多個子網(wǎng)在多個信道上進行并行傳輸，提升信道傳輸容量，減少1個子網(wǎng)中的用戶數(shù)量，減少沖突.

2) 通過動態(tài)地、有策略地調(diào)整終端映射，能保證用戶在AP之間的最佳分配，緩解異構(gòu)速率和異構(gòu)傳輸模式的影響.

與已有的方法不同，SRD的部署很簡便，不需在用戶終端設(shè)備上做任何改動.仿真結(jié)果表明，SRD不僅能提升WLAN的吞吐量，還能在一定程度上保證終端之間的公平.

1背景及相關(guān)工作

1.1背景

WLAN是基于IEEE 802.11[11]標準的，使用DCF工作模式.任何一個終端在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須先監(jiān)測信道，如果信道連續(xù)空閑時間達到了分布式幀間間隔(distributed inter frame space, DIFS)，該終端即進行發(fā)送，否則它將啟動1個由二進制指數(shù)退避(binary exponential backoff, BEB)算法控制的計時器.當該計時器達到零時，該終端將再次嘗試發(fā)送.如果只有1個終端在發(fā)送數(shù)據(jù)，該傳輸就能成功，否則就會發(fā)生沖突，傳輸失敗.可見,沖突是1個影響WLAN性能的重要因素.

DCF是1個為所有終端提供均等傳輸機會的資源分配算法，它不考慮各終端在物理層實際的傳輸速率，也就是說在一段時間內(nèi)所有終端傳輸?shù)膸瑪?shù)是均等的.所以，當不同傳輸速率的終端共存時，高速終端與低速終端的吞吐量是相等的[2]，這就是異構(gòu)速率問題.由于低速終端要花更長的時間去傳輸1個幀，所以異構(gòu)速率將損害WLAN的性能[2].當前，異構(gòu)速率的影響越來越明顯的2個原因是：1)隨著物理層傳輸速率的迅速提高，最低速率到最高速率之間的差距越來越大，在進行數(shù)據(jù)傳輸時，通過速率自適應(yīng)，終端可以采用任一支持的速率進行傳輸；2)從IEEE 802.11b到IEEE 802.11n，該標準系列都是向后兼容的，也就是說最新的標準必須能夠識別早期的傳輸模式和傳輸速率.此外，向后兼容性還引發(fā)了另外一個問題，即異構(gòu)傳輸模式.為了避免不兼容的傳輸模式之間的干擾，需要采用一些相應(yīng)的保護機制，比如RTSCTS(request to sendclear to send)和CTS-to-self，這些保護機制帶來一定的開銷，也影響了WLAN的性能[12].

隨著終端數(shù)量的增多，DCF的固有特性導致了3個后果：1)較多的終端意味著每個終端所能得到的傳輸機會很少；2)較多的終端意味著較多的沖突，這進一步減少了成功傳輸?shù)臋C會；3)較多的終端還導致了更嚴重的異構(gòu)速率和異構(gòu)傳輸模式的影響.所以，在用戶或終端比較擁擠的環(huán)境下，WLAN和用戶的吞吐量很低.

1.2相關(guān)工作

截止到目前，關(guān)于增加傳輸機會數(shù)量、減少沖突、緩解異構(gòu)速率和異構(gòu)傳輸模式影響的研究工作有很多，現(xiàn)簡要綜述如下.

為了增加傳輸機會數(shù)量，文獻[3-4]將移動通信中的小區(qū)呼吸技術(shù)引入到了WLAN中，它通過調(diào)整發(fā)送功率來調(diào)節(jié)AP的覆蓋范圍，從而改變網(wǎng)絡(luò)中的終端數(shù)量，減少網(wǎng)絡(luò)中的終端數(shù)就可以增多每個終端的傳輸機會，但該方法需要AP設(shè)備支持動態(tài)的功率控制.自IEEE 802.11n開始，幀聚合(frame aggregation)和塊確認(block-ACK)技術(shù)被用來提升WLAN的MAC(media access control)效率[13].從另一個角度看，這2項技術(shù)也可以增多傳輸機會，如果在1次傳輸中，利用幀聚合傳輸x個幀，那么傳輸機會相當于增多了x倍.關(guān)于幀聚合的研究也有不少，比如文獻[13-15]，在如何有效使用幀聚合方面，它們都有很好的參考價值.然而，一方面,由于等待和處理時延較大，幀聚合在現(xiàn)實中的應(yīng)用程度還不夠;另一方面,雖然1個聚合幀中允許有多個來自不同終端的子幀，但WLAN的拓撲結(jié)構(gòu)使得這種幀轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)象不會出現(xiàn).還有些研究試圖通過減少開銷來增多傳輸機會，文獻[16]提出了一種基于散列(hashing)的退避和無競爭的訪問方法，文獻[17]則提出了1個混合的信道預留競爭方法，雖然這些方法能有效地減少等待開銷，但它們需要修改終端設(shè)備，不便于部署.

為了避免沖突，文獻[5-6,16]提出了一些非DCF的方法，但它們與廣泛使用的DCF不兼容.小區(qū)呼吸技術(shù)也可以用來緩解沖突，通過減少1個WLAN中的終端數(shù)量，就可以減少沖突.然而，以上方法不適用于現(xiàn)有的用戶終端設(shè)備.

因為傳輸距離與傳輸速率之間有很強的相關(guān)性[9]，較遠的距離意味著較低的傳輸速率.為了緩解異構(gòu)速率影響、提升較遠終端的傳輸速率，文獻[9-10]提出了中繼的方法，中繼結(jié)點部署在AP與較遠終端之間，這樣，從較遠終端到中繼結(jié)點、從中繼結(jié)點到AP的傳輸速率就能得到提升(距離縮短了).經(jīng)過2跳高速鏈路傳輸1個幀的時間要小于經(jīng)過1跳低速鏈路的傳輸時間，這樣也就提高了傳輸性能.中繼方法能從一定程度上減緩異構(gòu)速率和異構(gòu)傳輸模式的影響，但它有2方面的缺陷：1)如果低速終端的傳輸速率已經(jīng)是它所能支持的最高速率了，中繼方法不僅不能帶來任何好處，還會增加開銷；2)對于每個被中繼的幀來說，要至少經(jīng)歷2次基于DCF的傳輸，所以中繼效率很低、開銷很大.此外，為解決異構(gòu)速率影響，文獻[7-8]提出了傳輸時間公平(airtime fairness)的信道分配方法，但它們與現(xiàn)有標準不兼容.

此外，新發(fā)布的IEEE 802.11ac[18]不僅支持更高的傳輸速率，還能在5 GHz頻段上使用更多的非重疊信道.然而，越高的傳輸速率意味著越低的MAC效率[13]和越嚴重的異構(gòu)速率影響，所以，僅靠提高傳輸速率來提高性能其效果是有限的.

在現(xiàn)實中，為緩解間歇擁塞，部署一些臨時AP是1個簡單直觀的方法.但是，一方面，靜態(tài)部署的成本很高，因為無法確定擁塞會在何時出現(xiàn)在何地，只能盡量多地部署一些冗余AP；另一方面，動態(tài)部署又很不方便，主要是線纜連接困難.雖然移動AP無需線纜，但它們的回程鏈路一般是移動通信網(wǎng)絡(luò)，所以帶寬容量有限且流量是收費的.更重要的是，無論部署以上哪種AP，都不能保證終端在AP之間的合理分配，這也很大程度地影響著WLAN的性能.

此外，成熟的mesh網(wǎng)絡(luò)雖然能解決無線接入問題，比如IEEE 802.16j中的中繼機制，但它主要解決的是無限覆蓋、移動、接入和組網(wǎng)問題，有1套完整的管理機制和協(xié)議，適用于較大的地理范圍.一方面，現(xiàn)用的用戶設(shè)備大都不支持mesh，WLAN中也缺乏完整的管理機制和協(xié)議;另一方面，無線用戶往往聚集在1個較小的空間內(nèi)(如報告廳)，這是mesh無法解決的.對于大規(guī)模統(tǒng)一部署而言，集中式WLAN架構(gòu)，即“瘦AP+AC(access control)”，是最合適的選擇，它的主要優(yōu)點是方便的管理、監(jiān)控、收費、移動，在部署時瘦AP往往也是均勻部署的，希望以最低的成本覆蓋最大的面積.一方面，在集中式架構(gòu)中也存在小范圍內(nèi)的擁塞問題，如1個瘦AP范圍內(nèi)擁擠過多的用戶;另一方面，AC雖然具有一定的負載均衡能力，但它的控制粒度和反應(yīng)條件太粗放，不適用于小范圍內(nèi)的間歇擁塞.

2SRD方案

本節(jié)將從整體上介紹SRD方案，包括它的動機、概述和實現(xiàn)上的相關(guān)問題.

2.1動機

擁塞時WLAN及用戶吞吐量很低主要是因為過多的終端數(shù)，因此很自然地，比較直觀的方法是減少1個WLAN中的終端數(shù)，一旦終端數(shù)減少，每個終端所能得到的傳輸機會就會增多，沖突數(shù)也減少了，異構(gòu)速率和異構(gòu)傳輸模式的影響也能得到緩解.

為了達到以上目的且不影響已有的用戶，要減少1個WLAN中的終端數(shù)只能是部署更多的AP，將1個WLAN切分成多個，然后將所有的用戶分攤到多個WLAN中.現(xiàn)實中部署臨時AP或移動AP的方法遵循的就是這個道理，但它們面臨線纜連接或回程鏈路以及終端分配的問題.當前的技術(shù)發(fā)展，比如5 GHz、中繼以及幀聚合，使得WLAN切分更為可行.尤其是最新公布的IEEE 802.11ac，它工作在5 GHz頻段上，可同時使用的非重疊信道數(shù)量超過20個，而在傳統(tǒng)的2.4 GHz頻段上只有3個非重疊信道可用，因此將1個沖突域切分成多個是可能的.現(xiàn)在及以后主流的無線設(shè)備都支持IEEE 802.11ac，在不久的將來，5 GHz將成為WLAN的主要工作頻段，所以，WLAN的切分在現(xiàn)實中也是可行的，這樣可以實現(xiàn)多信道上的并行傳輸，能大幅提升WLAN的容量.另一方面，在應(yīng)用中繼技術(shù)時，中繼結(jié)點上往往會積累多個終端的很多幀，所以更便于使用幀聚合技術(shù)來進一步優(yōu)化性能.

總之，以上各項技術(shù)的發(fā)展使得WLAN的動態(tài)切分成為可能.

2.2概述

SRD是1個WLAN動態(tài)重構(gòu)方案，通過引入影子AP和終端映射，基于已有的技術(shù)，SRD能動態(tài)地將1個WLAN切分成多個子網(wǎng)，并有策略地將其重構(gòu)成1個微型的集中式架構(gòu)的WLAN，使網(wǎng)絡(luò)及每個用戶的吞吐量能得到倍增.

SRD的工作原理示意如圖1所示.在普通網(wǎng)絡(luò)模式下，9個終端連接到1個AP上，它們都工作在信道1上.使用SRD方案并引入2個SAP(SAP1和SAP2，無需支持多頻)，SAP1是1個獨立的物理實體，SAP2為1個普通的用戶終端(需要安裝額外的軟件).AP為每個SAP分配1個非重疊的信道(6和11)，并根據(jù)全網(wǎng)的終端信息有策略地把這些終端分配給SAP或自己，比如按距離就近分配.這樣，原有的1個WLAN就被切分為3個子網(wǎng)，它們分別工作在3個非重疊信道上(即信道1，6，11)，2個SAP像普通終端一樣通過信道1與AP通信.該重構(gòu)后的WLAN為1個微型的集中式架構(gòu)的WLAN，其中AP同時擔任著AC的角色.SAP1和SAP2也具有雙重角色：對于AP來講，它們是終端；而對于連接到它們的終端來講，它們又是AP.顯然，SRD具有4個優(yōu)點：

1) SRD將所有的終端分攤到多個子網(wǎng)中，很大程度地減少了1個子網(wǎng)中的終端數(shù)，每個終端所能得到的傳輸機會也就增多了，沖突數(shù)也就減少了；

2) SRD可以為每個子網(wǎng)分配1個獨立的、非重疊的信道，因此能夠?qū)崿F(xiàn)并行傳輸；

3) 通過將較遠的低速終端連接到距離它們較近的SAP上，SRD能緩解異構(gòu)速率的影響；

4) 通過將相同傳輸模式的終端分配到1個子網(wǎng)中，SRD能減少異構(gòu)傳輸模式引發(fā)的開銷.

Fig. 1　Schematic diagram of SRD.圖1　SRD原理示意

SRD的工作流程如下：2個SAP在啟動時掃描可用的AP和空閑信道，在用戶1或管理用戶指示下連入指定的AP或缺省AP(信道1).在SAP與AP之間可正常無線通信后，就開始了SRD正常的工作流程，如圖2所示.首先，AP和SAP要實時收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，如各信道的可用狀態(tài)、各終端的流量和速率變化等，SAP需要將采集到的信息提交給AP.在初始時，AP要為各SAP分配非重疊的信道，若在運行中信道的可用狀態(tài)發(fā)生了較大變化，還可為SAP重新分配信道.通過對采集到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進行預處理，若發(fā)現(xiàn)變化程度超過一定閾值，AP則重新進行映射計算.根據(jù)計算所得的最優(yōu)映射，若需要調(diào)整終端的分配，則AP將配合SAP控制終端進行切換.若可用信道狀態(tài)發(fā)生了變化，AP還要配合SAP將某個子網(wǎng)遷移到另一個信道上.以上的循環(huán)過程雖然是持續(xù)進行的，為減少開銷，AP與SAP之間的交互、終端切換和信道切換的時機和次數(shù)需要進行權(quán)衡.除了以上的管控流程，AP和SAP的另一個核心任務(wù)是協(xié)調(diào)完成流量的中繼和幀聚合.

Fig. 2　Workflow of SRD.圖2　SRD工作流程

在SRD方案中，存在2個關(guān)鍵問題，即WLAN切分和終端分配.

1) WLAN的切分需要1個特殊的AP，其不需要任何線纜連接且具備高速、免費的回程鏈路.因此，引入了SAP，SAP是1個與AP相似的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件，具有以下特點：

① SAP的回程鏈路是一條連接到普通AP的WLAN鏈路；

② SAP的服務(wù)集標識(service set identifier, SSID)和與其相連的AP相同，所以SAP的存在對終端來講是透明的；

③ SAP集成了一些已有技術(shù)，如中繼、幀聚合和塊確認，以最大程度地提高回程鏈路上的吞吐量；

④ SAP通過分時復用的方法，可以工作在多種模式(終端模式和AP模式)和多個信道上.

2) 如何將所有終端合理地分配到各個子網(wǎng)中.本文將終端分配定義為終端映射問題，即終端與AP及SAP之間的對應(yīng)關(guān)系.不同的終端映射對應(yīng)著不同的終端分配，也影響著WLAN的性能.本文中，SRD期望的最優(yōu)終端映射(簡稱最優(yōu)映射)滿足3個條件：

① 最大化WLAN的吞吐量;

② 保持被中繼終端和未被中繼終端的公平性;

③ 保持實時性，即中繼流量的傳輸時間不超過指定閾值.

然而，尋找最優(yōu)映射是一個非常復雜的問題，原因有2個:1)可能的終端映射數(shù)量隨著終端數(shù)的增多成指數(shù)增長即搜索空間太大;2)影響WLAN性能的因素有很多，包括終端數(shù)、幀長分布、傳輸速率分布以及傳輸模式等.因此，要找到最優(yōu)映射，需要設(shè)計1種特殊的方法，相關(guān)的討論將在第3節(jié)進行.

總之，通過引入SAP和終端映射，SRD利用已有的技術(shù)能動態(tài)地對WLAN進行切分和重構(gòu)，重構(gòu)后的WLAN因允許多信道并行傳輸、每個子網(wǎng)用戶數(shù)減少、沖突減少、異構(gòu)速率和異構(gòu)傳輸模式影響減小而吞吐量倍增.

2.3實現(xiàn)相關(guān)問題

本節(jié)將討論SRD在技術(shù)上的可行性，包括終端的透明切換(handoff)、工作模式信道的快速切換(switch)和SAP的實現(xiàn)與部署問題.

根據(jù)最優(yōu)映射計算結(jié)果，SRD需要通過控制終端切換來調(diào)整終端到AP或SAP的連接.為了不影響已有用戶的網(wǎng)絡(luò)連接，需要實現(xiàn)終端的透明切換.對該技術(shù)已有一些相關(guān)的研究，比如文獻[19]提出的虛擬AP技術(shù).由于重構(gòu)后的WLAN是1個微型的集中式架構(gòu)的WLAN，所有SAP和終端的配置信息(如IP地址)都存放在AP上，終端在不同SAP或AP之間的切換不會引起其IP地址的變化，所以，終端的正常通信不會因切換而中斷，即終端的切換對用戶來講是透明的.

在AP與被中繼終端之間中繼數(shù)據(jù)時，SAP需要交替地工作在終端模式和AP模式，且這2種模式通常工作在不同信道上，因此還需要同時進行信道切換，為了減少工作模式和信道切換帶來的開銷，必須采用快速切換技術(shù)，該技術(shù)的實現(xiàn)已經(jīng)比較成熟[20]，本文不再贅述.

在實現(xiàn)方式上，SAP可以是1個獨立的硬件，也可以是1個安裝在普通用戶終端上的軟件模塊.硬件方式的實現(xiàn)在部署時不需要用戶設(shè)備做任何改動，但需要一些成本投資；軟件方式的實現(xiàn)需要在用戶設(shè)備上安裝軟件但不需要額外的投資.此外，本文只考慮SAP安裝了1個無線收發(fā)模塊，如果SAP安裝了多個無線收發(fā)模塊，那么它就可以在多個信道上同時進行收發(fā)，也就不需要進行工作模式和信道的切換了.此外，本文只考慮SAP以獨立物理硬件形態(tài)實現(xiàn).

很明顯，SAP的部署位置也是與性能相關(guān)的因素.此類問題，如中繼結(jié)點的安放，在文獻[9,21-23]中已進行了廣泛深入的研究.在本文中，一方面，幾米的偏差對性能的影響不大，所以SAP的部署可憑經(jīng)驗操作，比如用戶較為密集的、距離AP不太遠(視線距離內(nèi))的位置.另一方面，SAP的安放是由最終使用者實施的，SRD的任務(wù)是在SAP的位置確定后對WLAN進行合理的切分和重構(gòu).此外，因為SAP和AP工作在非重疊信道上，所以，部署的SAP數(shù)量受所在場所的空閑信道數(shù)約束，也要考慮實際用戶數(shù)量的大小.

此外，由于AP掌握著整個WLAN的所有信息，也便于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化、計算最優(yōu)映射和調(diào)整終端分配，所以SRD在技術(shù)上是可行的.

3終端映射

本節(jié)描述SRD是如何解決2.2節(jié)所述的第2個關(guān)鍵問題，即尋找最優(yōu)映射.首先，本節(jié)對終端映射進行形式化分析，而后給出相應(yīng)的計算方法.

3.1形式化

假設(shè)1個靜態(tài)的(終端的數(shù)量與位置是固定的)WLAN由1個AP和n個終端組成，每個終端的物理層傳輸速率和幀大小都是固定的，所有終端都是飽和的，且所有的流量都是由終端發(fā)往AP的，以上假設(shè)與傳統(tǒng)的分析思路[24]一致.不妨將由n個終端組成的終端集合記為N={1,2,…,n}，幀長集合記為S={s1,s2,…,sn}，傳輸速率集合記為R={r1,r2,…,rn}.由于異構(gòu)速率的影響與異構(gòu)傳輸模式的影響相似，為簡化起見，將異構(gòu)傳輸模式的影響耦合到異構(gòu)速率中，即只考慮異構(gòu)速率的影響.

再假設(shè)有s個SAP部署在該WLAN中，每個都工作在獨立的非重疊信道上，任一終端到任一SAP的距離是固定的，因此可假設(shè)它們之間的傳輸速率也是固定的.設(shè)分配給任一SAPi的終端集合為Ni(Ni?N)，幀長集合為Si(Si?S)，傳輸速率集合為Ri，分配給AP的終端(即未被中繼的終端)構(gòu)成集合N0.s+1個終端集合滿足2個條件：

N0∪N1∪N2∪…∪Ns=N，

?i,j,i≠j,0≤i≤s,0≤j≤s?Ni∩Nj=?.

定義1. 終端映射.1個終端映射就是1個可能的終端分配方案，形式化定義為

mk={{N0,S0,R0}k,{N1,S1,R1}k,…,{Ns,Ss,Rs}k}.

需要注意的是，同一終端到不同SAP的距離是不同的，所以該終端到不同SAP的傳輸速率也是不同的.因為終端總數(shù)為n，子網(wǎng)總數(shù)為s+1，所以共有(s+1)n個可能的終端映射.

因所有終端的幀長都是固定的，為便于計算，將幀速率(單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)膸瑪?shù))當作吞吐量.對于1個普通WLAN{N,S,R}而言，其吞吐量記作F(N,S,R)，當利用SRD方案和終端映射mk將其重構(gòu)后，其吞吐量記作FSRD(mk).

定義2. 最優(yōu)映射mo是1個特殊的終端映射，滿足條件：

?k,k≠o?FSRD(mo)≥FSRD(mk)，

FSRD(mo)>F(N,S,R).

也就是說，基于最優(yōu)映射重構(gòu)后的WLAN能實現(xiàn)吞吐量的最大化.SRD方案的目標就是尋找最優(yōu)映射，并基于最優(yōu)映射對WLAN進行重構(gòu).3.2節(jié)將普通WLAN的吞吐量作為參考依據(jù)，通過比較來尋找最優(yōu)映射.

3.2普通WLAN的吞吐量

本節(jié)將推導普通WLAN的吞吐量.根據(jù)文獻[24]，1個WLAN的吞吐量為

F(N,S,R)=

(1)

其中，Ps是成功傳輸?shù)母怕剩琍tr是在任一時隙(slot time)中至少有1個幀在傳輸?shù)母怕剩琓slot是1個標準時隙的時間長度.與文獻[24]相似但不同的是，在本文中，1個成功傳輸所占用信道的平均時間Ts是由n個終端的數(shù)值計算所得的均值.類似地，1個沖突所占用信道的平均時間Tc也是由n個終端的數(shù)值計算所得的均值.

(2)

其中，TDIFS為分布式幀間間隔(DIFS),TSIFS為短幀間間隔(short inter frame space, SIFS),TPHY為數(shù)據(jù)幀和確認(ACK)幀的物理層開銷，對于1個固定的場景，這3個時間量都是固定的.在WLAN中，由于每個終端都享有均等的傳輸機會，因此1個成功傳輸所占用信道的平均時間為

Ts(N,S,R)=

(3)

當發(fā)生沖突時，信道被占用的時間取決于耗時最長的那個傳輸，即信道占用時間tc為

(4)

(5)

因此，終端i與1個或多個編號小于它的終端沖突的概率為

(6)

該沖突占用信道的時間為

(7)

所以，1次沖突占用信道的平均時間為

(8)

討論如何計算式(1)中的Ps和Ptr.假設(shè)條件沖突概率為p，即任一傳輸發(fā)生沖突的概率為p，那么很容易得到：

(9)

(10)

(11)

(12)

其中，W為最小競爭窗口，m為最大退避次數(shù)，它們都是常量.因此，τ，Ptr，Ps都是n的函數(shù)，雖然很難得到它們的解析解，但可以計算出它們的數(shù)值解.

最后，沖突的平均信道占用時間Tc(N,S,R)和WLAN的吞吐量F(N,S,R)就能計算得出，因為所有終端的傳輸機會都是均等的，所以所有終端的吞吐量(幀速率)也是相等的，即任一終端的吞吐量為

(13)

3.3重構(gòu)后WLAN的吞吐量

對于1個給定的終端映射mk，計算基于它重構(gòu)的WLAN的吞吐量，首先計算任一子網(wǎng)的吞吐量.

為簡化過程，忽略SAP工作模式切換和信道切換所帶來的開銷，并且將完成1次收發(fā)的過程定義為1輪(round).也就是說，在1輪中，SAP將從所有下屬的終端接收一定數(shù)量的幀，聚合后再轉(zhuǎn)發(fā)給AP，完成以上過程后該輪結(jié)束，新的1輪隨即開始.對于任一SAPi，設(shè)其平均1輪的時間長度為ti，工作在AP模式與終端模式的時間比例為αi.

當SAPi工作在AP模式時，該子網(wǎng)(SWi)的吞吐量為F(Ni,Si,Ri)，可利用式(1)計算得出.當SAPi工作在終端模式時，SWi的吞吐量為0.所以，在1輪中，SWi的平均吞吐量為

(14)

那么，SWi中每個終端的吞吐量為

(15)

要計算重構(gòu)后整個WLAN的吞吐量，需要知道AP下屬的終端數(shù)及它們的幀長分布.連接在AP上的終端包括未被中繼的終端和s個SAP.下面討論由SAP發(fā)往AP的幀長和AP下屬的活躍終端數(shù).

為了提高中繼效率和被中繼終端的競爭力(相對于未被中繼終端)，SAP和AP之間的數(shù)據(jù)傳輸使用了幀聚合和塊確認機制.幀聚合包括2種實現(xiàn)模式，即聚合MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(aggregate MAC service data unit, AMSDU)和聚合MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(aggregate MAC protocol data unit, AMPDU).前者有較高的聚合效率，但易受干擾影響，因此在現(xiàn)實中后者應(yīng)用的居多，在傳輸過程中，即使AMPDU中某些子幀發(fā)生錯誤，其他子幀仍然可以使用，發(fā)生錯誤的子幀還可以選擇性地進行重傳.所以，本文也采用AMPDU模式進行幀聚合，那么根據(jù)協(xié)議標準，有2個限制條件，即1個AMPDU中子幀的數(shù)量不能超過64，整個AMPDU幀的長度應(yīng)小于64 KB(最大長度為65 535 B).在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中，由于大部分報文的長度都比較小，70%的報文長度不到128 B[25]，所以，在下文分析中，為簡單起見忽略幀長限制.

對于SAPi，在1輪中，它有tiFi(Ni,Si,Ri)個幀需要聚合，因此，SAPi的1個AMPDU中的子幀數(shù)量為

(16)

由于SAPi下屬的終端發(fā)出的幀數(shù)在統(tǒng)計上是均等的，所以，1個AMPDU的平均長度為

(17)

其中,ld為MPDU(MAC protocol data unit)定界符(delimiter)的長度.

(18)

(19)

其中，rSAP,i表示SAPi與AP之間的傳輸速率，在一個固定的環(huán)境下，它是一個已知常量.

(20)

要求解基于終端映射mk重構(gòu)后的整個WLAN的吞吐量FSRD(mk)，還需要進一步知道每個SAP在不同工作模式上的時間比例.根據(jù)以上分析，一旦ti和αi確定，F(xiàn)SRD(mk)就可計算得出，下面對此進行討論.

為了保證實時性，中繼幀的傳輸必須在一定時間內(nèi)完成，設(shè)時間上限為tu，即中繼幀從被中繼終端到AP總的傳輸延時不超過tu.顯然，ti≤tu(1≤i≤s)，并且tu越大聚合的效率也就越高.因此，得到2個約束條件：

(21)

通過將約束條件(21)中的幀數(shù)最大化，可以得出ti，為了保證公平性，被中繼終端和未被中繼終端的吞吐量應(yīng)該相當，即：

(22)

通過式(22)，可以計算出αi，也就保證了被中繼終端和未被中繼終端之間的公平性.式(22)給出了每個被中繼終端和未被中繼終端的吞吐量，所以，重構(gòu)后整個WLAN的吞吐量為

(23)

3.4最優(yōu)映射計算

根據(jù)3.3節(jié)的分析，對于任一給定的終端映射，可以計算出重構(gòu)后WLAN的吞吐量，因此，可以通過窮盡比較的方法找出最優(yōu)映射，過程如下：

1) 利用窮盡的方法找到每個可能的終端映射；

2) 計算基于每個終端映射重構(gòu)后的WLAN的吞吐量；

3) 通過比較所有終端映射對應(yīng)的WLAN的吞吐量，得出最優(yōu)映射.

利用以上方法尋找最優(yōu)映射需要完成2步操作：1)找到每種可能的終端映射，將n個終端分配到s+1個子網(wǎng)中，共有(s+1)n個可能的結(jié)果；2)計算每個終端映射對應(yīng)的WLAN的吞吐量，該過程包括一些復雜的數(shù)值計算.所以窮盡比較方法的復雜度是O((s+1)n)，主要由第1步?jīng)Q定.

由于以上方法過于復雜，需要找到1個更簡單實用的方法.SRD方案的基本思路是動態(tài)地對WLAN進行切分，以允許多信道上的并行傳輸、減少1個子網(wǎng)中的終端數(shù).雖然不同的終端映射會對最終的性能有一些影響，在現(xiàn)實中，本文認為1個次優(yōu)的終端映射也是可以接受的.由于影響WLAN性能的關(guān)鍵因素主要是終端數(shù)(與傳輸機會和沖突相關(guān))、傳輸速率和傳輸模式(與多速率相關(guān))，以及幀長度(與MAC效率相關(guān))，因此，綜合考慮以上因素，本文提出1個啟發(fā)式算法如下：

1) 利用傳輸速率和幀長度對終端集合S進行排序.首先，用傳輸速率對S進行遞增排序.如果有多個終端的傳輸速率相同，再按以下方法用幀長度對這些終端進行二次排序：如果傳輸速率等于最大的傳輸速率，則按幀長度對這些終端進行遞增排序，否則進行遞減排序.

2) 如果|N0|>βmax{|N1|,|N2|,…,|Ns|}，則順序地從S中選取下一個終端i作為被中繼終端，否則算法結(jié)束.也就是說，分配給每個SAP的最大終端數(shù)應(yīng)少于未被中繼的終端數(shù).其中，β(1.0≤β≤1.5)是1個調(diào)整被中繼終端和未被中繼終端比例的參數(shù).

3) 為終端i選擇1個合適的SAP(SAPj).不妨用r(x,y)表示x和y這2個結(jié)點之間的傳輸速率，SAPj需要滿足3個條件，依次用這3個條件對所有SAP進行篩選，直到剩下1個SAP.條件1：SAPj是負載最輕的，即從其所有下屬終端各收1個幀所需時間之和最短;條件2：SAPj所帶來的時間增益(式(24))最大;條件3：分配給SAPj的終端數(shù)最少.

4) 將終端i分配給SAPj.

5) 返回步驟2)重復執(zhí)行，即繼續(xù)選擇下一個可被中繼的終端.

時間增益的計算方法為

(24)

該啟發(fā)式算法主要包含2步，即選擇可被中繼的終端和為終端選擇合適的SAP.由于所有終端的數(shù)據(jù)傳輸都要通過AP所在的信道，所以，提高該信道上的傳輸速率和MAC效率對所有終端都有好處，終端分配的1個重要原則就是最大程度地提高或保持該信道上的傳輸速率和MAC效率.由于不同終端使用信道的傳輸速率和MAC效率不同，所以該啟發(fā)式算法按一定順序來選擇可被中繼的終端.因為低速終端的吞吐量低且影響所有其他終端的傳輸性能，所以低速終端優(yōu)先被選擇.對于多個傳輸速率相同的低速終端來講，幀長越大的占用信道的時間越長，所以優(yōu)先選擇幀長較大的；而對于高速終端而言，幀長越小的MAC效率越低、吞吐量也就越低，因此優(yōu)先選擇幀長較小的.此外，為了最大化WLAN的吞吐量，各子網(wǎng)之間應(yīng)盡量保持負載均衡，對于AP來講，低速終端因耗時更長所以帶來的負載也就更大，因此，低速終端大都分配給了各SAP.又因為SAP只是部分時間地工作在AP模式，所以，為各SAP分配的終端數(shù)應(yīng)少于未被中繼的終端數(shù).在該算法中，β就是1個調(diào)整被中繼終端和未被中繼終端數(shù)量的系數(shù).顯然，該算法的復雜度為O(ns)，它比窮盡比較算法更為簡單.

以上討論和分析假設(shè)信道的帶寬是固定的，這也是當前WLAN缺省的工作模式.為充分利用頻譜資源，一些新的研究提出了可變帶寬信道的思想，比如文獻[26]基于博弈理論研究了可變帶寬信道的分配策略.通過調(diào)整SRD方案中的相關(guān)參數(shù)，SRD也能適用于可變信道環(huán)境.

4驗證

4.1實驗驗證

在如圖3所示的實驗環(huán)境中，本節(jié)用以下設(shè)備驗證了SAP的效果.

1) AP：Netgear WNDR3700；

2) 測試服務(wù)器：普通PC機，通過有線連接AP，用于接收并統(tǒng)計流量數(shù)據(jù)；

3) 終端1：聯(lián)想Thinkpad T430，距AP約7 m；

4) 終端2：PC機+360wifi2無線網(wǎng)卡，距AP約9 m；

5) 終端3：聯(lián)想Thinkpad X200，距AP約15 m；

6) 終端4：聯(lián)想Thinkpad X100，距AP約15 m；

7) 終端5：PC機+COMFASTCF-WU770N無線網(wǎng)卡，距AP約19 m；

8) SAP：PC機+360wifi2無線網(wǎng)卡+Netcore NW336無線網(wǎng)卡，距AP約8 m.

Fig. 3　Scenario of experiments.圖3　實驗場景

本實驗所用的SAP為一通用PC機，裝配了2個無線網(wǎng)卡：一個工作在普通網(wǎng)卡模式，用于向AP發(fā)送數(shù)據(jù)；另一個工作在AP模式，用于接收終端的數(shù)據(jù).在SAP上部署定制的轉(zhuǎn)發(fā)程序，在收到終端的數(shù)據(jù)包后，每累積12個數(shù)據(jù)包就合并為1個數(shù)據(jù)包，然后轉(zhuǎn)發(fā)給AP(模擬幀聚合).因使用了雙網(wǎng)卡，該SAP沒有模式切換開銷，但中繼功能由上層應(yīng)用來完成，因此轉(zhuǎn)發(fā)效率略低.

首先5個終端通過無線關(guān)聯(lián)到AP(信道11)，然后向測試服務(wù)器循環(huán)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，報文長度均為100 B，在5 min內(nèi)測試服務(wù)器統(tǒng)計到的各終端吞吐量的累積分布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF)如圖4所示.然后，終端3～5關(guān)聯(lián)到SAP(信道1)上， 以同樣的方式向測試服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，統(tǒng)計到的各終端的吞吐量CDF如圖5所示，可知各終端有效的數(shù)據(jù)傳輸速率都有了明顯提升.2種環(huán)境下各終端5 min內(nèi)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)如圖6所示.5個終端總的吞吐量變化情況如圖7所示，可以看出，使用1個SAP后整個網(wǎng)絡(luò)及每個終端的吞吐量都有了明顯提升.由于實驗室環(huán)境較復雜，周邊有10多個其他的AP，各設(shè)備形態(tài)性能不同，無線網(wǎng)卡的商家也不同，所以各終端所表現(xiàn)的傳輸性能也不同，傳輸速率也不穩(wěn)定.

Fig. 4　Distribution of station goodput without SAP.圖4　未使用SAP時各終端的吞吐量分布

Fig. 5　Distribution of station goodput with one SAP.圖5　使用1個SAP時各終端的吞吐量分布

Fig. 6　Received bytes by stations in five minutes.圖6　各終端5 min內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量

Fig. 7　Total goodput of five stations.圖7　5個終端的聚合吞吐量

4.2仿真驗證

Fig. 8　Scenario of simulation.圖8　仿真場景

本節(jié)通過仿真來驗證SRD方案的性能和效果.在如圖8所示的仿真場景中有1個報告廳，1個AP部署在正前方，100個用戶在報告廳中通過WLAN訪問互聯(lián)網(wǎng).這些用戶(終端)到AP的距離和傳輸速率分布如表1所示.其中，在距離AP較近的74個用戶中，4個用戶使用的是802.11g設(shè)備.所有終端的MSDU(MAC Service data unit)長度隨機分布，構(gòu)成比例是70%為100 B，15%為1 024 B，15%為1 400 B[25].有3個SAP(SAP1，SAP2，SAP3)分別部署在3個不同的位置(A，B，C)，根據(jù)直觀經(jīng)驗，3個SAP都部署在AP與較遠用戶之間且用戶較多的位置，SAP之間保持一定的距離.802.11g終端的傳輸速率為54 Mbps，其他被中繼終端與SAP之間、SAP與AP之間的傳輸速率均為300 Mbps，其他MAC層的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示.因為SRD方案屬于MAC層的優(yōu)化方法，不考慮跨層因素的影響，所以，假設(shè)使用的所有信道都是理想的、非重疊的，對各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理特性也不做特殊要求，所有設(shè)備都能以預定的速率正常傳輸.

Table 1　Distance and Data Rate

因為經(jīng)過中繼的幀要經(jīng)歷2次DCF競爭，所以沖突對被中繼終端的影響要大于未被中繼終端.SAP和各未被中繼終端面臨相同的沖突概率，未被中繼終端遭遇沖突時僅丟失1幀，而SAP的AMPDU沖突時將丟失多個幀，所以，SAP的競爭力應(yīng)進一步提高，此類方法有很多，在仿真中SAP的最小競爭窗口為各終端的一半，終端數(shù)量比例系數(shù)β=1.2.

Fig. 9　Total frames sent and dropped.圖9　傳輸和丟棄的總幀數(shù)

比較4種不同場景下的WLAN性能：場景1為普通WLAN，即不使用任何SAP；場景2只使用一個SAP(SAP1)；場景3使用2個SAP(SAP1和SAP2)；場景4則使用3個SAP.比較30 s內(nèi)整個WLAN及每個終端的吞吐量，且每一實驗重復10次取其均值作為統(tǒng)計結(jié)果.

圖9給出了不同場景下整個WLAN成功傳輸和丟棄的總幀數(shù)，橫坐標表示不同場景對應(yīng)的SAP數(shù)，0對應(yīng)的為場景1，即沒有使用SAP.為了便于比較，把丟棄的幀數(shù)放大了50倍.由圖9可以看出，WLAN的吞吐量隨著SAP的增多而線性增長，每增加1個SAP，吞吐量的增長幅度約為初始(場景1)總量的70%;同時，因沖突而導致的丟包數(shù)也隨著SAP的增多而明顯減少，表明沖突概率隨著SAP的增多而大幅下降，如圖10所示:

Fig. 10　Collision rate declines as more SAPs are deployed.圖10　沖突概率隨著SAP的增多而下降

Fig. 11　Distribution of stations with different data rates in each sub-WLAN.圖11　各子網(wǎng)中不同速率終端的分布

下面，進一步檢驗不同速率和不同幀長的終端在各子網(wǎng)中的分布.先按速率把所有終端分為3類：高速(high rate)終端(300 Mbps)、中速(medium rate)終端(180 Mbps)和低速(low rate)終端(54～60 Mbps).同樣方式，按幀長也把所有終端分為3類：長幀(large frame)終端(1400 B)、中幀(medium frame)終端(1024 B)和短幀(small frame)終端(100 B).圖11給出了不同速率的終端在各子網(wǎng)中的分布，SW0代表由未被中繼終端組成的子網(wǎng)，即AP所在的子網(wǎng)；SW1代表SAP1所在的子網(wǎng).圖12給出了不同幀長的終端在各子網(wǎng)中的分布.這2個圖表明終端被分攤到各個子網(wǎng)中，然而，終端的分配有以下2個明顯的特點：

1) 被中繼終端在各子網(wǎng)中的分布是比較均勻的.①各SAP下屬的被中繼終端的總量是相等或相近的；②各SAP的下屬終端中，不同速率、不同幀長的終端分布也是均勻的.

Fig. 12　Distribution of stations with different frame sizes in each sub-WLAN.圖12　各子網(wǎng)中不同幀長終端的分布

2) 被中繼終端和未被中繼終端之間的終端分布是不均勻的.例如，未被中繼終端的數(shù)量要大于任一子網(wǎng)中的被中繼終端的數(shù)量，不同速率、不同幀長的終端在被中繼與未被中繼之間的分布也是不均勻的.

該現(xiàn)象的產(chǎn)生原因有3個：①為了充分提高AP(SW0)所在信道的吞吐量，低速終端和短幀終端大都被中繼了；②為了保持SAP之間的負載均衡，終端總數(shù)、不同速率或幀長的終端數(shù)在各SAP之間的分配也是盡量均衡的；③為了保持被中繼終端的競爭力，任一SAP下被中繼終端的數(shù)量少于未被中繼終端的數(shù)量.

Fig. 13　CDF of goodput variance of each station.圖13　各終端吞吐量方差的CDF

Fig. 14　Average frames sent by stations in each sub-WLAN.圖14　各子網(wǎng)中終端傳輸?shù)膸瑪?shù)均值

5總結(jié)

小范圍間歇擁塞情況下WLAN及用戶的吞吐量很低，為此，本文提出了1個SRD方案，通過引入影子AP和終端映射，SRD能對WLAN進行動態(tài)切分和合理重構(gòu).分析和仿真結(jié)果證明，SRD能很大程度地提升WLAN的吞吐量.此外，SRD的部署無需終端設(shè)備作任何改動.

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Xu Shibo, born in 1975. PhD. His main research interests include WLAN, performance analysis and optimization.

Liu Xiaolan, born in 1975. PhD candidate. Her main research interests include WLAN, mobile network, performance analysis and optimization.

Ren Fengyuan, born in 1970. PhD. Professor and PhD supervisor. His main research interests include DCN, virtualization, wireless, performance evaluation (renfy@tsinghua.edu.cn).

中圖法分類號TN925.93; TP393

基金項目：國家自然科學基金項目(61225011)；國家“九七三”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃基金項目(2012CB315803)

收稿日期：2014-10-21；修回日期：2015-05-05

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (61225011) and the National Basic Research Program of China (973 Program) (2012CB315803).