WLAN Mesh中基于負載均衡的接入點選擇方法

石 際，董宏成，鄭丹玲

(重慶郵電大學 通信新技術應用研究所，重慶400065)

責任編輯:許 盈

目前，隨著無線網絡的應用日益增多，WLAN Mesh網絡技術的應用也越來越廣泛。在傳統WLAN Mesh網絡中，接入控制器(AC)、Mesh出口節點(MPP)、Mesh節點(MP)、接入點(MAP)是無線Mesh網的核心設備，用戶站(STA)通過MAP接入網絡實現信息傳輸[1-2]。

1 基于負載均衡的接入點選擇

1.1 具有負載控制功能的接入控制器裝置

由于接入控制器本身具有信息收集、管理控制和定時器的模塊，為實現對負載的管理與控制[6]，添加了負載均衡控制模塊(包括負載計算與判決兩個子模塊)，其中負載計算模塊具有STA數量計算、節點負載計算和網絡負載計算3個功能，判決模塊包括用門限值比較與接入用戶數量判斷兩大功能，如圖1所示。

圖1 接入控制器裝置

在基于負載均衡的接入點選擇過程中，首先通過信息收集模塊和定時器周期性地收集網絡中各節點的狀態信息，并由各節點自身通過CAPMAP隧道將其狀態信息上報給AC;其次通過使用負載計算模塊，利用收集到的數據信息計算各個active狀態的節點以及各網絡的負載情況，進一步交給判決模塊處理;將上述信息和預設的門限值對比，若大于門限值則拒絕連接響應，反之若小于門限值則確認連接響應，并根據基于負載均衡的接入點選擇方法判決每個STA接入的MAP;最后將判決的結果通過管理控制模塊下發指令，收到指令的節點立即執行判決信息。

1.2 網絡效用模型

1.2.1 單個網絡效用函數

本文使用網絡效用函數來評估用戶接入網絡后對網絡收益的影響，包括網絡基本效用UP、為新用戶提供服務獲得的效用WP以及新老用戶互相競爭導致網絡收益的下降值EP。則該函數Np的表達式如下

網絡基本效用為不接用戶時的基本收益U0與已經接入網絡的用戶使用網絡資源帶來的收益之和，其中Bi表示第i個用戶使用的網絡資源，m個已接入用戶總共占用大小為Bm的網絡資源;P表示用戶使用單位大小的網絡資源應該支付的費用

為新用戶提供服務獲得的效用定義為新用戶接入網絡后為網絡帶來的收益，其中Br代表需求帶寬，Ba表示可用帶寬，新用戶數量為k個;當時，網絡資源充足不會發生競爭;當時，用戶無法獲得請求帶寬，網絡資源短缺從而導致競爭，表達式為

因新老用戶互相競爭網絡資源產生的效用體現在發生競爭之后老用戶對網絡服務不滿意而造成費用上的損失，設老用戶總數為m個，F為損失費用的單位化量綱，Q為QoS不滿意度大小，表達式如

本文使用帶寬偏移率(Bvr)來體現新老用戶對網絡資源的競爭程度，帶寬偏移越大競爭越激烈。接入用戶數量k與Bvr的關系如式(5)所示，帶寬偏移率隨著用戶增多而變大。

進一步的，使用sigmod函數[7]表述帶寬偏移率與QoS不滿意度之間的非線性關系，如式(6)所示，參數a，b分別表示網絡對帶寬偏移的靈敏度和容忍度。

綜上，得出單個網絡效用函數表達式為

1.2.2 聯合網絡效用函數

在2個WLAN Mesh信號覆蓋的重疊區域，當有新用戶欲接入網絡時，無論是網絡一還是網絡二，由于新老用戶之間對網絡資源的競爭，網絡效用都在不同程度上受到了影響。定義兩個網絡的聯合效用的表達式如

式中:α，β分別為兩個網絡對聯合效用影響程度的權值，α+β=1。若共有k個用戶待接入網絡，設網絡一接入j個用戶，網絡二接k-j個用戶。

進一步地，根據可用帶寬是否滿足需求帶寬，可分為4種情況討論。

當Ba1/k＞Br，Ba2/k＞Br

當Ba1/k＞Br，Ba2/k≤Br時

當Ba1/k≤Br，Ba2/k＞Br

當Ba1/k≤Br，Ba2/k≤Br

1.3 基于負載均衡的接入點選擇流程

使用基于負載均衡的接入點選擇方法如圖2所示，需要通過AC收集信息，計算聯合網絡收益最大時對應的接入數量關系，進而判決接入每個網絡的用戶數量，若兩個網絡的負載情況不同，那么接入每個網絡的用戶數量也不相同。

圖2 基于負載均衡的接入點選擇方法流程

操作流程如下:

1)MAP周期性地掃描STA，并在每個周期結束的時候將自身的負載信息(該節點接入用戶使用網絡帶寬資源的大小)、掃描的STA信息以及時間戳信息上報給AC。

2)AC接收MAP發來的消息，并作記錄。由于MAP在本次周期內上報的某些STA信息可能在之前周期內也上報過，為了節省空間避免重復，AC可以預設一個過期時間，根據記錄的時間戳信息檢測到STA與MAP的對應關系已經過期失效，則刪除對應關系。

3)執行探測請求、探測響應及認證過程3個步驟(與傳統接入方法相同)。待認證成功后，STA會通過一個MAP向AC發送連接請求，在STA首次發起連接請求消息時，通常會選擇具有最強RSSI的MAP。

4)AC計算MAP節點及網絡負載，以用戶數標識MAP節點及網絡的負載，則第i個MAP節點的負載大小為該節點內所有接入用戶使用網絡帶寬資源的總量，第I個網絡負載為網內所有MAP負載之和。設Bj為第j個用戶使用的網絡帶寬資源大小，MAP節點負載及WLAN Mesh網絡負載表達式如下

5)AC收到發自STA的連接請求消息后，首先根據先前收集到的STA與MAP對應關系的信息，分析每個待接入網絡的STA對應候選MAP的個數，可分為3種情況。

(1)若只有一個MAP掃描到了STA，比較節點負載值Li_MAP與預設最大值LMAX之后轉向7)。

(2)不同的WLAN Mesh網絡內有多個MAP掃描到了該STA，則轉向6)。

(3)同一WLAN Mesh網絡內有多個MAP掃描到了該STA，比較Li_MAP和LMAX之后轉向7)，并選擇負載最輕的節點發送連接確認響應，若無任何節點滿足條件則發送連接拒絕響應。

6)通過計算得出使聯合網絡效用最大時對應的每個網絡接入用戶的數量，并分別接入兩個網絡，其中若用戶過多、部分用戶無法接入網絡或沒有任何節點滿足條件，則發送連接拒絕響應。

7)若存在滿足條件的MAP，則被選中的MAP節點向STA返回連接確認響應，STA接入網絡成功。若欲接入用戶過多或者沒有合適的MAP被選擇，需要拒絕用戶的接入，則通過RSSI最強的MAP向其返回拒絕連接響應，其中攜帶拒絕原因指示碼。

2 性能分析

若2個WLAN Mesh網絡信號覆蓋范圍大小相同且交織覆蓋，每個網絡都只有1個MAP節點，多個STA在該區域內呈均勻分布狀。設新用戶可全部被接入兩個網絡內，按照傳統的接入點選擇方法，接入到兩個網絡用戶的數量相等，為每個網絡接25個用戶。仿真參數設置如表1所示。

本文從網絡容量與負載率的角度將基于負載均衡的接入點選擇方法與傳統的RSSI強度為接入準則的方法進行比較，通過改變網絡可用帶寬與已用帶寬大小調節網絡的容量及負載率，分3種情況討論。

表1 參數設置

1)2個網絡容量相同、負載率不同。

設可用帶寬Ba1=3.5 Mbit/s、Ba2=6 Mbit/s，已用帶寬Bm1=6.5 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，即網絡一的負載更重，聯合效用影響因子α=β=0.5，即兩個容量相同，對聯合效用的影響也相同，且網絡二中的可用帶寬資源更多。對聯合效用的影響因子α=β=0.5。該情況下接入用戶數量對QoS不滿意度比率及網絡收益的影響如圖3所示。

圖3 情況一:接入用戶數量對QoS不滿意度及網絡收益的影響

圖3 中，隨著接入用戶數的增加，網絡一的QoS不滿意度變化更大，且其收益低于網絡二。同時，在x軸位于18時得到的聯合收益最大(即網絡一接18個用戶，網絡二接32個用戶)，高于采用傳統的接入選擇方法(每個網絡各接25個用戶)所得的聯合網絡收益。

2)兩個網絡容量不同、負載率相同。

設可用帶寬Ba1=7.2 Mbit/s，Ba2=6 Mbit/s，已用帶寬Bm1=4.8 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，聯合效用影響因子α=0.6，β=0.4，即網絡一容量更大，其對聯合效用的影響高于網絡二，且該網絡中的可用帶寬資源更多。該情況下接入用戶數量對QoS不滿意度比率及網絡收益的影響如圖4所示。

圖4中，隨著接入用戶增加，網絡二的QoS不滿意度變化更大且其收益低于網絡一。同時，在x軸位于28時得到的聯合收益最大(即網絡一接入28個用戶，網絡二接入22個用戶)，略高于采用傳統的接入選擇方法所得的網絡收益。

圖4 情況二:接入用戶數量對QoS不滿意度及網絡收益的影響

3)兩個網絡容量不同、負載率也不同。

設可用帶寬Ba1=3.5 Mbit/s，Ba2=6 Mbit/s，已用帶寬Bm1=8.5 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，聯合效用影響因子α=0.6，β=0.4，即網絡一容量更大，其對聯合效用的影響高于網絡二，且網絡二中的可用帶寬資源較多。該情況下接入用戶數量對QoS不滿意度比率及網絡收益的影響如圖5所示。

圖5 情況三:接入用戶數量對QoS不滿意度及網絡收益的影響

圖5 中，隨著接入用戶數的增加，網絡一的QoS不滿意度變化更大。同時，在x軸位于16時得到的聯合收益最大(即網絡一接16個用戶，網絡二接34個用戶)，明顯高于采用傳統的接入選擇方法所獲得的聯合網絡收益。

3 結論

最后可以得出，由于隨著新接入用戶數量的增加，負載重或可用帶寬資源少的網絡中對帶寬資源的競爭更為激烈，新接用戶后對QoS不滿意度的影響較大，且導致網絡收益低。同時，采用基于負載均衡的接入選擇方法得到的網絡聯合收益大于采用傳統RSSI強度接入選擇方法所得的網絡聯合收益。

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