無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)

摘要：近年來(lái)基于IEEE802.11標準系列的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展速度迅猛。但隨著(zhù)接入點(diǎn)AP（Access Point）數目的不斷增多，AP之間距離的不斷減小，同頻段的干擾問(wèn)題將會(huì )嚴重影響到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的總容量。傳統蜂窩小區的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化方法對于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)已經(jīng)不再適用，這是因為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)AP數目多，且結構可能并不穩定，即AP可能根據業(yè)務(wù)需要增加、減少甚至移動(dòng)。智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)是指通過(guò)在A(yíng)P之間動(dòng)態(tài)地分配頻率、功率、用戶(hù)以及業(yè)務(wù)流量使得整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的容量最大，性能最佳。它將是未來(lái)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)應用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)的內容、發(fā)展現狀以及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) 智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化 WLAN 802.11b AP（Access Point） DFC TPC

　　一、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)發(fā)展趨勢和技術(shù)需求

　　WLAN是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的英文縮寫(xiě)，是近年來(lái)發(fā)展迅猛的無(wú)線(xiàn)數據通信技術(shù)。它的發(fā)展從1997年6月制訂第一個(gè)WLAN標準IEEE802.11[1]開(kāi)始，到1999年8月，IEEE推出了新的高速標準802.11b[2]和802.11a進(jìn)入快速發(fā)展。IEEE802.11b在2.4GHz頻段提供最高11Mbps的速率；IEEE802.11a則在5.8GHz頻段提供54Mbps的數據傳輸速率。2001年11月，IEEE試驗性地批準了802.11g，用以兼容802.11b和802.11a。幾乎同時(shí)，歐洲電信標準化協(xié)會(huì )（ETSI）的寬帶無(wú)線(xiàn)電接入網(wǎng)絡(luò )（BRAN）小組也著(zhù)手制訂Hiper（High Performance Radio）接入標準，并推出HiperLAN1和HiperLAN2。

　　IEEE802.11和HiperLAN家族在技術(shù)上的突破及WLAN產(chǎn)品成本的大幅下降，使得無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)在寬帶無(wú)線(xiàn)接入中可以大顯身手，不僅企業(yè)把WLAN作為他們有線(xiàn)LAN的延伸，機場(chǎng)、酒店、會(huì )議中心、咖啡廳等地也將成為WLAN應用的重點(diǎn)。截至目前，采用802.11b和HiperLAN1的WLAN已經(jīng)覆蓋了北美和歐洲越來(lái)越多的地區。據專(zhuān)家預測，全球WLAN市場(chǎng)總銷(xiāo)售額將于2004年達到近22億美元，每年平均增幅高達25%左右，同時(shí)，WLAN應用范圍不斷拓展，不僅擴展了有線(xiàn)LAN，甚至在某些情況下取而代之。

　　隨著(zhù)人們對于無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)的需求的增大，在將來(lái)，大部分熱點(diǎn)地區僅僅有一個(gè)或者兩三個(gè)WLAN接入點(diǎn)AP（Access Point）是不夠的。因此在業(yè)務(wù)繁忙的地區，需要布置一個(gè)能夠滿(mǎn)足業(yè)務(wù)帶寬需求的小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。這種網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)在于：網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)AP數目比較多；AP位置比較不確定，可能根據需要增加、減少或者移動(dòng)節點(diǎn)。

　　由于A(yíng)P數目比較多，而可用的頻段相對的少（在802.11b/g標準中相互獨立無(wú)干擾的頻段只有3個(gè)），因此，部分AP之間將會(huì )存在相互干擾，這種干擾隨著(zhù)AP間的距離越近對于系統容量的影響越大。如何在A(yíng)P間分配頻率和功率資源，使得AP間的干擾最小、容量最大是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化。

　　現有的2G網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化主要采用小區建模計算和實(shí)地路測結合的方式進(jìn)行，但是這種方法用在WLAN上是不可行的。因為WLAN的特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數多，使得建模和路測的工作量大大增加；節點(diǎn)數目和位置可能變化，導致上述網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的工作經(jīng)常需要重新進(jìn)行。

　　在這種背景的需求下，智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)將成為新的研究熱點(diǎn)。智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)是指通過(guò)在A(yíng)P之間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地分配頻率、功率、用戶(hù)以及業(yè)務(wù)流量使得整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的容量最大，性能最佳。它無(wú)疑將是未來(lái)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)大規模應用的關(guān)鍵技術(shù)。

　　二、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的自干擾情況

　　1. 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的頻率資源情況

　　下面我們以現在應用最為廣泛的802.11b標準為例，說(shuō)明為什么在多個(gè)AP之間會(huì )存在相互干擾。

　　我們可以看到頻段1和頻段2～5之間都有部分頻譜重疊，頻譜重疊就意味著(zhù)這兩個(gè)頻段之間相互有干擾存在。干擾的大小取決于兩個(gè)頻段重疊的多少，以及發(fā)射信號的頻譜特性?？傊l段序號之間的差大于等于5的頻段之間沒(méi)有干擾，小于5的頻段之間存在干擾。

　　2. 頻段之間具體干擾因子

　　根據802.11b物理層發(fā)射信號的頻譜特性，我們可以估計出頻段兩兩之間的干擾大小。

　　對于頻帶內的干擾頻譜積分，可以得到鄰頻段干擾因子K，即如果鄰頻段總信號能量為單位1，則本頻段內收到此鄰頻段的干擾信號的能量為K（K1）。下表是相鄰頻段的干擾因子列表：

　　我們可以看到鄰頻段的干擾在頻段序號差小于3時(shí)相當大，大于等于4的時(shí)候則可以忽略不計了。

　　三、智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化

　　網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的目的主要在于合理分配物理資源和網(wǎng)絡(luò )設備資源，比如頻率分配、功率分配，用戶(hù)分配、業(yè)務(wù)流量分配。通過(guò)資源的分配優(yōu)化，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的性能和穩定性的最優(yōu)化。

　　由于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)AP數目比較多；AP位置比較不確定，可能根據需要增加、減少或者移動(dòng)節點(diǎn)。因此我們需要的不是一次性的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化，而是根據現實(shí)的網(wǎng)絡(luò )情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化。而這一過(guò)程通常是無(wú)需人工干預，因此稱(chēng)為智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化。

　　智能網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化可以分為兩大部分組成：自動(dòng)頻率優(yōu)化、自動(dòng)功率優(yōu)化。

　　1. 自動(dòng)頻率優(yōu)化

　　自動(dòng)頻率優(yōu)化也稱(chēng)動(dòng)態(tài)頻率選擇DFC（Dynamic frequency selection）是指在通過(guò)測量得到網(wǎng)絡(luò )狀況的信息的條件下，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地給AP分配頻段來(lái)減小AP間干擾的機制。

　　從頻率優(yōu)化的信息獲得上，可以將自動(dòng)頻率優(yōu)化分成兩類(lèi)。

　　第一類(lèi)是基于用戶(hù)端測量信息進(jìn)行頻段分配的方案。比如在802.11h中的DFC方案就屬于此類(lèi)。它的工作流程如下：

　?。?）AP發(fā)出頻段測量的指令；

　?。?）移動(dòng)終端MT（Mobile Terminal）收到指令開(kāi)始頻段干擾情況的測量；

　?。?）MT將測量結果提交給AP；

　?。?）AP進(jìn)行是否改變自己頻道的判決；

　?。?）如果決定改變頻段，AP向和它相連的MT宣布即將改變頻段；

　?。?）AP改變作用頻段，和它相連的MT也隨著(zhù)一起改變。

　　上述機制中的（4）是標準沒(méi)有具體規定的，因此有大量的研究集中在如何設計判決算法使得頻段的分配更佳穩定有效。

　　上述機制的好處在于，頻段的分配方案可以隨著(zhù)用戶(hù)的數目和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的調整。但是這種實(shí)時(shí)調整的代價(jià)是：用戶(hù)端向AP周期性的提交干擾報告；AP在頻段間切換時(shí)引起的用戶(hù)與AP重新連接的開(kāi)銷(xiāo)。這兩點(diǎn)隨著(zhù)接入AP的用戶(hù)數目增多，而同比例增大。