無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的負載均衡問(wèn)題探討

位于中心點(diǎn)的AP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運行，連接的終端的個(gè)數要多于四周AP的終端個(gè)數，承擔的業(yè)務(wù)也已經(jīng)飽和，此時(shí)連接到中心點(diǎn)AP的終端的業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）已經(jīng)不能保證。而外圍的AP業(yè)務(wù)還不飽和，網(wǎng)絡(luò )中出現負載差異。負載均衡就是要解決這種差異，將中心點(diǎn)AP的某些業(yè)務(wù)轉移到外圍的 AP上，以提高網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)容量和中心點(diǎn)AP的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

負載不均衡形式二：終端不停地切換造成負載抖動(dòng)

WLAN共有兩種工作組織形式，獨立基本服務(wù)集（IBSS）和基本服務(wù)集（BSS）。

終端（例如帶有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )下的筆記本電腦）在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候必須選擇一個(gè)AP作為連接對象，這就是終端接入過(guò)程，接入過(guò)程要經(jīng)過(guò)掃描、認證、連接等步驟。一般而言，終端在掃描過(guò)程中會(huì )掃描到多個(gè)AP的信息，終端選擇AP的條件是掃描到的AP的信號強度。由于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中終端的移動(dòng)特性和無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變特性，終端在某些情況下會(huì )發(fā)生從一個(gè)BSS 切換到另一個(gè)BSS的情況。這種情況就是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的切換。終端切換帶來(lái)的問(wèn)題是切換時(shí)延，甚至上層業(yè)務(wù)的中斷。切換還會(huì )帶來(lái)的問(wèn)題是“乒乓效應”。即終端不停地在兩個(gè)或多個(gè)AP之間切換，終端就像乒乓球一樣。這樣會(huì )造成負載抖動(dòng)，對網(wǎng)絡(luò )資源造成極大的損耗。

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的負載均衡的分類(lèi)

可以從兩個(gè)方面對無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的負載均衡技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)。按照負載均衡的發(fā)起者分，負載均衡可以分為STA主控的負載均衡和AP主控的負載均衡。按照負載均衡的解決方式可分為接入式負載均衡和切換式負載均衡。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的負載均衡的分類(lèi)如圖所示。

終端（STA）主控負載均衡

STA主控的負載均衡實(shí)際上是一種自發(fā)的負載均衡策略，是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中STA的特性之一。切換完成的STA實(shí)際上也實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )負載的傳遞。

僅僅靠信號質(zhì)量作為STA切換的條件是片面的，目前有大量的研究集中在如何改進(jìn)切換的時(shí)機，以更準確地實(shí)現終端切換帶來(lái)的負載變化。

STA主控的優(yōu)點(diǎn)是：STA最清楚自己的業(yè)務(wù)需求和所處的環(huán)境，STA掃描得到的環(huán)境中可用的BSS情況對STA而言最準確。而且，切換或接入的主體是STA，業(yè)務(wù)也是在STA上開(kāi)展，切換造成的損失由STA承擔。缺點(diǎn)是：STA僅僅知道終端側的情況和STA自身的情況，對網(wǎng)絡(luò )環(huán)境而言，STA并不能準確掌握，沒(méi)有發(fā)言權。STA切換隨意性大，會(huì )對整個(gè)ESS造成混亂，使網(wǎng)絡(luò )全局的負載均衡效果不佳。

AP主控負載均衡

AP主控負載均衡的出發(fā)點(diǎn)是，AP處于網(wǎng)絡(luò )側，AP之間通過(guò)有線(xiàn)的連接，可以在不影響STA業(yè)務(wù)的情況下，相互傳遞與負載均衡相關(guān)的信息。根據這些信息，ESS就可以判斷出AP中負載最重的AP和負載最輕的AP.擁有這些信息的ESS就可以做出一些決策，比如，讓負載重的AP下的終端切換到負載輕的 AP下，或者對新加入網(wǎng)絡(luò )的終端進(jìn)行限制，不允許負載重的AP接入而只允許負載輕的AP接入等，實(shí)現ESS內的負載均衡。

AP主控的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )側的整體情況可以通過(guò)AP之間的分布式系統，準確、及時(shí)地進(jìn)行統計，在整體協(xié)調和調度方面對網(wǎng)絡(luò )側有利，也比較容易實(shí)現整體策略的實(shí)施。另外就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的負載均衡調整速度會(huì )很快。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )側并不知道STA所處的位置和網(wǎng)絡(luò )環(huán)境、STA所能夠掃描到的AP的情況，所以有切換決策錯誤的風(fēng)險。

接入式負載均衡

接入式負載均衡就是控制STA的接入實(shí)現負載均衡。當AP的負載情況超過(guò)閾值后，該AP就會(huì )拒絕新的終端的接入，加入網(wǎng)絡(luò )的終端只好尋找負載較輕的AP進(jìn)行連接。從而在一定的程度上實(shí)現負載的均衡。

由于接入式負載均衡只控制新終端的接入過(guò)程或切換后的重連接過(guò)程，屬于被動(dòng)的負載均衡，負載均衡的調整收斂速度會(huì )比較慢。極端情況下，沒(méi)有新的終端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )，或者所有的STA都維持當前連接，網(wǎng)絡(luò )會(huì )一直處于非平衡狀態(tài)。

切換式負載均衡

切換式負載均衡就是控制STA的切換以實(shí)現負載均衡。當ESS中某AP的負載過(guò)重的時(shí)候，ESS或終端控制該AP下的STA切換到其他AP上，以分散負擔。當ESS中某AP的負載過(guò)輕的時(shí)候，ESS或終端就控制其他AP下的STA切換到該AP上，以實(shí)現整個(gè)ESS的全局平衡。

切換式負載均衡的特點(diǎn)是反應迅速，一旦出現負載差異，可以通過(guò)切換行為迅速調整。缺點(diǎn)是切換會(huì )對終端造成損失，有切換失敗和上層業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險。同時(shí)，切換式負載均衡必須依賴(lài)于快速切換才能實(shí)現。如果快速切換方法效果差，則負載均衡造成的損失會(huì )增大。

將AP主控方法和切換式負載均衡方法相結合是當前研究的熱點(diǎn)，不僅可以準確地收集信息做出決策，而且可以迅速反應，主動(dòng)地調整擴展服務(wù)集中的負載分布。

雖然負載均衡的本意是為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )的運行，平均分配整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的負載，達到盡可能高的網(wǎng)絡(luò )資源的利用率，提高網(wǎng)絡(luò )的性能。但是，作為一種網(wǎng)絡(luò )管理行為，負載均衡為網(wǎng)絡(luò )引入了負載信息交互的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)和負載均衡調整的網(wǎng)絡(luò )管理開(kāi)銷(xiāo)，并且與之相關(guān)的，終端切換也會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)銷(xiāo)。隨著(zhù)ESS中AP數量的增加或STA數量的增加，維護負載均衡所需的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)也會(huì )增大，對網(wǎng)絡(luò )性能造成干擾和損失。

負載均衡也有負載調整失敗的風(fēng)險。切換有失敗的可能，會(huì )造成孤立節點(diǎn)的存在。切換失敗的終端不得不重新尋找AP進(jìn)行接入，上層業(yè)務(wù)必然會(huì )中斷。另外，切換是對穩定的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的干擾，過(guò)于頻繁的切換會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )性能的抖動(dòng)，并且可能出現“乒乓效應”，使網(wǎng)絡(luò )長(cháng)時(shí)間處于動(dòng)蕩狀態(tài)，不能穩定。

TD-SCDMA系統中的負載均衡技術(shù)

時(shí)分同步碼分多址（TD-SCDMA）是一個(gè)時(shí)分同步系統，在通用移動(dòng)通信系統陸地無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（UTRAN）的無(wú)線(xiàn)資源控制（RRC）中，很重要的一部分內容就是負載均衡。在時(shí)分系統中，時(shí)間和碼道資源是非常有限的，而且在時(shí)分系統中，大量的業(yè)務(wù)是電路交換業(yè)務(wù)，對QoS的要求都很高，所以，負載均衡在時(shí)分系統中非常重要。

時(shí)分系統中的負載均衡有多重粒度。除了可以控制用戶(hù)終端（UE）的切換之外，甚至可以在每個(gè)時(shí)隙的基礎上控制負載的分配。與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)不同的是，時(shí)分中的某些負載均衡方法是以犧牲UE的業(yè)務(wù)為代價(jià)的，比如暫時(shí)中斷分組數據業(yè)務(wù)，甚至強迫用戶(hù)掉話(huà)，中斷電路交換業(yè)務(wù)，強制UE釋放系統資源。

結束語(yǔ)

由于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的使用環(huán)境，負載均衡面臨著(zhù)比有線(xiàn)分布式系統中更加復雜的問(wèn)題。好的負載均衡方法可以有效地提高網(wǎng)絡(luò )的效率，提高資源的利用率，降低系統擁塞的可能性，提高系統抵抗負擔變化的能力，提高系統的容忍度。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的負載均衡應該遵循以下原則：

準確地評估每個(gè)AP的負載狀況，并盡快地進(jìn)行負載信息的交互；負載信息的交互應該不影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。

高效的均衡算法，準確地選擇執行負載均衡調整操作的執行者，并結合切換和接入兩種手段；如何加快負載均衡調整的收斂速度也是均衡算法應該關(guān)注的重點(diǎn)。

結合快速切換的切換管理和控制，要避免多個(gè)終端在同一個(gè)AP處的切換競爭和擁塞。

降負載均衡的副作用，應該降低網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)，具備避免頻繁切換、切換失敗控制等機制。