WLAN网络中无线射频资源的自动管理策略

王新峰　刘霜霜

1(吉首大学软件服务外包学院　湖南 张家界 427000)2(湖南工业职业技术学院　湖南 长沙 410208)



WLAN网络中无线射频资源的自动管理策略

王新峰1刘霜霜2

1(吉首大学软件服务外包学院湖南 张家界 427000)2(湖南工业职业技术学院湖南 长沙 410208)

针对WLAN网络中无线射频资源之间会相互干扰，尤其在大规模部署时，需要花费大量的人力和时间成本去调整网络配置等问题，给出一个自动无线资源的管理策略。该策略分为4大块功能：射频分组、信道自动调整、功率自动调整、盲区探测和修复，每个功能解决一个特定问题。该自动调整策略综合了设计时间、人力成本、网络稳定、用户体验等，经测试确认可行有效。

WLAN无线资源功率调整信道调整

0　引　言

在手机、PAD、智能手表等智能设备普及的今天，随时随地接入网络是一件很普通的事情，而这背后是无线局域网WLAN的功劳。WLAN是20世纪90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物, 它提供了一种使用无线多址信道的通信方式。现在流行的WLAN系统一般由接入控制器AC和无线接入点AP组成， AP的设置都由AC发出，如图1所示。STA(Station无线客户端)如：手机、电脑等通过AP接入网络。

图1　典型WLAN结构

1　大范围部署WLAN存在的问题

WLAN的初衷是针对家庭、小办公室应用，这时单个AP的工作信道和发射功率的配置是不需要特别关注的。随着WLAN技术被越来越广泛地使用在学校、银行、企业、商场等，高密度WLAN已经成为常见部署，此时WLAN的部署难题也就逐渐凸现出来。WLAN部署面临以下几个问题：

1) 无干扰信道少

802.11b国际标准规范中只有三个(1，6，11)不重叠的信道，如图2所示。

图2　802.11b只有三个不重叠的信道

2) 无线功率易损耗，AP覆盖范围难确定

AP的覆盖范围和其提供的接入速率是紧密相关的，STA距离AP越远，AP提供的接入速率越低，如图3所示。无线电波具有穿越介质后能量易损耗的自然特性，功率设置太高会造成不同AP之干扰，设置太低可能会被障碍物损耗影响覆盖范围及速率。

图3　距离与接入速度关系图

3) 外界射频环境不断变化

在人人都能搭建WLAN的大环境里，即使经过充分的调查，当前的信道和功率设置是最优的，下一时刻也可能就会恶化。

因此在AP高密度覆盖的场合，管理员需要持续不断地花费大量的精力进行AP的配置，且稍微配置不当，反而可能由于干扰或其它原因使系统性能降低。

2　RRAM自动分配策略

2.1RRAM策略的目标及应用场景

针对WLAN的大规模部署存在的问题，本文给出一个无线射频资源自动管理策略RRAM(Radio Resource Auto-Management)。该策略合理地利用和部署无线射频资源如信道、功率、负载均衡、准入控制等，在保证整个网络环境稳定的前提下，提供更多接入和更高速度的网络服务。RRAM策略总共分4大块，如表1所示。

表1　RRAM功能表

RRAM管理策略能够解决如下四种常见的实际用户场景：

场景一AP覆盖范围过度重叠的信道功率选择

对于一个AC或者多个AC在同网络中存在AP覆盖范围重叠的情况如图4、图5所示，可以运用RRAM策略进行调整。

图4　单AC下信道过度重叠场景

图5　多AC下信道过度重叠场景

场景二AP上线时的信道动态选择(AP重叠区域内依然有未使用的不重叠信道)

AP1处于1信道和AP2处于6信道是原有已部署好的，突然加入AP3强行位于1信道(友商或私人的不可改)，如图6所示。这时发现AP1还有可选不重复的11信道，此时应调整AP1切换到11信道。

图6　AP上线动态选择信道场景

场景三功率动态调整(覆盖范围内某AP离线时，提升同频AP功率以填补覆盖，如图7所示)

图7　AP动态修改功率场景

场景四盲区探测和修复

无线用户处于AP3的覆盖范围之外或边缘处，如图8所示，导致无线用户连接不稳定。在这种情况下，AP3应该可以检测到覆盖盲区，并自动调高发射功率，将无线用户纳入覆盖范围。〗

图8　AP覆盖存在盲区场景

2.2RRAM各功能实现原理

2.2.1射频分组

在有限的资源内不同AC独立控制自己的AP，做不到统筹安排。如图9所示场景，圆圈代表AP，里面的数字是信道号(注：有的AP有双天线，这里假设每个AP只有一个射频天线，只需为每个AP分配一个信道)。在这种场景下，AC1不管分配什么信道都会造成干扰。

图9　多AC场景

为了统一考虑需要将射频覆盖区域相重叠的AP组成一个射频组(RF Group)，选举出一个领导AC。射频组内AP的信道分配、发射功率选择统一由领导AC集中决策。

射频组建立的前提必须是在具备RRAM功能的AC上，且不同AC之间网络互通。其次，每个AP都会以最大功率和最小速率发送一个邻居信息报文，报文包含AP的邻居列表和AC信息。其他AP接收到邻居信息报文之后交给AC，AC依据邻居的邻居是自己邻居的方法跟其他AC通信确认射频组。

领导AC的选举有两种方式：

① 手动给每个AC的设置一个优先级，AC之间通信时比较优先级，优先级高的作领导。

② 自动选举， AC之间通信时比较MAC地址， MAC地址小的作领导。

为了应对现有领导AC下线或有新AC加入导致格局改变，AC之间需要定时通信确保及时选举新的领导。

2.2.2信道自动调整

信道自动调整算法，简称DCA算法。DCA算法在射频组领导AC上运行，默认周期20分钟，基于每个RF Group，为所有的AP制定最优化的工作信道配置。DCA算法只考虑为数不多的几个度量：

• 信号强度——每台AP在所有工作信道监听到的邻居信息的RSSI值；

• 干扰——AP报告的802.11数据发送时被干扰的时间百分比；

• 噪声——AP在每个工作信道上监测到的噪声值。

其中，主要的依据是信号强度，其他参数是可选的。

信道切换过程中会引起AP上的STA掉线，用户体验很糟糕，应尽量避免频繁的信道切换。DCA算法运行分为两种模式：大面积部署和正常调整。

1) 大面积部署

该模式应用在：当一个场景在初次部署了大量AP时需要给每个AP设置一个合理的信道，当场景里无线AP信道随着时间变化而调整了一段时间需要恢复到初始信道时。在这种模式下DCA算法执行流程如下：

首先，将所有AP的信道都设置为相同信道，这样就知道谁所受干扰最大。

其次，组领导先将组中的AP成员按照工作信道上的干扰从大到小的顺序排序。优先处理干扰比较大的AP，因为先处理的AP的信道更容易被调整，排序算法使用插入排序。

最后，再按照以下步骤进行调整(类似于地图涂色算法)。

① 按照信号强度从强到弱的顺序处理每一个AP：先在可用信道列表中除去掉已修改过的邻居工作信道，挑选出未受干扰的可用信道。

② 如果可用信道列表中有2个以上信道，按从小到大挑选一个可用信道。

③ 如果没有可用信道，则挑选一个干扰最少的信道。

以下举个简单示例说明DCA的运行流程。如图10所示场景，图中每个圆圈代表一个AP，圈中A—1表示为这个AP名字是A所用信道为1。

图10　未执行DCA算法前AP信道

大面积部署时将所有AP信道都置为1，然后根据干扰进行排序，所受干扰从大到小为： A>F>E>B>C>D。

① A没有已修改邻居AP，所以A就直接先用1信道。

② 到F时，F邻居中有A，此时1不可用，选用6信道。

③ 到E时，由于邻居中A、F占用了1、6信道，只能选用11信道。

同理，B、C、D选取信道分别为11、6、6信道。

执行完DCA算法后，最终AP信道设置如图11所示，所有AP都分配到一个合理可用信道。

图11　执行DCA算法后信道AP信道分配

2) 正常调整

正常调整场景中AP是先后上线的，此时调整的只是刚上线的单个AP，不能调整其他AP，否则遇到恶意AP频繁上下线，会导致本场景中其他AP震荡影响用户正常使用。AP上线时挑选信道依照以下步骤：

① 按照信号强度从强到弱的顺序处理每一个邻居：先在可用信道列表中除去邻居工作信道；

② 直到处理完所有邻居或者可用信道列表中只剩下一个可用信道。

③ 如果可用信道列表中只有一个可用信道就直接选取；如果有多个信道且包含了AP的当前工作信道则保存当前信道，否则按从小到大顺序选取信息，算法结束。

2.2.3功率自动调整

功率自动调整算法，简称TPC算法。组领导使用该算法将每个带宽的发射功率调低，限制过度的区域覆盖和相同信道的干扰。

每个AP报告的邻居列表按照RSSI从高到低排序，如果AP具有三个以上的邻居，那么RF Group Leader基于每个带宽、每个AP应用TPC算法调低AP的发射功率，直到RSSI第三高的AP被监听到的信号强度低于TPC门限(典型值-65 dBm)而且满足TPC的滞后条件。TPC通过以下流程决定是否需要调低发射功率：

1) 确定是否存在RSSI第三高的邻居，其RSSI是否高于TPC门限。

2) 使用公式确定其发射功率：

AP最大发射功率+(TPC门限-RSSI第三高的邻居的RSSI)

(1)

3) 比较当前的发射功率和第2)步的计算结果(求其差)，确认是否超过TPC滞后量：

• 如果大于6 dB，那么发射功率应该调低一级(3 dB)。

• 如果小于-3 dB，那么发射功率应该调高一级(3 dB)。

功率级别与功率对应关系如表2所示。

表2　功率级别与功率对应关系

2.2.4盲区探测和修复

盲区探测和修复算法——Coverage Hole Detection and Correction Algorithm。该算法是基于无线用户的信号质量确定覆盖盲区，再增加用户所连接AP的发射功率。

当用户的SNR(信噪比)低于一个给定的门限时，算法确定存在一个覆盖盲区。SNR门限基于单个AP，并且主要依赖于AP的发射功率。发射功率越高，用户能容忍的噪声也会越大。

覆盖盲区的SNR门限基于两个值：AP的发射功率和AC的Coverage profile(根据场景可设置)值。计算公式如下：

SNR门限(|dB|)=|AP发射功率(dBm)-常数(17 dBm)-

Coverage Profile(dB)|

(2)

在上述式(2)中，因为大多数国家和地区规定AP发射功率上限20 dBm，同时Coverage Profile又不会小于3 dB，所以计算式等价于：

SNR门限(dB)=Coverage Profile(Db)+常数(17 dBm)-

AP发射功率(dBm)

(3)

根据式(3)容易看出SNR门限与AP发射功率的函数关系，即增加AP的发射功率相当于降低SNR门限。一旦有一定数目的用户的SNR低于SNR门限超过一定时间，这些用户所连接的AP的发射功率就会增加(相当于降低SNR门限)以修复覆盖盲区。为了阐述该算法的决策流程，这里给出一个简单的实例。不妨假设一台AP上的相关数据如下：

• 一个无线用户的SNR为13 dB

• 该AP配置的发射功率配置成11 dBm(功率级别4)(参见表2)

• AP所连接的AC配置的Coverage profile为12 dB

算法将按照以下步骤做出决策：

① 计算SNR门限：|11 dBm-17 dBm-12 dB|=|-18 dB|= 18 dB。

② 因为无线用户的SNR(13 dB)小于SNR门限(18 dB)，所以应该提高AP的发射功率。

③ 将无线用户的SNR作为SNR门限，使用式(3)求出AP发射功率：

AP发射功率(dBm)=Coverage Profile(dB)-SNR门限(dB)+常数(17 dBm)=12 dB-13 dB+17 dBm=16 dBm。

④ 对上一步的结果按照功率级别向上取整，可得17 dBm(功率级别2)，这个功率即需要配置到AP上的发射功率。显然，按照这个发射功率，计算出来的SNR门限为12 dBm，已经小于无线用户的SNR(13 dB)了。

3　结　语

本文给出的自动无线资源的管理策略已使用在锐捷网络的WLAN设备之中，经在高校和商场使用验证该策略运行良好。当然自动调整策略也存在问题，比如有人恶意干扰情况下，自动调整策略会频繁调整功率和信道，为了应对这种特殊情况，可以手动设置AP信道，配置禁止自动修改。

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RADIO FREQUENCY RESOURCE AUTO-MANAGEMENT STRATEGY IN WLAN

Wang Xinfeng1Liu Shuangshuang2

1(School of Software and Service Outsourcing,Jishou University,Zhangjiajie 427000,Hunan,China)2(HunanIndustryPolytechnic,Changsha410208,Hunan,China)

Radio frequency resources will interfere with each other in WLAN, especially in large-scale deployment, and it needs to spend a lot of manpower and time costs to adjust the network configuration. Aiming at the issue, this paper proposes a radio frequency resource auto-management strategy, which is divided into four functions: RF grouping, dynamic channel assignment, transmit power control and coverage hole detection and correction, and each function can solve a specific problem. The auto-management strategy proposed in this paper combines the design time, manpower cost, network stability, user experience, etc. This strategy is confirmed by the test is feasible and effective.

WLANRadio resourceTransmit power controlDynamic channel assignment

2016-04-08。王新峰，助教，主研领域：嵌入式系统设计。刘霜霜，讲师。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.09.031