CN103079213B - 一种基于网络评估策略的大规模无线局域网信道规划方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于网络评估策略的大规模无线局域网信道规划方法，属于无线网络性能优化领域，其特征在于，从整个网络的角度出发，提出系统评估参数。首先将一个规模较大的网络收到的干扰区域化，通过划分冲突区域来实现，针对每个冲突区域定义冲突指数。而在系统评估策略中把所有冲突区域的冲突指数统一优化，目标为最小化网络中最大的干扰，可以较为均匀的减少干扰。这一策略既可以用来评估一个信道划分方案的合理性，也可以作为设计信道分配方案的目标。本发明引入保证优先区域、从中心到边缘、避免重干扰信道的工程经验，设计了信道分配方法。并利用参数对网络现状分配方案和发明中提出的方法所得出的信道分配方案进行了评估和比较。
Description
技术领域
基于网络评估策略的大规模无线局域网信道规划方法属于无线网络规划及性能优化领域。
背景技术
近年来，基于IEEE 802.11协议体系的无线局域网得到了广泛的部署。其规模发展迅速的主要原因在于使用开放频段，设备廉价，及安装便利。相对于3G网络来讲，WLAN可为移动终端提供距离较短但是速率较高的网络接入。智能移动终端的出现使得网络流量飞速增长，为承载激增的流量需求，WLAN基础设施被更加密集、大规模的部署。无线宽带联盟发表的一份报告中指出，到2015年，全球公共Wi-Fi热点的数量将增长350％。国内除各种机构、组织纷纷建设自己的无线网络外，运营商均积极发展Wi-Fi业务。中国移动计划在2013年底将在全国范围内部署100万个热点，中国电信预计于2012年底热点数增加至100万个。
然而大量的、密集部署的热点给网络带来了挑战。用户的体验未必随着热点的增多而增加，反而，大量热点之间的复杂干扰可能严重影响网络性能。802.11无线局域网使用两个开放频段，分别是2.4GHz工业、学术、医疗(ISM)频带和5GHz无需执照的国家信息基础设施(UNII)频带。每个频带被划分为多个相互重叠的信道，其中完全不重叠信道个数有限。距离较近的AP(热点)如果被分配了相同的信道或者重叠信道，将互相干扰。2.4GHz频段被应用于各种应用如蓝牙、微波炉、无绳电话等，且不重叠信道个数较少(3个)，因此干扰较重。在规模大的无线网络中，合理为AP分配信道，优化干扰是保证网络性能的关键。
工业界生产的设备中，往往采取较为简单的信道划分机制，如当AP处的干扰超过一定阈值，则其通过监听选择一个其他的使用率最低的信道。当网络规模较大时，信道使用冲突非常严重，单一AP无法通过简单的判断选择一个较好信道，且系统中所有AP在全分布式的自动配置信道，对整个系统的影响不可知。传统的理论上的研究也从AP的角度，局部优化干扰。部分研究开始考虑从系统的角度追求信道分配的优化，但是引入的信息过多，包括需要用户回传监听信息等。修改所有客户端的协议以配合网络做计算，在一段时间内还很难实现，就目前的条件来讲，客户端数量巨大，很多信息难于准确提取。
对于大规模网络，信道的规划必须从系统的角度考虑。目标为优化整个系统的干扰，而非从单一的各点来看干扰情况，实现系统优化需要切实能够应用的系统评估策略、及相应的信道划分方法。
发明内容
本发明的目的是设计无线网络信道分配系统评估参数，利用评估参数制定评估策略，可以评估整个网络的干扰情况。并针对评估参数，以优化系统干扰为目标，提出信道规划方法。应用场景为对大规模无线网络的AP做信道划分，及对不同的划分方案做出评估与对比验证。发明分为三个部分，第一部分为相关参数及系统评估参数的定义，并给出参数的具体推导方法；第二部分实现信道划分方法，获得划分结果并应用于网络；最后对划分结果进行理论评估，给出该划分方案的评估结果。评估结果表明在系统参数方面，信道划分方法比未应用之前大幅提高。实验验证了在应用了信道划分的结果后，网络的系统干扰有所下降。
本发明的特征在于是一种在大规模无线局域网中对未分配信道的无线接入点集合APset中的各个无线接入点也称热点的干扰进行全局优化的信道分配方法，在一个网络信道规划服务器中依次进行以下步骤实现：
步骤(1)所述信道规划服务器初始化：
设定：优化目标位网络的最严重的干扰最小化，为此设立以下优化参数冲突区域集合S，也是网络覆盖的区域，S＝{S1，S2，Ss,…，SS}，下标中的大写的S同时表示冲突区域的个数和序号，下标中小写的s表示任意一个冲突区域，所述冲突区域是指一个热点APP所能完全覆盖的区域；
信道冲突指数CCI(Ss,Cc)，其中：
信道集合C＝{C1,C2，…，Cc…，CC}，其中，下标中大写的C表示信道的个数同时也表示序列C中最后一个信道的序号，下标中小写的c表示任意一个信道，C是非重叠且供分配的信道集合，
所述信道冲突指数CCI(Ss,Cc)是指任何一个信道Cc在冲突区域Ss中受干扰的程度，CCI(Ss,Cc)＝m+n*a，其中m是所述冲突区域内使用信道Cc的热点APp的个数，c∈C，n是与所述冲突区域Ss相邻的冲突区域S’中使用信道Cc的个数，c∈C，无线接入点集合APset＝{AP1，AP2，…，APp，…，APP}，下标中大写的P表示热点的个数，同时也是APset中最后一个热点的序号，APp表示任意一个AP，a是指冲突区域S’中使用了Cc信道的n个热点对冲突区域Ss中使用了Cc信道的m个热点的影响参数，取a＝0.25，冲突指数CI(Ss)，是指所述冲突区域内Ss内的受干扰最严重信道的干扰程度，CI(Ss)＝MAX{CCI(Ss,C1)，…，CCI(Ss,CC)},与每个APp相关的信息的集合AP_i，包括APp所在的冲突区域area，APp是否处在优先保证的冲突区域的指示prior，APh受限使用的信道limitCh，受限使用是指冲突该区域在某些信道上存在其他网络的干扰，则避免为该区域内AP分配这些信道，与所述APp相邻的热点neighbor，及为APp分配的信道channel，channel的初始值为空，AP_i表示为：AP_i＝{area，prior，limCh，neighbor，channel}，i为热点在热点集合中的序号，i＝1,2,…P，每个冲突区域S的信息S_j表示为，S_j＝{APp，CCI(Ss,C1)，…，CCI(Ss,CC)，CI(Ss)}，APp为区域包含的热点，j为每个冲突区域信息的序号，j＝1,2,…S；
步骤(2)所述网络信道规划服务器依次按以下步骤进行信道分配：
步骤(2.1)建立一个未分配信道的无线接入点集合APset，
步骤(2.2)在所述APset中按以下步骤选择一个未分配信道的热点APm:
步骤(2.2.1)判断所述APset中是否存在处于优先保证冲突区域的热点组，若有，则从所述的热点组中选择一个邻居数最多的的热点APm，若无，则从所述APset中选择邻居数最多的热点APm，
步骤(2.2.2)若步骤(2.2.1)中存在多个邻居数最多且数目相同的热点，则从中选择一个存在受限使用信道的热点APm，若无受限使用信道的热点，则从多个邻居数最多且数目相同的热点中任意选择一个热点APm，
步骤(2.3)为步骤(2.2)中得到的APm分配一个可用信道，此时计算每个冲突区域的CI(Ss)值，记录下所有区域中最大的CI(Ss)值CImax，及此时为APm分配的信道，APm所在冲突区域的CI(Ss)值CIloc，
步骤(2.4)为步骤(2.2)中得到的APm分配下一个可用信道，并计算当时每个冲突区域的CI(Ss)值，记录下此时所有冲突区域中最大的CI(Ss)值CImaxtemp，及APm所在冲突区域的CI(Ss)值CIloctemp，比较CImax和CImaxtemp，记录较小的一个CI(Ss)值，并赋给CImax，及记录较小的一个对应的给APm分配的信道，若两个值相等，则比较CIloc和CIloctemp，较小的一个赋给CIloc，及记录较小的一个对应的给APm分配的信道，
步骤(2.5)继续为(2.2)中选出的APm分配可用信道，重复(2.4)步骤，循环执行一直到循环完信道集合C中所有可用信道为止，若该热点是受限使用信道的区域内APp，则不使用受限的信道，
步骤(2.6)把步骤(2.4)到(2.5)得到的已记录的信道分配给步骤(2.2)中选择的热点APm，并重新计算各个冲突区域的CCI(Ss,Cc)及CI(Ss)，形成最终的AP_i，
步骤(2.7)重复步骤(2.2)到步骤(2.5)，直到选择完APset中所有无线接入点为止。
在步骤(2.5)中，当相邻两次给APm分配信道后的最大CI(Ss)值相同时，比较相邻两次分配后APm所处的区域的CI(Ss)值，记录较小的一次对应的信道。
本发明的优点在于将无线网络覆盖区域划分为冲突区域，并从整体的角度优化干扰，降降低了最严重干扰，即均匀的减少了全局的干扰。
附图说明
图1、两种CI分布的情况对比： 应用算法后应用算法前。
图2、2.4GHz上评估区域CI值对比： 应用算法后应用算法前。
图3、5GHz上评估区域CI值对比： 应用算法后应用算法前。
图4、2.4GHz上优先保证区域CI值对比： 应用算法后应用算法前。
图5、5GHz上优先保证区域CI值对比： 应用算法后应用算法前。
图6、区域19干扰情况对比 ——应用算法前-------应用算法后
图7、区域26干扰情况对比 ——应用算法前-------应用算法后
图8、区域27干扰情况对比 ——应用算法前-------应用算法后
图9、本发明的算法流程图
具体实施方式
实际实验环境为清华大学校园无线网。
一、无线网络信道划分系统评估参数
1.变量及评估参数定义
(1)冲突区域(conflict area)
划定的一个区域Ss，Ss用一个AP即可以完全覆盖，认为在该区域内，若有多个AP被分配了相同的信道，它们之间会产生干扰。
(2)信道冲突指数(channel conflict index)
该参数是针对一个冲突区域中的某个信道而言。指示信道Cc在一个冲突区域内受到的干扰程度。表示为CCI(Ss,Cc)，Ss为冲突区域，Cc为信道。
(3)冲突指数(conflict index)
指示一个冲突区域的最严重干扰程度，即干扰最重的信道的干扰程度。表示为CI(Ss)，Ss为冲突区域。
2.参数计算
(1)冲突区域
冲突区域为一个AP的主要覆盖范围，可以通过对部署结果的学习，结合信号监等方法听对非常规区域进行消除。冲突区域学习的工具不在本发明的范围。
(2)信道冲突指数
在一个冲突区域Ss内，有m个APh使用信道Cc，与S相邻的冲突区域中总共有n个APh使用信道Cc，则信道k的CCI值为CCI(Ss,Cc)＝m+n*a.参数a代表相邻区域AP对该区域AP的影响程度。a取值根据AP的密集、分布情况应有所不同.这里为了简化方法，采用参数的方式统一邻居区域AP对本区域AP的影响程度。也可以引入AP之间边的权值，来更细粒度计算信道的干扰程度。算法中根据经验值和反复实验设定为0.25，表示4个位于其他区域的AP所造成的影响等同于一个在本区域的AP。
(3)冲突指数
冲突区域内最严重的干扰程度，可以由干扰最严重的信道的干扰程度来决定。CI(Ss)＝Max(CCI(Ss,C1),…CCI(Ss,CC)),其中C1…CC为在该区域内可以使用的信道。
3.网络评估策略
无线网络所覆盖的大的区域，可以划分为多个不重叠的冲突区域。以上参数可以衡量每个冲突区域的干扰程度。优化的目标为网络的最严重干扰最小，该目标尽量均衡的降低网络中的干扰，降低最高干扰，即图1中(a)的情况要优于(b)。即系统优化目标为：Minimize Max(CI(S1),CI(S2),…CI(SS))，S1,S2,…SS为系统包含的冲突区域。
二、基于系统参数优化的信道规划方法
1.参数设定
Channel＝{C1,C2,…CC}为可以用来分配的信道，这里使用非重叠信道。
APset＝{AP1,AP2,…APP}为网络中需要分配信道的AP
S＝{S1,S2,…SS}S为网络覆盖区域，划分成了S个冲突区域
AP_i＝{area,prior,limitCh,neighbor,channel}为每个AP的相关信息，其中area是AP所属于的冲突区域；prior为AP是否处于优先保证区域；limitCh为受限使用的信道，即该信道在该区域有其他干扰，应尽量避免；neighbor为与该AP相邻的AP；channel是给AP分配的信道，初始时为空。
S_j＝{APs,CCI(Ss,C1)...CCI(Ss,CC),CI}为每个冲突区域的信息，APh为区域包含的AP；CCI(Ss,C1)...CCI(Ss,CC)为所有信道的CCI值，CI为区域的冲突指数值。
2.方法执行步骤
步骤(1)从APset中按着一定规则选择一个未分配信道AP，选择规则考虑了实际工程经验，保证先选择优先区域的、位置居中的(邻居较多)、受限分配的AP，选择过程如下：
步骤(1.1)选择一个处于优先保证区域的，且邻居数最多的AP；
步骤(1.2)若没有处于优先区域的，则选择邻居数最多的AP；
步骤(1.3)若邻居数相同，则选择有信道限制的AP；
步骤(2)为AP分配一个可用信道，并计算分配后每个区域的CI值，记录所有区域最大CI值，记录该信道及该CI值；
步骤(3)为AP分配下一个可用信道，计算出所有区域最大CI值后，与目前记录的CI值进行比较，记录值更小CI的所分配信道，循环执行该步骤直至遍历完可用信道；这其中若两次最大CI的值相同，则比较相邻两次正在处理的AP所位于区域的CI值，选择更小的一个进行记录；
步骤(4)为AP分配记录的信道，并重新计算所有区域的CI；
步骤(5)重复步骤(1)，直至没有未分配信道的AP；
三、参数理论评估及实验验证
1.参数理论评估
理论评估中，对网运行的网络中的信道分配进行了评估，与上面提出的分配方法得出的分配结果的评估进行对比。主要对比每个区域的CI值，所有区域的平均CI值及优先保证区域CI值。评估对象选择校园中一处规模较大教学楼。图2为2.4GHz上两种分配方案的CI值对比，图3为5GHz上两种分配方案的CI值对比结果。可以看出，以上提出的分配方法使得大部分区域的CI值明显比现状降低，5GHz上降低更明显，因为5GHz有更多的信道可以使用，2.4GHz非重叠信道较少，冲突很难避免。图4是2.4GHz上优先保证区域的CI值，图5是5GHz上优先保证区域的CI值。可以看出，在新提出的方法中，优先区域的CI得到了保证，进而优先保证网络性能。下表列出两种分配方法在两个频点上的平均CI值。
| 分配方案 | 2.4GHz平均CI | 5GHz平均CI |
| 当前运行结果 | 1.87 | 1.36 |
| 应用算法结果 | 2.9 | 2.5 |
2.实验验证
选择以上做理论验证的建筑，选择一个楼层的AP，在应用新的信道分配方法之前，进行数据提取。通过SNMP读取AP在2.4GHz上的干扰值，每分钟一次，提取3天数据。之后应用上述信道分配方法，修改该建筑所有AP的信道，并选择对应工作日监听修改之后的干扰数据。对前后数据经过滤波处理后，进行结果对比。该楼层总共分为10个冲突区域，实验结果表明，其中七个区域的干扰有所降低，降低值从0.2dB到3dB不等。一个区域的干扰值基本不变，另外两个区域有微弱降低，约0.1dB和0.3dB。以下选取3个较典型区域说明，区域19，区域27和区域26。区域19的理论CI值在应用算法后，降低0.75，实际系统中的平均干扰值在应用算法后降低0.3dB；区域26的CI值在应用算法后降低1.25，实际系统中的平均干扰值在应用算法后降低0.5dB；区域27的理论CI值在应用算法后降低2.5，实际系统中的平均干扰值在应用算法后降低3dB.3dB已经是十分明显的降低，意味着干扰功率减少了50％(mW)。图6，图7，图8分别显示了区域19，区域26和区域27在应用算法前后的干扰情况，可以看出图6中提高不明显，图7已有整体提高，而图8中提高十分明显。
Claims (2)
1.一种基于网络评估策略的大规模无线局域网信道规划方法，其特征在于，是一种在大规模无线局域网中对未分配信道的无线接入点集合APset中的各个无线接入点也称热点的干扰进行全局优化的信道分配方法，在一个网络信道规划服务器中依次进行以下步骤实现：
步骤(1)所述信道规划服务器初始化：
设定：优化目标为网络的最严重的干扰最小化，为此设立以下优化参数
冲突区域集合S，也是网络覆盖的区域，S＝{S1,S2…,Ss…,SS}，下标中的大写的S同时表示冲突区域的个数和序号，下标中小写的s表示任意一个冲突区域，所述冲突区域是指一个热点APP所能完全覆盖的区域；
信道冲突指数CCI(Ss,Cc)，其中：
信道集合C＝{C1,C2,…,Cc…,CC}，其中，下标中大写的C表示信道的个数同时也表示序列C中最后一个信道的序号，下标中小写的c表示任意一个信道，C是非重叠且可分配的信道集合，
所述信道冲突指数CCI(Ss,Cc)是指任何一个信道Cc在冲突区域Ss中受干扰的程度，
CCI(Ss,Cc)＝m+n*a，其中m是所述冲突区域Ss内使用信道Cc的热点APp的个数，c∈C，
n是与所述冲突区域Ss相邻的冲突区域S’中使用信道Cc的个数，c∈C，
无线接入点集合APset＝{AP1,AP2…,APp…,APP}，下标中大写的P表示热点的个数，同时也是APset中最后一个热点的序号，APp表示任意一个AP，
a是指在冲突区域S’中使用了Cc信道的n个热点对冲突区域Ss中使用了Cc信道的m个热点的影响参数，取a＝0.25，
冲突指数CI(Ss)，是指所述冲突区域内Ss内的受干扰最严重信道的干扰程度，
CI(Ss)＝MAX{CCI(Ss,C1),…,CCI(Ss,CC)},
与每个APp相关的信息的集合AP_i，包括APp所在的冲突区域area，APp是否处在优先保证的冲突区域的指示prior，APp受限使用的信道limitCh，受限使用是指冲突区域在某些信道上存在其他网络的干扰，则避免为该区域内AP分配这些信道，与所述APp相邻的热点neighbor，及为APp分配的信道channel，channel的初始值为空，AP_i表示为：
AP_i＝{area，prior，limCh，neighbor，channel}，i为热点在热点集合中的序号，i＝1,2,…P，每个冲突区域Ss的信息S_j表示为，
S_j＝{APp，CCI(Ss,C1),…,CCI(Ss,CC)，CI(Ss)}，APp为区域包含的热点，j为每个冲突区域信息的序号，j＝1,2,…S；
步骤(2)所述网络信道规划服务器依次按以下步骤进行信道分配：
步骤(2.1)建立一个未分配信道的无线接入点集合APset，
步骤(2.2)在所述APset中按以下步骤选择一个未分配信道的热点APm:
步骤(2.2.1)判断所述APset中是否存在处于优先保证冲突区域的热点组，
若有，则从所述的热点组中选择一个邻居数最多的热点APm，
若无，则从所述APset中选择邻居数最多的热点APm，
步骤(2.2.2)若步骤(2.2.1)中存在多个邻居数最多且数目相同的热点，则从中选择一个存在受限使用信道的热点APm，若无受限使用信道的热点，则从多个邻居数最多且数目相同的热点中任意选择一个热点APm，
步骤(2.3)为步骤(2.2)中得到的APm分配一个可用信道，此时计算每个冲突区域的CI(Ss)值，记录下所有区域中最大的CI(Ss)值CImax，及此时为APm分配的信道，APm所在冲突区域的CI(Ss)值CIloc，
步骤(2.4)为步骤(2.2)中得到的APm分配下一个可用信道，并计算当时每个冲突区域的CI(Ss)值，记录此时所有冲突区域中最大的CI(Ss)值CImaxtemp，及APm所在冲突区域的CI(Ss)值CIloctemp，比较CImax和CImaxtemp，记录较小的一个CI(Ss)值，并赋给CImax，及记录较小的一个对应的给APm分配的信道，若两个值相等，则比较CIloc和CIloctemp，较小的一个赋给CIloc，及记录较小的一个对应的给APm分配的信道，
步骤(2.5)继续为(2.2)中选出的APm分配可用信道，重复(2.4)步骤，循环执行一直到循环完信道集合C中所有可用信道为止，若该热点是受限使用信道的区域内APp，则不使用受限的信道，
步骤(2.6)把步骤(2.4)到(2.5)得到的已记录的信道分配给步骤(2.2)中选择的热点APm，并重新计算各个冲突区域的CCI(Ss,Cc)及CI(Ss)，形成最终的AP_i，
步骤(2.7)重复步骤(2.2)到步骤(2.5)，直到选择完APset中所有无线接入点为止。
2.根据权利要求1所述的一种基于网络评估策略的大规模无线局域网信道规划方法，其特征在于，在步骤(2.5)中，当相邻两次给APm分配信道后的所有冲突区域最大CI(Ss)值相同时，比较相邻两次分配后APm所处的冲突区域的CI(Ss)值，记录较小的一次对应的信道。
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| GR01 | Patent grant |