CN105101355A - 一种wlan系统中基于用户吞吐量估算的接入点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种WLAN系统中基于用户吞吐量估算的接入点选择方法，其特征是按如下步骤进行：接入点侦测无线信道并获得竞争列表及信道占用时间；2若侦测到有新的用户终端，则中心控制器选择信道占用时间最大的候选接入点作为新的用户终端的优选接入点。本发明能为用户终端选择一个接入点使得用户终端获得的归一化信道占用时间达到最大，从而能够使得用户终端获得更好的网络服务质量体验。

Description

一种WLAN系统中基于用户吞吐量估算的接入点选择方法

技术领域

本发发明涉及计算机网络与无线通信的交叉领域，更具体的说是一种WLAN系统中基于用户吞吐量估算的接入点选择方法。

背景技术

无线局域网(WLAN)是指以无线信道作为传输媒介的计算机网络，利用WLAN，用户可以实现随时随地的宽带网络接入。随着无线业务越来越普遍，大量的无线接入点(AccessPoint,AP)被密集的部署在诸如公司，旅馆和咖啡厅等地方，位于这些公共WLAN区域的无线终端可以通过多个AP接入到网络。在无线局域网中，终端可以通过主动扫描或者被动扫描两种方式得到周围可接入的AP信息。在主动扫描模式下，终端会定期的向所支持的信道中发送探测请求帧(ProbeRequest)，接收到探测请求帧的AP回复探测应答帧(ProbeResponse)，根据接收到的应答帧，终端可以获得可接入的AP的列表；在被动扫描模式下，AP会定期的广播信标帧(Beacon)，终端监听周围无线信道中的信标帧，根据接收到的信标帧同样可以获得可接入的AP的列表。无论是哪种方式，终端在获取可接入AP的列表后，根据接收到的AP的信号强度选择一个接收信号强度最强的AP接入。

WLAN广泛采用802.11标准。802.11标准由美国电气电子工程师协会(IEEE)制定，对WLAN的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)进行了标准规范。802.11规定了两种MAC层访问机制：分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)和点协调功能(PointCoordinationFunction,PCF)。DCF是目前使用最广泛的MAC层访问机制，每一个站点使用载波侦听/冲突避免(CSMA/CA)分布式接入方式，各个站点通过自由竞争来获得信道的接入权。

终端根据信号强度选择AP，当接入到AP的终端数量已经饱和，新的终端扫描到AP信号强度很强时，仍然会选择接入到终端数量已经饱和的AP，在CSMA/CA机制下，终端数量变多时，数据的冲突会增强，各个终端对信道的使用时间也会减少。此时会出现信号强度较弱但终端数量很少的AP空闲，用户终端能够获得的吞吐量很大，而信号强度较强，终端数量很多的AP出现过载的现象，用户终端能够获得的吞吐量很小。当前还有一部分技术基于AP上用户终端数量为用户终端选择AP，特点是用户终端在AP之间的分布是均匀的；或者根据AP的负载情况为用户终端选择AP，特点是AP的负载是均匀的；但是由于信道资源有限，在AP密集部署的情况下，不同的AP之间可能会使用相同的工作信道，此时根据CSMA/CA机制，当AP之间距离很近时，同样需要竞争使用信道，此时连接到参与竞争的AP的所有终端也会受到影响，每个AP能够提供的最大负载并不相同，在用户均匀分配时，受AP之间竞争影响较大的AP所服务的用户的服务体验会很差。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提出一种基于用户吞吐量估算的接入点选择方法，以期能为用户终端选择一个接入点使得用户终端获得的归一化信道占用时间达到最大，从而能够使得用户终端获得更好的网络服务质量体验。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种WLAN系统中基于用户吞吐量估算的接入点选择方法，所述WLAN系统是由一个中心控制器、N个接入点AP＝[AP₁,AP₂,…,AP_i,…,AP_N]和若干个用户终端STA组成，AP_i表示第i个接入点；1≤i≤N；所述N个接入点AP通过有线方式与所述中心控制器进行连接，并通过无线方式与用户终端STA进行连接；其特点是，所述接入点选择方法按如下步骤进行：

步骤1、设定周期为T，循环周期次数为k；并初始化k＝1；

步骤2、所述第i个接入点AP_i不断进行无线信道侦测，监测其他N-1个接入点的信号，获得第k个周期T_k内的第i个接入点AP_i的竞争列表，记为 表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j的竞争关系，并有表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j之间存在信道竞争；表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j之间不存在信道竞争；1≤j≤N；并在所述第k个周期T_k时间段内侦听是否有来自新的用户终端STA_α的探测请求消息；

当所述N个接入点AP中第i个接入点AP_i侦测到有新的用户终端STA_α所广播的探测请求消息，则所述第i个接入点AP_i向所述中心控制器发送关于新的用户终端STA_α的请求报告，所述请求报告内容包括：所述新的用户终端STA_α的标识码MAC_α以及所述第i个接入点AP_i与所述新的用户终端STA_α之间的信号强度R_αi；并执行步骤7；

步骤3、在第k个周期T_k内，记所述N个接入点AP各自已接入的用户终端数量为 表示在第k个周期T_k内第i个接入点AP_i上所接入的用户终端数量；

步骤4、所述第i个接入点AP_i将所述第i个竞争列表和所述第i个接入点AP_i上所接入的用户终端数量以周期T发送给所述中心控制器，从而使得所述中心控制器获得第k个周期T_k内的N个接入点AP的竞争列表和N个接入点AP各自已接入的用户终端数量Q_k；

步骤5、所述中心控制器根据所述第k个周期T_k内的N个接入点AP的竞争列表获得所述N个接入点AP在第k个周期T_k内归一化信道占用时间 表示所述第i个接入点AP_i在第k个周期T_k内的归一化信道占用时间；

步骤6、将k+1赋值给k，并返回步骤2执行；

步骤7、所述中心控制器将所接到的信号强度R_αi与所设定的接收信号强度阈值β进行比较，当R_αi＞β时，将所述第i个接入点AP_i作为所述新的用户终端STA_α的候选接入点并添加到所述新的用户终端STA_α的候选接入点集合C_α中；从而获得候选接入点集合C_α＝{AP_α1,AP_α2,…,AP_αm,…,AP_αM}；AP_αm表示所述候选接入点集合中第m个候选接入点；1≤m≤M≤N；

步骤8、所述中心控制器计算所述新的用户终端STA_α接入到所述第m个候选接入点AP_αm时所获得的归一化信道占用时间t_αm；从而获得所述新的用户终端STA_α接入到M个候选接入点时所获得的归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]；

步骤9、所述中心控制器从所述归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]中选取最大归一化信道占用时间所对应的候选接入点作为所述新的用户终端STA_α的优选接入点，记为AP_α ^*；

步骤10、所述中心控制器控制所述优选接入点AP_α ^*发送探测响应消息给所述新的用户终端STA_α；

步骤11、所述新的用户终端STA_α接收到所述探测应答消息后向优选接入点AP_α ^*发起连接请求，从而实现所述中心控制器为所述新的用户终端STA_α的接入点选择，并返回步骤3。

本发明所述的接入点选择方法的特点也在于：所述步骤8是按如下步骤进行：

步骤8.1、所述中心控制器从所述第k个周期T_k内归一化信道占用时间th_k中提取所述M个候选接入点所对应的归一化信道占用时间，记为th_α＝{th_α1,th_α2,…,th_αm,…,th_αM}；并从所述第k个周期T_k内N个接入点AP的已接入用户终端数量Q_k中提取所述M个候选接入点所对应的已接入用户终端数量，记为Q_α＝{q_α1,q_α2,…,q_αm,…,q_αM}；

步骤8.2、利用Bianchi模型计算所述新的用户终端STA_α接入到所述第m个候选接入点AP_αm时所获得的初步归一化信道占用时间t′_αm，从而获得所述新的用户终端STA_α接入到M个候选接入点时所获得的初步归一化信道占用时间t′＝[t′_α1,t′_α2,…,t′_αm，…,t′_αM]；

步骤8.3、利用式(1)获得所述新的用户终端STA_α从所述第m个候选接入点AP_αm能获得的的归一化信道占用时间t_αm，从而获得所述归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]：

t_αm＝th_αm·t′_αm(1)。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明基于WLAN网络中MAC层使用的CSMA/CA协议竞争使用信道的特性，考虑WLAN整个网络的运行机制，以终端能够获得的归一化信道占用时间为目标为终端选择AP，从而能够提升终端用户的服务质量体验。

2、本发明考虑AP之间的载波侦听关系，建立AP之间载波侦听关系矩阵，以便于分析AP在信道竞争中能够获得的归一化信道占用时间，从而更加准确的估计用户终端能够获得的归一化信道占用时间；利用中心控制器收集全局网络的信息，使得决策更加准确；

3、本发明根据用户能够获得的归一化信道占用时间为用户终端选择AP，控制器优先为用户终端选择负载小，接入用户终端少，归一化信道占用时间长的AP，更有利于实现AP之间的负载均衡。

4、本发明利用中心控制器为用户选择AP，中心控制器负责定期更新网络状态信息，这里的网络状态信息包括整个WLAN系统的状态信息，不需要对用户终端做任何修改，每次连接只有一个探测响应帧发送，减小了用户终端接入网络所需的时间；中心控制器根据整个系统的信息为用户终端选择AP，提高了决策的准确性；

5、本发明控制器为用户选择一个合适的AP，只有被选择的AP发送探测应答帧给新用户终端，用户终端根据接收的探测应答帧与被选择的AP建立连接，用户终端不需要对候选AP逐一侦测判断，减小了用户终端接入网络花费的时间。

6、本发明中AP与控制器之间利用有线连接，AP选择过程中控制信息的传输带来的开销很小，并且信息可靠安全。同时AP选择策略通过软件定义的方式部署在控制器上为用户终端选择AP，管理灵活，整个网络架构也很容易扩展，新接入的AP向控制器注册后便可以在中心控制器的控制下工作。

附图说明

图1为本发明中无线接入网的工作流程图；

图2为本发明中网络状态更新的流程图；

图3为本发明中估计终端能够获得的归一化信道占用时间的流程图；

图4为本发明用于控制AP和用户终端关联的VAP流表的结构示意图。

具体实施方式

本实施例中，是应用于基于802.11的WLAN系统中，WLAN系统由一个中心控制器、N个接入点AP＝[AP₁,AP₂,…,AP_i,…,AP_N]和若干个用户终端STA组成，AP_i表示第i个接入点；1≤i≤N；N个接入点AP通过有线方式与中心控制器进行连接，并通过无线方式与用户终端STA进行连接，且所有的接入点AP已经通过有线接入到中心控制器上，如图1所示，N个接入点周期性的向中心控制器发送网络状态信息，当新的用户终端进入网络时，中心控制器为新的用户终端选择一个优选接入点。中心控制器按照如下步骤为新的用户终端选择接入点：

步骤1、设定周期为T，循环周期次数为k；并初始化k＝1；

步骤2、所诉第i个接入点AP_i不断进行无线信道侦测，监测其他N-1个接入点的信号，获得第k个周期T_k内的第i个接入点AP_i的竞争列表，记为 表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j的竞争关系，并有表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j之间存在信道竞争；表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j之间不存在信道竞争；1≤j≤N；并在第k个周期T_k时间段内侦听是否有来自新的用户终端STA_α的探测请求消息；

如果有新的用户终端STA_α进入网络，新的用户终端STA_α通过主动探测的方式，广播探测请求消息，当N个接入点AP中第i个接入点AP_i侦测到新的用户终端STA_α所广播的探测请求消息，则第i个接入点AP_i向中心控制器发送关于新的用户终端STA_α的请求报告，请求报告内容包括：新的用户终端STA_α的标识码MAC_α以及第i个接入点AP_i与新的用户终端STA_α之间的信号强度R_αi；并执行步骤7；

步骤3、在第k个周期T_k内，记N个接入点AP各自已接入的用户终端数量为 表示在第k个周期T_k内第i个接入点AP_i上所接入的用户终端数量；

步骤4、第i个接入点AP_i将第i个竞争列表和第i个接入点AP_i上所接入的用户终端数量以周期T发送给中心控制器，从而使得中心控制器获得第k个周期T_k内的N个接入点AP的竞争列表和N个接入点AP各自已接入的用户终端数量Q_k；中心控制器根据接收到的所有接入点的竞争列表，得到N个接入点AP之间的载波侦听关系矩阵γ如式(1)所示，其中第i行代表第i个接入点AP_i与其他接入点之间的载波侦听关系：

$\mathrm{\γ}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\γ}}_{11}& {\mathrm{\γ}}_{12}& ...& {\mathrm{\γ}}_{1N}\\ {\mathrm{\γ}}_{21}& {\mathrm{\γ}}_{22}& ...& {\mathrm{\γ}}_{2N}\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{\γ}}_{i1}& {\mathrm{\γ}}_{i2}& ...& {\mathrm{\γ}}_{iN}\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{\γ}}_{N1}& {\mathrm{\γ}}_{N2}& ...& {\mathrm{\γ}}_{NN}\end{array}\right]---\left(1\right)$

如图2所示，控制器与接入点之间按照步骤2到步骤5周期性更新网络状态信息。

步骤5、中心控制器根据第k个周期T_k内的N个接入点AP的竞争列表获得N个接入点AP在第k个周期T_k内归一化信道占用时间 表示第i个接入点AP_i在第k个周期T_k内的归一化信道占用时间；

基于IEEE802.11标准的WLAN采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议来进行数据传输，所以可以根据理想CSMA网络(IdealCSMANetwork,ICN)模型来计算网络中链路的吞吐量，详细内容请参S.Liew,C.Kai等发表的《Back-of-the-envelopecomputationofthroughputdistributionsinCSMAwirelessnetworks》论文；并作如下假设：网络是饱和的，即所有链路发送终端的发送队列中，总有分组数据在等待发送；每个接入点和其关联的所有用户视为一条链路；链路的退避时间和传输时间服从指数分布；

步骤6、将k+1赋值给k，并返回步骤2执行；

步骤7、如图3所示，当有新的用户终端需要接入网络时，中心控制器为新的用户终端选择优选接入点。中心控制器将所接到的信号强度R_αi与所设定的接收信号强度阈值β进行比较，这里的接收信号强度阀值β可以由网络仿真软件仿真得到，也可通过实际测试得到。当R_αi＞β时，将第i个接入点AP_i作为新的用户终端STA_α的候选接入点并添加到新的用户终端STA_α的候选接入点集合C_α中；从而获得新的用户终端STA_α的候选接入点集合C_α＝{AP_α1,AP_α2,…,AP_αm,…,AP_αM}；AP_αm表示候选接入点集合中第m个候选接入点；1≤m≤M≤N；

步骤8、中心控制器计算新的用户终端STA_α接入到第m个候选接入点AP_αm时所获得的归一化信道占用时间t_αm；从而获得新的用户终端STA_α接入到M个候选接入点时所获得的归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]；

为了估算新的用户终端STA_α接入到不同的候选接入点能够获得的归一化信道占用时间，不仅需要考虑到新的用户终端STA_α与其他用户终端之间的竞争关系，还需要考虑到接入点之间的竞争关系，由于不同的候选接入点在信道竞争中能够获得的信道占用时间不同，对于新的用户终端STA_α能够获得的归一化信道占用时间的影响是不同的。考虑到这两个因素，计算新的用户终端STA_α能够获得的归一化信道占用时间的步骤如下：

步骤8.1、中心控制器从第k个周期T_k内归一化信道占用时间th_k中提取M个候选接入点所对应的归一化信道占用时间，记为th_α＝{th_α1,th_α2,…,th_αm,…,th_αM}；并从第k个周期T_k内N个接入点AP的已接入用户终端数量Q_k中提取M个候选接入点所对应的已接入用户终端数量，记为Q_α＝{q_α1,q_α2,…,q_αm,…,q_αM}；

步骤8.2、利用Bianchi模型计算新的用户终端STA_α接入到第m个候选接入点AP_αm时所获得的初步归一化信道占用时间t′_αm，从而获得新的用户终端STA_α接入到M个候选接入点时所获得的初步归一化信道占用时间t′＝[t′_α1,t′_α2,…,t′_αm，…,t′_αM]；

这里的初步归一化信道占用时间是指在不考虑第m个候选接入点AP_αm与其他接入点进行信道竞争的情况，也就是说假设第m个候选接入点AP_αm的归一化信道占用时间为1，在这种情况下计算新的用户终端STA_α能够获得的归一化信道占用时间。基于IEEE802.11标准的WLAN采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议来进行数据传输，考虑到具体机制的实现，可以利用Bianchi模型来计算用户终端STA_α能够获得的归一化信道占用时间，详细内容请参GBianchi发表的《PerformanceanalysisoftheIEEE802.11distributedcoordinationfunction》论文，并作如下假设：网络是饱和的，即所有链路发送终端的发送队列中，总有分组数据在等待发送。

步骤8.3、利用式(2)获得新的用户终端STA_α从第m个候选接入点AP_αm能获得的的归一化信道占用时间t_αm，从而获得归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]：

t_αm＝th_αm·t′_αm(2)

步骤9、中心控制器从归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]中选取最大归一化信道占用时间所对应的候选接入点作为新的用户终端STA_α的优选接入点，记为

步骤10、中心控制器控制优选接入点发送探测响应消息给新的用户终端STA_α；这里所有的接入点根据存储在接入点中的虚拟接入点流表决定是否为用户终端提供服务，如果有与相应用户终端对应的虚拟接入点信息，则存储有该虚拟接入点的接入点就为相应的用户终端提供服务，虚拟接入点流表以及虚拟接入点的内容如图4所示，其中虚拟接入点下方的数字代表每一项所占用的字节大小，l表示当前已经接入到接入点的用户终端的数量。每一个用户终端对应一个唯一的虚拟接入点，虚拟接入点的内容包括：用户终端的MAC地址信息，中心控制器分配给用户终端的虚拟接入点的BSSID以及虚拟接入点的SSID。中心控制器通过向优选接入点发送虚拟接入点消息的方式控制优选接入点发送探测响应消息给新的用户终端STA_α；

步骤11、新的用户终端STA_α接收到探测应答消息后向优选接入点发起认证连接请求，从而实现中心控制器为新的用户终端STA_α的接入点选择，并返回步骤3。

Claims (2)

1.一种WLAN系统中基于用户吞吐量估算的接入点选择方法，所述WLAN系统是由一个中心控制器、N个接入点AP＝[AP₁,AP₂,…,AP_i,…,AP_N]和若干个用户终端STA组成，AP_i表示第i个接入点；1≤i≤N；所述N个接入点AP通过有线方式与所述中心控制器进行连接，并通过无线方式与用户终端STA进行连接；其特征是，所述接入点选择方法按如下步骤进行：

步骤1、设定周期为T，循环周期次数为k；并初始化k＝1；

步骤2、所述第i个接入点AP_i不断进行无线信道侦测，监测其他N-1个接入点的信号，获得第k个周期T_k内的第i个接入点AP_i的竞争列表，记为 表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j的竞争关系，并有表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j之间存在信道竞争；表示第k个周期T_k内第i个接入点AP_i与第j个接入点AP_j之间不存在信道竞争；1≤j≤N；并在所述第k个周期T_k时间段内侦听是否有来自新的用户终端STA_α的探测请求消息；

当所述N个接入点AP中第i个接入点AP_i侦测到有新的用户终端STA_α所广播的探测请求消息，则所述第i个接入点AP_i向所述中心控制器发送关于新的用户终端STA_α的请求报告，所述请求报告内容包括：所述新的用户终端STA_α的标识码MAC_α以及所述第i个接入点AP_i与所述新的用户终端STA_α之间的信号强度R_αi；并执行步骤7；

步骤3、在第k个周期T_k内，记所述N个接入点AP各自已接入的用户终端数量为 表示在第k个周期T_k内第i个接入点AP_i上所接入的用户终端数量；

步骤4、所述第i个接入点AP_i将所述第i个竞争列表和所述第i个接入点AP_i上所接入的用户终端数量以周期T发送给所述中心控制器，从而使得所述中心控制器获得第k个周期T_k内的N个接入点AP的竞争列表和N个接入点AP各自已接入的用户终端数量Q_k；

步骤5、所述中心控制器根据所述第k个周期T_k内的N个接入点AP的竞争列表获得所述N个接入点AP在第k个周期T_k内归一化信道占用时间 表示所述第i个接入点AP_i在第k个周期T_k内的归一化信道占用时间；

步骤6、将k+1赋值给k，并返回步骤2执行；

步骤7、所述中心控制器将所接到的信号强度R_αi与所设定的接收信号强度阈值β进行比较，当R_αi＞β时，将所述第i个接入点AP_i作为所述新的用户终端STA_α的候选接入点并添加到所述新的用户终端STA_α的候选接入点集合C_α中；从而获得候选接入点集合C_α＝{AP_α1,AP_α2,…,AP_αm,…,AP_αM}；AP_αm表示所述候选接入点集合中第m个候选接入点；1≤m≤M≤N；

步骤8、所述中心控制器计算所述新的用户终端STA_α接入到所述第m个候选接入点AP_αm时所获得的归一化信道占用时间t_αm；从而获得所述新的用户终端STA_α接入到M个候选接入点时所获得的归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]；

步骤9、所述中心控制器从所述归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]中选取最大归一化信道占用时间所对应的候选接入点作为所述新的用户终端STA_α的优选接入点，记为AP_α ^*；

步骤10、所述中心控制器控制所述优选接入点AP_α ^*发送探测响应消息给所述新的用户终端STA_α；

步骤11、所述新的用户终端STA_α接收到所述探测应答消息后向优选接入点AP_α ^*发起连接请求，从而实现所述中心控制器为所述新的用户终端STA_α的接入点选择，并返回步骤3。

2.根据权利要求书1所述的接入点选择方法，其特征是：所述步骤8是按如下步骤进行：

步骤8.1、所述中心控制器从所述第k个周期T_k内归一化信道占用时间th_k中提取所述M个候选接入点所对应的归一化信道占用时间，记为th_α＝{th_α1,th_α2,…,th_αm,…,th_αM}；并从所述第k个周期T_k内N个接入点AP的已接入用户终端数量Q_k中提取所述M个候选接入点所对应的已接入用户终端数量，记为Q_α＝{q_α1,q_α2,…,q_αm,…,q_αM}；

步骤8.2、利用Bianchi模型计算所述新的用户终端STA_α接入到所述第m个候选接入点AP_αm时所获得的初步归一化信道占用时间t′_αm，从而获得所述新的用户终端STA_α接入到M个候选接入点时所获得的初步归一化信道占用时间t′＝[t′_α1,t′_α2,…,t′_αm，…,t′_αM]；

步骤8.3、利用式(1)获得所述新的用户终端STA_α从所述第m个候选接入点AP_αm能获得的的归一化信道占用时间t_αm，从而获得所述归一化信道占用时间t＝[t_α1,t_α2,…,t_αm，…,t_αM]：

t_αm＝th_αm·t_αm′(1)。