CN105704797B - 一种基于软件定义网络的wlan中无线接入点节能控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，属于无线局域网通信领域。首先，利用SDN控制器进行WLAN网络感知，建立AP_List信息表；其次，根据AP监听client的RSSI信息对所有AP进行聚簇；最后，分别比较各簇中AP的已连接终端数AP_num、流量密度AP_traffic与预先给定门限值的大小关系。若AP_num≤N_Threshold1且AP_traffic<T_Threshold，则关闭该AP；否则，比较各簇中AP的已连接终端数AP_num与预先给定门限值N_Threshold2的大小。若AP_num>N_Threshold2且簇中存在已被关闭的AP，则自适应开启被关闭的AP。本方法节能，降低了对client通信质量的影响，以及提高终端的接入。

Description

一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于SDN的WLAN中AP节能方法。
背景技术
软件定义网络(Software Defined Networking,简称SDN)是由美国斯坦福大学研究组提出的一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制。SDN控制器可以集中管理一定范围内的网络设备，使得网络的设计、部署、运维、管理集中在一个控制节点完成。
随着移动互联网的高速发展和数据流量的迅猛增长，基于802.11系列标准的无线局域网WLAN作为一种低成本、高效率的流量承载解决方案，得到了产业界的高度关注和支持。现有的WLAN网络架构设计及AP设备的部署都是以追求信号强度、扩大覆盖范围为首要目标。为了支持大量移动终端的接入，提供高带宽和可靠的服务，运营商大规模部署海量AP。加之大量民用AP的部署，小片区域几十个AP也是常有的事情。由于终端的移动性以及终端业务的潮汐特性，网络出现峰值业务的时间段是很少的，大量AP会长时间处于空闲状态，不仅造成能源浪费，也导致AP间的干扰比较严重。研究表明，AP消耗的能量占WLAN总能耗的60％。因此，在建设无线网络基础设施的同时，如何降低AP的能耗具有重要的意义。
针对上述关于密集部署WLAN中AP高能耗的问题，研究者们相继提出了节能方案。现有的WLAN节能方案主要有：
1、根据AP在一段时间内处理的数据流量，选出相对空闲的AP，将这些AP从激活状态调整为休眠状态以实现节能。
2、根据AP已连接终端数以及收到的探测报文数目的大小，动态调整AP发送Beacon帧的间隔时间，降低AP发送无线帧的数目以实现节能。
3、利用AP的空间几何位置对WLAN中的AP进行聚簇，即根据AP之间距离的远近将AP划分为不同的簇。在簇中，选出一个主导AP，关闭其它AP的电源，从而达到节能的目的。
4、利用AP间相互监听到的RSSI对WLAN中的AP进行聚簇，即将相互监听RSSI较强的AP被聚成一簇。在簇中，当其它AP被关掉时，调高剩下AP的功率以保证所谓的“覆盖”。
但是，现有的WLAN中的节能方法存在以下问题：(1)AP处于激活状态和休眠状态时，两种状态下的能耗近似相等，节能效果不佳；(2)Karina Gomez实测了AP在空载、有载、满载三种状态下的能耗，得出了只有关掉AP才能节能的结论。因此，通过调整Beacon帧间隔时间，降低发包速率并不能从本质上降低能耗；(3)利用AP的空间几何距离反映的信息很粗略，而利用AP间相互监听的RSSI进行聚簇，并没有从终端的角度出发，导致对终端的通信质量影响大。
发明内容
针对以上现有技术的不足，提出了一种最小化覆盖损失，降低对终端通信质量的影响以及提高终端接入概率的一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法。本发明的技术方案如下：一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其包括以下步骤：
101、首先利用软件定义网络SDN控制器进行WLAN网络感知，建立无线接入点AP_List信息表；
102、其次，根据无线接入点AP监听客户端的信号强度RSSI信息，并采用矩阵填充法获取其余的RSSI值得到矩阵R，然后对所有无线接入点AP进行聚簇；
103、最后，分别比较各簇中无线接入点AP的已连接终端数AP_num、流量密度AP_traffic与预先给定门限值的大小关系，若AP_num≤N_Threshold1且AP_traffic<T_Threshold，则关闭该AP；其中，N_Threshold1表示关闭无线接入点AP的已连接终端数的门限值，T_Threshold表示无线接入点AP的流量密度的门限值。否则，比较各簇中AP的已连接终端数AP_num与预先给定门限值N_Threshold2的大小，N_Threshold2表示开启无线接入点AP的已连接终端数的门限值。若AP_num>N_Threshold2且簇中存在已被关闭的AP，则自适应开启被关闭的AP。
进一步的，所述步骤101中利用软件定义网络SDN控制器进行WLAN网络感知，建立无线接入点AP_List信息表具体为：
SDN控制器利用OpenFlow协议感知WLAN中的AP，以AP的BSSID为关键字建立哈希表，即AP_List信息表。
进一步的，所述无线接入点AP_List信息表字段如下所示：BSSID已连接终端数 流量密度 AP_RSSI。
进一步的，AP_RSSI信息表字段如下所示：
MAC地址 RSSI。
进一步的，所述步骤102采用矩阵填充法具体为：
(4a)矩阵Rm×n是由AP监听client的RSSI构成的矩阵，其中矩阵R的行表示AP，矩阵R的列表示client，元素Rij表示APi监听得到clientj的RSSI值；
(4b)矩阵Gm×n为二进制矩阵，随机初始化矩阵Gm×n，且使矩阵G中每行、每列至少有一个为1，其中1的个数所占比率为p，0.5≤p≤1；
(4c)APi监听矩阵G中Gij＝1的client，获取相应的RSSI值，所有AP采集的RSSI值构成观测矩阵R'，RSSI值的位置用集合Ω表示，i＝1,2,……,m；
(4d)利用矩阵填充算法对观测矩阵R'进行恢复，即通过求解下式，获取重构的矩阵R：
min||R||*
s.t.PΩ(R)＝PΩ(R')
其中，||R||*为R的核范数，
Figure GDA0002232768470000031
且δ1,...,δr≥0为矩阵R的奇异值。s.t.表示约束条件，PΩ(R)是投影算子，表示Ω以外的元素为0，内部元素保持不变。
进一步的，所述步骤102对所有无线接入点AP进行聚簇具体步骤如下：
(5a)首先设定信号强度RSSI阈值A、B；
(5b)将无线接入点AP监听客户端的RSSI构成矩阵Rm×n，其中矩阵R的行表示AP，矩阵R的列表示client，元素Rij表示APi监听得到clientj的RSSI值；矩阵中的RSSI值归一化处理为[0,1]之间的值：即当RSSI≥A，则RSSI归一化处理为1；当A<RSSI≤B，则RSSI按照斜率k＝-1/60，b＝1/6进行线性变化；当RSSI<B，则按照斜率k＝-1/20,b＝9/2进行线性变化；
(5c)利用余弦相似性公式：
Figure GDA0002232768470000041
计算出APi和APj的相似度,计算结果用集合S表示；其中rik表示矩阵R中第i行k列元素，rjk表示矩阵R中第j行k列元素，
Figure GDA0002232768470000042
表示APi和APj的相似度值；
(5d)根据步骤(5c)求得的相似度进行聚类。
进一步的，所述信号强度阈值A设置为-50dBm，信号强度阈值B设置为-80dBm。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明中，SDN控制器利用AP监听client的RSSI对WLAN中的AP进行聚簇，引入矩阵填充技术降低AP监听client的系统开销。通过关闭簇中已连接终端数和流量密度均低于给定阈值的AP，达到节能的目的。并且，SDN控制器周期性检查簇中AP已连接终端数，发现簇中存在AP已连接终端数超过阈值且簇中存在被关闭的AP，则开启被关闭的AP。本发明方法不仅可以达到节能目的，而且还可以最小化覆盖损失，降低对终端通信质量的影响以及提高终端接入概率。本发明的主要优点如下：首先本发明利用AP监听终端的RSSI作为AP聚簇的依据，这是从终端的角度出发，可以降低后续操作对终端通信质量的影响。其次，本发明引入矩阵填充技术，即利用少量已知RSSI值去推测出其余大量的未知RSSI值，降低了AP获取client的RSSI的系统开销。再次将AP间的可替代性问题转化为向量相似问题，利用RSSI归一化后的值计算出余弦相似度，以此作为对AP聚簇的合理依据。然后，通过AP已连接终端数和流量密度判定AP的忙闲程度，根据判定的结果决定被关闭的AP，不仅可以达到节能的目的，还符合AP部署的宗旨。最后，SDN控制器通过周期性检查簇中正常工作AP的已连接终端数，决定是否开启簇中被关闭的AP，不仅可以避免过度开关AP，还可以提高终端接入的概率。
附图说明
图1是本发明提供优选实施SDN的WLAN网络架构图；
图2：基于SDN的WLAN中AP节能方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明：
优选的，一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法包含以下步骤：
步骤1：SDN控制器利用OpenFlow协议感知WLAN中的AP，以AP的BSSID为关键字建立哈希表AP_List；
步骤2：网络中第i个接入点APi监听覆盖范围内终端client发送的无线帧，获取client的RSSI，以client的MAC地址为关键字建立哈希表APi_RSSI，i＝1,2,……,m；
步骤3：APi获取自身的负载信息APi_LoadInfo，主要包括已连接终端数和流量密度；
步骤4：将APi_LoadInfo和client的RSSI上传给SDN控制器，作为AP_List中第i个AP的值；
步骤5：SDN控制器利用AP_List中的RSSI信息，将AP间可替代性问题转化为AP间相似性问题，根据计算出的余弦相似度值对所有AP聚簇，簇为两个；
步骤6：分别比较各簇中各AP的已连接终端数APi_num、流量密度APi_traffic与预先给定门限值的大小关系；
步骤7：若APi_num≤N_Threshold1且APi_traffic<T_Threshold，则关闭该AP，继续执行步骤6；否则，执行步骤8；
步骤8：比较各簇中AP的已连接终端数APi_num与预先给定门限值N_Threshold2的大小。若APi_num>N_Threshold2且簇中存在已被关闭的AP，则自适应开启被关闭的AP；否则，不做任何操作，并转至步骤6；
优选的，具体的AP_List信息表字段如下所示：
BSSID 已连接终端数 流量密度 AP_RSSI
优选的，具体的AP_RSSI信息表字段如下所示：
MAC地址 RSSI
优选的，由于WLAN中的AP需要实时接收和解析所有终端的无线帧才能获取终端的RSSI值，而AP处理数据包越多耗能越多。此外，AP本身的存储大小、处理能力都有限，过多的数据包处理还会影响终端的通信质量。因此本发明引入矩阵填充技术解决上述问题，即利用少量已知RSSI值推测出其余大量的未知RSSI值，具体步骤如下:
(4a)矩阵Rm×n是由AP监听client的RSSI构成的矩阵，其中矩阵R的行表示AP，矩阵R的列表示client，元素Rij表示APi监听得到clientj的RSSI值；
(4b)矩阵Gm×n为二进制矩阵，随机初始化矩阵Gm×n，且保证矩阵G中每行、每列至少有一个为1，其中1的个数所占比率为p，0.5≤p≤1；
(4c)APi监听矩阵G中Gij＝1的client，获取相应的RSSI值，所有AP采集的RSSI值构成观测矩阵R'，RSSI值的位置用集合Ω表示，i＝1,2,……,m；
(4d)利用矩阵填充算法对观测矩阵R'进行恢复，即通过求解下式，获取重构的矩阵R：
min||R||*
s.t.PΩ(R)＝PΩ(R')
其中，||R||*为R的核范数，
Figure GDA0002232768470000071
且δ1,...,δr≥0为矩阵R的奇异值。s.t.表示约束条件，PΩ(R)是投影算子，表示Ω以外的元素为0，内部元素保持不变。
优选的，实现AP聚簇的具体步骤如下：
步骤1：首先设定信号强度RSSI阈值A、B；
步骤2：将RSSI归一化处理为[0,1]之间的值：当RSSI≥A，则RSSI归一化处理为1；当A<RSSI≤B，则RSSI按照斜率k＝-1/60，b＝1/6进行线性变化；当RSSI<B，则按照斜率k＝1/20,b＝9/2进行线性变化。根据终端判别接收的无线信号的强弱，信号强度阈值A设置为-50dBm，B等于-80dBm；
步骤3：对终端而言，APi和APj的可替代性等同于矩阵R第i行和第j行的相似性。利用余弦相似性公式：
Figure GDA0002232768470000072
计算出APi和APj的相似度,计算结果用集合S表示；
步骤4：集合S中的余弦值进行两两相减操作，计算出的差值小于或等于预先给定阈值θ的AP归为簇1，否则归为簇2；
优选的，终端接收的信号越弱，通信链路的传输能力越差，且影响整个AP的转发性能。根据终端判别接收的无线信号的强弱，信号强度阈值A设置为-50dBm，信号强度阈值B设置为-80dBm。
优选的，在实现自适应关闭/开启AP机制步骤中，由于client数目不断变化，为了避免过度开关AP以及用户的反复重关联，本发明采用双阈值策略，其中N_Threshold1和N_Threshold2是动态变化的，具体步骤如下：每隔十分钟分别统计两个簇中AP已连接终端数的情况，其中Max表示簇中AP连接终端数的最大值，Min表示簇中AP连接终端数的最小值。N_Threshold1和N_Threshold2根据如下公式动态变化：
Figure GDA0002232768470000081
Figure GDA0002232768470000082
当Min小于等于x1时，表明WLAN中存在空闲的AP，N_Threshold1取值为x1；当Min大于等于x2时，意味着WLAN中的终端数较多，若关闭簇中AP，将会导致较大的覆盖损失，N_Threshold1取值为Min；当Max小于x3时，表明WLAN中开启的AP数目满足终端的连接需求，N_Threshold2取值为Max；当AP连接终端数大于等于x3，AP的性能降低，影响终端的通信质量，N_Threshold2取值为x3；
本发明提供了一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法。该方法通过SDN控制器感知WLAN中所有的AP，建立AP信息表AP_List。AP_List中的AP周期性地监听终端的RSSI、获取自身的负载信息，即已连接终端数和总流量，并将这些网络信息发送给SDN控制器。SDN控制器根据RSSI对AP进行聚簇，根据簇中AP已连接终端数和流量密度，关闭符合条件的AP。当簇中存在连接终端数超过给定阈值且存在已被关闭的AP，则自适应开启被关闭的AP。本发明中初始化N_Threshold1＝0，N_Threshold2＝30，设置x1＝2，x2＝3，x3＝20。
下面结合附图2，详细说明一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法的具体步骤：
201：SDN控制器利用OpenFlow协议感知WLAN中的AP，将AP的BSSID、监听client的RSSI、自身的负载信息，即已连接终端数和总流量，发送给SDN控制器，以AP的BSSID为关键字建立哈希表AP_List如表一所示，表一记录了AP的BSSID、已连接终端数、流量密度、AP_RSSI表。
表一AP_List信息
BSSID 已连接终端数 流量密度 AP_RSSI
23-34-7f-4c-dd-1e 13 345 表二
AP_RSSI表为以client的MAC地址为关键字建立的哈希表，如表二所示，表二记录了client的MAC地址和RSSI值。
表二AP_RSSI信息
MAC地址 RSSI
1c-3e-aa-4b-45-3a -56
其中AP监听client的RSSI采用矩阵填充技术。矩阵Rm×n是由AP监听client的RSSI构成的矩阵，其中矩阵R的行表示AP，矩阵R的列表示client，元素Rij表示APi监听得到clientj的RSSI值；随机初始化二进制矩阵Gm×n，其中1的个数所占比率为p，0.5≤p≤1；AP_List中AP只需要监听矩阵G中元素值等于1的client，获取相应的RSSI，构成观测矩阵R'；利用奇异值阈值算法对观测矩阵R'进行恢复，得到完整的矩阵R，即得到AP_RSSI信息表的数据。
202：将矩阵R中的所有RSSI归一化处理为[0,1]之间的值。首先设定信号强度RSSI阈值A、B，当RSSI≥A，则RSSI归一化处理为1；当A<RSSI≤B，则RSSI按照斜率k＝-1/60，b＝1/6进行线性变化；当RSSI<B，则按照斜率k＝1/20,b＝9/2进行线性变化。在矩阵R中，APi和APj的可替代性等同于第i行和第j行的相似性。利用余弦相似性公式：
Figure GDA0002232768470000091
计算出APi和APj的可替代性，计算结果用集合S表示。根据求得的相似度进行聚类；
203：分别比较簇1和簇2中各AP的已连接终端数APi_num、流量密度APi_traffic与预先给定门限值的大小。
204：若APi_num≤N_Threshold1且APi_traffic<T_Threshold成立，则执行步骤205；否则，执行步骤206；
205：关闭满足204条件的AP，执行步骤203；
206：若APi_num>N_Threshold2且簇中存在已被关闭的AP成立，则执行步骤207；否则，不做任何操作，执行步骤203；
207：开启簇中被关闭的AP。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
101、首先利用软件定义网络SDN控制器进行WLAN网络感知，建立无线接入点AP_List信息表；
102、其次，根据无线接入点AP监听客户端的信号强度RSSI信息，并采用矩阵填充法获取其余的RSSI值得到矩阵R，然后对所有无线接入点AP进行聚簇；
103、最后，分别比较各簇中无线接入点AP的已连接终端数AP_num、流量密度AP_traffic与预先给定门限值的大小关系，若AP_num≤N_Threshold1且AP_traffic<T_Threshold，则关闭该AP；其中，N_Threshold1表示关闭无线接入点AP的已连接终端数的门限值，T_Threshold表示无线接入点AP的流量密度的门限值，否则，比较各簇中AP的已连接终端数AP_num与预先给定门限值N_Threshold2的大小，N_Threshold2表示开启无线接入点AP的已连接终端数的门限值，若AP_num>N_Threshold2且簇中存在已被关闭的AP，则自适应开启被关闭的AP。
2.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其特征在于，所述步骤101中利用软件定义网络SDN控制器进行WLAN网络感知，建立无线接入点AP_List信息表具体为：
SDN控制器利用OpenFlow协议感知WLAN中的AP，以AP的BSSID为关键字建立哈希表，即AP_List信息表。
3.根据权利要求2所述的一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其特征在于，所述无线接入点AP_List信息表字段如下所示：BSSID 已连接终端数 流量密度 无线接入点信号强度AP_RSSI。
4.根据权利要求3所述的一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其特征在于，AP_RSSI信息表字段如下所示：
MAC地址 RSSI。
5.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其特征在于，所述步骤102采用矩阵填充法具体为：
(4a)矩阵Rm×n是由AP监听client的RSSI构成的矩阵，其中矩阵R的行表示AP，矩阵R的列表示client，元素Rij表示APi监听得到clientj的RSSI值；
(4b)矩阵Gm×n为二进制矩阵，随机初始化矩阵Gm×n，且使矩阵G中每行、每列至少有一个为1，其中1的个数所占比率为p，0.5≤p≤1；
(4c)APi监听矩阵G中Gij＝1的client，获取相应的RSSI值，所有AP采集的RSSI值构成观测矩阵R'，RSSI值的位置用集合Ω表示，i＝1,2,……,m；
(4d)利用矩阵填充算法对观测矩阵R'进行恢复，即通过求解下式，获取重构的矩阵R：
min||R||*
s.t.PΩ(R)＝PΩ(R')
其中，||R||*为R的核范数，
Figure FDA0002269641050000021
且δ1,...,δr≥0为矩阵R的奇异值，s.t.表示约束条件，PΩ(R)是投影算子，表示Ω以外的元素为0，内部元素保持不变。
6.根据权利要求2所述的一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其特征在于，所述步骤102对所有无线接入点AP进行聚簇具体步骤如下：
(5a)首先设定信号强度RSSI阈值A、B；
(5b)将无线接入点AP监听客户端的RSSI用矩阵Rm×n表示，其中矩阵R的行表示AP，矩阵R的列表示client，元素Rij表示APi监听得到clientj的RSSI值；矩阵中的RSSI值归一化处理为[0,1]之间的值：即当RSSI≤A，则RSSI归一化处理为1；当A<RSSI≤B，则RSSI按照斜率k＝-1/60，b＝1/6进行线性变化；当RSSI>B，则按照斜率k＝-1/20,b＝9/2进行线性变化；
(5c)利用余弦相似性公式：
Figure FDA0002269641050000031
计算出APi和APj的相似度，计算结果用集合S表示；其中rik表示矩阵R中第i行k列元素，rjk表示矩阵R中第j行k列元素，
Figure FDA0002269641050000032
表示APi和APj的相似度值；
(5d)根据步骤(5c)求得的相似度进行聚类。
7.根据权利要求6所述的一种基于软件定义网络的WLAN中无线接入点节能控制方法，其特征在于，所述信号强度阈值A设置为-80dBm，信号强度阈值B设置为-50dBm。
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