CN110049543A - 一种wlan中数据速率和功率控制的联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，包括采用分散抽样的方式对数据包随机抽样获取不同的抽样速率，并将抽样速率值上传至控制器，控制器通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率，生成数据速率和吞吐量对应的统计表；选取参考传输速率并以不同的功率值发送数据包；控制器估算不同速率下的吞吐量，并更新速率统计表的吞吐量；控制器计算效用函数，获得使效用函数值最大的速率和功率的组合，AP根据该速率和功率的组合调整自身工作状态；本发明在保证数据吞吐量的情况下，降低AP发射功率，降低发射功率可以降低信号干扰，减少对相邻AP的影响，提高空间复用率，进一步提高网络通信质量。

Description

一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法。

背景技术

近年来，随着智能终端的快速普及，移动数据流量以指数级增长。据Cisco预测，全球移动数据流量在2016年至2021年间将增长7倍，其中98％的移动数据流量将来自“智能”设备，每月将达到30.6EB。为了满足用户日益增长的数据流量需求，运营商在学校、医院、企业等公共区域计划大量部署了无线接入点(Wireless Access Point，AP)设备。密集部署WLAN系统能够为移动用户提供有效的覆盖与高带宽接入，且越来越多的用户选择通过无线接入网络。根据CNNIC(中国互联网络信息中心)在2018年8月发布的第42次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，“截至2018年6月，用户通过无线网络接入互联网的比例为98.3％”。移动互联网服务场景不断丰富、移动终端规模加速提升、移动数据量持续扩大，为移动互联网产业创造更多价值挖掘空间。但是，传统WLAN系统默认采用最大功率进行发送，由于信道资源有限，同频或相邻信道存在多个AP，呈现出更高的动态性和干扰，空间复用率低，减少了系统整体容量。因此，当多个参与者以不协调的方式共享媒体时，这种无线系统的整体性能显着低于系统最大容量，有效的资源分配对于任何性能的改进都是至关重要的。

针对上述关于密集部署的WLAN中存在的干扰问题以及整体容量性能受到抑制的问题，研究者们展开了大量的研究工作。目前的吞吐量提升方案主要有：

1、通过发射端功率控制实现无线网络中若干目标的性能提升，包括最小化功耗和延长移动节点的数量，减轻干扰和增加网络容量。由于功率控制对多层协议栈的影响，它直接影响网络中的吞吐量、容量、延迟和公平性，也可能影响能耗和网络连接性。通常主要实现目标有三种：拓扑连接、系统容量、系统能耗。

2、通过物理层的传输速率选择决定整个通信系统的效率。具体地说，在发送方使用高传输速率，从而获得更高的吞吐量、更低的介质占用(从而降低争用延迟和更高的效率)和更低的功耗。

3、通过分组/信号检测机制和载波侦听机制以支持CSMA/CA，实现在干扰和空间重用之间的平衡来调节无线访问中的并发性，提升系统吞吐量性能。

4、联合影响性能的关键因素进行系统吞吐量性能优化，如：联合物理层的符号速率和MAC层的数据包长度；联合功率分配和邻居信道选择等。

然而，现有的WLAN系统吞吐量方法仍然存在以下问题：

1、在自治式WLAN系统中，AP进行正常数据交互前，通过Configure状态机进行初始配置，主要包括通信信道和传输功率配置。AP为用户提供命令行窗口，满足不同网络环境配置需求，但是，AP在进行数据交互过程中，不能对传输功率进行实时自适应调整。

2、由于AP没有自适应功率控制模块，而部署AP设备时，其发射功率均是默认最大的状态，WLAN密集部署时，会因为缺乏正交信道造成严重的同频干扰问题，吞吐量性能不能满足需求，与密集部署AP的初衷相违背。

3、IEEE802.11标准支持多个PHY数据速率，然而没有定义最佳选择方法。但是，IEEE802.11标准定义了所有传输速率的最低接收灵敏度，并指定了帧错误率的上限。基于潜在的调制方案，灵敏度以较低的速率降低。因此，在存在变化的信道增益的情况下，与较低速率的传输相比，较高速率的传输更可能具有错误。大多数提出的速率适应方案通过降低数据速率来响应帧的丢失。但是，帧丢失与两个原因有关：PHY和MAC层干扰。虽然降低速率适合于处理物理信道降级，它不是MAC层的最佳解决方案：较低的速率可能会增加拥塞，因为它们的帧传输持续时间较长，而且能够在较远的距离听到，从而潜在地导致冲突范围内的更多节点。

4、随着AP部署密度的上升，网络环境越来越复杂，影响网络质量的因素也很多。仅通过对单一因素的考虑，能够在一定程度上改善网络质量，提升网络吞吐量性能。但是，不足以最大限度的提升网络吞吐量性能。

发明内容

针对以上现有算法和技术的不足，利用SDWN的灵活可编程以及集中控制思想，在保障网络有效覆盖以及用户QoE的前提下，本发明提出一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，包括：

S1、采用分散抽样的方式对数据包随机抽样获取多个不同的抽样速率，并将获取的抽样速率值上传至控制器，控制器通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率，结合该发送成功率以及抽样包包长、时间开销计算吞吐量，生成数据速率和吞吐量对应的统计表；

S2、随机选取一个速率统计数据表中的抽样速率值作为参考传输速率，在参考传输速率下，以不同的功率值发送数据包；

S3、判断是否数据包发送成功率大于等于发送成功率阈值且吞吐量T_r ^p大于等于吞吐量阈值，若是则进行步骤S4，否则返回步骤S2；

S4、控制器根据数据包发送成功率定期抽样，估算其他速率下的吞吐量，并更新速率统计数据表中的吞吐量；

S5、控制器计算效用函数U(r_i,p_i)，从速率统计数据表中获得使效用函数值最大时的传输速率和传输功率的组合(r^*,p^*)，无线访问接入点根据该速率和功率的组合调整自身工作状态；其中，r_i，p_i分别表示传输速率和传输功率；r^*，p^*分别表示最优的传输速率和最优的传输功率。

进一步的，采用分散抽样的方式对数据包随机抽样获取不同的速率r包括：对10％的数据包进行数据随机速率抽样，根据抽样所得的速率，生成初始速率数据统计表，初始速率表作为参考抽样速率集；速率数据统计表包括内容：

其中，表示数据data的速率数据统计表；R为抽样速率集，表示为R＝{r₁,r₂,...,r_n}，r_n表示第n个抽样速率；T_thro_ughput表示与抽样速率对应的吞吐量，表示为 抽样速率r_n对应的吞吐量；N_attempt表示尝试传输次数，N_success表示成功传输次数；P_success表示传输成功率。

进一步的，通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率过程包括：

其中，表示通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率，p_success(r_i,p_i)为上一时刻的发送成功率，N_success(r_i,p_i)表示在当前状态成功发送的包的数量，N_attempt(r_i,p_i)表示尝试发包的数量；λ为权值因子，表示历史发送成功率的参考权重。

进一步的，基于选择的速率值以不同的功率值p_i发送包，通过传输功率的变化对包发送成功率产生的不同影响，实现该速率下的功率控制包括：

S21、选取速率数据统计表中的速率值作为参考传输速率r_i，在该速率下以最大功率p_reference设置初始参考功率，确定参考数据包的功率和速率组合(r_i,p_max)；

S22、探测并统计参考包的传输成功率根据成功率调节探测发射功率值；

S23、设置抽样包发射功率p_sample，抽样并统计抽样包传输成功率根据包传输成功率调节抽样发射功率值；

S24、设置数据包发射功率p_data，统计数据包发送成功率和吞吐量则最优的速率r^*和功率p^*表示为：(r^*,p^*)＝argmaxU(r_i,p_i)。

进一步的，将数据包发送成功率和吞吐量的大小与阈值比较包括：

数据包的发送成功率大于最低发送成功率δ，即

数据包吞吐量是否满足要求，即

进一步的，若在步骤S5中使用效用值最大时的速率和功率组合(r^*,p^*)发送数据包，且遍历完所有抽样速率数据统计表中的速率进行功率调节仍然不能使吞吐量最大，则返回步骤S1重新抽样数据包更新抽样速率数据统计表。

在本发明中，基于SDWN集中控制架构，实时获取各AP数据包的数据速率信息，AP发射功率，用户数据包数量等信息，并根据速率信息计算包发送的成功率以及吞吐量，生成速率统计表，在速率数据统计表的基础上实现功率控制，获得关于效用函数的速率和功率组合，控制器选择使各AP效用函数最大的速率和功率组合作为最优决策，并下发控制指令调节AP工作模式。本发明的主要优点如下：其一，通过控制器实时获取各AP负载、发射功率、传输速率、覆盖半径、用户流量需求、用户和AP的关联关系等信息，保证用户的覆盖概率和需求，便于获取全局最优的资源配置方案；其二，通过实时数据速率的抽样，获取实时的速率信息，并根据实时速率信息进行功率控制，可以实现对网络的实时控制，更加适应网络的高动态性；其三，本文联合速率调整和功率控制的算法，可以在保证数据吞吐量的情况下，尽可能的降低AP发射功率，达到节约能耗得效果，同时，降低发射功率可以降低信号干扰，减少对相邻AP的影响，提高空间复用率，进一步提高网络通信质量。

附图说明

图1为本发明SDWN集中控制网络架构图；

图2为本发明联合功率速率控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，包括：

S1、采用分散抽样的方式对数据包随机抽样获取多个不同的抽样速率，并将获取的抽样速率值上传至控制器，控制器通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率，结合该发送成功率以及抽样包包长、时间开销计算吞吐量，生成数据速率和吞吐量对应的统计表；

S2、随机选取一个速率统计数据表中的抽样速率值作为参考传输速率，在参考传输速率下，以不同的功率值发送数据包；

S3、判断是否数据包发送成功率大于等于发送成功率阈值且吞吐量大于等于吞吐量阈值，若是则进行步骤S4，否则返回步骤S2；

S4、控制器根据数据包发送成功率定期抽样，估算其他速率下的吞吐量，并更新速率统计数据表中的吞吐量；

S5、控制器计算效用函数U(r_i,p_i)，从速率统计数据表中获得使效用函数值最大时的传输速率和传输功率的组合(r^*,p^*)，无线访问接入点根据该速率和功率的组合调整自身工作状态；其中，r_i,p_i分别表示传输速率和传输功率；r^*,p^*分别表示最优的传输速率和最优的传输功率。

各AP采用分散抽样的方式对数据包随机抽样获取不同的速率，对10％的数据包进行数据随机速率抽样，生成初始速率统计表，初始速率表作为参考抽样速率集，然后将数据速率信息上传至控制器，通过移动加权平均值计算抽样包的发送成功率，然后结合该成功率以及抽样包包长、时间开销计算吞吐量，生成数据速率数据统计表，如下：

其中，R＝{r₁,r₂,...,r_n}表示抽样速率集，表示与抽样速率对应的吞吐量，N_attempt表示尝试传输次数，N_success表示成功传输次数；P_success表示传输成功率。

如图1，在SDWN框架中，包括控制器(controller)、AP、openflow交换机以及互联网(Internet)；有AP1、AP2和AP3这3个AP，其中AP1使用信道1与openflow交换机通信、AP2使用信道6与openflow交换机通信和AP3使用信道11与openflow交换机通信收集；图1中SDWN控制器覆盖的所有AP的负载、发射功率、传输速率、覆盖半径、用户流量需求、用户和AP的关联关系等信息，生成相关信息的数据统计表，同时将这些信息上传至控制器。

根据数据速率数据统计表，循环选取速率统计数据表中的速率值rate_i作为AP的数据传输速率，基于选择的速率值rate_i以不同的功率值p_i作为AP的发送功率发送包，通过传输功率的变化对包发送成功率产生的不同影响，实现该速率下的功率控制。

根据数据包发送成功率和吞吐量的大小，判断当前速率和功率调整是否满足要求，发送成功率计算为给定速率和功率值下的成功次数与发送尝试次数的比率。根据加权移动平均值计算发送成功率表示如下：

其中，表示当前发送成功率，p_success(r_i,p_i)为上一时刻的发送成功率，N_success(r_i,p_i)表示在当前状态成功发送的包的数量，N_attempt(r_i,p_i)表示尝试发包的数量。λ为权值因子，表示历史发送成功率的参考权重。

该速率和功率下的最大吞吐量T可以由以下公式给出：

生成的速率表速率大小不同，吞吐量可能相同，因此将抽样的速率根据速率表中吞吐量值由大到小的顺序进行排序。

为了确定AP_i具体的发射功率，设定3种待发包，以参照功率进行发送的参考包、以不同的探测功率值进行发送的抽样包和以抽样功率加一个常量△进行发送的数据包。具体功率调节包括：

1)在抽样速率统计表中选取速率r_i作为参考传输速率，并在该速率下设置参考数据包发射功率p_max，从而确定参考数据包信息(r_i,p_max)；

2)探测并统计参考包的传输成功率，根据成功率调节探测发射功率值，判断是否满足条件：|p_success(r_i,p_max)-1|≥δ，若不满足，则以Δ增量降低参考功率值，然后重新尝试发包，直到传输成功率达到阈值要求；

3)设置抽样包发射功率p_sample，抽样并统计抽样包传输成功率根据包传输成功率调节抽样发射功率值；初始化抽样包发射功率为功率最小值p_min，如果抽样包传输成功率低于参考包成功率且差距大于功率门限值，则以Δ增量增加抽样包发送功率，然后重新进行抽样，直到抽样包传输成功率不小于参考包发送成功率；

4)设置数据包发射功率p_data，统计数据包发送成功率和吞吐量，根据统计结果将效用最大的发射功率和速率作为最优的速率和功率。其中数据包发射功率可由下式给出：

p_data＝p_sample+Δ；

倘若数据包发送成功率小于数据包发送成功率阈值或者数据包吞吐量为0，则功率调节无效返回到1)中，更新速率数据统计表，重新选择速率并重新调节功率。

判断当前速率和功率调整是否满足要求，不满足则重新根据上述内容重新遍历完速率统计表中所有的速率，获得数据包功率和速率控制信息。具体要求为：

1)数据包的发送成功率大于最低发送成功率δ，即：

2)数据包吞吐量是否大于0，即：

若满足上述的要求，则通过效用函数U(r_i,p_i)决策将分配给数据包的速率和功率值，获得使所有数据包效用值最大的速率和功率组合(r^*,P^*)。

参与决策的效用函数由两个属性决定：吞吐量效益η_benefit(r_i)和成本因子cost(r_i)。

基于其估计吞吐量和最大吞吐量可以得到吞吐量效益函数，如下

成本因子用于表示在给定速率下达到一定吞吐量的干扰成本，从而表示功率电平。干扰成本实质上是受干扰影响面积和干扰持续时间的函数。该区域是由发射功率电平决定的，在本发明中，发射功率是根据环境、网络设置以及路径损耗的影响选择功率p(r_i)。然而，模拟这样的影响是相当复杂的，因此只用p(r_i)来近似干扰区域。类似地，持续时间可以近似为基于这些近似值，定义了速率r_i下相对于最大吞吐量和相应的功率的成本函数cost(r_i)，本实施例中缩放因子α的取值为100，则成本函数cost(r_i)表示为：

决策效用函数表示如下：

U(ω,r_i)＝ω*η_benefit(r_i)-cost(r_i)；

其中，ω表示以一定速率r_i实现的吞吐量的权重。

根据控制器计算的效用函数U，选择使效用函数最大的速率和功率作为当前该AP_i的数据发送速率和发送功率，并将控制指令下发给AP，AP根据控制信息调整工作状态。

下面根据附图2，详细说明一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化算法的具体步骤：

201：采用分散抽样方法对AP_i 10％的发送包进行抽样；

202：根据抽样结果，计算发送成功率，速率最大吞吐量等信息，生成AP_i速率统计数据表S_i；

203：选取速率统计表中吞吐量最大的速率作为当前AP发送速率；

204：根据该AP选取的速率值，设置参考数据包初始发射功率值p_max；

205：探测并通过加权移动平均统计参考包传输成功率

206：将该AP在当前发送速率和参考功率下，传输成功率与传输成功率阈值进行比较；若满足阈值要求，则功率不做任何调节转入208；

207：若在该参考功率下传输成功率不满足阈值要求，则以Δ增量降低参考功率值，重新进入205；

208：根据该AP选取的速率值，设置抽样数据包初始发射功率值p_min；

209：抽样并通过加权移动平均统计抽样包传输成功率

210：将抽样数据包发送成功率与探测成功率与阈值的差值比较；若抽样数据包发送成功率满足要求，则对抽样功率不做处理进入212；

211：若抽样数据包发送成功率不满足要求，则以Δ增量增加抽样功率值；

212：根据抽样数据包发射功率，设置数据包发射功率；

p_data＝p_sample+Δ

213：计算数据包在当前数据速率下的发送成功率和吞吐量；

214：将比较数据包发送成功率是否小于发送成功率阈值，判断当前速率和功率下吞吐量是否为0；若不小于发射成功率阈值并且吞吐量不为0，则获得速率和功率组合；根据速率和功率组合可以获得效用函数最大的最优速率和功率(r^*,p^*)；若是不满足要求，则重新进入203。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用分散抽样的方式对数据包随机抽样获取多个不同的抽样速率，并将获取的抽样速率值上传至控制器，控制器通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率，结合该发送成功率以及抽样包包长、时间开销计算吞吐量，生成数据速率和吞吐量对应的统计表；

S2、随机选取一个速率统计数据表中的抽样速率值作为参考传输速率，在参考传输速率下，以不同的功率值发送数据包；

S3、判断是否数据包发送成功率大于等于发送成功率阈值且吞吐量大于等于吞吐量阈值，若是则进行步骤S4，否则返回步骤S2；

S4、控制器根据数据包发送成功率定期抽样，估算其他速率下的吞吐量，并更新速率统计数据表中的吞吐量；

S5、控制器计算效用函数U(r_i,p_i)，从速率统计数据表中获得使效用函数值最大时的传输速率和传输功率的组合(r^*,p^*)，无线访问接入点根据该速率和功率的组合调整自身工作状态；其中，r_i,p_i分别表示传输速率和传输功率；r^*,p^*分别表示最优的传输速率和最优的传输功率。

2.根据权利要求1所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，采用分散抽样的方式对数据包随机抽样获取不同的速率包括：对10％的数据包进行数据随机速率抽样，根据抽样所得的速率，生成初始速率数据统计表，初始速率表作为参考抽样速率集；速率数据统计表包括内容：

其中，表示数据data的速率数据统计表；R为抽样速率集，表示为R＝{r₁,r₂,...,r_n}，r_n表示第n个抽样速率；表示与抽样速率对应的吞吐量，表示为 抽样速率r_n对应的吞吐量；表示尝试传输次数，表示成功传输次数；P_success表示传输成功率。

3.根据权利要求1所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率包括：

其中，表示通过加权移动平均计算抽样包的发送成功率，p_success(r_i,p_i)为上一时刻的发送成功率，N_success(r_i,p_i)表示在当前状态成功发送的包的数量，N_attempt(r_i,p_i)表示尝试发包的数量；λ为权值因子，表示历史发送成功率的参考权重。

4.根据权利要求1所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，基于选择的速率值以不同的功率值发送包，通过传输功率的变化对包发送成功率产生的不同影响，实现该速率下的功率控制包括：

S21、选取速率数据统计表中的速率值作为参考传输速率r_i，在该速率下以最大功率p_reference设置初始参考功率，确定参考数据包的功率和速率组合(r_i,p_max)；

S22、探测并统计参考包的传输成功率根据成功率调节探测发射功率值；

S23、设置抽样包发射功率p_sample，抽样并统计抽样包传输成功率根据包传输成功率调节抽样发射功率值；

S24、设置数据包发射功率p_data，统计数据包发送成功率和吞吐量则最优的速率r^*和功率p^*表示为：(r^*,p^*)＝argmaxU(r_i,p_i)。

5.根据权利要求1所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，将数据包发送成功率和吞吐量的大小与阈值比较包括：

数据包的发送成功率大于最低发送成功率δ，即

数据包吞吐量是否满足要求，即

6.根据权利要求1所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，步骤S4包括：控制器根据包发送成功率定期抽样的内容包括：发送路径反馈的传输速率大小、包发送成功率和功率控制信息、包发送成功率以时间周期t_cycle，估算每个数据速率下吞吐量T(r_i,p_i)最大时的最佳功率值，表示为：根据该功率值更新抽样速率数据统计表，p_i为数据包的传输功率。

7.根据权利要求1所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，效用函数U(r_i,p_i)由吞吐量效益η_benefit(r_i)和成本因子cost(r_i)共同决策，表示为：

U(ω,r_i)＝ω*η_benefit(r_i)-cost(r_i)；

其中，ω表示以速率r_i实现的吞吐量的权重。

8.根据权利要求7所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，吞吐量效益η_benefit(r_i)是基于其估计吞吐量和最大吞吐量得到，吞吐量效益η_benefit(r_i)表示为：

成本因子cost(r_i)受干扰影响的区域和干扰持续时间影响，将发射功率p(r_i)作为近似干扰区域、作为近似持续时间，成本因子cost(r_i)表示为：

其中，T_throughput(r_i)表示数据速率为r_i的吞吐量；T_throughput(r_{max_thr})表示数据速率为r_{max_thr}的吞吐量；p(r_{max_thr})表示数据速率为r_{max_thr}时的发射功率；α为缩放因子。

9.根据权利要求1所述的一种WLAN中数据速率和功率控制的联合优化方法，其特征在于，在步骤S5中，若在使用效用值最大时的速率和功率组合(r^*,p^*)发送数据包，且遍历完所有抽样速率数据统计表中的速率进行功率调节仍然不能使吞吐量最大，则返回步骤S1重新抽样数据包更新抽样速率数据统计表。