無線局域網的智能網絡優化技術

摘要：近年來基于IEEE802.11標準系列的無線局域網技術發展速度迅猛。但隨著接入點AP（Access Point）數目的不斷增多，AP之間距離的不斷減小，同頻段的干擾問題將會嚴重影響到無線局域網的總容量。傳統蜂窩小區的網絡優化方法對于無線局域網已經不再適用，這是因為無線局域網AP數目多，且結構可能并不穩定，即AP可能根據業務需要增加、減少甚至移動。智能網絡優化技術是指通過在AP之間動態地分配頻率、功率、用戶以及業務流量使得整個無線網絡的容量最大，性能最佳。它將是未來無線局域網應用的關鍵技術之一。本文介紹了智能網絡優化技術的內容、發展現狀以及發展方向。

關鍵詞 無線局域網 智能網絡優化 WLAN 802.11b AP（Access Point） DFC TPC

　　一、無線局域網發展趨勢和技術需求

　　WLAN是無線局域網的英文縮寫，是近年來發展迅猛的無線數據通信技術。它的發展從1997年6月制訂第一個WLAN標準IEEE802.11[1]開始，到1999年8月，IEEE推出了新的高速標準802.11b[2]和802.11a進入快速發展。IEEE802.11b在2.4GHz頻段提供最高11Mbps的速率；IEEE802.11a則在5.8GHz頻段提供54Mbps的數據傳輸速率。2001年11月，IEEE試驗性地批準了802.11g，用以兼容802.11b和802.11a。幾乎同時，歐洲電信標準化協會（ETSI）的寬帶無線電接入網絡（BRAN）小組也著手制訂Hiper（High Performance Radio）接入標準，并推出HiperLAN1和HiperLAN2。

　　IEEE802.11和HiperLAN家族在技術上的突破及WLAN產品成本的大幅下降，使得無線局域網在寬帶無線接入中可以大顯身手，不僅企業把WLAN作為他們有線LAN的延伸，機場、酒店、會議中心、咖啡廳等地也將成為WLAN應用的重點。截至目前，采用802.11b和HiperLAN1的WLAN已經覆蓋了北美和歐洲越來越多的地區。據專家預測，全球WLAN市場總銷售額將于2004年達到近22億美元，每年平均增幅高達25%左右，同時，WLAN應用范圍不斷拓展，不僅擴展了有線LAN，甚至在某些情況下取而代之。

　　隨著人們對于無線數據業務的需求的增大，在將來，大部分熱點地區僅僅有一個或者兩三個WLAN接入點AP（Access Point）是不夠的。因此在業務繁忙的地區，需要布置一個能夠滿足業務帶寬需求的小型無線網絡。這種網絡的特點在于：網絡接入點AP數目比較多；AP位置比較不確定，可能根據需要增加、減少或者移動節點。

　　由于AP數目比較多，而可用的頻段相對的少（在802.11b/g標準中相互獨立無干擾的頻段只有3個），因此，部分AP之間將會存在相互干擾，這種干擾隨著AP間的距離越近對于系統容量的影響越大。如何在AP間分配頻率和功率資源，使得AP間的干擾最小、容量最大是必須解決的關鍵技術之一：無線網絡優化。

　　現有的2G網絡優化主要采用小區建模計算和實地路測結合的方式進行，但是這種方法用在WLAN上是不可行的。因為WLAN的特點是：網絡節點數多，使得建模和路測的工作量大大增加；節點數目和位置可能變化，導致上述網絡優化的工作經常需要重新進行。

　　在這種背景的需求下，智能網絡優化技術將成為新的研究熱點。智能網絡優化技術是指通過在AP之間動態實時地分配頻率、功率、用戶以及業務流量使得整個無線網絡的容量最大，性能最佳。它無疑將是未來無線局域網大規模應用的關鍵技術。

　　二、無線局域網的自干擾情況

　　1. 無線局域網的頻率資源情況

　　下面我們以現在應用最為廣泛的802.11b標準為例，說明為什么在多個AP之間會存在相互干擾。

　　我們可以看到頻段1和頻段2～5之間都有部分頻譜重疊，頻譜重疊就意味著這兩個頻段之間相互有干擾存在。干擾的大小取決于兩個頻段重疊的多少，以及發射信號的頻譜特性。總之頻段序號之間的差大于等于5的頻段之間沒有干擾，小于5的頻段之間存在干擾。

　　2. 頻段之間具體干擾因子

　　根據802.11b物理層發射信號的頻譜特性，我們可以估計出頻段兩兩之間的干擾大小。

　　對于頻帶內的干擾頻譜積分，可以得到鄰頻段干擾因子K，即如果鄰頻段總信號能量為單位1，則本頻段內收到此鄰頻段的干擾信號的能量為K（K1）。下表是相鄰頻段的干擾因子列表：

　　我們可以看到鄰頻段的干擾在頻段序號差小于3時相當大，大于等于4的時候則可以忽略不計了。

　　三、智能網絡優化

　　網絡優化的目的主要在于合理分配物理資源和網絡設備資源，比如頻率分配、功率分配，用戶分配、業務流量分配。通過資源的分配優化，得到整個網絡的性能和穩定性的最優化。

　　由于無線局域網的特點是：網絡接入點AP數目比較多；AP位置比較不確定，可能根據需要增加、減少或者移動節點。因此我們需要的不是一次性的網絡優化，而是根據現實的網絡情況，進行實時的優化。而這一過程通常是無需人工干預，因此稱為智能網絡優化。

　　智能網絡優化可以分為兩大部分組成：自動頻率優化、自動功率優化。

　　1. 自動頻率優化

　　自動頻率優化也稱動態頻率選擇DFC（Dynamic frequency selection）是指在通過測量得到網絡狀況的信息的條件下，動態實時地給AP分配頻段來減小AP間干擾的機制。

　　從頻率優化的信息獲得上，可以將自動頻率優化分成兩類。

　　第一類是基于用戶端測量信息進行頻段分配的方案。比如在802.11h中的DFC方案就屬于此類。它的工作流程如下：

　　（1）AP發出頻段測量的指令；

　　（2）移動終端MT（Mobile Terminal）收到指令開始頻段干擾情況的測量；

　　（3）MT將測量結果提交給AP；

　　（4）AP進行是否改變自己頻道的判決；

　　（5）如果決定改變頻段，AP向和它相連的MT宣布即將改變頻段；

　　（6）AP改變作用頻段，和它相連的MT也隨著一起改變。

　　上述機制中的（4）是標準沒有具體規定的，因此有大量的研究集中在如何設計判決算法使得頻段的分配更佳穩定有效。

　　上述機制的好處在于，頻段的分配方案可以隨著用戶的數目和位置進行實時的調整。但是這種實時調整的代價是：用戶端向AP周期性的提交干擾報告；AP在頻段間切換時引起的用戶與AP重新連接的開銷。這兩點隨著接入AP的用戶數目增多，而同比例增大。