无线局域网的智能网络优化技术

摘要：近年来基于IEEE802.11标准系列的无线局域网技术发展速度迅猛。但随着接入点AP（Access Point）数目的不断增多，AP之间距离的不断减小，同频段的干扰问题将会严重影响到无线局域网的总容量。传统蜂窝小区的网络优化方法对于无线局域网已经不再适用，这是因为无线局域网AP数目多，且结构可能并不稳定，即AP可能根据业务需要增加、减少甚至移动。智能网络优化技术是指通过在AP之间动态地分配频率、功率、用户以及业务流量使得整个无线网络的容量最大，性能最佳。它将是未来无线局域网应用的关键技术之一。本文介绍了智能网络优化技术的内容、发展现状以及发展方向。

关键词 无线局域网 智能网络优化 WLAN 802.11b AP（Access Point） DFC TPC

　　一、无线局域网发展趋势和技术需求

　　WLAN是无线局域网的英文缩写，是近年来发展迅猛的无线数据通信技术。它的发展从1997年6月制订第一个WLAN标准IEEE802.11[1]开始，到1999年8月，IEEE推出了新的高速标准802.11b[2]和802.11a进入快速发展。IEEE802.11b在2.4GHz频段提供最高11Mbps的速率；IEEE802.11a则在5.8GHz频段提供54Mbps的数据传输速率。2001年11月，IEEE试验性地批准了802.11g，用以兼容802.11b和802.11a。几乎同时，欧洲电信标准化协会（ETSI）的宽带无线电接入网络（BRAN）小组也着手制订Hiper（High Performance Radio）接入标准，并推出HiperLAN1和HiperLAN2。

　　IEEE802.11和HiperLAN家族在技术上的突破及WLAN产品成本的大幅下降，使得无线局域网在宽带无线接入中可以大显身手，不仅企业把WLAN作为他们有线LAN的延伸，机场、酒店、会议中心、咖啡厅等地也将成为WLAN应用的重点。截至目前，采用802.11b和HiperLAN1的WLAN已经覆盖了北美和欧洲越来越多的地区。据专家预测，全球WLAN市场总销售额将于2004年达到近22亿美元，每年平均增幅高达25%左右，同时，WLAN应用范围不断拓展，不仅扩展了有线LAN，甚至在某些情况下取而代之。

　　随着人们对于无线数据业务的需求的增大，在将来，大部分热点地区仅仅有一个或者两三个WLAN接入点AP（Access Point）是不够的。因此在业务繁忙的地区，需要布置一个能够满足业务带宽需求的小型无线网络。这种网络的特点在于：网络接入点AP数目比较多；AP位置比较不确定，可能根据需要增加、减少或者移动节点。

　　由于AP数目比较多，而可用的频段相对的少（在802.11b/g标准中相互独立无干扰的频段只有3个），因此，部分AP之间将会存在相互干扰，这种干扰随着AP间的距离越近对于系统容量的影响越大。如何在AP间分配频率和功率资源，使得AP间的干扰最小、容量最大是必须解决的关键技术之一：无线网络优化。

　　现有的2G网络优化主要采用小区建模计算和实地路测结合的方式进行，但是这种方法用在WLAN上是不可行的。因为WLAN的特点是：网络节点数多，使得建模和路测的工作量大大增加；节点数目和位置可能变化，导致上述网络优化的工作经常需要重新进行。

　　在这种背景的需求下，智能网络优化技术将成为新的研究热点。智能网络优化技术是指通过在AP之间动态实时地分配频率、功率、用户以及业务流量使得整个无线网络的容量最大，性能最佳。它无疑将是未来无线局域网大规模应用的关键技术。

　　二、无线局域网的自干扰情况

　　1. 无线局域网的频率资源情况

　　下面我们以现在应用最为广泛的802.11b标准为例，说明为什么在多个AP之间会存在相互干扰。

　　我们可以看到频段1和频段2～5之间都有部分频谱重叠，频谱重叠就意味着这两个频段之间相互有干扰存在。干扰的大小取决于两个频段重叠的多少，以及发射信号的频谱特性。总之频段序号之间的差大于等于5的频段之间没有干扰，小于5的频段之间存在干扰。

　　2. 频段之间具体干扰因子

　　根据802.11b物理层发射信号的频谱特性，我们可以估计出频段两两之间的干扰大小。

　　对于频带内的干扰频谱积分，可以得到邻频段干扰因子K，即如果邻频段总信号能量为单位1，则本频段内收到此邻频段的干扰信号的能量为K（K1）。下表是相邻频段的干扰因子列表：

　　我们可以看到邻频段的干扰在频段序号差小于3时相当大，大于等于4的时候则可以忽略不计了。

　　三、智能网络优化

　　网络优化的目的主要在于合理分配物理资源和网络设备资源，比如频率分配、功率分配，用户分配、业务流量分配。通过资源的分配优化，得到整个网络的性能和稳定性的最优化。

　　由于无线局域网的特点是：网络接入点AP数目比较多；AP位置比较不确定，可能根据需要增加、减少或者移动节点。因此我们需要的不是一次性的网络优化，而是根据现实的网络情况，进行实时的优化。而这一过程通常是无需人工干预，因此称为智能网络优化。

　　智能网络优化可以分为两大部分组成：自动频率优化、自动功率优化。

　　1. 自动频率优化

　　自动频率优化也称动态频率选择DFC（Dynamic frequency selection）是指在通过测量得到网络状况的信息的条件下，动态实时地给AP分配频段来减小AP间干扰的机制。

　　从频率优化的信息获得上，可以将自动频率优化分成两类。

　　第一类是基于用户端测量信息进行频段分配的方案。比如在802.11h中的DFC方案就属于此类。它的工作流程如下：

　　（1）AP发出频段测量的指令；

　　（2）移动终端MT（Mobile Terminal）收到指令开始频段干扰情况的测量；

　　（3）MT将测量结果提交给AP；

　　（4）AP进行是否改变自己频道的判决；

　　（5）如果决定改变频段，AP向和它相连的MT宣布即将改变频段；

　　（6）AP改变作用频段，和它相连的MT也随着一起改变。

　　上述机制中的（4）是标准没有具体规定的，因此有大量的研究集中在如何设计判决算法使得频段的分配更佳稳定有效。

　　上述机制的好处在于，频段的分配方案可以随着用户的数目和位置进行实时的调整。但是这种实时调整的代价是：用户端向AP周期性的提交干扰报告；AP在频段间切换时引起的用户与AP重新连接的开销。这两点随着接入AP的用户数目增多，而同比例增大。