WLAN中基于查表法的接入式負(fù)載均衡技術(shù)研究

單志亮 譚北海 張巍

摘要：越來越多的機(jī)場(chǎng)、車站、咖啡廳、賓館等公共產(chǎn)所都部署了WLAN，WLAN得到了迅猛發(fā)展，但WLAN中AP之間負(fù)載的不均衡，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，嚴(yán)重影響了用戶體驗(yàn)。公共場(chǎng)所的人流量一般都是周期性的，基于這個(gè)周期性的特點(diǎn)，文章提出了基于查表法的接入式負(fù)載均衡方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真。分析仿真結(jié)果可知，本方法可以達(dá)到令人滿意的負(fù)載均衡效果。

關(guān)鍵詞：WLAN；負(fù)載均衡；查表法

WLAN是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，沒有WLAN，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)不可能發(fā)展這么迅猛。WLAN在各行各業(yè)得到了飛速的發(fā)展，極大地改變了，人們的生活和生產(chǎn)方式。WLAN現(xiàn)在主要有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即802.11系列標(biāo)準(zhǔn)和HiperLAN標(biāo)準(zhǔn)，其中802.11系列標(biāo)準(zhǔn)在市場(chǎng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位。因?yàn)閃LAN中負(fù)載均衡技術(shù)現(xiàn)在還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以科研工作者從不同的角度，用不同的方法來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。有的科研工作者采用小區(qū)呼吸法，即通過控制AP的功率大小來改變AP的覆蓋范圍，進(jìn)而控制AP所能接入的AP的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；有的科研工作者通過給AP設(shè)定閾值來控制AP的SSID可見性以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；有的科研工作者通過將STA從重載的AP上切換至輕載的AP上來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；有的科研工作者通過收集用戶上網(wǎng)信息，定義用戶的上網(wǎng)模式，計(jì)算出用戶之間的相關(guān)性，將相關(guān)性較小的用戶分配到同一AP上來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

本文從自然現(xiàn)象和社會(huì)活動(dòng)的周期性中得到啟發(fā)，認(rèn)為公共場(chǎng)所中人流量會(huì)呈周期性的變化，從而該公共場(chǎng)所內(nèi)人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求量也會(huì)呈周期性變化。通過統(tǒng)計(jì)若干個(gè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求量，生成一個(gè)表格，通過該表格可以預(yù)測(cè)一個(gè)周期內(nèi)任意一個(gè)時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求量，AC通過該請(qǐng)求量計(jì)算并設(shè)置每個(gè)AP的閾值，AP根據(jù)閾值來決定是否允許新的終端的接入，從而達(dá)到WLAN中負(fù)載的均衡接入。

1 基于查表法的接入式負(fù)載均衡技術(shù)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，基于查表法的接入式負(fù)載均衡系統(tǒng)主要由4部分組成：終端STA、無線接入點(diǎn)AP、無線訪問控制器AC和路由器Router[1l。

路由器起到將WLAN局域網(wǎng)與核心網(wǎng)絡(luò)連接起來的作用。AC負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)若干個(gè)周期內(nèi)用戶的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求量，生成表格數(shù)據(jù)；AC還負(fù)載檢測(cè)有線網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的當(dāng)前帶寬，并根據(jù)表格數(shù)據(jù)和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬來設(shè)置AP在1個(gè)周期內(nèi)的任意一個(gè)小的時(shí)間段內(nèi)的閾值。AP根據(jù)閾值來控制STA的接入與否，同時(shí)多個(gè)AP可以起到擴(kuò)大WLAN覆蓋范圍的作用。STA包括智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等便攜式移動(dòng)設(shè)備。

1.2 表格數(shù)據(jù)的生成

如圖2所示，統(tǒng)計(jì)N個(gè)周期（先后記為T₁，T₂，…，T_N）的歷史流量數(shù)據(jù)，每個(gè)周期等分為M個(gè)小的時(shí)間片段。第n（l≤n≤N）個(gè)周期（即T_n）的第m（1≤m≤M）個(gè)時(shí)間段記為t_nm，t_nm時(shí)間段內(nèi)的流量記為q（t_m）。在N個(gè)周期內(nèi)，第m個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均流量記為q（t_m），則顯然 。由該公式可得到表l中的數(shù)據(jù)。

如圖3所示，WLAN中基于查表法的負(fù)載均衡接入的步驟如下：

步驟1：系統(tǒng)進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)間片段中，無線訪問控制器從表格中讀取對(duì)應(yīng)時(shí)間段的流量數(shù)據(jù)。

步驟2：無線訪問控制器檢測(cè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬，計(jì)算得到AP所能得到的平均帶寬，并根據(jù)該平均帶寬計(jì)算得到AP的最大流量閾值H （max）和極限流量閾值H（lim）。

步驟3：根據(jù)步驟l所述的表格中對(duì)應(yīng)時(shí)間段的流量數(shù)據(jù)設(shè)置每個(gè)AP的流量閾值為H。

步驟4：遍歷所有AP，如果AP（i）表示第i個(gè)AP， 1≤i≤No）的當(dāng)前流量大于或等于閾值H，則所述AP（i）拒絕新的終端接入，否則所述AP（i）允許新的終端接入。

步驟5：如果每個(gè)AP的當(dāng)前流量都大于等于閾值H，則執(zhí)行步驟6，否則返回執(zhí)行步驟4。

步驟6：如果AP閾值H等于AP最大流量閾值H（max），則所有AP拒絕新的終端接入，并返回執(zhí)行步驟4；如果AP的閾值H小于AP的最大流量閾值H（max），則執(zhí)行步驟7。

步驟7：升高所有AP的閾值H。

步驟8：如果本時(shí)間段己結(jié)束，則返回執(zhí)行步驟l，否則返回執(zhí)行步驟4。

基于查表法的負(fù)載均衡接入技術(shù)中的細(xì)節(jié)問題補(bǔ)充如下：

（l）假設(shè)AP數(shù)目為No，無線訪問控制器檢測(cè)到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬為w，計(jì)算得到每個(gè)AP所能得到的平均帶寬為 ，進(jìn)而得到每個(gè)AP的最大流量閾值 ，極限流量閡值 ，其中 。H（max）是為保證當(dāng)AP的流量閾值H取最大流量閾值H （max），且所有AP的當(dāng)前流量大于等于閾值H（此時(shí)H-H （max））時(shí)，所有AP的流量之和小于或等于網(wǎng)絡(luò)帶寬W。H （lim）是為了允許單個(gè)AP的流量超過平均帶寬 ，但控制其不能超出太多，應(yīng)在所允許的范圍內(nèi)。最大流量閾值H （max）和極限流量閾值H（lim）是變化的，兩者隨網(wǎng)絡(luò)帶寬w的變化而變化，且兩者關(guān)于每個(gè)AP的平均帶寬No對(duì)稱。

（2）對(duì)于每AP的流量閾值H，若 ，則 ，否則，H=H（max）。AP的閾值H只能≤AP的最大流量閾值H（max），不能>H （max）。當(dāng) 時(shí)，根據(jù)平均值原理，有些AP的流量高于H，有些AP的流量小于H。AP的閾值H受表格數(shù)據(jù)（即某一時(shí)間段的預(yù)測(cè)流量）和網(wǎng)絡(luò)帶寬的共同約束。

（3）步驟3和步驟4中所述所有AP的流量閾值H相等，且該閾值H只是一個(gè)AP是否允許一個(gè)新的終端接入所述AP的一個(gè)度量，如果允許一個(gè)新的終端接入，則該新終端接入AP以后，該AP的流量有可能會(huì)大于或等于閾值H，但是必須小于H（lim）。

（4）步驟4中所述允許新的終端接入的AP有多個(gè)時(shí)，每個(gè)終端可以隨機(jī)的接入其中任何一個(gè)允許接入新的終端的AP，也可以按固定的順序依次輪流接入這些AP。例如有5個(gè)AP，分別記為API，AP2，AP3，AP4，AP5，它們的先后順序不準(zhǔn)打亂，假如現(xiàn)在有AP1，AP2，AP3這3個(gè)AP允許接入新的終端，則最先接入的3個(gè)終端分別依次接入到API，AP2，AP3。

（5）步驟5所述所有AP當(dāng)前流量都大于等于閾值H時(shí)，表明新流量接入，當(dāng)前閩值H下所有AP的流量之和己不能滿足終端的流量需求，需要升高閾值來擴(kuò)大每個(gè)AP的流量以及所有AP的流量之和，以滿足終端的流量需求。

（6）步驟6中所有AP拒絕新的終端接入，表明所有AP流量之和已耗盡當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的帶寬，為保證己連接的終端的業(yè)務(wù)正常進(jìn)行，不能再接入新的終端增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

（7）所有AP拒絕終端接入，當(dāng)有終端從其中某個(gè)AP斷開，如果該AP的流量小于閾值H，則該AP重新允許新的終端接入。

2 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)仿真基于Matlab仿真平臺(tái)。

（l）取終端的流量大小服從正態(tài)分布 ，表格中t_m時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù) 為7500，帶寬w為7500，β為0.8，AP數(shù)目N₀為5，此時(shí)實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果如圖4所示，其中橫坐標(biāo)用終端個(gè)數(shù)來表征負(fù)載大小，縱坐標(biāo)用各個(gè)AP之間的負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)差來衡量系統(tǒng)的負(fù)載均衡效果。有計(jì)算公式 ，得到H（max）為1200，1200除以終端的流量期望150得到8，即每個(gè)AP能接入的終端個(gè)數(shù)的期望為8個(gè)，5個(gè)AP的總數(shù)期望為40，即接入40個(gè)終端，系統(tǒng)就飽和了，在最大閾值H（max）的限制下，不能夠再接入新的終端，所以40之后，負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)差保持不變。由曲線可看出，終端數(shù)小于但接近40時(shí)，負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)差比較小，說明只要流量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，確定合適的閾值，就可以得到好的負(fù)載均衡效果。

（2）如圖5所示，虛線表示終端接入AP時(shí)，隨機(jī)接入允許接入新的終端AP，實(shí)線表示終端接入AP時(shí)，按事先確定的順序，將終端一次一個(gè)依次輪流接入到允許接入新的終端的AP上去。由圖5可以看出，按順序依次接入允許接入新的終端的AP比隨機(jī)接入允許接入新的終端的AP的負(fù)載均衡效果要好很多，不會(huì)有大的負(fù)載波動(dòng)。

（3）如圖6所示，是預(yù)測(cè)流量q（t_m）為3000，其他參數(shù)不變時(shí)的曲線圖，此時(shí)H（max）還是1200，但是開始H為q（t_m）/N₀=600，每個(gè)AP可以接入的終端數(shù)的期望為4個(gè)，5個(gè)AP可以接入的終端數(shù)的期望是20，接近20時(shí)，各AP的負(fù)載差不多，達(dá)到均衡，當(dāng)實(shí)際終端數(shù)超過20時(shí)，閾值H會(huì)升高，準(zhǔn)許AP接入新的終端。按順序依次接入時(shí)，由于各個(gè)AP的負(fù)載都比較均勻，從_開始，均衡效果就很好。而隨機(jī)接入在閾值H的作用下，終端數(shù)為20左右時(shí)，在該閾值H下達(dá)到飽和而負(fù)載平衡。由此可見，預(yù)測(cè)流量時(shí)，預(yù)測(cè)的比實(shí)際小一些，更有利于負(fù)載的均衡，但是同時(shí)會(huì)因調(diào)整閾值H而增加系統(tǒng)開銷。

3 結(jié)語

WLAN中的負(fù)載均衡是WLAN技術(shù)中的一個(gè)非常重要的內(nèi)容，它對(duì)防止網(wǎng)絡(luò)擁塞、提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能和提升用戶體驗(yàn)具有重要意義。本文提出了一種通過統(tǒng)計(jì)歷史流量來生成表格數(shù)據(jù)，通過表格數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)某一時(shí)間段內(nèi)STA請(qǐng)求的流量，AC根據(jù)該流量值和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬來設(shè)置AP的閾值，AP根據(jù)閩值來控制STA的接入與否，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均衡接入的方法。