一种WLAN系统中基于位置意识的单位面积负载均衡方法

技术领域

本发明主要涉及无线通信领域，尤其涉及WLAN系统中的负载均衡以及干 扰避免技术。

背景技术

随着无线局域网WLAN(Wireless LAN)技术的飞速发展，无线局域网得到了 广泛部署，无线STA(Station)也越来越多，无线信道的时变特性以及STA的 灵活移动性，使得WLAN网络负载情况会不断变化，那么，在大规模的无线局 域网结构中，站点STA和接入点AP(Access Point)之间如何进行有效关联，对 整个网络的性能和资源利用率有很大影响。

传统的STA接入网络的方法通常是STA选择扫描到的接收信号强度指示 RSSI(Received Signal Strength Indication)最大的AP建立连接，然后基于相关 协议接入WLAN网络，然而由于各个AP部署的位置不同，有的AP处于热点位 置，关联的STA数目众多，出现负载过重的现象，导致带宽资源堵塞、STA不 能及时接入网络；而有些位置偏远的AP则关联着很少数目的STA，造成带宽资 源浪费，从整个网络资源利用率以及用户需求的角度来看，这种情况显然是要极 力避免的。所以，如何实现WLAN系统中AP间的负载均衡，是提高整个网络 资源利用率和保证QoS的关键。

负载均衡技术就是用来平衡AP间的负载差异，提高无线网络的资源利用率， 并且增加网络的吞吐量。负载均衡就是让扫描到多个AP的STA，在接入到无线 网络时不是盲目地选择RSSI最大的AP来关联，而是通过一定的负载均衡策略 来选择合适的AP进行关联，从而减小AP间的负载差异，实现带宽资源的充分 利用，提高网络的资源利用率。

另一方面，对于一个AP密度较高的无线局域网来说，多个邻近的AP通常 会使用同一信道，由于AP的密集部署，各个AP的覆盖范围会相互重叠，这样 不仅会造成能量浪费，还会导致AP间的相互干扰，影响整个系统的性能和通信 质量。在WLAN系统中，减小干扰的一种方法是，可以通过调整各个AP的发 射功率调整AP的覆盖范围，减小相邻AP覆盖范围的重叠区域，从而减小干扰。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种WLAN系统中基于位置意识的单位 面积负载均衡方法，可以解决在WLAN环境下，各AP间负载不均衡造成的资 源利用率低，用户需求得不到满足的问题，并进一步提供一种干扰避免方法，可 以解决由于AP的密集部署导致各AP的覆盖范围相互重叠造成的能量浪费和同 频干扰问题，有助于提高WLAN系统的资源利用率，减小AP间的干扰，同时 提高系统系能。

技术方案：一种WLAN系统中基于位置意识的单位面积负载均衡方法，包 括如下步骤：

(A1)站点STA向周围的接入点AP广播探测请求帧；

(A2)AP接收到STA发送的探测请求，向该STA发送探测响应帧，反馈 信息包括接收信号强度指示RSSI(Received Signal Strength Indication)、AP当前 已接入的负载、AP的当前发送功率、AP的天线增益以及AP的部署高度；

(A3)STA根据接收到的探测响应的信号强度指示，以及AP的负载量、当 前发送功率、天线增益值以及部署高度，基于本地的单位面积负载均衡策略，确 定需要关联的目标AP；

(A4)STA与目标AP执行认证过程，认证成功后STA向目标AP发送关 联请求帧；

(A5)目标AP接收到关联请求后，向STA发送关联响应帧；

(A6)如果目标AP拒绝STA的关联请求，则STA根据步骤(A3)中的负 载均衡策略，在除该AP之外的AP中重新选择需要关联的目标AP，并执行步骤 (A4)～(A5)；如果目标AP接收STA的关联请求，则进入步骤(A7)；

(A7)STA成功接入WLAN，网络服务器通过AP为STA提供服务。

优选的，所述步骤(A3)中的本地的单位面积负载均衡策略具体为：

STA选择如下公式中值最大的AP作为目标AP，

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{tar}\_\mathrm{AP}=\max \left\{\frac{{\mathrm{RSSI}}_i·\pi \left({10}^{({\mathrm{TxPower}}_i+{\mathrm{AntennaGain}}_i-{\mathrm{RSSI}}_{\min }-{\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}-s)/5n}\right)-h_i^2}{N_i}\right\},\\ i=\mathrm{1,2},···,M\end{array}\right)$

其中，RSSI_i表示STA接收到的第i个AP发送的探测响应的接收信号强度 指示，TxPower_i表示第i个AP的当前发射功率；AntennaGain_i表示第i个AP的 天线增益，N_i表示接入第i个AP的总负载数目，M表示STA扫描到的AP数 目，RSSI_min表示STA接收信号强度指示灵敏度，PL_1Meter表示传输路径为1米 时AP与STA之间的路径损耗，n表示路径损耗指数，s表示和阴影衰落程度相 关的偏差值，h_i表示第i个AP的部署高度。

进一步的，为了避免相邻AP之间的干扰，上述方法还包括AP基于STA的 位置信息，动态调整发射功率的步骤，该步骤中包括：

(B1)STA将自己距离AP的距离信息以及接收信号强度指示灵敏度发送 给与其关联的AP；

(B2)AP根据所关联的各个STA反馈的位置信息，计算覆盖与之关联的所 有STA需要的最小发射功率；

(B3)AP根据步骤(B2)中功率的计算值设置发射功率；

(B4)AP将调整后的发射功率广播给与之相关联的STA，STA根据接收到 的AP的功率调整自己的发射功率。

优选的，所述距离信息通过公式

$d={10}^{({\mathrm{TxPower}+\mathrm{AntennaGain}-\mathrm{RSSI}-\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}-s)/10n}$计算得到。

优选的，所述最小发射功率通过公式

$P_{\min }={\mathrm{RSSI}}_{\min }+{\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}+10\log \left(D_{\max }^n\right)+s-\mathrm{AntennaGain}$计算得到，其中D_max为 所有STA与AP距离中的最大值，RSSI_min最大距离值对应的STA的接收信号强 度指示灵敏度。

进一步的，为了防止STA的移动破坏系统的负载均衡，上述方法还包括STA 移动时去关联的步骤，该步骤中包括：

(C1)STA检测自己是否出现有效移动，当STA检测到其接收信号强度指 示RSSI值小于该STA的接收信号强度指示灵敏度RSSI_min时，则STA判断出现 有效移动；

(C2)当STA出现有效移动时，STA主动向关联的AP发送去关联帧，断 开现有连接；

(C3)AP根据步骤(B2)～(B4)重新进行功率调整。

有益效果：本发明提出的一种WLAN系统中基于位置意识的单位面积负载 均衡及干扰避免方法，不同于以往的负载均衡方法，考虑了各个AP的单位面积 负载进行均衡，均衡策略更加全面。并且，以往的负载均衡方案一般都是STA 选择接收信号强度指示RSSI最大的AP先关联入网，然后再考虑负载均衡，进 行STA在AP间的切换，这种先关联后决策的方法，会影响用户体验的友好性， 而本发明提出的单位面积负载均衡方法，则是将负载均衡的选择权交给新入网 的STA，关联之前就已经考虑到了负载均衡的问题，可以避免上述不足。

另一方面，针对无线局域网中AP密集部署导致的能量浪费和干扰问题，本 发明提出了一种基于位置意识的干扰避免方法，通过负载均衡后的无线网络系 统，AP的发射功率并没有进行优化，会导致相邻AP覆盖范围间不必要的重叠， 在本发明中，STA将当前的位置信息报告给AP，AP就可以知道距离自己最远 的AP位置，然后计算出覆盖与之相关联的所有STA的最小发射功率，这样既保 证了对STA的通信服务，又可以节省发射功率，节约能量的同时，还可以减少 AP间的干扰。同时，在无线局域网系统中，STA是可以随时移动的，STA的移 动会破坏系统的负载均衡，本发明也考虑了这种情况，在STA需要移动时，主 动向AP发送去关联操作，结束该已有的关联，当STA移动到目的地点后，需要 重新接入网络，按照前面的负载均衡策略以及功率调整方案，实现该STA的入 网需求。

附图说明

图1为本发明的基于位置意识的单位面积负载均衡方法的流程图。

图2为本发明的基于位置意识的干扰避免方法的流程图。

图3为本发明方法中基于移动去关联的方法流程图。

图4为由胖AP构成的无线局域网的示意图。

图5为AP覆盖范围示意图。

图6为STA接入无线局域网时的消息交互过程示意图。

图7为没有使用负载均衡策略的无线局域网各AP的负载情况示意图。

图8为使用本发明单位面积负载均衡策略的无线局域网各AP的负载情况 示意图。

图9为使用本发明基于位置意识的干扰避免方法，AP调整功率后的覆盖 范围示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种WLAN系统中基于位置 意识的单位面积负载均衡及干扰避免方法的具体实施方式进行说明。应理解该 实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之 后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权 利。

图4是一个典型的由胖AP组成的无线局域网，数据通过STA和AP之间的 无线链路传输，AP通过分布系统(DS)相互连接，通过有线网络接入到服务器 (Server)。图6是STA通过AP接入到无线网络时的消息交互过程。本发明基于 图4的无线局域网系统，在STA选择要建立连接的AP时考虑了AP当前的单位 面积负载均衡，同时考虑到AP覆盖范围的相互重叠引起的能量浪费与干扰，对 负载均衡后的AP进行动态功率调整，以减小AP间的同频干扰，如图1所示， 本发明实施例提供的一种WLAN系统中基于位置意识的单位面积负载均衡方 法具体包括以下步骤：

步骤101：STA通过扫描发现周围的AP。根据IEEE 802.11无线标准的规定， STA在接收到MLME-SCAN.request原语时，就要开始扫描， MLME-SCAN.request原语参数及其含义如表1所示，这里我们规定STA执行主 动扫描方式，STA向周围的AP主动发送Probe Request帧；

表1MLME-SCAN.request原语参数表

步骤102：AP接收到STA发送的Probe Request，向该STA单播探测响应Probe  Response帧，AP将当前的已接入负载、AP的当前发射功率、AP天线增益以 及AP的部署高度通知给该STA；

步骤103：STA根据接收到的Probe Response信号强度指示RSSI，以及Probe  Response中携带的AP的负载量、AP当前发射功率、AP天线增益和AP的部署 高度，基于本地的负载均衡策略，确定需要关联的目标AP。具体过程如下：

AP的信号覆盖范围可以由如下路径损耗模型给出

PL＝PL_1Meter+10log(dⁿ)+s      (公式1)

RSSI＝TxPower+AntennaGain-PL         (公式2)

其中，PL表示AP和STA之间总的路径损耗，单位dB；PL_1Meter表示传输路径 为1米时AP与STA之间的路径损耗，单位dB，无线STA基于所支持的无线 标准，单位路径损耗值一般会集成在硬件芯片中；d表示AP和STA之间的实 际距离；n是不同环境下的路径损耗指数，在空旷环境下n一般取2，在室内环 境下n一般取3.5～4.5；s是和阴影衰落程度相关的偏差值，一般取3～7dB； TxPower为AP的当前发射功率；AntennaGain为AP的天线增益，不同的AP设 备，天线增益有相应的指标值。

由公式(1)和公式(2)，AP和STA之间的信号最大传输距离就可以表示 为

$d_{\max }={10}^{({\mathrm{TxPower}+\mathrm{AntennaGain}-\mathrm{RSS}{I}_{\min }-\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}-s)/10n}$     (公式3)

其中RSSI_min表示STA接收到AP发送的Probe Response的信号强度指示可以 识别的最小值，不同的无线设备，都有一个接收信号灵敏度，比如基于 IEEE802.11g协议的无线设备一般可以识别的最小信号强度在-74dBm左右。

因此，在AP的部署位置确定的情况下，知道了AP信号的最大传输距离， 也就可以确定AP的覆盖范围。如图5所示，AP的部署位置一般是确定的(如 天花板等位置)，因此AP距离地面的高度h就是已知的，公式(3)中计算了 AP在当前发射功率下信号的最大传输距离d_max，则AP在水平方向能覆盖的面 积S可以通过公式(4)计算(此处忽略STA的高度问题)：

$\left(\begin{array}{c}S=\pi (d_{\max }^2-h^2)\\ =\pi ({10}^{({\mathrm{TxPower}+\mathrm{AntennaGain}-\mathrm{RSSI}}_{\min }-{\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}-s)/5n}-h^2)\end{array}\right)$    (公式4)

令接入AP的负载总数为N，则单位面积负载unit_load的计算表达式为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{unit}\_\mathrm{load}=N/S\\ =\frac{N}{\pi ({10}^{({\mathrm{TxPower}+\mathrm{AntennaGain}-\mathrm{RSSI}}_{\min }-{\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}-s)/5n}-h^2)}\end{array}\right)$    (公式5)

因此考虑接收信号强度指示RSSI和AP的单位面积负载unit_load的本地 均衡策略，可以用公式表示为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{tar}\_\mathrm{AP}=\max \left\{\frac{{\mathrm{RSSI}}_i}{\mathrm{unit}\_{\mathrm{load}}_i}\right\}\\ =\max \left\{\frac{{\mathrm{RSSI}}_i·\pi ({10}^{({\mathrm{TxPower}}_i+{\mathrm{AntennaGain}}_i-{\mathrm{RSSI}}_{\min }-{\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}-s)/5n}-h_i^2)}{N_i}\right\}i=\mathrm{1,2},···,M\end{array}\right)$

                                                     (公式6)

其中RSSI_i表示STA接收到的第i个AP发送的Probe Response信号强度指 示；TxPower_i为第i个AP的当前发射功率；AntennaGain_i为第i个AP的天线 增益；N_i表示接入第i个AP的总负载数目；M表示STA扫描到的AP数目；h_i表示第i个AP的部署高度。STA选择公式(6)中值最大的AP作为目标AP。

步骤104：STA与目标AP执行认证过程，STA向目标AP发送关联请求 Association Request帧；

步骤105：目标AP接收到关联请求后，根据AP的最大负载限制，决定是否 接受，并向该STA发送关联响应Association Response帧；

步骤106：如果目标AP向STA发送关联响应，拒绝STA的关联请求，则 STA根据步骤103中的负载均衡策略，重新选择除该AP之外的目标AP，并进 行步骤104～105；如果目标AP向STA发送关联响应，接受STA的关联请求， 则进行步骤107；

步骤107：分布式系统DS连接的服务器Server通过AP为STA提供服务。

同时，考虑到AP覆盖范围的相互重叠引起的能量浪费与干扰，对负载均衡 后的AP进行动态功率调整，以减小AP间的同频干扰，如图2所示，具体步骤 包括：

步骤201：STA接入到WLAN网络后，与关联的AP进行通信，将自己距离 AP的距离信息以及接收信号强度指示灵敏度报告给AP；

步骤202：AP根据所关联的各个STA反馈的位置信息，计算覆盖距离AP 最远的STA所需要的最小发射功率P_min，具体过程为：

STA根据AP反馈的当前发射功率、AP的天线增益以及STA接收信号的强 度指示RSSI，通过下面的公式，就可以计算该STA距离AP的距离。

$d={10}^{({\mathrm{TxPower}+\mathrm{AntennaGain}-\mathrm{RSSI}-\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}-s)/10n}$      (公式7)

与AP关联的每个STA在与AP进行信息交互时将自己距离AP的距离以及该 STA的接收信号强度指示灵敏度RSSI_min报告给AP，AP选择所有距离中的最大 值D_max，以及对应STA的RSSI_min值，代入公式(2)即有：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\min }={\mathrm{RSSI}}_{\min }+\mathrm{PL}-\mathrm{AntennaGain}\\ ={\mathrm{RSSI}}_{\min }+{\mathrm{PL}}_{1\mathrm{Meter}}+10\log \left(D_{\max }^n\right)+s-\mathrm{AntennaGain}\end{array}\right)$      (公式8)

步骤203：AP设置发射功率为P_min；

步骤204：AP将调整后的发射功率P_min广播给与之相关联的STA，STA根 据接收到的AP的功率相应调整STA的发射功率。

同时，考虑到WLAN中STA是可以随时移动的，STA的移动会破坏系统的 负载均衡，在STA进行有效移动时进行去关联操作，如图3所示，具体步骤包 括：

步骤301：STA检测自己是否出现有效移动，STA在移动时，其接收信号强 度指示RSSI会相应变化，当STA检测到其RSSI值小于该STA的接收信号强度 指示灵敏度RSSI_min时，则STA判断该移动为有效移动；

步骤302：基于步骤301，当STA出现有效移动时，STA主动向当前关联的 AP发送去关联帧，断开现有连接；。

步骤303：去关联后，AP执行步骤202～步骤204，重新进行功率调整；

当STA移动到目的地后，需要重新接入网络，则执行步骤101～107的接入 流程，及步骤201～204的功率调整流程，实现该STA的重新入网以及对与之关 联的AP进行功率调整。

图7表示没有使用负载均衡策略时，WLAN系统中各AP的负载情况示意图。 可以发现AP1的负载很重，AP3负载较轻，而AP2只关联了两个STA，负载最 轻，这种负载不均衡现象，会导致AP2和AP3的资源浪费，而AP1可能会出现 资源堵塞，甚至不能及时满足用户需求。图8为使用本发明提供的负载均衡策略 各AP的负载情况示意图，STA在接入WLAN网络时，已经考虑到了AP的单 位面积负载均衡，因此各AP的负载相对均衡。图9为各AP根据STA反馈的距 离信息，动态调整功率后的覆盖范围示意图，可以看出，各AP在不影响对STA 提供服务的情况下，适当减小发射功率，可以减小相邻AP间的覆盖范围重叠造 成的干扰以及能量浪费。

应当指出，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员对本发明还可以 做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。