WLAN Mesh中基于负载均衡的接入点选择方法

石 际，董宏成，郑丹玲

(重庆邮电大学 通信新技术应用研究所，重庆400065)

责任编辑:许 盈

目前，随着无线网络的应用日益增多，WLAN Mesh网络技术的应用也越来越广泛。在传统WLAN Mesh网络中，接入控制器(AC)、Mesh出口节点(MPP)、Mesh节点(MP)、接入点(MAP)是无线Mesh网的核心设备，用户站(STA)通过MAP接入网络实现信息传输[1-2]。

1 基于负载均衡的接入点选择

1.1 具有负载控制功能的接入控制器装置

由于接入控制器本身具有信息收集、管理控制和定时器的模块，为实现对负载的管理与控制[6]，添加了负载均衡控制模块(包括负载计算与判决两个子模块)，其中负载计算模块具有STA数量计算、节点负载计算和网络负载计算3个功能，判决模块包括用门限值比较与接入用户数量判断两大功能，如图1所示。

图1 接入控制器装置

在基于负载均衡的接入点选择过程中，首先通过信息收集模块和定时器周期性地收集网络中各节点的状态信息，并由各节点自身通过CAPMAP隧道将其状态信息上报给AC;其次通过使用负载计算模块，利用收集到的数据信息计算各个active状态的节点以及各网络的负载情况，进一步交给判决模块处理;将上述信息和预设的门限值对比，若大于门限值则拒绝连接响应，反之若小于门限值则确认连接响应，并根据基于负载均衡的接入点选择方法判决每个STA接入的MAP;最后将判决的结果通过管理控制模块下发指令，收到指令的节点立即执行判决信息。

1.2 网络效用模型

1.2.1 单个网络效用函数

本文使用网络效用函数来评估用户接入网络后对网络收益的影响，包括网络基本效用UP、为新用户提供服务获得的效用WP以及新老用户互相竞争导致网络收益的下降值EP。则该函数Np的表达式如下

网络基本效用为不接用户时的基本收益U0与已经接入网络的用户使用网络资源带来的收益之和，其中Bi表示第i个用户使用的网络资源，m个已接入用户总共占用大小为Bm的网络资源;P表示用户使用单位大小的网络资源应该支付的费用

为新用户提供服务获得的效用定义为新用户接入网络后为网络带来的收益，其中Br代表需求带宽，Ba表示可用带宽，新用户数量为k个;当时，网络资源充足不会发生竞争;当时，用户无法获得请求带宽，网络资源短缺从而导致竞争，表达式为

因新老用户互相竞争网络资源产生的效用体现在发生竞争之后老用户对网络服务不满意而造成费用上的损失，设老用户总数为m个，F为损失费用的单位化量纲，Q为QoS不满意度大小，表达式如

本文使用带宽偏移率(Bvr)来体现新老用户对网络资源的竞争程度，带宽偏移越大竞争越激烈。接入用户数量k与Bvr的关系如式(5)所示，带宽偏移率随着用户增多而变大。

进一步的，使用sigmod函数[7]表述带宽偏移率与QoS不满意度之间的非线性关系，如式(6)所示，参数a，b分别表示网络对带宽偏移的灵敏度和容忍度。

综上，得出单个网络效用函数表达式为

1.2.2 联合网络效用函数

在2个WLAN Mesh信号覆盖的重叠区域，当有新用户欲接入网络时，无论是网络一还是网络二，由于新老用户之间对网络资源的竞争，网络效用都在不同程度上受到了影响。定义两个网络的联合效用的表达式如

式中:α，β分别为两个网络对联合效用影响程度的权值，α+β=1。若共有k个用户待接入网络，设网络一接入j个用户，网络二接k-j个用户。

进一步地，根据可用带宽是否满足需求带宽，可分为4种情况讨论。

当Ba1/k＞Br，Ba2/k＞Br

当Ba1/k＞Br，Ba2/k≤Br时

当Ba1/k≤Br，Ba2/k＞Br

当Ba1/k≤Br，Ba2/k≤Br

1.3 基于负载均衡的接入点选择流程

使用基于负载均衡的接入点选择方法如图2所示，需要通过AC收集信息，计算联合网络收益最大时对应的接入数量关系，进而判决接入每个网络的用户数量，若两个网络的负载情况不同，那么接入每个网络的用户数量也不相同。

图2 基于负载均衡的接入点选择方法流程

操作流程如下:

1)MAP周期性地扫描STA，并在每个周期结束的时候将自身的负载信息(该节点接入用户使用网络带宽资源的大小)、扫描的STA信息以及时间戳信息上报给AC。

2)AC接收MAP发来的消息，并作记录。由于MAP在本次周期内上报的某些STA信息可能在之前周期内也上报过，为了节省空间避免重复，AC可以预设一个过期时间，根据记录的时间戳信息检测到STA与MAP的对应关系已经过期失效，则删除对应关系。

3)执行探测请求、探测响应及认证过程3个步骤(与传统接入方法相同)。待认证成功后，STA会通过一个MAP向AC发送连接请求，在STA首次发起连接请求消息时，通常会选择具有最强RSSI的MAP。

4)AC计算MAP节点及网络负载，以用户数标识MAP节点及网络的负载，则第i个MAP节点的负载大小为该节点内所有接入用户使用网络带宽资源的总量，第I个网络负载为网内所有MAP负载之和。设Bj为第j个用户使用的网络带宽资源大小，MAP节点负载及WLAN Mesh网络负载表达式如下

5)AC收到发自STA的连接请求消息后，首先根据先前收集到的STA与MAP对应关系的信息，分析每个待接入网络的STA对应候选MAP的个数，可分为3种情况。

(1)若只有一个MAP扫描到了STA，比较节点负载值Li_MAP与预设最大值LMAX之后转向7)。

(2)不同的WLAN Mesh网络内有多个MAP扫描到了该STA，则转向6)。

(3)同一WLAN Mesh网络内有多个MAP扫描到了该STA，比较Li_MAP和LMAX之后转向7)，并选择负载最轻的节点发送连接确认响应，若无任何节点满足条件则发送连接拒绝响应。

6)通过计算得出使联合网络效用最大时对应的每个网络接入用户的数量，并分别接入两个网络，其中若用户过多、部分用户无法接入网络或没有任何节点满足条件，则发送连接拒绝响应。

7)若存在满足条件的MAP，则被选中的MAP节点向STA返回连接确认响应，STA接入网络成功。若欲接入用户过多或者没有合适的MAP被选择，需要拒绝用户的接入，则通过RSSI最强的MAP向其返回拒绝连接响应，其中携带拒绝原因指示码。

2 性能分析

若2个WLAN Mesh网络信号覆盖范围大小相同且交织覆盖，每个网络都只有1个MAP节点，多个STA在该区域内呈均匀分布状。设新用户可全部被接入两个网络内，按照传统的接入点选择方法，接入到两个网络用户的数量相等，为每个网络接25个用户。仿真参数设置如表1所示。

本文从网络容量与负载率的角度将基于负载均衡的接入点选择方法与传统的RSSI强度为接入准则的方法进行比较，通过改变网络可用带宽与已用带宽大小调节网络的容量及负载率，分3种情况讨论。

表1 参数设置

1)2个网络容量相同、负载率不同。

设可用带宽Ba1=3.5 Mbit/s、Ba2=6 Mbit/s，已用带宽Bm1=6.5 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，即网络一的负载更重，联合效用影响因子α=β=0.5，即两个容量相同，对联合效用的影响也相同，且网络二中的可用带宽资源更多。对联合效用的影响因子α=β=0.5。该情况下接入用户数量对QoS不满意度比率及网络收益的影响如图3所示。

图3 情况一:接入用户数量对QoS不满意度及网络收益的影响

图3 中，随着接入用户数的增加，网络一的QoS不满意度变化更大，且其收益低于网络二。同时，在x轴位于18时得到的联合收益最大(即网络一接18个用户，网络二接32个用户)，高于采用传统的接入选择方法(每个网络各接25个用户)所得的联合网络收益。

2)两个网络容量不同、负载率相同。

设可用带宽Ba1=7.2 Mbit/s，Ba2=6 Mbit/s，已用带宽Bm1=4.8 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，联合效用影响因子α=0.6，β=0.4，即网络一容量更大，其对联合效用的影响高于网络二，且该网络中的可用带宽资源更多。该情况下接入用户数量对QoS不满意度比率及网络收益的影响如图4所示。

图4中，随着接入用户增加，网络二的QoS不满意度变化更大且其收益低于网络一。同时，在x轴位于28时得到的联合收益最大(即网络一接入28个用户，网络二接入22个用户)，略高于采用传统的接入选择方法所得的网络收益。

图4 情况二:接入用户数量对QoS不满意度及网络收益的影响

3)两个网络容量不同、负载率也不同。

设可用带宽Ba1=3.5 Mbit/s，Ba2=6 Mbit/s，已用带宽Bm1=8.5 Mbit/s，Bm2=4 Mbit/s，联合效用影响因子α=0.6，β=0.4，即网络一容量更大，其对联合效用的影响高于网络二，且网络二中的可用带宽资源较多。该情况下接入用户数量对QoS不满意度比率及网络收益的影响如图5所示。

图5 情况三:接入用户数量对QoS不满意度及网络收益的影响

图5 中，随着接入用户数的增加，网络一的QoS不满意度变化更大。同时，在x轴位于16时得到的联合收益最大(即网络一接16个用户，网络二接34个用户)，明显高于采用传统的接入选择方法所获得的联合网络收益。

3 结论

最后可以得出，由于随着新接入用户数量的增加，负载重或可用带宽资源少的网络中对带宽资源的竞争更为激烈，新接用户后对QoS不满意度的影响较大，且导致网络收益低。同时，采用基于负载均衡的接入选择方法得到的网络联合收益大于采用传统RSSI强度接入选择方法所得的网络联合收益。

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