WLAN中基于查表法的接入式负载均衡技术研究

单志亮 谭北海 张巍

摘要：越来越多的机场、车站、咖啡厅、宾馆等公共产所都部署了WLAN，WLAN得到了迅猛发展，但WLAN中AP之间负载的不均衡，大大降低了网络的整体性能，严重影响了用户体验。公共场所的人流量一般都是周期性的，基于这个周期性的特点，文章提出了基于查表法的接入式负载均衡方法，并对该方法进行了实验仿真。分析仿真结果可知，本方法可以达到令人满意的负载均衡效果。

关键词：WLAN；负载均衡；查表法

WLAN是移动互联网的重要组成部分，没有WLAN，移动互联网不可能发展这么迅猛。WLAN在各行各业得到了飞速的发展，极大地改变了，人们的生活和生产方式。WLAN现在主要有2个标准，即802.11系列标准和HiperLAN标准，其中802.11系列标准在市场中占据着主导地位。因为WLAN中负载均衡技术现在还没有一个统一的标准，所以科研工作者从不同的角度，用不同的方法来实现负载均衡。有的科研工作者采用小区呼吸法，即通过控制AP的功率大小来改变AP的覆盖范围，进而控制AP所能接入的AP的数量来实现负载均衡；有的科研工作者通过给AP设定阈值来控制AP的SSID可见性以实现负载均衡；有的科研工作者通过将STA从重载的AP上切换至轻载的AP上来实现负载均衡；有的科研工作者通过收集用户上网信息，定义用户的上网模式，计算出用户之间的相关性，将相关性较小的用户分配到同一AP上来实现负载均衡。

本文从自然现象和社会活动的周期性中得到启发，认为公共场所中人流量会呈周期性的变化，从而该公共场所内人们对网络的请求量也会呈周期性变化。通过统计若干个周期内网络请求量，生成一个表格，通过该表格可以预测一个周期内任意一个时间段内网络的请求量，AC通过该请求量计算并设置每个AP的阈值，AP根据阈值来决定是否允许新的终端的接入，从而达到WLAN中负载的均衡接入。

1 基于查表法的接入式负载均衡技术

1.1 系统架构

如图1所示，基于查表法的接入式负载均衡系统主要由4部分组成：终端STA、无线接入点AP、无线访问控制器AC和路由器Router[1l。

路由器起到将WLAN局域网与核心网络连接起来的作用。AC负责统计若干个周期内用户的网络请求量，生成表格数据；AC还负载检测有线网络一侧的当前带宽，并根据表格数据和当前网络带宽来设置AP在1个周期内的任意一个小的时间段内的阈值。AP根据阈值来控制STA的接入与否，同时多个AP可以起到扩大WLAN覆盖范围的作用。STA包括智能手机、平板电脑和笔记本电脑等便携式移动设备。

1.2 表格数据的生成

如图2所示，统计N个周期（先后记为T₁，T₂，…，T_N）的历史流量数据，每个周期等分为M个小的时间片段。第n（l≤n≤N）个周期（即T_n）的第m（1≤m≤M）个时间段记为t_nm，t_nm时间段内的流量记为q（t_m）。在N个周期内，第m个时间段内的平均流量记为q（t_m），则显然 。由该公式可得到表l中的数据。

如图3所示，WLAN中基于查表法的负载均衡接入的步骤如下：

步骤1：系统进入到一个新的时间片段中，无线访问控制器从表格中读取对应时间段的流量数据。

步骤2：无线访问控制器检测当前网络带宽，计算得到AP所能得到的平均带宽，并根据该平均带宽计算得到AP的最大流量阈值H （max）和极限流量阈值H（lim）。

步骤3：根据步骤l所述的表格中对应时间段的流量数据设置每个AP的流量阈值为H。

步骤4：遍历所有AP，如果AP（i）表示第i个AP， 1≤i≤No）的当前流量大于或等于阈值H，则所述AP（i）拒绝新的终端接入，否则所述AP（i）允许新的终端接入。

步骤5：如果每个AP的当前流量都大于等于阈值H，则执行步骤6，否则返回执行步骤4。

步骤6：如果AP阈值H等于AP最大流量阈值H（max），则所有AP拒绝新的终端接入，并返回执行步骤4；如果AP的阈值H小于AP的最大流量阈值H（max），则执行步骤7。

步骤7：升高所有AP的阈值H。

步骤8：如果本时间段己结束，则返回执行步骤l，否则返回执行步骤4。

基于查表法的负载均衡接入技术中的细节问题补充如下：

（l）假设AP数目为No，无线访问控制器检测到当前网络带宽为w，计算得到每个AP所能得到的平均带宽为 ，进而得到每个AP的最大流量阈值 ，极限流量阂值 ，其中 。H（max）是为保证当AP的流量阈值H取最大流量阈值H （max），且所有AP的当前流量大于等于阈值H（此时H-H （max））时，所有AP的流量之和小于或等于网络带宽W。H （lim）是为了允许单个AP的流量超过平均带宽 ，但控制其不能超出太多，应在所允许的范围内。最大流量阈值H （max）和极限流量阈值H（lim）是变化的，两者随网络带宽w的变化而变化，且两者关于每个AP的平均带宽No对称。

（2）对于每AP的流量阈值H，若 ，则 ，否则，H=H（max）。AP的阈值H只能≤AP的最大流量阈值H（max），不能>H （max）。当 时，根据平均值原理，有些AP的流量高于H，有些AP的流量小于H。AP的阈值H受表格数据（即某一时间段的预测流量）和网络带宽的共同约束。

（3）步骤3和步骤4中所述所有AP的流量阈值H相等，且该阈值H只是一个AP是否允许一个新的终端接入所述AP的一个度量，如果允许一个新的终端接入，则该新终端接入AP以后，该AP的流量有可能会大于或等于阈值H，但是必须小于H（lim）。

（4）步骤4中所述允许新的终端接入的AP有多个时，每个终端可以随机的接入其中任何一个允许接入新的终端的AP，也可以按固定的顺序依次轮流接入这些AP。例如有5个AP，分别记为API，AP2，AP3，AP4，AP5，它们的先后顺序不准打乱，假如现在有AP1，AP2，AP3这3个AP允许接入新的终端，则最先接入的3个终端分别依次接入到API，AP2，AP3。

（5）步骤5所述所有AP当前流量都大于等于阈值H时，表明新流量接入，当前闽值H下所有AP的流量之和己不能满足终端的流量需求，需要升高阈值来扩大每个AP的流量以及所有AP的流量之和，以满足终端的流量需求。

（6）步骤6中所有AP拒绝新的终端接入，表明所有AP流量之和已耗尽当前网络的带宽，为保证己连接的终端的业务正常进行，不能再接入新的终端增加网络负担。

（7）所有AP拒绝终端接入，当有终端从其中某个AP断开，如果该AP的流量小于阈值H，则该AP重新允许新的终端接入。

2 实验仿真与结果分析

本实验仿真基于Matlab仿真平台。

（l）取终端的流量大小服从正态分布 ，表格中t_m时间段内对应数据 为7500，带宽w为7500，β为0.8，AP数目N₀为5，此时实验仿真的结果如图4所示，其中横坐标用终端个数来表征负载大小，纵坐标用各个AP之间的负载的标准差来衡量系统的负载均衡效果。有计算公式 ，得到H（max）为1200，1200除以终端的流量期望150得到8，即每个AP能接入的终端个数的期望为8个，5个AP的总数期望为40，即接入40个终端，系统就饱和了，在最大阈值H（max）的限制下，不能够再接入新的终端，所以40之后，负载的标准差保持不变。由曲线可看出，终端数小于但接近40时，负载的标准差比较小，说明只要流量预测准确，确定合适的阈值，就可以得到好的负载均衡效果。

（2）如图5所示，虚线表示终端接入AP时，随机接入允许接入新的终端AP，实线表示终端接入AP时，按事先确定的顺序，将终端一次一个依次轮流接入到允许接入新的终端的AP上去。由图5可以看出，按顺序依次接入允许接入新的终端的AP比随机接入允许接入新的终端的AP的负载均衡效果要好很多，不会有大的负载波动。

（3）如图6所示，是预测流量q（t_m）为3000，其他参数不变时的曲线图，此时H（max）还是1200，但是开始H为q（t_m）/N₀=600，每个AP可以接入的终端数的期望为4个，5个AP可以接入的终端数的期望是20，接近20时，各AP的负载差不多，达到均衡，当实际终端数超过20时，阈值H会升高，准许AP接入新的终端。按顺序依次接入时，由于各个AP的负载都比较均匀，从_开始，均衡效果就很好。而随机接入在阈值H的作用下，终端数为20左右时，在该阈值H下达到饱和而负载平衡。由此可见，预测流量时，预测的比实际小一些，更有利于负载的均衡，但是同时会因调整阈值H而增加系统开销。

3 结语

WLAN中的负载均衡是WLAN技术中的一个非常重要的内容，它对防止网络拥塞、提高网络的吞吐量、提升网络的整体性能和提升用户体验具有重要意义。本文提出了一种通过统计历史流量来生成表格数据，通过表格数据来预测某一时间段内STA请求的流量，AC根据该流量值和当前网络带宽来设置AP的阈值，AP根据闽值来控制STA的接入与否，从而实现负载的均衡接入的方法。