CN106686699B - 一种基于可用带宽的多ap选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可用带宽的多AP选择方法，通过分析IEEE802.11DCF协议，将用户与AP之间的通信过程建立为先到随机服务的排队论模型。通过分析排队论模型参数、用户与AP之间通信过程所涉及的参数和用户数据包传输参数之间的联系，得到精确的AP可用带宽值。然后利用可用带宽，AC为需要做多AP选择的用户选择最佳AP。本发明采用AC+AP的集中控制框架，无需对现有用户做任何修改，适用于用户动态到达场景，具有非常好的可操作性和实时性，能够适应当前AP密集化部署的趋势。

Description

一种基于可用带宽的多AP选择方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于可用带宽的多AP选择方法。
背景技术
为了满足人们随时随地进行语音、网络通信的需求，无线局域网应运而生。而无线局域网技术的迅猛发展以及无线产品的价格不断降低，使得WLAN的规模也在不断壮大。越来越多的公共场所、办公地点，开始密集部署AP接入点，为人们办公娱乐等提供便利的网络服务。
WLAN有两种基本架构，一种是FAT AP架构，又叫自治式网络架构；另一种是AC+FITAP架构，又叫集中式网络架构。前者功能强大，独立性强，具备自治能力，当单个部署时，不需要介入专门的管控设备，能够独自完成无线用户的接入，业务数据的加密和业务数据报文的转发等功能，适用于家庭或者小企业WLAN的场景中。然而在大型使用场景中如商场，接入用户较多，需要大面积覆盖，如果采用FAT AP部署会带来巨大的管理和维护成本，此时采用AC+FIT AP的集中式网络架构更为合适。该架构下，FIT AP只具有从无线天线收发无线信号、无线数据加密、以及IEEE802.11所要求的底层设置等功能，无线接入控制器AC(AccessController)负责管理控制FITAP设备，但它不能发射无线射频信号，两者相互配合共同完成WLAN功能。AC对WLAN中的所有FIT AP进行管理和控制时，可以统一为FIT AP下发配置，统一为FIT AP进行软件升级，并进行用户的接入认证。
在大规模部署的无线局域网结构中，为了保证网络的无缝覆盖，AP常常采用密集部署，因此STA在同一个区域内能同时扫描到多个WIFI信号。现行标准下，STA通常是选择与WIFI信号强度RSSI最大的AP建立连接。这将导致某些AP负载过重，新的STA若继续接入过载AP，将不能得到及时、高质量的服务，同时整个网络状况将进一步恶化，资源利用率急剧降低。因此，如果STA在接入到无线网络时，不是盲目地选择信号最强的AP进行接入，而是综合考虑AP的可用带宽等信息，通过有效的机制进行评估后，选择最合适的AP，那么网络资源的利用率将会得到提升。
在现有技术中，面临多AP选择问题时，针对提出一个更优的AP选择决策因子的研究很多。其中，比较典型的做法是通过估计AP的负载情况来进行AP选择的决策。具体的做法是，***集中统计每个AP的负载情况，然后为单个用户选择最佳AP。这需要在用户终端做相应的修改才能完成对于所有AP负载情况的探测，然而该方法存在一下缺点：
(1)、需要在用户端做修改。该方案需要在用户端做修改配合完成用户对于多AP的选择，在实际应用中，方案的设计应当尽量避免在用户端做修改，否则推行难度大。
(2)、对于决策因子的选择不够精确。该方案简单统计AP的负载，并不能真实反应AP的链路带宽占用情况。更好的做法是，结合协议分析，精确估计每个AP的负载和链路使用情况，再作为决策因子以备AP选择使用。
因此，如何优化用户接入机制，以保证用户的服务需求和网络性能是本发明的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于可用带宽的多AP选择方法，采用AC+AP的集中式架构，由AC与AP的合作完成用户对于AP的选择，能够为用户提供最多带宽保证的AP接入。
为实现上述发明目的，本发明一种基于可用带宽的多AP选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设置***的接收信号强度RSSI门限以及***周期性的为移动用户更新最佳无线接入点AP的时间周期T；
(2)、计算每个AP自身可用带宽值
用户接入AP后，通过AP所在的信道传输数据包，数据包在传输过程中有两种状态：冲突和成功传输；
那么，数据包传输过程中发生冲突的时间开销为：
TC＝PHY_head+MAC_head+E[TL]+DIFS+δ
其中，PHY_head表示物理层的包头时间开销，MAC_head表示介质访问控制层的包头时间开销，E[TL]表示数据包传输时间开销TL的均值，DIFS表示分布式帧间间隔，δ表示传播时延；
数据包在信道上被成功传输的时间开销为：
TS＝PHY_head+MAC_head+E[TL]+DIFS+δ+ACK+SIFS+δ
其中，ACK表示确认字符时间开销，SIFS表示短帧间间隔；
AP的信道有两种状态：空闲和繁忙，那么，用户与AP关联的信道处于空闲状态的概率Pidle为：
其中，τn表示当前时隙中某个数据包正在被传输的概率；τ表示饱和状态下当前时隙中某个数据包正在被传输的概率；λ＝λ1+λ2+...+λN，表示AP上数据包的泊松到达率，N表示当前AP所挂接的用户数目；pn表示当前时隙中竞争信道的用户数目为n的概率；Ratedata表示数据包传输速率；
数据包在信道上被成功传输的概率为：
数据包在信道上传输发生冲突的概率为：
当前AP已被使用的链路带宽为：
其中，E[L]表示数据包长度L的均值；σ表示单位时隙；
AP的可用带宽值为：
EAB＝B-S
其中，B＝max{S}，表示AP可被使用的链路带宽上限值，该值不会超过AP的空口带宽值；
(3)、无线接入控制器AC为用户选择最佳AP
(3.1)、AP向AC上报用户的扫描方式，AC统计所有AP的可用带宽值和所有AP与用户之间的RSSI值；
(3.2)、AC从所有的用户中找出需要做多AP选择的用户；
(3.3)、AC根据RSSI门限值，将AP与用户之间RSSI值大于RSSI门限的AP放入AP备选集中，从而为需要做多AP选择的用户构建出AP备选集，同时将对应AP的可用带宽值存入AP备选集中；
(3.4)、AC从AP备选集中选择可用带宽最大的AP作为用户的最佳AP；
(4)、用户与最佳AP建立链接
(4.1)、AC检测用户的扫描方式，如果用户主动发送Probe-request帧，则为主动扫描方式；如果用户接收Beacon帧，则为被动扫描方式；
(4.2)、若用户采用主动扫描：AC向最佳AP发送接入指令，最佳AP收到接入指令后向用户回复Probe-response帧，再由最佳AP与用户完成关联和认证，从而成功建立起用户与最佳AP的链接；
(4.3)、若用户采用被动扫描方式：AC向最佳AP发送接入指令，最佳AP收到接入指令后向用户回复Beacon帧，同时AC发送阻塞指令至除最佳AP外的其他AP，阻塞其他AP与用户完成关联和认证，只允许最佳AP完成与用户完成关联和认证，从而成功建立起用户与最佳AP的链接。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种基于可用带宽的多AP选择方法，通过分析IEEE 802.11DCF协议，将用户与AP之间的通信过程建立为先到随机服务的排队论模型。通过分析排队论模型参数、用户与AP之间通信过程所涉及的参数和用户数据包传输参数之间的联系，得到精确的AP可用带宽值。然后利用可用带宽，AC为需要做多AP选择的用户选择最佳AP。本发明采用AC+AP的集中控制框架，无需对现有用户做任何修改，适用于用户动态到达场景，具有非常好的可操作性和实时性，能够适应当前AP密集化部署的趋势。
同时，本发明一种基于可用带宽的多AP选择方法还具有以下有益效果：
(1)、本发明基于IEEE 802.11DCF协议的分析，将用户与AP之间的通信过程建立排队论模型，进而得到精确的AP可用带宽值。
(2)、本发明所提出的AP选择方法无需对现有的用户进行任何修改，利用AC+AP的集中式架构，由AC与AP的合作完成用户对于AP的选择，适用于用户动态到达场景，具有实时性的特点。
(3)、本发明提出的用户多AP选择算法从每个用户自身的角度出发，选择能够为该用户提供最多带宽保证的AP接入，充分体现了对于用户体验的考量。
(4)、本发所提出的AP选择方法，运算速度快，可应用于密集部署的动态场景，能够提高全网的吞吐量。
附图说明
图1是本发明基于可用带宽的多AP选择方法流程图；
图2是基于IEEE 802.11DCF协议的数据包发送过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
WLAN(Wireless Local Area Networks):无线局域网；
AP(Access Point)：无线接入点；
FAT AP：胖AP；
FIT AP：瘦AP；
STA(Station):站点或用户；
DCF(Distributed Coordination Function):分布式协调功能协议
RSSI(Received Signal Strength Indication)：接收信号强度指示；
DIFS(Distributed Inter-frame Spacing)：分布式帧间间隔；
ACK(Acknowledgement):确认字符时间开销；
SIFS(Short Inter-frame Spacing):短帧间间隔；
AC(Access Controller):无线接入控制器；
Probe-request：主动扫描方式下用户发出的请求帧；
Probe-response：主动扫描方式下AP发出的回复帧；
Beacon：被动扫描方式下AP周期性发出的帧。
图1是本发明基于可用带宽的多AP选择方法流程图。
本发明采用排队论建模STA与AP之间的数据传输过程，从而估计出每个AP的可用带宽，然后通过可用带宽作为用户多AP选择的决策因子，进行AP选择，以此来保证用户体验。
本发明还考虑到在IEEE 802.11DCF竞争机制中，具有发送队列的STA才会直接参与信道的竞争，因此本发明将每个STA发送队列的包头建模为排队的客户，在DCF中建立M/G/1/K队列模型，准确的估计数据包的冲突概率、成功传输率，进行AP可用带宽预测。
利用上述信息，本发明采用AC+FITAP架构，以可用带宽为用户多AP选择的决策因子，设计了一套由AP和AC控制器协同完成的选择策略，该策略无需对现有的STA做任何修改。
下面结合图1，对本发明一种基于可用带宽的多AP选择方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
(1)、设置***的RSSI门限以及***周期性的为移动用户更新最佳无线接入点AP的时间周期T；
在本实施例中，RSSI门限值设置为-85dBm；时间周期T用于判断用户是否需要做多AP选择。当移动用户接入某一AP后，自身处于不断移动中，因此一段时间后，该用户的最佳AP会随着用户的移动而变化，为了保证移动用户性能，***周期性的为移动用户更新最佳AP，该周期为T。
(2)、计算每个AP自身可用带宽值
用户接入AP后，通过AP所在的信道传输数据包，数据包在传输过程中有两种状态：冲突和成功传输；
如图2所示，当前AP下挂载着4个用户，4根横线表示4个用户在同一时间段内数据包的发送情况，单根横线表示在时间域上单个用户传输一个数据包的情况，大矩形和小矩形之和为单个数据包传输所需要的时延，大矩形表示传输数据包所花费的时间，小矩形表示DCF协议开销。
DCF协议规定：当用户需要发送数据时，首先侦听信道，当信道空闲时间大于DIFS时，发送数据包(如STA3)，否则参与回退过程。回退过程是指当有两个用户试图同时发送数据而发送冲突，DCF启动二进制指数回退机制，图示中STA1和STA4在DIFS结束后试图同时发送数据进而产生回退。当在回退过程中有其他的用户在发送数据，回退时间被冻结，图示中STA2和STA经历此过程。当回退过程一旦结束，用户发送数据。本发明将以上数据包传输过程描述为以下三个基本过程：1)数据包冲突过程，2)回退过程，3)数据包成功传输过程。并不是所有的数据包传输均要完整的经历以上三个过程，因此本发明将以上三个过程表示为一个以概率发送的事件，其概率分别表示为：冲突概率Pc，回退过程中先到空闲的概率Pidle，以及数据包成功发送的概率Ps。
一个完整的数据包成功传输过程，需要经历上述的发送过程，以及上述过程中未描述的AP回复过程。当AP成功接收到数据包时，会及时回复给用户一个ACK信息，此时间开销为ACK+SIFS+δ，那么，数据包传输过程中发生冲突的时间开销为：
TC＝PHY_head+MAC_head+E[TL]+DIFS+δ
其中，PHY_head表示物理层的包头时间开销，MAC_head表示介质访问控制层的包头时间开销，E[TL]表示数据包传输时间开销TL的均值，DIFS表示分布式帧间间隔，δ表示传播时延；
数据包在信道上被成功传输的时间开销为：
TS＝PHY_head+MAC_head+E[TL]+DIFS+δ+ACK+SIFS+δ
其中，ACK表示，SIFS表示；
以上描述了DCF协议涉及数据包传输的相关过程的时延开销，接下来描述本发明根据M/G/1/K队列计算的关于三个过程对应的概率的表达式。
AP的信道有两种状态：空闲和繁忙；假设N个STA中有n个用户在同时竞争共享信道，那么处于同时竞争信道的用户数目为n的概率为pn。当有n个用户同时竞争信道的情况下，信道仍然处于空闲状态的概率可以表示为：
其中，τn表示当前时隙中某个数据包正在被传输的概率；τ表示饱和状态下当前时隙中某个数据包正在被传输的概率；λ＝λ1+λ2+…+λN，表示AP上数据包的泊松到达率，N表示当前AP所挂接的用户数目；pn表示当前时隙中竞争信道的用户数目为n的概率；Ratedata表示数据包传输速率；
当有n个用户同时竞争信道的情况下，AP若要成功接收一个数据包，那么当前时隙内只有一个用户的数据包无冲突地传输，并且其他n-1个用户的数据包均未被传输，那么数据包在信道上被成功传输的概率为：
当有n个用户同时竞争信道的情况下，冲突概率则可理解为至少有两个或者两个以上的用户在同一时隙内传输数据包，那么数据包在信道上传输发生冲突的概率为：
当前AP下挂载N个用户时，当前AP被占用的链路带宽为：
AP的可用带宽值为：
EAB＝B-S
其中，B＝max{S}，表示AP可被使用的链路带宽上限值，该值不会超过AP的空口带宽值。
(3)、无线接入控制器AC为用户选择最佳AP
当一个STA进入到多AP覆盖区域内时，首先通过主动或被动扫描的方式来探测可能与之建立关联关系的AP，其中被扫描到的并且符合RSSI门限的AP则是该STA的A备选AP；具体步骤为：
(3.1)、AP向AC上报用户的扫描方式，AC统计所有AP的可用带宽值和所有AP与用户之间的RSSI值；
(3.2)、AC从所有的用户中找出需要做多AP选择的用户；具体方法为：1)、判断该用户是否为新用户；2)、判断该用户的时间周期t是否为0，t≤T；当满足其中任意一条即为需要做多AP选择的用户；如果不满足，则结束进行下一时间周期t＝t-1；
(3.3)、AC根据RSSI门限值，将AP与用户之间RSSI值大于RSSI门限的AP放入AP备选集中，从而为需要做多AP选择的用户构建出AP备选集，同时将对应AP的可用带宽值存入AP备选集中；
(3.4)、AC从AP备选集中选择可用带宽最大的AP作为用户的最佳AP；
(4)、用户与最佳AP建立链接
为了避免在用户端做修改，本发明将用户接入过程转移到AP和AC端完成。用户的完整接入过程包括三个步骤：扫描，关联和认证；
(4.1)、AC检测用户的扫描方式，如果用户主动发送Probe-request帧，则为主动扫描方式；如果用户接收Beacon帧，则为被动扫描方式；
(4.2)、若用户采用主动扫描：AC向最佳AP发送接入指令，最佳AP收到接入指令后向用户回复Probe-response帧，再由最佳AP与用户完成关联和认证，从而成功建立起用户与最佳AP的链接；
(4.3)、若用户采用被动扫描方式：AC向最佳AP发送接入指令，最佳AP收到接入指令后向用户回复Beacon帧，同时AC发送阻塞指令至除最佳AP外的其他AP，阻塞其他AP与用户完成关联和认证，只允许最佳AP完成与用户完成关联和认证，从而成功建立起用户与最佳AP的链接。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于可用带宽的多AP选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设置***的接收信号强度RSSI门限以及***周期性的为移动用户更新最佳无线接入点AP的时间周期T；
(2)、计算每个AP自身可用带宽值
用户接入AP后，通过AP所在的信道传输数据包，数据包在传输过程中有两种状态：冲突和成功传输；
那么，数据包传输过程中发生冲突的时间开销为：
TC＝PHY_head+MAC_head+E[TL]+DIFS+δ
其中，PHY_head表示物理层的包头时间开销，MAC_head表示介质访问控制层的包头时间开销，E[TL]表示数据包传输时间开销TL的均值，DIFS表示分布式帧间间隔，δ表示传播时延；
数据包在信道上被成功传输的时间开销为：
TS＝PHY_head+MAC_head+E[TL]+DIFS+δ+ACK+SIFS+δ
其中，ACK表示确认字符时间开销，SIFS表示短帧间间隔；
AP的信道有两种状态：空闲和繁忙，那么，用户与AP关联的信道处于空闲状态的概率Pidle为：
其中，τn表示当前时隙中某个数据包正在被传输的概率；τ表示饱和状态下当前时隙中某个数据包正在被传输的概率；λ＝λ1+λ2+...+λN，表示AP上数据包的泊松到达率，N表示当前AP所挂接的用户数目；pn表示当前时隙中竞争信道的用户数目为n的概率；Ratedata表示数据包传输速率；
数据包在信道上被成功传输的概率为：
数据包在信道上传输发生冲突的概率为：
当前AP已被使用的链路带宽为：
其中，E[L]表示数据包长度L的均值；σ表示单位时隙；
AP的可用带宽值为：
EAB＝B-S
其中，B＝max{S}，表示AP可被使用的链路带宽上限值，该值不会超过AP的空口带宽值；
(3)、无线接入控制器AC为用户选择最佳AP
(3.1)、AP向AC上报用户的扫描方式，AC统计所有AP的可用带宽值和所有AP与用户之间的RSSI值；
(3.2)、AC从所有的用户中找出需要做多AP选择的用户；
(3.3)、AC根据RSSI门限值，将AP与用户之间RSSI值大于RSSI门限的AP放入AP备选集中，从而为需要做多AP选择的用户构建出AP备选集，同时将对应AP的可用带宽值存入AP备选集中；
(3.4)、AC从AP备选集中选择可用带宽最大的AP作为用户的最佳AP；
(4)、用户与最佳AP建立链接
(4.1)、AC检测用户的扫描方式，如果用户主动发送Probe-request帧，则为主动扫描方式；如果用户接收Beacon帧，则为被动扫描方式；
(4.2)、若用户采用主动扫描：AC向最佳AP发送接入指令，最佳AP收到接入指令后向用户回复Probe-response帧，再由最佳AP与用户完成关联和认证，从而成功建立起用户与最佳AP的链接；
(4.3)、若用户采用被动扫描方式：AC向最佳AP发送接入指令，最佳AP收到接入指令后向用户回复Beacon帧，同时AC发送阻塞指令至除最佳AP外的其他AP，阻塞其他AP与用户完成关联和认证，只允许最佳AP完成与用户完成关联和认证，从而成功建立起用户与最佳AP的链接。
2.根据权利要求1所述的一种基于可用带宽的多AP选择方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，AC从所有的用户中找出需要做多AP选择的用户的方法为：1)、判断该用户是否为新用户；2)、判断该用户的时间周期t是否为0，t≤T；当满足其中任意一条即为需要做多AP选择的用户。
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Granted publication date: 20190820

Termination date: 20220109