基于qos的IEEE 802.11 wlan分布式信道分配算法

卡尔皮塔·乌塔帕C，维诺达K

印度班加罗尔牛津工程学院ISE系硕士技术学者(CNE)
牛津工程学院ISE系副教授，印度班加罗尔

摘要

在同一热点部署IEEE 802.11 wlan的主要问题是为接入点(ap)分配适当的信道。在802.11中，信道的数量是有限的，大多数信道是重叠的，因此对这些重叠信道的适当重用就QoS和流量负载而言成为一个复杂的问题。因此，这里用户定义的QoE是目标。QoE定义了用户感知到的服务的整体可接受性，它代表了用户/服务需求。本文定义了一个同时考虑用户级公平性和总QoE的性能指标，并将信道分配问题表述为优化问题。目标是通过查找连接到AP的每个节点所使用的带宽来增强用户的体验。为了实现这一目标，我们考虑了非协调WLAN的分布式信道分配算法，其中AP将自行配置其信道以减少与邻近AP的干扰水平，并查找连接到网络的每个节点所使用的带宽。

关键字

IEEE802.11k，分布式信道算法，体验质量

我的介绍

基于IEEE 802.11的无线技术在wlan中得到了广泛的应用。802.11网络的基础设施有两种不同类型的部署:集中管理和不协调。在集中管理的部署中，管理实体将负责配置和管理由服务提供者安装的ap。而在不协调的网络中，它们大多部署在私人热点(例如家庭)中，其中AP由独立用户/提供商拥有。

由于支持Wi-Fi的设备的快速增长，对新wlan的需求预计将在未来上升，这些wlan具有一些共同的功能。它们往往不协调，独立拥有和管理，规模小，部署在接入点(AP)密度差异很大的地区。尽管IEEE 802.11b/g总共定义了14个信道，但只有3个信道(即信道1、6和11)是不重叠的，可以同时使用而不会造成干扰。由于非重叠信道数量有限，信道分配成为非协调wlan[2]的一个关键性能因素。

与常规或传统WLAN部署相比，不协调WLAN部署在信道分配算法设计时需要考虑以下挑战:

1.网络非专业人员:不协调的wlan通常由缺乏经验的独立用户建立，他们对网络配置没有任何知识。他们将不知道如何配置适当的频道，以尽量减少对他们社区的干扰。

2.无规划拓扑:在无协调的wlan中，ap的放置没有任何协调的规划;一些区域可能有高AP密度，因此可能会经历高干扰，性能较差。

在通信网络中，服务质量(QoS)被体验质量(QoE)测量所取代，体验质量被定义为用户感知到的服务的整体可接受性。在IEEE 802.11网络中，提出了一种新的准入控制方法，该方法估计了ap关联用户的QoE，并基于它[1]控制新流量的准入。

二、相关工作

信道分配机制分为两类:应用于集中管理环境的中央分配方法和应用于不协调环境的分布式分配方法[2]。

为了减少干扰和提高系统吞吐量，已经做了大量的工作。但是，本节只回顾适用于不协调WLAN部署的最新信道分配机制。

最小拥塞信道扫描(LCCS):M.Achanta[3]提出了这个系统，每个AP搜索负载最轻的信道，即与之相关的无线客户端数量最少的信道。它切换到该通道上操作，直到下一次扫描找到一个拥塞较少的通道。为了实现这一点，AP首先扫描每个信道中由相邻AP发布的信标，每个信标包含与每个AP关联的无线客户端数量等信息，然后AP从每个信标中确定与每个相邻AP关联的客户端数量。在扫描所有可用通道后，AP知道每个通道有多少客户端关联，并将选择在关联客户端数量最少的通道上操作。LCCS算法还隐式地处理负载平衡，假设每个无线客户端携带相同数量的流量。也就是说，关联的客户端数量越多，流量就越大。它不会选择关联客户端数量最少的通道，而是选择在流量最少的通道上操作，而不管有多少客户端与之关联。

Mi, P.， & Wang, X.[4]提出了一种分布式启发式信道分配方法，每个ap评估非重叠信道的负载，并将其应用于基于阈值的决策算法中，但无法确定对客户端的实际干扰，也无法保证公平性。

梁志强及梁炳杰。金姆。该方法的目标是，AP的有效信道利用率被定义为分配给AP的信道用于AP传输的时间的百分比，或者由于来自其同信道相邻AP的干扰而被感知繁忙。这里考虑了两类相邻干扰。对于每个AP i，如果共信道AP的干扰信号高于一定的阈值，可以引起足够的干扰，使AP i感知其信道繁忙，则称共信道AP处于1类干扰集Ci(1)中。二类干扰集Ci(2)定义为一组同信道干扰AP，其中任何一对AP的传输都能引起足够的干扰，使AP i检测到其信道繁忙。该方法主要用于在每个AP的固定流量负载不同的情况下，使负载最大的AP的最大有效信道利用率最小化。该算法从对网络中所有AP进行随机信道分配开始，随机重新调整瓶颈AP的干扰邻居的信道分配，使瓶颈AP的有效信道利用率最小化，从而使网络拥塞最小。

CACAO(客户端辅助通道分配优化):Xiaonan Yue等人[6]提出了一种在非协调wlan中分配信道的分布式算法，该算法将发现信道的负载作为干扰水平的衡量标准，将提高AP的整体吞吐量。在这里，客户端将定期切换到其他信道，以从这些信道中找到他们所需的负载。此外，根据从报告节点的特定范围内的其他节点观察到的比特率来评估负载。但是当客户端处于干扰节点的载波感知范围内时，客户端也会受到干扰，这种方法忽略了这一点。

Mishra等人[7]提出了一种针对非协调wlan的分布式信道分配方案，该方案既提高了公平值，又提高了吞吐量。该方法采用MAXchop算法，该算法采用信道跳变的思想，即ap根据跳变顺序同步切换信道。该干扰图是在不考虑AP对客户端造成的实际干扰的情况下，通过检测干扰AP来计算的，而且信道跳频开销较低。

渠道跳跃法:a . mishra等人提出了一种基于信道跳变概念的分布式无线局域网信道分配算法。特别是，每个AP都被分配了一个唯一的通道序列，并随着时间的推移在这个序列中跳跃，以便在长期运行中平均所有AP的吞吐量。每个AP都在相邻AP的传输范围内。序列分配给每个AP的方式是，每个AP在每个时隙结束时跳转到下一个频道。

图1是G(api)的一个例子。图1(a)包含7个顶点，是顶点2,3,4与顶点1直接相连的完整图。使用图1(b)是一个图，其中api可以根据来自客户端的通道状况报告在本地获得。

三、提出算法

本文采用分布式算法收集ap和客户端对干扰条件的信息，通过切换到期望干扰值最小的信道来计算并最小化局部目标函数。该算法非常简单，不需要相邻ap之间直接通信。对于具有稳定流量模式的网络，CACAO(客户端辅助信道分配优化)自适应地将全局目标函数值求解到局部最小值。非协调WLAN具有以下特点:

1.ap以不协调的方式放置，没有中央管理员来决定放置ap的数量和应该部署在哪里。

2.每个AP属于不同的个人或组织并由其管理。由于ap属于不同的权限，所以不支持ap之间通过设备关联进行负载分担。

3.信道分配决策必须仅基于AP及其关联客户端收集的信息。

4.与AP关联的客户端只向自己的AP发送数据或从自己的AP接收数据。

由于每个AP及其客户端的测量只能发现其附近在干扰范围内的节点，因此权重计算和信道分配是基于分布式算法在局部进行的。

1.初始化——初始赋值

Api.c -> rand(k)

2.优化-每个AP重复

一)GatherStaistic ()

b) Ct =计算干扰()

c) SwitchTo (Ct)

在Algorithm First中，每个AP在启动时都运行初始化例程。在启动期间，每个AP从k个非重叠信道中随机地将自己分配到一个信道。接下来，每个AP定期运行优化例程以检索其客户端干扰统计数据，然后计算下一个时间间隔内每个信道的每个附近BSS的预期干扰水平之和。由于许多在线应用程序，如视频流媒体、网上银行、在线游戏等，我们有稳定的数据传输速率，当前时间间隔观察到的流量是对下一个时间间隔流量的适当估计。因此，优化例程计算并比较每个信道的预期干扰水平后，AP将选择预期干扰最小的信道，并切换到该特定信道。在每个时间间隔结束时，每个AP独立地选择适当的信道分配来局部最小化目标函数。显然，这些ap是独立运行的，整个网络不需要任何同步。

GatherStatistic()是一个用于从客户端收集统计信息的过程。它返回客户端收集的交通信息。然后AP的优化例程执行计算和比较，通过过程ComputeInterference()来决定AP在下一个时间段将使用哪个信道。这个例程计算整个BSS在下一个时间间隔中将经历的预期干扰水平。将选择预期干扰水平最小的信道。最后，SwitchTo()例程将AP及其关联的客户端分配给所选的通道。

在图2中。信道分配给连接到WLAN的每个AP。当用户向AP申请信道时，AP会根据用户体验和信道可用性检查自己是否有满足用户要求的信道，如果不能满足用户要求，则使用分布式信道分配算法进行切换，将用户切换给相邻AP。

4结论

信道分配是提高无线局域网性能的一种机制。本文采用IEEE 802.11部署的分布式信道分配算法，由ap执行。使用该算法的AP在其相关客户端的帮助下收集信道干扰状况统计信息。这些信息有助于ap在信道分配上做出更好的决策，以减少干扰。使用来自用户的QoE反馈，应用于每个连接的实际干扰水平被评估，并沿着用户的满意度水平用于更有效的信道分配。所提出的方法不能准确区分高干扰引起的QoE退化和低接收信号强度引起的QoE退化。因此，本文将考虑在更智能的学习机制中使用来自环境的其他状态信息，并确定每个用户访问AP的带宽，以提高所提方法的性能。

参考文献

Behrouz Shahgholi，“IEEE 802.11 wlan的分布式qos感知信道分配算法”。施普林格科学+商业媒体纽约2014
Yue Xiaonan, Chi-Fai Michael Wong和shuhan Gary Chan，“CACAO:非协调wlan的分布式客户端辅助信道分配优化。《Ieee并行和分布式系统汇刊》，第22卷，第2期。2011年9月9日
M. Achanta，“用于无线接入点的最小拥塞信道扫描的方法和设备”，美国专利号20060072602,2006年4月。
米P.，王霞。(2012)。“改进了wlan的信道分配，通过利用部分重叠的信道与新颖的基于cirn的用户数估计”。IEEE国际通信会议(ICC) (pp. 6591-6595)。
梁志强及梁炳杰。Kim，“IEEE 802.11无线网络的频率分配”，IEEE车辆技术会议，第3卷，第1422-1426页，2003年10月。
郑荣，“密集802.11无线社区网络的饥饿建模与识别”，电子工程学报，2008。
A.Mishra和V. Shrivastava, D. Agrawal, S. Banerjee和S. Ganguly，“非协调无线环境中的分布式信道管理”，《移动计算与网络国际会议进程》，第170-181页，2006。
Akl, R. & Arepally, A.(2007)。IEEE 802.11网络中的动态信道分配。在IEEE便携式信息设备国际会议(pp. 1-5)。
A. Mishra, V. Shrivastava, D. Agrawal, S. Banerjee和S. Ganguly，“非协调无线环境中的分布式信道管理”，ACM MobiCom, 2006。
基奥昌，S.，侯赛因，E.和戴蒙德，J.(2010)。基于基础设施的802.11 wlan信道分配方案:调查。通讯学报，12(1)，124-136。