（通信与信息系统专业论文）无线局域网智能频率优化的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着无线局域网的日益成熟和广泛应用，有限的可用频段和大量的接入点之间的 矛盾必然导致接入点之间产生干扰，这种干扰会直接导致系统可用的通信容量下降。 因此网络优化技术必将逐步运用到无线局域网中。 目前的网络优化技术大多是依靠人工测量和优化，并不适合无线局域网廉价、灵 活、兼容的特点。通过对于无线局域网特点的分析，作者针对网络优化的频率优化 部分提出了一种全新的智能频率优化技术，即基于a p 测量信息的独立干扰最小准则 的分布式智能频率优化技术。它通过分布式的优化结构，使得每个a p 独立的基于自 身的测量信息，根据独立干扰最小准则选择最佳工作频率，并且采用随机等待的方 式避免了优化时产生乒乓现象。 总干扰最小准则和独立干扰最小准则是智能频率优化可以采用的两种准则。用总 干扰最小准则进行优化实质上是求使得目标函数总干扰取最小值时的频率分配方 案，而独立干扰最小准则的实质是求使得目标函数总干扰取极小值时的频率分配方 案，因此独立干扰最小准则是总干扰最小准则的必要条件。通过对于i e e e 8 0 2 1 l b 的网络条件进行仿真，验证了上述观点。 基于a p 测量信息的独立干扰最小准则的智能频率优化方案可以有两种实现结 构，中心式和分布式。通过仿真验证，两种结构都可以避免优化时产生乒乓现象， 但分布式结构与中心式结构相比收敛速度更快，实现更容易，兼容性更好。 关键词：无线局域网、网络优化、智能频率优化、i e e e s 0 2 1 1 、a c c e s sp o i n t 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h em a t u r ea n db r o a du s a g eo fw i r e l e s sl o c a lr r e an e t w o r k t h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h el i m i t e d f r e q u e n c y r e s o u r c e sa n d g r e a t a m o u n to fa c c e s s p o i n t s w i l l n e c e s s a r i l y 1 c a dt ot h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ea c c e s s p o i n t s t l l i si n t e r f e r e n c ew i l lr e s u l t i nt h ed e c r e a s eo f t h ea v a i l a b l ec o m m u n i c a t i o n c a p a b i l i t yo f t h e w h o l e s y s t e m m o s to ft h ep r e s e n tn e t w o r ko p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g i e sr e l yo nm a n u a lm e a s u r e m e n t a n do p t i m i z a t i o n , s ot h e ya r en o ts u i t a b l ef o rt h e c h e a p ，f l e x i b l e ，h i g h l yc o m p a t i b l e w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ew i r e l e s sl o c a l n e t w o r k ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r dan e wi n t e l l i g e n tf r e q u e n c yo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yf o r t h e f r e q u e n c yo p t i m i z a t i o n o ft h ew i r e l e s sl o c a ln e t w o r k t h i s i n t e l l i g e n tf r e q u e n c y o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yf o l l o w st h ec r i t e r i o no f m i n i m u mi n t e r f e r e n c eo fe a c hi n d i v i d u a l a c c e s s p o i n t w h i c h i sb a s e do nt h em e a s u r e di n f o r m a t i o no fa pt h ed i s t r i b u t e d o p t i m i z a t i o n s t r u c t u r eo ft h i s t e c h n o l o g ye n a b l e se a c ha ps e l e c t t h eb e s to p e r a t i n g f r e q u e n c y b e s i d e s ，i tm a k e se a c ha p w a i t sf o rar a n d o mp e r i o do ft i m eb e f o r et h ea p c h a n g e si t so p e r a i i n gf r e q u e n c y ，t h u sa v o i d st h ep i n g - p o n gp h e n o m e n o nd u r i n g t h e o p t i m i z a t i o np r o c e s s t h ec r i t e r i o no fm i n i m u mt o t a li n t e r f e r e n c ea n dt h ec r i t e f l o no fm i n i m u mi n d i v i d u a l i n t e r f e r e n c ea 糟t h et w oc r i t e r i o n st h a tc a r lb e a d o p t e d i nt h e i n t e l l i g e n tf r e q u e n c y o p t i m i z a t i o np r o c e s s n l ec r i t e r i o no f m i n i m u mt o t a li n t e r f e r e n c ei ne s s e n c ei st oo b t a i n t h ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o ns c h e m et h a tm a k e st h et a r g e tf u n c t i o no ft o t a ii n t e r f e r e n c eg e t s t h em i n i m u m ，w h i l et h ec r i t e r i o no fm i n i m u mi n d i v i d u a li n t e r f e r e n c ei st oo b t a i nt h e e x t r e m u m n 地l a t t e rc d t e r i o ni st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rt h ef o r m e rc r i t e r i o n 日_ l i s o p i n i o n i sv a l i d a t e d b y t h es i m u l a t i o nt e s tb a s e do nt h en e t w o r kc o n d i t i o n sf o r i e e e 8 0 2 1 1 b 日圮r ea f et w ok i n d so fr e a l i z a t i o ns t r u c t u r e s c e n t e r e ds t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t e d s t r u c t u r e ，f o rt h ei n t e l l i g e n tf r e q u e n c yo p t i m i z a t i o ns c h e m e i ti sf o u n db ys i m u l a t i o nt e s t t h a tb o t hs t r u c t u r e sc a na v o i dt h ep i n g - p o n g p h e n o m e n o nd u r i n g t h eo p t i m i z a t i o n p r o c e s s i ti sa l s of o u n dt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h ec e n t e r e ds t r u c t u r e ，t h ed i s t r i b u t e ds t r u c t u r ec a r l c o n v e r g e n c ew i 也h i g h e rs p e e d , o b t a i nb e r e rc o m p a t i b i l i t y a n dc a nb er e a l i z e dm o r e e a s i l y i i 华中科技大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：w i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k ，o p t i m i z a t i o n o f n e t w o r k ，i n t e l l i g e n t f r e q u e n c yo p t i m i z a t i o n , i e e e 8 0 2 1i b ，a c c e s sp o i n t i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冲岜 日期： 渺乒年5 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 ， 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：斗也 日期：沙孕年j 月，j 日 指导教师签名： 日期：2 群年f 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 无线局域网f w l a n ) 技术眦】是无线通信技术和无线互联网技术迅猛发展的产 物。它的发展从1 9 9 7 年6 月制订第一个w l a n 标准i e e e 8 0 2 ，1 1 1 3 1 开始，到1 9 9 9 年 8 月。i e e e 推出了新的高速标准8 0 2 1 l b 4 l 和8 0 2 1 1 a t 5 】进入快速发展。i e e e 8 0 2 1 i b 在2 4 g h z 频段提供最高l l m b p s 的速率：i e e e 8 0 2 1 1 a 则在5 8 g h z 频段提供5 4 m b p s 的数据传输速率。2 0 0 1 年1 1 月，i e e e 试验性地批准了8 0 2 1 l g ，用以兼容8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l a 。几乎同时，欧洲电信标准化协会( e t s i ) 的宽带无线电接入网络( b r a n ) 小组也着手制订h i p e r ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i o ) f 5 q 】接入标准，并推出h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 。随着i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 家族在技术上的突破及w l a n 产品成 本的大幅下降，使得无线局域网在宽带无线接入中可以大显身手，不仅企业把w l a n 作为他们有线l a n 的延伸，机场、酒店、会议中一t l , 、咖啡厅等地也将成为w l a n 应用的重点。截至目前，采用8 0 2 1 l b 和h i p e r l a n l 的w l a n 已经覆盖了北美和欧 洲越来越多的地区。据专家预测，全球w l a n 市场总销售额将于2 0 0 4 年达到近2 2 亿美元，每年平均增幅高达2 5 左右，同时，w l a n 应用范围不断拓展，不仅扩展 了有线l a n ，甚至在某些情况下取而代之。 由于无线局域网在数量和规模上的迅猛发展，随着其接入点的不断增多，相互干 扰日益严重。无线局域网对于网络优化技术的需求逐渐显露，网络优化【9 l 是调整网络 结构、，优化网络性能的主要方法，在传统的无线语音网络中起了重要的作用。但依 靠人工优化的传统方法并不适合用于无线局域网中，因为无线局域网小型灵活和成 本低廉的特点决定了其需要的是低成本智能化的网络优化。 1 2 无线局域网的网络优化需求 无线局域网目前主要用于对机场、酒店、会议中心、咖啡厅等区域实现热点覆盖， 其主要用户终端形式是笔记本电脑和掌上电脑。而现在这两种终端的用户并不很多， 因此在大多数地区，仅仅需要l 2 个接入点a p ( a c c e s sp o i m ) 对于热点地区进行 信号的覆盖。 华中科技大学硕士学位论文 但是随着用户终端类型和数据业务的丰富，人们对于无线数据业务的需求将会迅 速增长。将来大部分热点地区仅仅有一个或者两三个a p 是远远不够的。因此在业务 繁忙的热点，可能需要布置包含多个a p 的无线局域网络。由于现有的无线局域网标 准i e e e 8 0 2 1 l b 和8 0 2 ，l l g 的工作频段组中仅有三个独立的频段，因此a p 数耳很可 能远大于独立可用的频段，此时就需要网络优化技术对于网络结构和参数进行优化。 1 3 无线网络规划优化技术简介 无线网络规划优化技术是第二代移动通信系统蓬勃发展的产物，现在广泛用于 g s m 、g p r s t l0 1 、i s 9 5 ( c d m a ) 【l l 】和3 g t l 2 1 移动通信网络中。 所谓无线网络规划优化是在频谱资源一定的情况下如何提高网络覆盖率、增加 网络容量、如何满足网络未来发展的需求的技术。通过无线网络规划和优化可以实 现各方面的良好平衡。 无线网络规划优化技术大致包括六个步骤：规划目标的定义、传播模型校正、名 义小区规划、站址勘察、无线网络设计及初始网络优化。对于不同的系统和网络， 例如g s m 网络和i s 9 5 的c d m a 网络，具体网络规划和优化所关注的参数可能不 同，遇到的问蹶也不同。 由于g s m 和i s 9 5 的覆盖面广，因此站址勘察和路测往往需要花费大量的人力 和物力。因此随着网络规划优化的发展和完善，出现了大量的辅助无线网络规划和 优化工具，例如a g i l c m 公司的w i z a r d 、a i r c o m 公司的e n t e r p r i s e 和f o r s k 公司的a t o l l 等等，它们大多采用理论和实测的方式，对于地形、她貌的无线传播进行建模和分 析，用于虚拟仿真各种网络分布方案的实际效果。由于计算机建模和仿真工具的出 现，使得原来及其费时的网络规划优化工作变得相对简单了许多，节约了大量进行 实地勘测的人力和物力，但是仍离不开富有经验的网络优化工程师的参与和路测工 程师的实地测试。 以p h s 为代表的微蜂窝系统近年来在中国发展很快，其网络规划优化有蓿和广 域网不同的思路和方法。由于p h s 系统的基站发射功率小、覆盖范围小。因此覆盖 一个城市需要几千个甚至上万个基站，如果采用传统广域网络优化的方法将困难得 无法想象。因此p h s 系统采用了包含自动干扰检测和自动频率选择 1 习的网络优化技 术，自动避免了同频干扰，从而极大的简化了无线网络规划优化问题。虽然自动频 率优化的效果和频率利用效率没有人工优化高，但是它却为微蜂窝系统的智能网络 华中科技大学硕士学位论文 优化指明的发展方向。 1 4 无线局域网的网络优化特点 从前一小节对于传统语音网的网络规划优化介绍可以知道，传统网络优化需要大 量有经验的工程师的参与，需要投入大量时间和财力才能完成。因此对于无线局域 网而言，这种优化方式显然是不合适的。 无线局域网的优化方式应该与无线局域网本身固有的特点相适应。它们是： 1 ) 低成本。低廉的a p 和终端设备是无线局域网得以壮大发展的主要竞争力， 目前在中国一个普通a p 的价格不到1 0 0 0 元一个用户端( s 1 a ) 的价格也 不到2 0 0 元。因此无线局域网网络优化的成本也应该尽可能的低。 2 ) 方便灵活。无线局域网的a p 体积小、发射功率小并通过阻太网供电，因而 安装方便快捷不需要专业人员提供独特的技术支持。因此其网络优化也应该 方便快捷，无需专业人员的加入。 3 ) 兼容性好。由于无线局域网标准的公布，全球各家厂商的产品都可以在同一 个系统中工作。因此。其网络优化方案也应该可以在包含多厂家产品的系统 中工作。 综上所述，无线局域网的网络优化应该具有三个特点：低成本、方便灵活、兼容 性好。智能无线网络优化技术是满足上述三个特点的技术。它通过智能频率优化， 自动功率控制和动态负载平衡等智能优化技术，使得无线局域网的网络性能得到优 化。 1 5 论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容是智能网络优化中的关键技术：智能频率优化。由于目前 应用最广的i e e e 8 0 2 1 l b 标准中的独立频段仅有三个，多个a p 间的相互干扰将不可 避免，如果不进行频率优化分配，整个系统的容量将会受到很大的影响。因此本文 提出了一种全新的智能频率优化技术，即基于a p 测量信息的独立干扰最小准则的分 布式频率优化方案。通过对于i e e e 8 0 2 1 1 b 的网络条件，进行理论分析和仿真验证 发现，该智能频率优化技术兼容性好，实现简单，优化速度快，优化效果好，是目 前情况下智能频率优化方案的最佳选择。 第一章“绪论”主要讲述了无线鼹络规划和优化技术的发展概况，并分析了无线 华中科技大学硕士学位论文 局域网网络优化的需求，提出了智能网络优化是符合无线局域网特点的网络优化技 术。 第二章“无线局域网的智能优化技术”归纳了现有的针对无线局域网的网络优化 技术，介绍了基于用户测量信息的动态频率选择技术、动态功率控制技术和负载平 衡技术，提出了基于a p 测量信息的智能频率优化技术。 第三章“智能频率优化准则的研究”详细分析基于a p 测量信息的智能频率优化 可能采用的优化准则：总干扰最小准则。在分析了总干扰最小准则的数学本质的基 础上，提出了更加实用的独立干扰最小准则，并证明了独立干扰最小准则是总干扰 最小准则的必要条件。通过仿真验证，发现上述两个准则均是网络性能的次优化准 则，并且优化效果相近。 第四章“智能频率优化方案研究”详细分析了基于a p 测量信息的智能频率优化 可能采用的实现结构。通过分类比较和分析，发现基于独立干扰最小准则的方案优 于基于总干扰最小准则的方案。通过对基于独立干扰最小准则的两种实现结构三种 实现算法的仿真，发现基于独立干扰最小准则的分布式频率优化方案不仅可行，而 且性能最好、实现简单、兼容性强，是基于a p 测量信息的智能频率优化技术的首选 方案。 第五章“智能频率优化的应用研究”详细描述了一种基于独立干扰最小准则的分 布式频率优化算法，它采用等待窗口的躲避算法，避免了优化过程中的乒乓现象a 通过仿真，找到了最佳等待窗1 3 的大小。通过比较和分析，证明了等待窗1 3 算法比 一般随机躲避算法收敛速度更快、更稳定。 第六章是全文的总结和展望，总结了本论文的主要研究成果。并在此基础上展望 了智能优化技术下一步可能的发展方向。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 无线局域网的网络优化技术 在传统的无线语音网中，无线运营商一直采用成本高昂的人- r n 络优化。因为传 统语音网络单个基站覆盖面积广、接入用户数日多并且利润丰厚，因此需要雇佣大 量的工程师们，通过精心测试和优化来完善网络质量，使得网络达到高稳定性的可 运营要求。 但企图将传统的人工无线网络优化照搬到无线局域网中，就会遇到三个困难。第 一是工作量大。虽然无线局域网的覆盖范围比较小，但是它的发射功率也小( 一般 a p 在室内的覆盖半径只有5 0 米) ，因此需要优化的a p 个数可能并不少。第二是兼 容性和灵活性差。由于无线局域网使用的是公有频段，因而铺设无线局域网没有太 多政策上的限制。当一个无线局域网优化完毕后，很有可能过了一段时间，又有其 他人在此处安放了一个a p ，如此一来前面的网络优化就没有意义了。第三是成本太 高。一般无线局域网的用户是普通个人或者公司，即使是对于运营商而言，雇佣专 业射频工程师和租用测试仪器的费用也是相当高的。 正是由于上述原因，无线局域网的智能网络优化技术才逐渐得到重视。目前智能 网络优化包括智能频率优化、动态功率控制和负载平衡技术三个主要技术。本章将 详细介绍上述技术的工作原理。 2 2 智能频率优化 在无线局域网的铺设过程中，首先需要的是站址的确定。站址的确定可以根据用 户的需求尽量将a p 放在用户集中的区域，并且可以根据需要随时增加或减少。有关 站址的位置优化，已经有大量的研究成果【1 2 1 ，由于它并不是智能频率优化的内容， 因此在此并不详述。 当a p 位置确定以后，就应该确定每个a p 工作频率。智能频率优化应该是通过 自动为a p 分配工作频率，使得网络性能得到优化。从智能频率优化所需要的测量信 息来源的角度可以将其分成两类 2 3 1 ：基于a p 测量信息的智能频率优化和基于用户 测量信息的智能频率优化。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 基于a p 测量信息的智能频率优化 基于a p 测量信息的智能频率优化是指，通过在a p 端进行测量得到的各频段上 的干扰信息来为每个a p 选择合适的工作频率。由于a p 的位置相对用户而言是稳定 的，因此，基于a p 测量信息的智能频率优化只有当a p 增加、减少或移动时，才会 重新进行调整。 目前还没有基于a p 测量信息的智能频率优化方案的相关研究成果，因而本文将 就此问题的理论和实际应用进行深入的研究，并且通过分析和比较各种可能的基于 a p 测量信息的智能频率优化方案的性能，最后选择出目前最佳的实用方案。 2 2 2 基于用户测量信息的智能频率优化 基于用户测量信息的智能频率优化的工作原理是：通过每个a p 独立测量自己所 有用户的干扰情况，从而每个a p 独自判断应该工作的频率。它的工作步骤如下： 1 ) 对于所有a p 分配初始频段。 2 ) a p 要求用户对于所有频段的干扰情况进行测量 3 ) 用户端对于频段质量进行测量 4 ) 用户端将测量结果报告给a p 5 ) a p 根据用户端的频段测薰结果，进行判决是否改变工作频段。 6 ) a p 发出工作频段切换通知，各用户端做好准备。 7 ) 切换到新的工作频率。 在基于用户测量信息的方案中，比较著名的是由荷兰菲利普公司提出动态频率选 择技术f 2 4 ( d y n a m i c f r e q u e n c ys e l e c t i o n ) ，它已经申请了国际专利和中国专利，并正 在努力加入i e e e 8 0 2 1 1 系列的标准之中，成为一个可选实现的方案。 2 2 3 综合比较 基于a p 测量和基于用户测量的智能频率优化方案各有利弊。下厩从三个方面进 行分析： 1 ) 优化效果 在大多数情况下，由于用户数目比较多且分布比较均匀，两种方案优化的结果应 6 华中科技大学硕士学位论文 该是一致的。当出现用户分布极度不均时，基于用户测量的优化方案可以更好的根 据用户分布进行优化，从而性能更好。但是，由于用户会经常移动，因此基于用户 测量信息的调整会比基于a p 测量信息的调整更加频繁，更容易出现乒乓现象，增加 系统优化代价。 2 ) 系统开销 基于用户测量信息的方案需要用户将测量结果通过宝贵的无线资源传递给a p ， 因此它的系统开销要大于基于a p 测量信息的方案。 3 ) 兼容性 基于用户测量信息的方案由于需要用户端的测量结果，因此不能兼容不支持这一 功能的用户接入。一旦大量的不支持这一功能的用户接入，而支持这一功能用户的 分布又极度不均匀，可能导致系统性能恶化。 综上所述，在基于用户测量的智能频率优化方案成为无线局域网必须实现的标准 之前，可以先采用兼容性更好的基于a p 测量信息的智能频率优化方案。当支持用户 测量的用户终端普及后，可以考虑采用综合用户和a p 的测量信息，进行更佳全面和 稳定的频率优化。 2 3 网络优化中的功率优化 智能功率优化主要包括用户端发射信号的功率控制t p c ( t r a n s m i tp o w e r c o n t r 0 1 ) 和a p 端发射信号的功率控制。 1 ) 用户端功率优化 用户端功率优化是在保证用户当前通信质量的基础上，尽量减小用户的发射功 率。 用户功率优化如图2 1 所示，可以直观的说明终端功率控制的好处。图中有两个 a p ，两个用户。用户终端l 离a p l 距离比较远，因此需要较大的发射功率使得其信 号达到a p l ，终端1 的发射功率覆盖范围如细实线圆所示。如果每个用户的发射功 率都相同，那么用户终端2 也用同用户终端1 一样的发射功率，则覆盖范围如粗虚 线圆所示，粗虚线圆和细实线圆半径相同。结果a p 2 也接收到了用户终端2 的信号， 即对于a p 2 的通信产生了干扰。如果进行了功率优化，用户终端2 的发射功率减小 到粗实线所示的覆盖范围，既不影响和a p l 正常通信，又减小了对于a p 2 的干扰， 还节省了发射能量，一举两得。 华中科技大学硕士学位论文 i 图2 1 用户功率优化示意图 2 ) a p 功率优化 a p 端发射功率的控制和a p 的覆盖范围有关，因此在一般情况下，a p 为了尽可 能的覆盖较大的局域，均以允许的最大功率发射，一般是2 0 d b m ( 1 0 0 m w ) 左右。 因此a p 的功率优化往往是和负载平衡结合起来的，将在下一节详细说明。 2 4 网络优化中的负载平衡 负载平衡是指尽量使得网络中每个a p 接入的用户数目相等。要介绍负载平衡对 于网络性能的好处需要先介绍无线局域网的接入机制。 i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网标准定义了2 种无线资源共享接入的机制：分布式协 调机制( d c f ) 1 3 1 和指定协调机制( p c f ) 。现在市面上大部分8 0 2 1 l b 的产品都使 用d c f 。仅有少量的产品同时支持d c f 和p c f 两种机制。d c f 使用的是载波监听 冲突避免机制( c a r r i e rs e n s em u l t i p i l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) ，简称 c s m a c a 2 副如图2 2 所示的是d c f 的工作原理。 华中科技大学硕士学位论文 d e f e z 图2 2 d c f 中的基本接入机制 在d c f 机制下当用户数目增多和数据包的长度增大时，碰撞出现的频率会增加， 并且每次碰撞后损失的数据也会增多。有学者对此进行了专门的研究 2 6 1 ，发现性能 损失严重。因此，在a p 之间尽量均匀的分配用户和数据带宽需求是一个提高网络效 率的有效方案。 负载平衡中的a p 功率优化示意图如图2 - 3 所示，a p l 附近集中了大量的用户终 端，而在a p 2 附近用户终端相对稀少。当接入一个a p 的用户数大于一定数目时( 一般为8 个) ，由于用户们争抢信道十分激烈而导致总信道的容量降低。此时将可以 离a p 2 较近的用户分给a p 2 ，这样a p l 和a p 2 的用户数目趋于平衡。 如果将a p 的发射功率根据负载平衡的需求进行调整，可以达到减小干扰，增大 容量的效果。例如，当进行功率控制之前，a p l 和a p 2 的覆盖范围如图细实线圆和 粗虚线圆，因此在它们交界处的属于a p 2 的4 个终端接受到的a p l 的信号等于甚至 大于a p 2 的信号，这时可通信速率是相当低的。当a p l 进行了功率优化后，它的覆 盖范围缩d , n 粗实线所示，此时属于a p 2 的4 个用户收到的干扰明显减少，可通信 速率将增加。 9 华中科技大学硕士学位论文 ， l i 、 、 图2 3 负载平衡中的a p 功率优化示意图 现在有多家国外厂家富称它们的系统中可以实现负载平衡这一智能网络优化技 术。 2 5 小结 本章介绍了无线局域网的智能网络优化技术，其中包括智能频率优化技术，功率 优化技术和负载平衡技术。对于这三种智能优化技术的工作原理和主要特点进行了 分析。 针对智能频率优化技术的两种方案：基于a p 测量信息和基于用户测量信息，做 了详细的分析和比较，明确了研究基于a p 测量信息的智能频率优化方案是本文的研 究主题。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 智能频率优化准则的研究 第二章介绍了无线局域网现智能网络优化的现有技术及其工作原理，并确认基于 a p 测量信息的智能频率优化方案为本文的研究目标。 在研究智能频率优化方案之前，应该先研究智能频率优化准则。所谓优化准则是 指频率优化中的目标函数，即优化完毕后应该达到的耳的。这个目的或目标函数， 在实际系统中，应该是可以直接测量得到。 在a p 端可能测量得到的信息中对于优化频率有影响的只有a p 当前接收到的 每个频段上的信号和噪声的能量。因此从系统整体上考虑，一个直观的准则就是： 使得所有a p 之间的干扰和最小( 不包括其他a p 的用户产生的干扰) ，即总干扰最 小准则。由于此准则要计算所有a p 之间的干扰和，因此需要有一个功能单元( 控制 中心) 搜集计算所有a p 之间的干扰情况，实现起来比较困难。 除此之外，还有一个实现上比较简单的准则：使每个a p 的当前工作频率是受到 干扰最小的频率，即独立干扰最小准则。独立干扰最小准则是总干扰最小准则的必 要条件。尽管满足此准则的频率分配方案并不唯一，但它却是一个十分实用的准则。 本章将着重研究这两种准则的数学实质和优化效果。在研究中给出了一套评测频 率分配方案优劣的方法和参数，并针对i e e e 8 0 2 1 l b 系统对于这两种优化准则进行 仿真分析，比较它们的优化效果。 3 2 总干扰最小准则 根据i e e e s 0 2 1 1 的标准，在a p 端对于所有可用的信道均在进行实时的测量， 测量值可以向上提交。因此每个a p 均可以知道现在自己工作的频段是否是干扰最小 的频段。这是提出总干扰最小准则的基础。 总干扰最小准则是指：所有a p 在工作频段上所受到干扰的和最小时，网络规划 优化指标最佳。这一准则潜在包含了每个a p 都同样重要的假设，而这一假设在a p 均以最大能量发射的前提下是合理的。 下面是总干扰最小准则的数学描述： 华中科技大学硕士学位论文 在一个平面d 中存在有k 个接入点a p ，则第i 个a p 接收到的第j 个a p 的发射 能量记做蛐，所有的鲥可以组成一个矩阵f 。硒是关于a p 的发射能量以及a _ p 间的衰减的函数，称刨是第j 个a p 到第i 个a p 的剩余能量。 矩阵f 有如下性质：1 ) f 是一个k k 的方阵。2 ) f 是一个对称阵。3 ) f 的对 角线元素均为0 。因为每个a p 对于自己没有干扰。 a p 间的频率分配方案可以由向量t = t 1 ，t 2 ，t 3 ，t i ，t k 表示，其中t i 表示 第i 个a p 工作的频段序号。假设有n 个可用频段，则t i c 1 , n 。由于a p 之间的工 作频段不同，相互的干扰因子也不同。所以每一个t 都对应一个矩阵g ，g 中的元 素g i j 表示t i 和t j 所代表的频段之间的干扰因子。 矩阵g 有如下性质：1 ) g 是一个k x k 的方阵。2 ) g 是一个对称阵。3 ) g 的 对角线元素均为l 。 矩阵f 与矩阵g 的乘积为： h = f + g = ， ： ，。 ，2 - ，2 。： 其中，h i j 是h 中的元素，并且 9 1 1g l ，2 9 2 ，i9 2 ，2 er h “- - z ，g 。= ，。，+ g 。 - lj 1 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 由f 和g 的物理意义可知，h i ，i 是所有a p 对于第i 个a p 干扰的和。因此，h 的 迹( 对角线元素址和) 就是所有a p 受到的干扰总和。 对于不同的t ，就有不同的g ，从而就有不同的h 。寻找最佳的t ，使得h 的迹 最小就是总干扰最小准则。从数学意义上讲，上述过程就是求一个多元函数( h 的 迹) 最小值的自变量取值( t ) ，注意不是极小值而是最小值。 3 3 独立干扰最小准则 由于在a p 端可以测量每个频段上的干扰情况，因此在每个a p 上选择干扰最小 的频段比总干扰最小准则更容易实现，它是分布式智能频率优化的基础。 用数学语言表达是：对于某个确定的t = t 1 ，t 2 ，t 3 ，t i ，t k 而畜，t i 可以取值 r 胃 乱艮； r r 正 厶磊 华中科技大学硕士学位论文 【1 , n 。假设其余a p 的工作频段不变，而n 分别取值l ，2 ，3 ，n ，则可以构成一个t 的矩阵，成为t ( i ) 。如下所示： t ( 0 = r lr 2 r l丁2 r 1丁2 豫 豫 ： _ ： - 孤 ，是一个n x k 的矩阵。 矩阵t ( i ) 的每一行向量都对应一个g ，一共可以生成n 个g ，记做g 1 ，g n 。 根据h = f * g 。可以得到n 个h ，记做h i h n 。 由上面小节可知，( h 1 ) i ，i ，( 阳叼i ，i 是指当第1 个a p 的工作频段分别取1 ，2 ，n 时，第1 个a p 受到的干扰和。由于它们都可以在第i 个a p 上直接测量得到的，因 此第i 个a p 可以非常容易的在n 个候选频率中选择一个使得自身干扰最小的频段。 这就是独立干扰最小准则容易实现的原因和数学实质。 实际上，独立于扰最小是总干扰最小的必要条件。下面给出证明：假设有一个 a p l 工作在a 频段上，受到来自a 频段的干扰为几，有一个频段b ，a p 受到来自 b 频段的干扰为 。若a p l 受到的a 频段的干扰是由k 个工作在a 频段上的a p 们造成的，即 = l + 2 + + k = ， ( 3 3 ) 其中几。是第1 个工作在a 频段上的a _ p 对手1 的干扰。由于信号的传输一般 是可逆的，而所有a p 的发射功率也是一定的。因此，a p l 对于第1 个工作在a 频段 上的a p 的干扰也是九。那么，a p l 对于其他工作在a 频段上a p 的干扰和为 ， 则在总干扰中与a p l 有关的干扰为2 。如果a p l 从a 频率改变到b 频率，则在 总干扰中与a p l 有关的干扰变为2 厶，因此总干扰减小。因此独立干扰最小是总干 扰最小的必要条件。 从数学意义上讲，满足独立干扰最小准则的频率优化方案是多元函数( h 的迹) 的极小值。因为对某个a p 的干扰取最小值，可以看成对于某个自变量求偏导数后令 其等于0 ，求得极值。而满足所有a p 均独立干扰最小的频率优化方案，就是满足对 所有自变量求偏导数后，令其等于0 得到的联立方程组的解。因此满足独立干扰最 小准则可以使得总干扰取到极小值。从这个意义上讲，独立干扰最小准则也是总干 扰最小的必要条件。 ，2 华中科技大学硕士学位论文 3 4 验证方法 对于上述两个频率优化准则，需要验证其有效性，即验证满足上述准则的频率分 配方案性能是否更优越。但是如何分析一个频率分配方案的性能优劣是一个值得思 考的问题。这需要对于网络性能给出一些评测指标，然后用这些性能指标去衡量频 率分配方案的优劣。 网络性能指标从直观上将是所有用户与所有a p 之间的通信总量。但是这一指标 受到诸多因素的影响，例如a p 的位置分布、a p 端发射功率、用户端的位置、a p 间的频率分配方案、网络所在区域的环境衰减、接收机的性能指标、网络中的用户 数目、用户与a p 通信时所用的协议和业务类型等等。因此对于无线局域网通信容量 的估计评测，各种生产无线局域网设备的通信公司，以及正在考虑铺设无线局域网 的公司用户，都感到棘手。现在，在微软、英特尔、惠普、b r o a d c o m 以及专门负责 w i f i 测试的a z i m u t h 系统公司的支持下，i e e e 的“无线性能预测”研究小组将着手 解决这一问题，并制订测试与比较无线性能的标准方法。 本文基于用户统计意义上的均匀分布，给出了其体评测指标，将在后面详细说明。 当评测指标给出后，就可以模拟一个的无线局域网，对于网络的各种物理条件给予 假设( 比如网络使用的频段、接收机的性能、环境的衰减等等) ，然后计算其所有频 率分配方案的评测指标，通过比较符合优化准则的频率分配方案和其他方案的评测 指标，来验证优化准则的有效性。下面两小节分别介绍验证条件和性能评测指标。 3 5 验证条件 不论评钡参数怎样定义，首先需要确定的是网络的具体参数，它包括：可用频段， 频段间的干扰，射频参数，接收机性能，环境衰减，用户位置分布等等。下面一一 介绍。 l 、可用频段 由于目前i e e e 8 0 2 1 i b 的产品在全球出货量最大，因此采用i e e e 8 0 2 1 l b 的网络 参数。下图3 1 是i e e e 8 0 2 1 l b 中规定的北美使用频段。频段从2 4 0 1 m h z 开始，每 个频段频宽2 2 m h z ，相隔5 m h z ，共1 1 个频段。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图3 18 0 2 1 l b 北美频段分布图 可以看到频段l 和频段2 5 之间都有部分频谱重叠，频谱重叠就意味着这两个 频段之间相互有干扰存在。干扰的大小取决于两个频段重叠的多少，以及发射信号 的频谱特性。频段1 、6 、1 1 相互之间没有干扰，同理频段2 和7 ，3 和8 等等之间 都没有干扰。总之频段序号之间的差大于等于5 的频段之间没有干扰，小于5 的频 段之间存在干扰。 2 ) 邻频段的干扰因子 根据8 0 2 1 1 b 物理层发射信号的频谱特性，我们可以估计出频段两两之间的干扰 大小。图3 2 是在频谱分析仪上测到的8 0 2 1 l b 发射信号频谱图： m i t甜, 。m - i i 1 l 越i 罱溜嚣崭i ；墨 一- 一l 啊棚 j e t t ， 、 fi 。， ， vv 、 ， 、 一。k 1 1 m m1 i lm轴i 呻一 i 阳= 1 4 1 1 1o 舳 l 哩啊q 图3 28 0 2 1 l b 发射信号频谱图 华中科技大学硕士学位论文 通过上图，对频带内的干扰频谱积分，可以得到邻频段干扰因子k ，即如果邻频 段总信号能量为单位l ，则本频段内收到此邻频段的干扰信号的能量为k ( k 1 ) 。 比如1 频段和3 频段的干扰因子是0 0 8 9 ( - 1 0 5 d b ) ，就意味着1 0 5 d b m 的1 频段信号 对于3 频段的干扰同0 d b m 的3 频段信号对于3 频段的干扰是相等的。下表3 1 相邻 频段的干扰因子列表： 表3 1 相邻频段的干扰因子列表 干扰因子邻频段之间的序号差 k i234 倍数 0 9 80 6 40 0 8 90 0 0 0 8 3 d b- o 1 01 9 61 0 5 3 0 8 我们可以看到邻频段的干扰在频段序号差小于3 时相当大，大于等于4 的时候则 可以忽略不计了。 3 ) 射频参数 发射端射频参数包括发射功率，发射天线增益，接收天线增益等等，如表3 2 所 示。 表3 2 射频参数 参数名称单位数值 发射功率d b m 1 5 发射天线增益 d b9 发射馈线损耗d b2 接收天线增益 d bo 接收馈线损耗 d b2 总计有效功率 d b m2 0 其中，对发射功率的规定不同的国家和地区数值不同。不同的生产厂家其他的参 数也不同，但这并不影响分析频率分配方案对于容量的影响。 霜要说明的是；总计有效功率= 发射功率+ 发射天线增益+ 接收天线增益一发射 馈线损耗一接收馈线损耗。 由于不考虑功率优化的影响，因此假设所有a p 均以同一发射功率发射信号。 4 ) 接收机性能参数 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = e = 自 e _ _ 目t 目= = =