IEEE 802.11无线局域网性能增强的信道分配算法设计与分析

Ram Krishan¹，维贾伊·拉克西米博士²

印度旁遮普省塔尔万迪萨波(巴辛达)喀什古鲁大学研究学者
印度旁遮普省Talwandi Sabo (Bathinda)的Guru Kashi大学计算机应用学院院长

摘要

使用单通道的无线局域网(WLAN)带宽有限。无线局域网接入点之间的信道干扰也会降低网络吞吐量。该问题的解决方案是在多个通道上同时传输数据。为了分析和提高无线局域网的性能，提出了一种无线局域网的信道分配算法。该算法通过寻找最合适的信道分配选项来获得预期的性能。我们使用RIVERBED MODELER模拟器来模拟具有不同信道分配方案的WLAN环境。在固定和移动(STA)站的仿真结果表明，本文提出的信道分配算法比其他信道分配方案提高了2倍的网络吞吐量。

关键字

信道干扰，无线局域网，吞吐量，网络性能，河床建模器。

介绍

本文研究了在无线局域网环境下，如何在接入点之间分配可用信道[1]的问题。频率(或信道)分配[2]在蜂窝无线电话中是一个被充分研究的主题[3,6]，它一直受到两个设计原则的指导:基于由六边形单元组成的蜂窝体系结构的频率重用和将信道永久分配到不同的单元。

在IEEE 802.11无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)中只使用了14个信道，其中信道1,6和11是不重叠的[3,13]，如图1所示。两个相邻通道之间的频率间隔为5mhz。例如，信道1的范围为2.401GHz ~ 2.423 GHz，中心频率为2.412 GHz[5]。接入点(ap)部署的增加促使研究人员开发新的信道分配算法[9]，以减少同信道和相邻信道干扰[10,13]。这种信道干扰降低了网络的整体性能。例如，如图2[2]所示，考虑由6个ap组成的WLAN。在该图中，每对ap之间的箭头表示它们相互干扰。

换句话说，由箭头连接的每对ap的并发传输(使用相同的信道)会相互干扰。显然，对于只有三个通道的情况，如果没有至少一对已连接的(因此会产生干扰)ap被分配相同的通道，就无法将通道分配给ap。在给定时间和给定网络段中可用的信道以后可能由于外部干扰而不可用。

2相关工作

在[13]中，作者提出了一种无线局域网信道管理算法，通过对不同信道上的用户进行管理，使网络效率最大化，从而使网络吞吐量最大化。该算法使用软件代理对网络ap进行管理和通信。该算法实现了对用户的高效管理，提高了无线局域网信道利用率。[2]中的工作提出了基于帧的wlan信道分配体系结构。作者证明了系统吞吐量可以通过调度ap和在每帧分配信道来优化，从而使激活ap上的加权队列大小最大化。[15]的作者提出了一种信道扫描技术，以尽量减少无线电台的断开。他们介绍了一种信道扫描方法，即无线电台扫描邻居图所选择的信道。在[16]中，提出了一种信道分配算法，使用户级的信道分配最大化，以便在每个AP上进行适当的信道分配。该算法使AP之间的干扰最小化，并在计算每个用户的信道分配后将信道分配给每个AP。[14]中的工作提出了一种非管理无线局域网(WLAN)信道分配，利用IEEE 802.11频谱的容量来提高WLAN的质量。

3影响wlan性能的参数

以下是影响WLAN性能的各种参数[3,10]。

1.用户数

由于介质是共享的，与网络关联的用户数量会影响性能。与AP关联的用户的增加会导致邻近小区的干扰增加。

2.信道干扰

在部署WLAN时，信道分配变得非常困难。信道干扰有两种类型。

Ã¯Â Â·两个接入点之间的相邻信道干扰是由于ap可能共享相同的频率带宽而引起的

Ã¯Â‑Â·同信道干扰发生在使用相同频率信道的ap之间。

3.交流负载

通信负载[4]是AP转发给其关联客户端的通信量。随着AP负载的增加，网络吞吐量将受到影响。

4.功率信号

有一个最小的门限功率值接收器接收信号必须达到这个比特率。如果接收到的信号功率低于阈值，最大比特率[12]可能会降低，影响性能。

四、算法的数学表示

五、信道分配算法的评价

我们的通道分配算法通过广泛的RIVERBED MODELER[7,11]模拟进行了评估。并与其他三种信道分配方案进行了比较。固定和移动(STA)站的仿真结果表明，我们提出的算法在延迟、数据丢失、重传尝试和吞吐量方面提高了WLAN网络性能。由于介质是共享的，与网络关联的用户数量会影响性能。用户的增加与

1.公共信道分配(CCA)

在这种类型的信道分配中，只有一个公共信道被分配给所有ap。这是一种非常常见的方法，所有ap都使用默认的选定信道(如信道6)。网络设备制造商设计他们的产品在默认信道上工作，这种情况通常应用于无线局域网络。

2.随机信道分配(RCA)

在这种分配方式中，ap的所有者在不知道网络的信道干扰约束的情况下任意选择信道。

3.非重叠信道分配(NCA)

在这种类型的分配中，只有非重叠的通道被分配给ap。在局域网802.11g模式下，信道1、6和11为非重叠信道。我们利用最合适的信道分配选项来评估算法的效率，以达到预期的性能。

六、网络设置细节

我们使用Riverbed Modeler 17.5[11]模拟器来实现所提出的分配算法。图3展示了具有Wireless_lan和Wireless_lan_adv模型族的WLAN设置。接入点和无线电台(STA)分布在1 × 1公里的服务区域内。无线局域网工作站和无线局域网服务器节点分别作为无线站和ap进行网络仿真。在802.11g工作模式下进行了仿真，并与CCA、NCA、RCA三种信道分配方案进行了性能比较。在CCA(公共信道分配)方案中，信道6被分配给AP1到AP4的所有接入点。

在NCA (non -overlap Channel Assignment)方案中，信道1、6、6和11分别以最小化相邻ap之间的干扰为基础分配给AP1和AP4。在RCA(随机信道分配)方案中，信道3,6,7,11分别分配给AP1到AP4。最后，在该算法方案中，将信道1、6、5和10分配给AP1到AP4，实现最优信道分配。在修改每个AP上的通道时，只创建了一个场景，并复制了其他场景。

7仿真结果

为了分析所提出的信道分配算法的性能，我们使用Riverbed Modeler 17.5[11]模拟图3所示的无线局域网环境。模拟网络包含4个固定ap、22个工作站节点、2个移动站、一个应用程序定义和配置文件定义。该无线网络用普通、非重叠、随机和建议的信道场景进行了四次模拟。

图6显示了全局延迟(秒)统计信息。表示无线局域网中各WLAN节点收到报文转发到上层的时延。我们观察到，我们提出的算法的平均延迟降低了10%到20%。所有方案中丢失数据的平均值都在0.00100秒以上。

图7显示了WLAN节点由于不一致的重传输而丢弃的总高层数据流量(比特/秒)。在我们提出的算法的情况下，全局数据丢失的数量等于NCA，小于CCA, RCA方案。因此，我们提出的算法中全局数据的丢弃是可以与所有其他方案相比较的。

图8表示网络中的WLAN节点等待数据包成功传输或由于短或长重试限制而丢弃的重传尝试次数。结果表明，该算法重传尝试的最小值为0.056，最大值为2.56，小于其他所有算法。

图9表示网络中WLAN层的所有无线节点转发到更高层次的比特数/秒。我们观察到，我们提出的算法在所有其他算法中显示出最大的吞吐量。与所有CCA和RCA相比，该算法的吞吐量提高了2倍。在NCA的情况下，我们提出的算法得到了更好的吞吐量结果。表I给出了所有方案的吞吐量最大值和平均值，表明我们提出的算法与其他方案相比性能更好。

我们可以得出结论，我们提出的算法在无线局域网中提供了更好的网络性能。该算法可以实现对可用信道的管理，提高WLAN全局性能。

8结论及未来工作

为了提高无线局域网的性能，提出了一种新的信道分配算法。我们使用河床模拟器来显示静态和移动用户环境下无线局域网的结果。通过对不同接入点进行信道优化分配，全局统计结果表明，该算法的性能优于CCA、NCA和RCA方案。河床模拟结果表明，该算法的吞吐量比其他方案提高了2倍。未来，我们可以将工作扩展到AP数量更多、用户环境更密集的更复杂的场景。

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