信道分配机制为多个APs Cochannel部署在高密度无线局域网

文摘

在无线局域网(无线局域网),cochannel部署可以绑定通道访问延迟,提高网络容量由于减轻碰撞和干扰在不同接入点(ap)。在本文中,我们提出一个网络模型和一个干涉模型为多个APs cochannel部署和提出一个信道分配机制,制定频道分配问题成为一个时间段的分配问题。同时,我们分配频道基于顶点着色算法,使额外的民意调查利用时间段预订改善信道指配策略。此外,我们优化APs通过轮询列表分类客户提高信道利用率。仿真结果表明,我们的算法可以提高网络吞吐量的性能而言,传输延迟和丢包率与DCF(分布式协调功能)和TMCA算法。

1。介绍

近年来,随着无线技术的发展,无线局域网的需求上升,其部署变得越来越密集的。无线APs到处都是放置在我们的日常生活环境中(1,2]。大量的APs将导致严重的碰撞,影响用户的体验。因此,消除干扰在APs在有限数量的渠道已成为一个重要的问题。

通常情况下,客户对IEEE 802.11 DCF模式运作,在客户使用载波监听介质访问与避碰(CSMA / CA)机制(3)争夺无线媒介来传输数据。由于竞争性质和吞吐量公平DCF的特点,很难提供保证带宽和有限的访问时间为每个客户端。尤其是在高密度和multi-AP无线局域网,碰撞的可能性会导致低效率高的信道访问,因此太多的时间花在处理碰撞对重传4]。这很大程度上影响网络性能和用户体验。尽管许多DCF提出优化扩展,不能缓解节点之间的竞争和传输失败重传和部署密度的增加急剧增加。由于光纤的局限性,一些文献表明采用集中式的信道访问机制等重点协调功能(PCF)。尽管PCF提供contention-free通道访问客户,它主要是设计用于在single-AP网络并不能直接用于multi-AP无线局域网。

在本文中,我们提出一个multi-AP部署框架,它允许所有APs操作在同一通道和协调他们获得适当的通道,减少系统干扰。算法的核心思想是保持适度合作APs由中央访问控制器(AC)实现高信道利用率。因此,传输碰撞减少和浪费时间最小化。我们首先制定信道分配问题转化为顶点着色问题,然后提出一个改进的信道指配策略使额外的轮询APs没有碰撞。它被称为CCA (cochannel分配)机制,它已经表明,这种策略可以提高信道利用率,保证带宽需求在我们以前的工作(5]。与此同时,针对可能的空轮询的问题,我们也提出一个优先通道访问策略来提高信道利用率,这称为优化CCA机制。我们保留尽可能多的IEEE802.11标准的特点。因此,小硬件修改APs是必要的。

本文的贡献如下。

(1)我们提出cochannel部署的系统框架和工作流协作APs中数据流量,制定了信道分配问题转化为顶点着色问题,给出了信道分配的约束条件。

(2)受益于cochannel部署框架,我们提出一个基本的CCA CCA算法和优化算法,它不仅提供高并发数据传输,而且还减少了一些空调查进一步提高信道利用率。

(3)与我们以前的工作相比,我们进行一些模拟在不同的网络密度和尺度来演示的可行性和改进算法。

本文的其余部分组织如下:我们调查一些相关工作的部分2;节3介绍了冲突,网络干扰模型和约束;cochannel分配策略和优先通道访问策略提出了部分4;我们评估算法的性能5结论部分6。

2。相关工作

在无线局域网中,降低干扰,研究人员通常为邻近APs分配不重叠的渠道。Achanta提出了经典最拥挤的通道搜索(lcc) [6)算法。的算法,APs扫描每个通道和检测条件的数据传输通道。APs可以获得每个通道的负载水平,选择的通道负载轻,干扰更小。因为这种方法只分配信道静态美联社,高密度环境下的性能会大幅下降。在[7),提出一种基于图论的全球信道分配方法。主要的思想是选择根据饱和度和相邻顶点的顶点颜色从可用的颜色。提出了一个类似的信道分配方案(8),预期的传输延迟由于干扰邻近BSS被认为是边缘的重量。在[9),一种灵活分布式信道分配,称为DFCA,旨在将通道宽度和中心频率分配给每个链接基于干扰之间的关系客户网络。类似的论文(10,11)最大化吞吐量的方式分配不重叠的通道。论文的作者(12,13]试图消除干扰的共同研究信道分配和功率控制。然而,这两种方法不考虑不同APs和负载分布之间的竞争。因此,由于可用的频道数量有限,他们不能完全消除干扰。

其他文献专注于消除干扰利用色散(点协调函数)。在[14),提出一种无碰撞的客户端轮询方法来缓解冲突,调查客户时间槽的方式。虽然有效地干扰消除,这种方法需要太多时间槽调查所有客户渠道的利用率是退化。在[15),客户端轮询框架,名叫MiFi multi-AP部署提出,cfp (contention-free时期)APs是同步的,分为时段。邻近的APs分配不同的时段,以调查所有客户没有冲突。然而,在美联社干扰模型中,有太多的约束来抑制并发民意调查,从而导致聚合吞吐量的下降。在[16据美联社合作),作者描述了一个自适应方案,每个AP自主控制轮询周期根据信道条件。然而,这些算法主要集中在分配不重叠的频道APs而忽略APs之间的协调机制。

在本文中,我们提出一个无碰撞信道分配算法来提高聚合吞吐量利用cochannel部署,包括三个过程:(1)进行基本信道指配顶点着色算法,确定了最小数量的时段;(2)构建一个改进的信道分配通过额外的民调APs提高信道利用率;(3)分类客户优化APs的投票名单,减少空的民意调查。此外,由于所有APs算法只在一个频道,多个不重叠的垂直通道也可以用来改善高密度无线局域网的网络容量。

3所示。网络干扰模型和约束冲突

3.1。网络模型

图1显示了网络部署的一个框架。所有APs在PCF的运营模式和利用相同的频道。每个客户端与美联社的最大接收信号强度指示(RSSI),可以获得一个最优的物理数据率根据信道条件。中央空调由所有APs收集客户的信息。随着全球信息,交流使客户端数据传输决定在一个集中的方式。工作流图所示2。

由于全球网络状态的意识集中的数据传输,交流收集所有必要的信息在本系统其他组件。在我们的方案中,信息是指APs和客户之间的关联关系和所有APs和客户端之间的相邻关系。然后,随着全球信息,交流可以让一个干扰表。根据这个表,交流可以使一个适当的传输决定当美联社想让客户端轮询。

此外,contention-free时期(cfp) APs分为几个时段,并在每个时间段美联社调查一个客户机或传输一帧其客户之一。不同的客户有不同的物理数据率;因此,被称为时间槽的长度可以估算 在哪里是最大消息长度的协议数据单元(MPDU)和和是客户和客户的数量总数的数据率是 ,分别。此外,的价值可以定期更新以适应网络的动态。

3.2。干扰模型

在我们提出的信道分配机制,因为所有APs在PCF模式操作,不会有任何干扰两个客户在同一美联社。然而,两个客户从邻国APs可能相互干扰。假设两个APs的和有客户完全。干扰概率之间的和可以估计 方程(2)是受 在哪里描述了关系和干扰和是客户相关的设置和 ,分别。注意,阈值可以根据网络变化情况。

3.3。冲突约束

自然,只允许一个客户在同一美联社传送或接收数据在一个时间段。同时,为了避免传输碰撞,影响客户从邻国APs调查应该在不同的时段。因此,一个变量定义表示时间段分配给客户端吗然后正式这样的冲突约束可以表示如下: 在哪里是时间槽的数量,是一组客户,APs的集合。此外,并发的冲突约束轮询也可以描述一个轮询冲突图 ,每个顶点代表AP和之间存在一条边的两个顶点,如果干扰概率超过阈值 。图3展示了无线局域网的轮询冲突图部署图1。

请注意,轮询的问题可以解决冲突图的顶点着色算法。换句话说,分配时间槽中相应的AP网络相当于着色图中一个顶点。然而,这是一个K-colorable在图论问题,这是一个著名的np难问题。

4所示。信道分配算法

在本节中,我们提出了基于顶点着色CCA机制cochannel信道指配,其中包括一个基本的信道分配和一种改进的信道分配策略。此外,为了减少轮询开销,我们还提出一个优化的CCA,安排不同的信道访问优先级根据客户的负载级别。

4.1。基本的信道分配

的基本信道指配cochannel部署旨在避免干扰APs通过分配时间槽所有APs中基于PCF的无碰撞的方式。它包括两个组成部分。第一个是给定一个图着色算法 和颜色的数量 ,寻找一个可行的配色方案以最小数量的颜色。第二部分是一个有效的使用着色槽作业计划,也可以被描述为时段分配矩阵。

解决顶点着色问题,大量的启发式算法提出了图论和他们中的许多人已经应用于实践,如最大独立集(MIS) (17)和EXTRACOL (18都可以提供最优的结果。因此,我们使用MIS顶点着色图的算法来解决这个问题,实现基本的信道分配策略。描述的程序算法1。

我们构建的碰撞干涉图使用提出的干扰模型。然后,MIS算法应用于解决颜色问题反复和着色方案记录下来。之后,时段分配矩阵建立了着色方案和APs能调查显示关联客户在指定的时段。通过这个过程中,一个美联社无法调查它的任何关联客户当它的一个邻国APs接收或传送数据或其客户。

4.2。时间段预订计划

在基本信道指配,APs的一部分在某些时段可能闲置。充分利用这些空闲时间槽,提高信道利用率,提出一种改进的信道分配机制,称为时间段预订(TSR)计划。至关重要的是,美联社调查其关联客户可以在空闲时间槽通过查询轮询所有邻近APs的列表。如前一节中所述,这些支持的查询可以交流与全球网络相邻表和数据传输动态信息。因此,我们定义的变量表示客户的设置在承运人APs的传感范围。描述的程序算法2。

空闲APs在下一个时间段查询集组成的所有相邻APs和查询轮询所有邻近APs组列表 。,APs可以判断下一个轮询客户满足约束的冲突,从而避免干扰邻近APs的下一个轮询。通过这个过程,同时调查周边APs是允许的,因而提高信道利用率。并行数据传输的例子如图1是客户端3可以传输数据所需的轮询AP2 AP1时传输数据到客户端1。然而,在遗留IEEE802.11 DCF或PCF标准,这种并发性不能发生由于CSMA / CA机制。

4.3。优先通道访问策略

一些不良的调查发生将导致带宽的浪费如果美联社民调一些客户没有发送或接收数据。因此,两种优先级客户端轮询机制提出了基于排队论在一些文献[19- - - - - -21]。然而,由于PCF的副作用,他们的工作效率在多个APs cochannel部署和高密度无线局域网。因此,尽量减少浪费带宽和轮询开销,我们提出一个优化的CCA战略,将客户分为三类,调查他们在不同的优先级。描述的程序算法3。

在这一战略中,一个额外的字段是用来描述客户是否需要传输数据。美联社的轮询客户列表分为三类:(1)客户端上行和下行数据,(2)客户提供上行或下行数据,和(3)客户不需要传输的数据。美联社民调优先级最高的客户类别1,假设的概率是多少 。然后,调查客户类别2和3的概率 。请注意,概率的值应该调整和轮询列表应该根据实际网络情况更新。指出,只有一个简单的数据帧的修改客户端需要适应这种机制。在遗留IEEE802.11标准,一位字段“帧控制”领域的“数据”是用来表示,更多的数据将从美联社传播到一些客户睡觉。在我们的算法中,这个标志位也被客户;因此,额外的修改为客户几乎不发生。此外,该时间段分配基本信道分配和提高信道指配只有当干扰或更新网络拓扑变化。因此,这两种机制的开销可以忽略不计,而网络中的数据流量。

5。业绩评估

5.1。仿真的方法

OPNET14.5在本节中,我们进行模拟,评估拟议的CCA CCA和优化机制,并比较它们与基本DCF法和TMCA算法(22]。在仿真中,我们设置FTP服务器来模拟真实的网络流量和一半的上行和下行流量,分别。实验参数如表所示1。客户是随机分布在1000×800 m²场和每个客户端与AP根据最大的RSSI前一节中提到的机制。我们获得每个客户端利用的传输速率传输速率之间的关系和信号干扰加噪声比(SINR) ,表所示2(23]。

我们评估性能的传输延迟、丢包率、吞吐量和网络场景下的基本和高密度网络部署。传输延迟是指从源端发送时间的平均时间在目标客户,接待时间计算 在哪里成功传输数据帧的数量和吗和的接收和传输时间是分别th数据帧。

5.2。模拟在基础网络部署

基本的网络部署如图4。两个APs是部署在紧密耦合和松散耦合的情况,表示APs有相同的覆盖重叠区域,但他们可以直接或间接相互干扰,分别。

5.2.1。传输延迟

我们首先检查光纤的传输延迟,CCA,密度和CCA优化算法在不同客户端,客户端数量的增加从5到30为每个AP,如图5三种算法的传输延迟增加,增加客户的数量。合理,更多的客户导致更高的碰撞概率。然而,我们建议的CCA CCA和优化算法执行几乎同样和更好的与DCF部署计划紧密和松散耦合。我们算法的延迟降低45%在紧密耦合和松散耦合的32%。

5.2.2。丢包率

我们也评估各种客户机密度下的丢包率。图6显示了三种算法的仿真结果。显然,我们提出的算法可以实现略低丢包率紧密和松散耦合的部署。原因是我们的算法利用分时调度策略,它可以减少发生冲突,从而导致较低的丢包率。

5.2.3。网络吞吐量

图7显示了平均网络吞吐量随着网络密度的变化趋势。当客户的数量为每个AP不是超过20,DCF算法获得更好的吞吐量与CCA CCA和优化算法相比,这可能是由于小通道碰撞和较低的网络开销DCF机制,当网络密度很低。然而,网络吞吐量的DCF方法开始减少,随着越来越多的客户争夺渠道。我们提出的算法在高密度部署仍然保持高吞吐量。显然,CCA优化算法可以实现更高的吞吐量与其它算法相比在高密度网络,这是由于优先级调度策略有效地执行。

5.3。模拟在高密度网络部署

我们也评估了算法和TMCA算法在更复杂的密度和更高的网络;在图所示的场景8。

5.3.1。传输延迟

图9显示了我们提出的算法的传输延迟和TMCA算法拓扑数据中描述6(一)和6 (b)。CCA CCA和优化算法有更好的表现,他们可以减少15%的传输延迟比TMCA算法。TMCA算法表现糟糕在高密度部署算法由于其二进制退下。然而,我们提出的算法可以操作通道访问APs的协调,从而导致有限的访问延迟。

5.3.2。丢包率

图10显示丢包率为5和9 APs的部署在不同客户端密度。显然,我们建议的CCA CCA和优化算法可以实现较低的丢包率与TMCA算法。TMCA算法只有三个nonoverlapped通道可用,可引起严重的cochannel干扰当超过三APs部署在相同的重叠区域。然而,我们提出的算法能够协调美联社操作以减少碰撞和丢包率。

5.3.3。网络吞吐量

CCA, TMCA CCA和优化算法也评估的归一化吞吐量计算 在哪里测量数据和吗和最大和最小的测量数据,分别。图11显示仿真结果为每个AP增加客户的数量从5到30。TMCA算法的吞吐量时,我们提出的算法略高于客户的数量小于20。但随着客户数量的增加,TMCA算法的吞吐量的降低而CCA CCA和优化算法始终保持在一个较高的水平,他们可以实现与TMCA相比提高10%,这是由于更多的碰撞TMCA算法只使用三个nonoverlapped频道。与此同时,优化CCA算法执行更令人印象深刻,因为它优化调度策略,减少了轮询的客户数量没有数据传输,从而提高吞吐量。

6。结论

在本文中,我们提出一个基于PCF机制多个信道分配算法APs cochannel部署场景。我们现在网络和干扰模型和制定的信道分配问题成为一个顶点着色问题。我们建议CCA算法分配频道基于顶点着色的方法,然后,通过应用时间段预订,使额外的调查来提高信道分配的效率通过时间段预订。此外,还提出了一种优化的CCA方法通过分类和优化客户询列表减少空投票。最后,我们评估了算法在不同网络密度,这表明,我们的算法可以获得高吞吐量、低丢包率和有限的访问延迟。

信息披露

数据3,4,8和表1被许可转载Springer性质:第六届计算机科学在线会议程序(CSOC2017)(一本小说同信道基于PCF的部署算法在多个APs和高密度无线局域网,Jianjun Lei和江Jianhua) 2017年版权。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Fengjun商导致呈现优先通道访问策略和指导的评估实验优化CCA机制。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持的中国(61672004),该计划创新团队建设在高等教育机构在重庆(CXTDX201601021)和重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ1500439)。本文提出了在Springer CSOC2017部分。作者要感谢匿名CSOC2017评论者对他们有用的评论早期版本的这项工作。

引用

1. s . Fiehe j . Riihijvi, p . Mahonen”试验研究IEEE 802.11 n的性能和影响的陷在2.4 GHz的ISM波段,”ACM IWCMC,47-51,2010页。视图:谷歌学术搜索
2. d .锣和杨y”,美联社协会802.11 n无线局域网与异构客户,”《IEEE计算机通讯大会上(信息通信的12)2012年3月,页1440 - 1448。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. t Cuzanauskas和a . Anskaitis Multi-polling游戏IEEE 802.11网络”学报》第三届IEEE进展研讨会信息,电子和电气工程(AIEEE 15),2015年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. d .赵、m .朱和m .徐”利用SDN和OpenFlow减轻干涉企业无线局域网,“网络杂志,9卷,不。6,1526 - 1533年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. Lei和j·j·江”,小说同信道基于PCF的部署算法在多个APs和高密度无线局域网”《第六届计算机科学在线会议(CSOC 17)卷,575年,第135 - 126页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. m . Achanta方法和装置至少拥挤的通道扫描无线接入点。美国,20060072602,2006。
7. h, h .霁,w . Ge”信道分配和公平multi-AP WLAN基于分布式协调功能”学报2011年IEEE无线通信和网络会议(WCNC 11)2011年3月,页392 - 397。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. t . w . y . Liu, b . Wang,美国,和y .夏,“计量渠道管理在无线局域网,”2010年IEEE无线通信和网络研讨会论文集(WCNC 10)2010年4月,页1 - 6,。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. c c。许,Y.-A。梁,张炳扬,j·l·g·戈麦斯。周,C.-J。林”,在无线局域网分布式灵活的信道分配学报2013年IEEE无线通信和网络会议(WCNC 13)2013年4月,页493 - 498。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. b·考夫曼f . Baccelli a . Chaintreau诉Mhatre k . Papagiannaki和c . Diot”计量干扰802.11的自组织无线接入网络,”IEEE INFOCOM学报》2007:26日IEEE计算机通信国际会议2007年5月,页1451 - 1459。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. h, h .霁,w . Ge”信道分配和公平multi-AP WLAN基于分布式协调,”学报2011年IEEE无线通信和网络会议(WCNC 11)2011年3月,页392 - 397。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 李y, z d,冯,张平,“公平为上行和下行信道分配和功率控制认知无线电网络”学报2011年IEEE GLOBECOM研讨会(GC Wkshps 11)2011年12月,页591 - 596。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. y, y, y, j .毛和y . Liu”联合信道分配和功率控制方案干预缓解高密度无线局域网,”学报》第十五届IEEE国际通信技术(国际会议13)2013年11月,页98 - 103。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. d .锣、y杨和h·李,“高通量无碰撞客户机轮询multi-AP无线局域网,”学报》第54届IEEE全球电信会议:“激励全球通讯”(GLOBECOM 11),2011年12月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. y Bejerano和r s Bhatia MiFi:公平的框架和QoS保证现有的IEEE 802.11网络与多个接入点,”IEEE / ACM交易网络,14卷,不。4、849 - 862年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. h . Nishimura r .藤原,m .宫崎骏和m . Katagishi”访问点之间无碰撞轮询的分布式实时网络合作,”第26届IEEE学报》年度个人国际研讨会,室内,和移动无线电通信,PIMRC 2015,页1057 - 1061,中国,2015年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 美国Gualandi和f . Malucelli图着色问题的精确解通过约束编程和列生成,“通知杂志上计算,24卷,不。1,第100 - 81页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
18. 问:吴和j·k·郝着色大型图基于独立集提取、”电脑和运筹学39卷,第290 - 283页,2012年。视图:谷歌学术搜索
19. L.-Y。包,D.-F。赵,Y.-F。赵”,一个有效的轮询方案为无线局域网,”学报2010年国际会议上计算机的设计和应用,ICCDA 20102010年6月,页V4540-V4544、中国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 问:刘、d .赵和h .叮”PCF MAC协议,一种改进的轮询方案”学报》第七届国际会议上无线通信、网络和移动计算(WiCOM 11)2011年9月,页407 - 411。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. J.-Y。Yeh和c·陈,“支持IEEE 802.11 MAC协议的多媒体服务,“IEEE国际会议交流1卷,第604 - 600页,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. d .龚m .赵、杨和y”在多速率802.11 n无线局域网信道指配,”学报2013年IEEE无线通信和网络会议(WCNC 13)2013年4月,页392 - 397。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 崔y、w·李和x Cheng”部分重叠的信道分配基于“节点正交性“802.11无线网络,”IEEE INFOCOM学报》20112011年4月,页361 - 365。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2018 Jianjun Lei et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。