專利名稱：用于平衡在無線局域網中的接入點上的負載的方法和設備的制作方法
用于平衡在無線局域網中的接入點上的負載的方法和設備 相關申請
本申請涉及2006年4月20日提交的標題為"Cell Breathing Techniques for Load Balancing in Wireless LANS"的美國臨時專利申^青 No. 60〃93305并且要求其優先權權益，該申請的公開內容被全文結合在 此以作參考，就象是在此被全文闡述一樣。
背景技術：
在無線局域網(WLAN)中，無線設備掃描所有可用信道以便檢測 出附近的接入點(AP)，并且隨后將其自身與具有最強的接收信號強度 指示(RSSI)的AP相關聯，而不考慮該AP上的負載或者其他附近AP 上的負載。關于運轉中的IEEE 802.11 WLAN的最近研究表明，業務負 載通常不均勻地分布在WLAN內的各AP之間。 一般來說，在任何給定 的時間點， 一些AP往往承受重的負載(所謂的"擁塞"AP)，而其他 AP則不然。這種情況造成WLAN內的負載不平衡。負載不平衡是不合 期望的，這是因為其阻礙網絡完全利用其容量，并且阻礙所述網絡按照 公平且均勻的方式提供服務。
當前，所述IEEE 802.11 WLAN標準沒有提供用于解決負載不平衡 的規定方法。為了克服這一缺陷，學術界以及行業內都已經提出了各種 負載平衡方案。這些方法當中的大多數都采取了通過在由用戶操作的設 備(例如計算機)中布置專有客戶端軟件或者專門設計的WLAN卡來直 接控制用戶-AP關聯的方法。在這些方法中，AP通過經過修改的信標消 息向用戶設備(有時僅僅稱為"用戶，，)廣播其負載水平，并且每個用 戶選"^負載最輕的AP。
雖然這種用戶選擇方法可以實現負載平衡，但是把專有客戶端軟件 /硬件布置到所有(或者大多數)用戶設備是難以實現的。例如，當今用 戶訪問多種WLAN,比如旅館、機場、購物中心以及大學校園。這些不 同的網絡由不同的組織管理，所述不同的組織最有可能采用了不同的負 載平衡機制。期待用戶具有多個不同的客戶端模塊(其中每一個客戶端 模塊對應于一個不同的網絡)是不切實際的。
5因此，希望提供不需要使用專有客戶端模塊等等的新的負載平衡方案。
其他類型的網絡也面臨著負載平衡挑戰。例如，在CDMA蜂窩網 絡中，在某一小區內的激活的用戶數目的增大導致在該小區的基站處所 感測到的總干擾的增大。這導致所述小區變得擁塞。當一個小區變得擁 塞時，由該小區內的用戶所操作的設備需要在更高的功率電平下進行發 射以便克服所述干擾的影響，從而確保在可接受的信干比下接收到由所 述設備發送到基站的信號。隨著某一小區內的功率電平增大，所生成的 信號導致對相鄰小區的干擾增大。結果，包含這種小區的網絡的總容量 開始減小。為了克服所述不合期望的干擾增大，已經開發了所謂的"小 區呼吸"技術。然而一般來說，針對CDMA網絡所開發的現有的小區 呼吸」技術在WLAN中無法良好地工作。
由于WLAN面臨著與CDMA網絡中類似的負載平銜j兆戰，因此本 發明的發明人開始研究如何解決這些挑戰，而這首先是通過認識到現有 的小區呼吸技術的缺點。例如參考

圖1 (a)，其中示出具有3個AP即 a、 6和c的WLAN 1，假設所述AP在相同的最大功率電平下進4亍發射。 為了簡單起見，將為每一個AP分配一定數目的用戶。在圖l(a)中， 初始地為AP a分配1個用戶，為AP Z)分配8個用戶，并且為AP c分配 1個用戶。在該例中，把一個AP的負載定義成為其分配的或者與其相 關聯的用戶的數目。在這種情況下，AP6具有比APa和APc高得多的 負載。根據現有的小區呼吸技術，為了減小AP6上的負載，必須減小 其發射功率。這導致6的傳輸范圍/小區尺寸的減小。在圖1 (a)中， 所述范圍例如從邊界101縮小到邊界102。如圖1 (a)所示，與AP 6 相距最遠的4個用戶/設備1-4受到所述小區尺寸減小的影響。在其原始 尺寸下，用戶l-4處在所述小區內，因此處在AP6的傳輸范圍內。隨著 所述小區從尺寸101縮小到102,所述用戶l-4發現其自身恰好位于AP 6的范圍的邊緣處(當然有時處在所述范圍之外)。隨著與AP6相距更 遠，通常會導致在用戶1-4所使用的設備處的信號質量降低。響應于檢 測到較低的信號質量，由用戶1-4所使用的所述設備啟動掃描操作，以 便選擇與更高信號質量相關聯的AP。例如，圖1 (a)中的兩個用戶1-2 可以;險測到來自APa的更高信號質量，而用戶3-4 4會測到來自APc的 更高信號質量。 一旦檢測到更高信號質量之后，根據現有的小區呼吸技術，所述用戶被分別轉移到APa和APc。如圖1 (b)中所示，凈效果 是把所述負載/用戶更為均勻地分布在WLAN 1內(即因為現在有3個 用戶4皮分配到AP a, 4個^皮分配到AP 6,以及3個4皮分配到AP c )。
然而，AP 6的發射功率的減小會影響AP 6與其小區內的所有用戶 (而不僅僅是用戶l-4)之間的信道/鏈路的信號質量。因此，沒有被轉移 到另一個AP (即與AP6保持關聯)的用戶/設備5-8也檢測到較低的信 號質量。作為響應，由用戶5-8使用的設備可能必須以較低的比特率進 行傳送。在較低的比特率下，可能要花費更長的時間以把信息(有時稱 作"業務")從用戶5-8傳送到AP 6。(如果不僅考慮用戶數目而且還 考慮有效用戶吞吐量來確定AP負載的話)這實際上增大了由每一個用 戶5-8加在AP6上的負載。因此，現有的小區呼吸技術不是減小AP上 的負載，而是可能實際上增大所述負載。
因此，希望提供避免或者最小化無線網絡內的負載不平衡的方法和 設備。特別地，希望提供可以被用來最小化WLAN內的負載不平衡的更 加有效的小區呼吸技術(以及相關聯的設備)。
發明概要
本發明的發明人發現了可以最小化無線網絡(比如WLAN)內的負 載不平衡而同時避免上面描述的不平衡的方法和設備。根據本發明，把 用來發射數據/業務的發射功率電平與用來發射信標消息的發射功率電 平分開；其中僅僅降低后者。
通過保持由某一 AP用來發射數據的功率電平，該AP的范圍之內 的設備的發射比特率得到保持。然而，由于一個AP內的每一個用戶/設 備或者逼近某一 AP的用戶/設備通過檢測及評估來自其當前被分配到 (或者設法變成分配到)的該AP的單獨信標消息的信號質量來確定是保 持分配(或變成分配)到現有的AP還是切換到另一個AP,因此通過降 低被用來發射信標消息的功率電平，本發明實際上縮小了 AP的(多個) 小區的尺寸。因此，這阻止新的用戶變成分配到某一 AP。在某一AP已 經擁塞的情況下，這防止該AP變得更加擁塞。
減小某一 AP上的業務負載是避免負載不平衡的解決方案的一部 分。另一部分是把業務從一個AP導向或者重導向(通稱為"導向，，) 到一個沒有過載的相鄰AP。減小一個AP上的業務負載與增大某一合適的相鄰AP上的負載的 組合可以平《lf WLAN內的業務負載。
與主要依賴于局部優化試探法來平衡WLAN內的業務負載的先前 嘗試相對比，本發明使用最優小區尺寸確定方法(以及相關聯的設備) 來找到確定性的處V、值-處乂值負載平衡解。
WLAN負載平衡的大多數現有提議不同，本發明的方法和設備不需要用 戶協助或者對現有的802.11標準進行修改。
代之以，可以通過改變控制現有設備的軟件來實施本發明所提供的 方法。更具體來說，例如可以通過改變由位于網絡運營中心(NOC)處 的網絡控制器或管理單元所使用的軟件來實施本發明所提供的方法。
在本發明的一個實施例中，所述控制器可操作用于通過改變某一 AP的信標消息的發射功率而不改變該AP的數據業務信道的發射功率來 減小該AP的小區尺寸。此后，所述控制器把接近所述小區的邊界的用 戶/設備導向較不擁塞的AP。當今可用的AP已經支持多個發射功率電 平，因此本發明的發明人相信，例如可以通過把軟件更新分發/下載到現 有的AP來容易地實施本發明。
此外，由本發明所提供的新穎的小區呼吸方法不限于特定的負載定 義，而是支持寬廣的負載定義范圍。負載貢獻可以簡單地為與某一 AP 相關聯的用戶的數目，或者可以更為復雜，以便考慮比如有效發射比特 率、平均業務需求或者倍增用戶負載貢獻等因素。
在本發明的其他實施例中，操作在網絡運營中心(NOC)等處的由 本發明所提供的方法和控制器收集來自各AP的負載和關聯信息(例如 通過簡單網絡管理協議"SNMP"消息來收集)。取決于所述可用信息 的范圍，隨后可以使用兩種^t型或方法(這兩個詞在此可以互換使用) 的其中之一來實施負載平衡。第一種是^全糴識(CK)模型，其中對于 所有可能的信標功率分配先驗地知道潛在的用戶-AP關聯及其相應的 AP負載。由于可能無法很容易獲得這種信息，因此本發明還提供一種 有艱余識(LK)模型，其中僅僅可以獲得對應于當前信標功率分配的用 戶-AP關聯和AP負載。所述CK模型充當用于更為實際的LK模型的構 建塊。
一般來說，由本發明所提供的每一種所述模型涉及兩個步驟。第一步是最小化在最擁塞的各AP上的負載，其負載被稱作^^J:-戎。本發 明提供用于找到最優解的兩種多項式時間算法/方法(此后稱作"方法")， 每一種方法對應于一種模型。這是很重要的成就，因為已經知道負載平
衡問題是強NP難度問題(即很難在確定時間量內解決)。此外，特別 重要的是本發明的發明人已經發現了 一種可以被用在所述LK模型中的 多項式-時間最優方法。根據本發明，被提供來解決負載平衡問題的解是 基于由本發明的發明人所發現的以下認識只要當前AP功率電平設置 "支配，，最優功率電平設置(即每一個AP所具有的功率電平等于或高于 最優解中的功率電平)，就仍然可以通過實施一個功率降低操作序列來 獲得最優解。在本發明所提供的一種示例性方法中，從最大功率電平開 始迭代地降低所選的AP集合的功率電平。在所述CK模型中，使用瘋 謬菜合的概念來確保收斂到最優解。在降低了所述瓶頸集合中的所有 AP的功率電平之后，保證每一個AP的負載保持等于或嚴格低于所述功 率電平降低之前的初始擁塞負載。對于所述LK模型，使用一種被稱作 "處說'炎在記z秀"的不同方法，其中逐漸地降低擁塞AP的功率電平，直 到無法再進一步降低所述功率，同時一直記錄在每次功率降低之后所找 到的最佳解。
第二步涉及解決找到(多種)所謂的處V、值-處乂值負載平衡解的問 題。雖然出于清楚/簡潔起見在此省略了證據，但是本發明的發明人已經 發現/證明這也是一個待解決的強NP難度問題，并且不存在對解進行近 似的可接受方法。更具體來說，本發明的發明人證明，不存在保證任何 坐標態近似比的方法，并且任何前置和近似算法的近似比都至少是/y/og "」，其中"是所述網絡中的AP數目。不爭的是，本發明的發明人發現 了所述處V、值-處義值問題的被稱作的一個變型，其 中對于全部兩種模型都可以按照多項式-時間計算該變型的最優解。在優 先級負載平衡中，所述AP負載被定義為該AP的相關聯用戶的聚集負 載貢獻與唯一的AP優先級的有序對。利用最優狀態記錄，構造了一種 迭代地計算(多種)處V、值-處義值優先級負載平衡解的每一個坐標的方 法。
附圖簡述
圖1 ( a)和(b )描繪了被用來說明本發明的特征的WLAN的例子。圖2 (a)和(b)描繪了被用來說明本發明的特征的WLAN的附加 例子。
圖3描繪了根據本發明的可以被用來計算"瓶頸集合"的軟件程序 的例子。
圖4描繪了可以被用來執行本發明的完全知識方法的軟件程序的例子。
圖5 (a)到(d)描繪了作為執行本發明的完全知識方法的結果對 WLAN的改變的例子。
圖6描繪了可以被用來執行本發明的有限知識方法的軟件程序的例子。
圖7 (a)到(d)描繪了作為執行本發明的有限知識方法的結果對 WLAN的改變的例子。
圖8描繪了可以被用來執行本發明的處V、值-處義值優先級負載平 衡方法的軟件程序的例子。
圖9 (a)和(b)描繪了作為執行本發明的處V、值-處義值優先級負 載平衡方法的結果對WLAN的改變的例子。
法之間的差異的曲線圖。
表I是在本討論中使用的 一 些符號及其示例性含義的列表。
表II描繪了對應于執行由本發明所提供的有限知識方法的控制器
等的示例性運行時間統計量。
發明實例詳述
再次參考圖1 (a),其中示出具有由a-c表示的AP集合的WLAN 1000。雖然沒有示出，但是應當理解，所有APa-c可以直接被附著到有 線基礎設施(例如因特網)。每一個AP"-c具有特定傳輸范圍，并且其 只能服務于處在其范圍內的那些用戶1-8。此外，每一個APa-c可以被 配置成使用多個發射功率電平的其中之一。為了簡單起見，可以假設所 述AP a-c被布置成確保其范圍之間的高度重疊，從而使得每一個用戶 1-8被至少一個AP所覆蓋，即使當所有AP都在最低功率電平下進行發 射時也是如此。
此外，可以^i設用戶1-8具有準靜態移動性;溪式。換句話說，用戶
10可以自由移動，但是他們往往在長時間段內停留在相同的相對位置處。
在任何給定時間段內，每一個用戶1-8與單個AP a-c相關聯。每一個 APa-c周期性地發射信標消息，以便"通告"它的存在。當某一用戶進 入WLAN 1000時，其相關聯的設備掃描該WLAN 1000內的所有信道， 以便檢測所述信標消息。在檢測到信標消息之后，所述用戶的設備還可 操作用于測量所檢測到的每一條消息的RSSI。 一般來說，所述設備隨后 啟動一個過程以便產生在該設備和與最強測量RSSI相關聯的AP之間的 鏈路。此后，每當所述用戶建立的所述鏈路的信號質量開始惡化到低于 特定閾值時，與該用戶相關聯的所述設備就再次啟動一個過程，其中所 述過程掃描所有所述信標消息以便確定是否有更強的信號，如果有的 話，則所述用戶/設備嘗試建立和與所述更強信號相關聯的AP的新的鏈 路。
剛剛描述的方法通過阻止新的用戶變成與擁塞AP相關聯來平衡 WLAN內的各AP上的負載。然而這可能無法立即緩解擁塞AP。為了立 即緩解(即負載減小)，需要把已經與所述擁塞AP相關聯的用戶/設備 從該擁塞AP重新分配走。為此，需要一種可謂鼓勵這種用戶/設備調用 其掃描操作以便檢測來自另一個AP的信標消息的方式。有多種方式可 以實現這一點。 一種方式是在改變了某一 AP的小區范圍之后觸發關聯 轉移。在下文中我們將僅僅討論信標消息的功率電平。也就是，除非另 有說明或者除非上下文另有所指，否則當在下文中使用術語"發射功率" 或"功率電平"或"狀態"時，所述術語僅僅涉及被用來發射信標消息 的功率。
如上所述，最小化負載不平衡的第一步是最小化WLAN內的各AP 上的負載。在本發明的一個實施例中，所述CK模型被用來最小化負載。 在一個替換實施例中使用所述LK模型。
當某一網絡(例如NOC內的控制器)能夠檢測或者收集與WLAN 內的每一個用戶-AP對相關聯的潛在信號衰減和負載貢獻時，可以說該 網絡具有"完全知識"。當所有所述用戶收集來自所有附近AP的RSSI 信息并且將其發送到位于所述NOC處的控制器時，完全知識狀態是可 行的。遺憾的是，這種能力當前在大多數現有WLAN中不可用。然而所 述CK沖莫型仍然可用作使用當前負載和用戶分配的所述LK才莫型的構建 塊。當某一網絡(例如位于NOC處的控制器)僅僅能夠檢測或收集涉
及當前被分配到每一個AP的用戶集合以及每一個所述用戶在其被分配 到的該AP上的負載貢獻的信息時，可以說該網絡具有有限知識。
根據本發明的一個實施例，在所述CK模型中，控制器可能能夠先 驗地確定所有潛在狀態下的用戶-AP分配/關聯，而無需實際改變WLAN 的狀態。這允許所述NOC執行對應于所期望的狀態的離線計算。這種 離線計算在所述LK模型中是不可行的。
為了克服與任一種模型收斂(即雖然在某一擁塞AP上的負載減小， 但是在另一個AP上的負載增大)到最優平衡狀態相關的問題，本發明 使用下面兩種附加方法。對于所述CK模型，本發明首先計算所謂的瘋 謬桌合^,舉錄。這種方法涉及執行單調收斂到最優狀態的集合功率降
低序列。這確保擁塞負載不會增大。對于所述LK模型，本發明首先使 用處說7義》記^。在該方法中，保留至今為止所找到的最佳狀態的記錄。
根據本發明，可以把瘋資桌合定義為包含所有擁塞AP(具有負載Y ) 以及作為實施集合功率降低的結果而其負載可能升高到Y或更高的所 有AP的最小AP集合。本發明的發明人開發了對應于所述瘋謬桌合的 正式表達式。然而，對于理解本發明而言，不需要該表達式，并且在此 省略了該表達式。代之以，現在給出瘋資菜合的一個例子。
考慮圖2(a)中示出的WLAN 2000。當AP a、 6具有相同的功率 電平時，AP "的功率電平的降低將其負載從3減小到1,同時把AP 6 上的負載僅僅增大到2。因此，可以說所述瓶頸集合在此刻僅僅包含AP a。然而如2(b)中所示，當a的功率電平低于6時，降低6的功率電 平將把其負載從2減小到0，并且把a的負載增大到3。在這種情況下， 所述瓶頸集合包含AP"和6。為了完整起見，在圖3中描繪了可以被用 來計算瓶頸集合的由本發明所提供的軟件程序/例程的 一個例子。
如果控制器具有某一 WLAN的完全知識，則可以容易地計算該 WLAN的瓶頸集合。首先，計算每一個APa與每一個用戶之間的RSSI。 該信息允許所述控制器確定初始的用戶-AP分配/關聯、每一個AP a上 的負載、以及最大負載Y。所述控制器可以利用由本發明的發明人所開 發的公式從中計算瓶頸集合。同樣，這種公式的細節對于理解本發明并 不是必要的，盡管如上所述，在圖3中闡述了計算瓶頸集合的例程的一 個例子。可以這么說，由本發明的發明人所導出的所有證據的凈結果是以下發現對應于給定WLAN的瘋謬桌合是包含利用功率降低而到達的 擁塞AP集合的最小AP集合，其中所述功率降低不會把任何其他AP上 的負載增大到最大負載Y或更高。在計算了所述AP的瓶頸集合之后， 由本發明所提供的控制器接下來使用該集合來最小化WLAN內的各AP 上的擁塞，其中所述控制器具有該WLAN的完全知識。
根據本發明的一個實施例，所述CK方法通過初始地-底設所有AP 都處在最大功率狀態下并且在其最大發射功率下進行發射來最小化擁 塞。隨后，由根據本發明的控制器執行的所述CK方法迭代地計算瓶頸 集合。利用所計算的集合，所述方法接下來確定是否需要應用另一個功 率降低操作或者是否找到了最優狀態。為此，所述CK方法利用兩個終 止條件(即觸發功率降低結束的條件)。第一個條件確定所述瓶頸集合 是否等于AP的完整集合。當某一WLAN內的所有AP上的負載都平衡 時，該條件可以得到滿足，從而進一步的功率降低將導致一些AP變得 更加擁塞而不是變得較不擁塞。第二個條件確定所述瓶頸集合是否包含 利用最低功率電平進行發射的AP。如果是的話，則無法均等地降低所 述瓶頸集合中的所有AP的功率電平，并且終止所述方法。這種情況通 常在所述CK方法確定某一 WLAN內的各AP上的負載不平4軒并且繼續 嘗試通過反復降低各擁塞AP的功率電平來減小所述最大負載時發生。 在圖4中示出用于實施根據本發明的CK方法的軟件程序或例程的一個 例子。
圖5 (a)描繪了 WLAN 3000的一個例子，其中已經利用本發明的 示例性CK方法最小化了 WLAN 3000內的AP a、 6和c上的擁塞。如 所示，除了APa、 6和c之外，WLAN 3000包含示例性的用戶Ul、 u2、 u3、 lu以及控制器3001。根據本發明的實施例，AP a、 6和c可操作用 于為所述控制器3001提供其相關聯的用戶、負載和附加的相關信息。 在接收到并且分析了該信息之后，所述控制器3001可操作用于執行由 本發明所提供的方法，其中包括當前所討論的所述CK方法。
繼續地，每一個APa、 6和c可以操作在3個不同的功率電平0、 1 和2下。在圖5(a)中，用戶-AP分配/關聯被描繪為實線或虛線，其中 實線表明每一個所述AP何時在相同的功率電平下進行發射(默認關 聯)，虛線則表明其他可能的關聯。每一條線上的數字表明某一用戶對 其相關聯的AP上的負載的貢獻。例如，m只能與a相關聯，并且貢獻負載4。 U3可以與每一個所述AP相關聯，并且其貢獻負載2。 113優選 地選擇具有最高功率電平的AP,但是在不分高低的情況下其優選c。如 果c正在低于a和6的功率電平下進行發射，則其優選6。星號表明需 要兩個功率電平的間隙來轉移用戶，例如只有在AP a的功率電平為0 并且AP6的功率電平為2時，U2才能把其關聯從a改變到6。
在圖5 (b)中示出的初始狀態下，所有AP具有相同的功率電平/ 指數2,并且每一個APa、 6和c上的負載分別是7、 0和12。在由本 發明所提供的CK方法的第一次迭代中，計算瓶頸集合("B")并且 把APc識別為包含在該集合中。另夕卜，把c的功率電平降低到1。因此， u3把其關聯改變到AP 6。在圖5 ( c )中示出了新的用戶-AP關聯和負載。 注意，6仍然是擁塞AP。然而，通過附加地降低由AP c所用來發射信 標消息的功率電平將導致用戶U4把其關聯改變到AP 6,從而導致AP 6 上的負載變為17。因此，在圖5(d)中示出的第二次迭代中，所述瓶 頸集合將同時包含c和6。由于/ cK),因此這是最后一次迭代。在圖5 (d)中示出的最終狀態最小化擁塞，但是不會平衡非擁塞AP上的負載。 這留到后面討論的本發明的第二步。
在又一個發現中，本發明的發明人發現由本發明所提供的所述CK 方法總是找到最小化WLAN的擁塞負載的最優狀態。本發明的發明人開 發了用來支持這一發現的證據。然而，對于理解本發明而言并不需要這 些證據，因此為了清楚和簡潔起見省略了所述證據。例如并不需要所述 證據來理解可以如何使用所述C K方法來最小化擁塞。
現在把我們的注意力轉向本發明的 一 個替換實施例，在不能獲得 WLAN的完全知識時，該替換實施例可以被用來最小化擁塞。該笫二實 施例是所述(多種)LK方法。與CK方法不同，無法預先計算AP的瓶 頸集合。
然而，上述障礙被本發明的發明人以下發現所克服只要網絡(例 如WLAN )的狀態是次最優的(例如WLAN內的各AP上的負載不平衡) 并且該狀態支配最優解，則到與擁塞AP集合相關聯的信標信號的功率 電平的同時降低序列就導致收斂到最優狀態(即收斂到平衡WLAN內的 負載的最優功率電平)。這一發現產生了其自身的兩難識別出與這種 最優解相關聯的終止條件(即何時停止所述降低)的挑戰。如果沒有終 止條件，則所述降低序列可能最終生成次最優解。為了確定這種條件，由本發明所提供的所述LK方法使用處炎'炎,在記^方法，該方法記錄/ 存儲對應于最低擁塞負載的所有AP的發射功率電平。更詳細地說，所 述最優狀態記錄方法定義兩個變量。第一個變量保存己記^炎,杏(例如 電平)，第二個變量保存與所述已記錄狀態相關聯的擁塞負載值，其被 稱作已記^#|,4'。
根據本發明的一個實施例，LK方法包括以下步驟。初始地，所述 方法開始于所有AP都操作在最大功率狀態(例如最大功率電平)下， 其中已記錄狀態(例如功率電平)和已記錄擁塞負載被初始化到某 一值。 隨后，迭代地計算所述擁塞AP集合D,并且只要所述集合Z)不包含處 在最低功率電平下的AP,其就迭代地降低集合D中的各AP的功率電 平。在每一次迭代之后測量新狀態的當前擁塞負載，并且如果所述當前 測量的負載低于先前存儲/記錄的擁塞負載，則存儲所述當前(降低的) 功率電平和當前擁塞負載以替代所述先前計算的電平和負載。在所述最 后一次迭代中，利用所述最后存儲/記錄的(降低的)功率電平/狀態來 設置所述各AP的功率電平。在圖6中示出用于實施本發明的LK方法 的軟件程序的一個例子。如下是可以如何通過控制器等執行該方法的一 個例子。
利用圖5 (a)中示出的WLAN 3000,可以看出在初始狀態下，所 有的AP"、 6和c都具有相同的功率電平/指數2。現在參考圖7(a)， 其中示出示例性的初始用戶-AP關聯和AP負載。在該例中，c是所述擁 塞AP。根據本發明，如圖7 (b)和7 (c)所示，所述LK方法在兩次 相繼迭代中把APc的功率指數降低兩次。在第一次迭代之后，c上的負 載從12降低到10,并且記錄/存儲該狀態。在第二次迭代之后，AP6變 為具有擁塞負載17的擁塞AP。在笫三次迭代中，所述LK方法降低AP Z)的功率電平/指數，并且用戶U3相應地改變其關聯。結果，APc再一 次變為所述擁塞AP。由于APc現在利用最低功率電平進行發射，因此 所述方法終止。最后，如圖7 (b)中所示，所述方法(例如控制器)利 用所述已記錄狀態來配置所述AP a、 6和c (例如向所述各AP分配功 率電平)。
如前所述，本發明的發明人發現所述LK方法總是找到最小化所述 網絡擁塞負載的最優狀態。同樣，雖然本發明的發明人開發了這一發現 的詳細證據，但是為了把當前的討論保持得盡可能簡單而省略了這些證據。
上面討論的完全和有限知識方法最小化網絡擁塞負載，但是不一定
會平衡非擁塞AP上的負載。認識到這一點，本發明提供能夠實現全部
兩個目的的方法(以及相關聯的設備，例如控制器)。
遺憾的是，實現上述目標通常要求解決"NP難度"(即無法確定 得到解所花費的時間)的問題，并且甚至很難找到近似解。盡管如此， 本發明的發明人還是發現了所述最小值-最大值問題的 一個變型，其被稱 作處V、值-處義值說'^j 4' 并且發明人還發現了可以在多項
式時間內(即在可以確定/近似的時間段內)找到的針對該變型的最優解。
在給出由本發明的發明人所發現的所述解之前，首先給出 一些附加 的背景信息。
一種用來評估負載平衡方法的質量的常用方法是確定其是否生成 最小值-最大值負載平衡解。通俗地說，如果無法在把另一個AP的負載 增大相同或更高的負載的情況下減小任何AP的負載，則把網絡狀態視 為是處V、值-處義值-戎"f錄的。本發明的發明人把狀態S的,4'關量Y 定義為包括按降序排列的每一個AP的負載的集合。此外，如果可行的 網絡狀態S的相應負載矢量Y具有等于或低于任何其他可行狀態S'的任 何其他負載矢量Y，的詞典(lexicographical)值，則可以說該網絡狀態S 是處V、值-處義值,戎"f錄的。
如上所述，所述找到處V、值-處義值負載平衡狀態的問題是待解決的 NP難度問題。應當理解，本發明的發明人開發了證明這一點的詳細證 據，但是與之前一樣，省略了這些證據以便簡化對本發明的解釋。此外， 本發明的發明人還開發了用來證明即使是"更簡單的"問題(即識別出 對應于已知的最小擁塞負載的最小擁塞AP集合的問題)就其本身也是 NP難度的證據。這些證據也^皮省略。
在認識到對這些問題的解也是NP難度之后，本發明的發明人接下 來發現了所述處V、值-I義值負載平衡問題的一個變型，并且隨后發現了 可以在多項式時間內計算的針對該變型的最優解。在由本發明的發明人 所發現的所述變型中，假設一個AP集合內的每一個AP具有^一說Vfe i^(其也被稱作農,w)。所述權重表明所述AP的重要性。本發明的 發明人還開發了新的AP負載定義，其被稱作說'^i^,4'。
例如，考慮具有優先級Wa的AP a,并且令la是其所有相關聯用戶的聚集負載。AP "的說^焱,4'由ya表示，其被定義為有序對ya=(la,wa)。 為了簡單起見，把某一AP的優先級負載稱作"^尸,4'"。因此，如果 y,(la,wa)具有高于y^f76，iV的詞典值(即滿足以下條件的其中之一 (1) la>4;或者(2) 13=/6并且wa>wb),則可以說APa具有高于AP6 的負載。
由于沒有兩個AP具有相同的優先級，因此沒有兩個AP具有相同 的(優先級)負載。這一認識導致本發明的發明人發現了下面的屬性 在任何網絡狀態下，所述擁塞AP集合總是包含單個AP("屬性r )。
在發現了所述襲V、值-^乂值負載平衡問題的一個變型之后，本發明 的發明人隨后致力于找到針對該問題的解。將在下面的段落中討論本發 明的發明人所發現的解。
為了簡化下面的解釋，將與先前描述的所述LK模型相結合地給出 由本發明所發現的所述新的襲V、值-處義值負載平衡方法。雖然這么說， 但是應當理解，還可以與所述CK模型相結合地使用所述處V、值-襲乂值 方法。
在本發明的一個實施例中，由本發明提供的處V、值-處義值負載平衡 方法迭代地識別出產生戎關# 丫*的處V、值-處義值說'克i^,4', ^^義,悉。此外，在任何迭代m中，所述方法結合了一個例程(比如上面 討論的LK或CK方法A莫型)以便計算最小化所述負載矢量的第m個坐 標的所述優先級負載的網絡狀態。由本發明所提供的所述襲V、值-處乂值 才法滿足兩個要求
〃 J每一次迭代m的初始狀態應當支配所述最優狀態；以及
G,在第m次迭代中計算的網絡狀態不應當影響(增大)已經由先 前的迭代所確定的AP上的負載。
為了滿足第 一個要求，由本發明所提供的一種襲V、值方法在 第一次迭代中開始于最大功率狀態，并且確保每一次迭代結束于最優解 的支配狀態。此外，為了滿足第二個要求，定義一個固定AP集合F, 其負載已經由先前的迭代所確定。初始地，所述集合F為空。在每一次 迭代中把一個新的AP添加到該集合中，直到F包含所有AP。把^^J:^ 4'y定義為任何非固定AP上的最大負載。從屬性l得出，在任何給定 時間僅有與所述擁塞負載相關聯的單個非固定AP (其被稱作源差J尸) d。在每一次迭代m中，所述處V、值-處義值方法可以調用LK方法(或 CK方法)來最小化所述負載矢量的第m個坐標。假設所述第一個要求 在所述迭代的開頭得到滿足，則生成并存儲3個變量(1)已記,秀* J",戲'y，其表明至此所找到的最優狀態的擁塞負載值；(2)己記z秀炎 ,悉變量S，其表明具有所述擁塞負載Y的第一個發現的狀態；以及(3) 己記^浙J:ylP A其標識與所述擁塞負載相關聯的AP。
根據本發明的另一個實施例，所述處V、值-處義值方法首先初始化所 述變量S、 Y和J。隨后，所述方法迭代地識別出所述擁塞AP,并且如 果該擁塞AP已經在最低功率電平下進行發射則該方法停止。如果不是 的話，則所述方法降低所述擁塞AP的功率電平，并且評估所述擁塞負 載以及所述固定AP (即已經在前一次迭代中計算出其發射功率的那些 AP現在是"固定的"或設定的)的負載。如果其中一個所述固定AP的 負載升高，則所述方法停止。這樣確保滿足所述第二個要求，以便保持 所述固定AP的負載。否則，如果發現了具有較低擁塞負載的狀態，則 所述方法通過更新所述變量來保持該狀態的記錄。最后，所述方法涉及 根據最后存儲的狀態(功率電平)來設置所述AP的功率電平，并且返 回所述已記錄狀態S和相應的擁塞AP丄換句話說，在功率電平降4氐之 后， 一個AP的功率電平變為固定的。隨后4巴該AP添加到所述固定AP 集合中。如果仍然有其功率電平尚未固定的一個或多個AP，則所述方 法通過計算另 一個非固定AP的功率電平而繼續。
所述方法可以調用所述LK或CK方法M莫型以便再一次最小化第 (m+l)個坐標的負載。在圖8中示出表示由本發明所提供的襲V、值-襲義 值方法的軟件程序或例程的 一個例子。下面是可以如何實施控制器以便 執行由本發明所提供的所述處V、值方法的 一個例子。
同樣，考慮圖5 (a)中示出的WLAN3000。在LK方法的第一次調 用之后，生成在圖9(a)中描繪的網絡狀態。如前面所證明的那樣，該 狀態支配最小化所述負載矢量的第一個坐標的任何其他狀態。第二次調 用所述LK方法生成圖9 (b)中示出的狀態，該狀態是該網絡的僅有的 處V、值-處乂值負載平衡狀態(不管AP優先級如何)。
本發明的發明人發現，由本發明所提供的所述處V、值-乂值負載平 衡方法總是找到最優負載矢量和處V、值-^義值負載平衡解。和前面一 樣，省略了所述證據以便進一步簡化對本發明的討論。
18在繼續討論本發明的其他特征之前，值得注意附加的一點。(通過 本發明的發明人所開發的證據)可以表明，由本發明的發明人所發現的 所述-V、值-處義值方法的復雜度是CY^-Z4A/^ (參見表I,其中的第 6、 1和13 4亍分別對應于《、爿和C/的定義)。
如前所述，由本發明所提供的每一種方法可以由控制器等執行。此
外， 一旦NOC已經執行了上面描述的任何一種方法之后，其可以進一 步可操作用于與其所屬的WLAN內的每一個AP交換消息、指令等等，
所生成的功率電平降低和用戶分配/關聯操作。
如果每當用戶到達或離開某一 WLAN時都要求控制器等執行上面 描述的優化方法，則可能會導致頻繁的關聯改變以及潛在地中斷正在進 行的用戶會話。為了避免這一問題，本發明的發明人開發了一種在線策 略，其用于在關聯改變的數目與保持最優的負載平衡的WLAN的期望之 間取得平衡。這種在線策略的基礎概念組合了 "全局優化"與"局部優 化"。
局部優化是這樣一種策略，其中每當 一個用戶到達和/或離開時連續 平衡WLAN的負載；而全局優化則涉及這樣一種策略，其中僅僅周期性
明所提-的二法'。^據本發明的一 個實施例,在'線策略使用;個配置參
數處V、,4'雄7虔、V、^這豕竭值和^/^竭值。前兩個參數確定何時調 用局部優化以便防止在將僅僅得到可忽略的增益時使用這種優化，并且 防止對激活用戶的服務中斷。最后 一個參數控制可以調用全局優化的頻度。
局部優化方法不同于全局優化方法的地方在于，所述局部優化方法 可以按照下面簡要解釋地那樣降低或提高AP的功率電平。
在由本發明所提供的一種局部優化方法中，對于每一個APa，我們 定義其所有相鄰AP的集合iV。，并且令ya是Wa中的各AP上的平均負載。 在出于任何原因(例如用戶移動或局部優化操作)減小AP a上的負載 時，由本發明所提供的所述(多種)在線方法檢查所述新的負載y。是否 滿足V、^"f義務伴，所述條件確定所述相鄰AP集合中的AP 6的負載是 否大于所述最小負載閾值以及所述新負載ya的值是否小于通過把Na中 的各AP的平均負載乘以特定值(/-V、^i￡C^)所計算出的值。如果該條件得到滿足并且AP a的功率指數Pa不是最大的，則本發明的所 述在線方法^巴該APa的功率電平提高1個電平。
相反，當所述AP a上的負載增大時，本發明的所述在線方法檢查 V、 V、務斧，所述條件確定_ya是否大于所述最小負載閾值以及是否大 于通過把Na中的各AP的平均負載乘以特定值(/+ V、^"這潔庫7值)所計 算出的值。如果該條件得到滿足并且AP a的功率指數pa不是最小的， 則所述在線方法把APa的功率電平降低1個電平。
最后，如果所述兩個條件當中的任何一個得到滿足，但是局部優化 操作無法調節所述功率電平，則調用全局優化。
本發明的發明人進行了仿真，以便把其新穎的負載平衡方法的性能 與兩種現有方法進行比較即最強信號優先(SSF)方法和關聯控制方 法。SSF是在IEEE 802.il標準中使用的默認用戶-AP關聯方法。所述關 聯控制方法確定用戶-AP關聯以便實現最大值-最小值公平帶寬分配，而 不是純粹基于信號強度來確定關聯。由于所述最大值-最小值公平性問題 是NP難度，因此所述關聯控制方法首先在用戶可以同時與多個AP相 關聯的假設之下計算分數最優解(FRAC),并且隨后通過舍入而獲得 整數解(INT)以便滿足單個關聯約束。本發明的發明人選擇這些方法 作為基準是因為其解的特性是已知的。
FRAC解提供嚴格的性能上限(即最低可能擁塞負載)，而INT保 證2-近似類型的解。此外，隨著用戶數目增大，INT與FRAC收斂在一 起。本發明的發明人不預期其方法的性能會優于具有顯著更高的自由度
的;的是為了表明其方法在無需每一個移動臺上的;用客戶端軟件的 情況下實現了與所述關聯控制方法相當的性能，而所述專用客戶端軟件 在所述INT方法中是需要的。然而令人意外的是，本發明的發明人的仿 真結果表明，由本發明所提供的方法的性能在各種負載條件下優于所述 INT解。
為了簡化我們的討論，省略了如何實施所述仿真的細節。代之以， 本發明的發明人包括了其仿真結果的樣本曲線圖。例如，圖10描繪了
果。選擇該用戶數來仿真負載適度的網絡，、其中AP與激活用戶的比是 5。 Y軸表示:v。(AP負載)，而X軸表示AP功率電平/指數。應當注意，所述各AP是根據其》值按照降序而被排序的。每一個y。值是通過對300 次仿真運行求平均而獲得的。只有對應于整數的；c指數的各點才是有意 義的(繪制連續線僅僅是出于呈現的目的)。粗實線表示本發明的發明 人的處V、值-處義值方法，而細實線表示本發明的發明人的最小擁塞方 法。雖然這兩種方法都生成相同的最大yj直，但是可以看出，與所述最 小擁塞方法相比，所述處V、值-處義值方法生成具有更低詞典順序的負載 矢量。粗虛線表示INT解，而水平細虛線表示FRAC解。所述處V、值-處乂值解和INT解都明顯好于所述SSF解。二者都產生非常類似的最大 ya值，其大約比FRAC高35%。
本發明的發明人還利用50個用戶運行了類似的仿真，其結果在圖 11中示出。如所示，本發明的發明人的(多種)處V、值-處義值方法的 性能比所述INT方法強很多。有趣的是，本發明的發明人的處V、值-處 乂值方法與FRAC和SSF相比的相對性能看起來不受用戶數的顯著影 響。在由本發明的發明人所實施的其他仿真中也觀察到相同的趨勢。例 如，在使用200個用戶(附圖中未示出)時，FRAC與本發明的發明人 的方法之間的差距保持在35%。不管網絡負載條件(即用戶數)如何， 本發明的處V、值-處乂值方法與FRAC解相比的穩定的相對性能是由本 發明所提供的方法的許多優點的其中之一 。
本發明的發明人還考慮了不平衡用戶分布的情況。例如，其中僅有 20%的用戶是隨機分布的，剩余的用戶集中在彼此不重疊的兩個熱點上。 每一個熱點可以是具有75米半徑的圓形區域。其中一個熱點可以包含 兩倍于另一個熱點的用戶。這種設置導致所述熱點中的重負載條件。圖 12描繪了用戶總數為100時的示例性結果。它表明由本發明所提供的所 述處V、值-襲義值方法在存在熱點(即重負載條件)的情況下的性能甚至 更好，并且優于INT。
為了檢查功率電平數目(到現在為止所描述的例子使用了 10個功 率電平)的影響，本發明的發明人仿真了 4個不同的功率電平范圍。在 圖13中示出結果。如所示，在超出了特定數目的功率電平之后，功率 電平數目的影響變得不重要，在本發明的發明人所實施的仿真中，所述 特定數目在5與IO之間。
為了理解在執行本發明的LK方法時控制器可能必須實施多少操 作，本發明的發明人實施了對這種方法的仿真，并且對功率電平調節和計數。在表II中概括了所收集的統計量。對
于每一個表條目給出兩個數字第一個數字對應于調用了 LK方法的處 V、值-處義值方法，而第二個數字對應于僅有所述LK (最小擁塞)方法/ 模型。 一般來說，后一種方法收斂得相當快，而前一種方法花的時間稍 長一點。例如，如果功率調節間隔是l秒，那么在包括100個隨機用戶 的網絡中的負載平衡在利用所述LK (最小擁塞)方法/模型時花費大約 33秒，在利用調用了 LK方法的所述處V、值-處乂值方法時花費少于2 分鐘。用戶數的增大似乎不一定會延長收斂時間，熱點的存在也不一定 會延長收斂時間。實際上，在利用所述LK (最小擁塞)方法M莫型時， 收在夂時間縮短。
上面的討論闡述了本發明的一些實例。然而，本發明的真實范圍由 后面的權利要求書來確定。
權利要求
1、一種用于平衡無線網絡內的負載的方法，包括改變由所述網絡內的一個或多個接入點(AP)發射的一個或多個信標消息的功率電平；以及保持所述各AP的一條或多條數據業務信道的功率電平。
2、 如權利要求l所述的方法，還包括收集關于每一個AP上的負載 以及被分配到每一個AP的一個或多個用戶的信息。
3、 如權利要求2所述的方法，其中，所述信息包括每一個AP的當前 負載和當前用戶分配。
4、 如權利要求2所述的方法，其中，所述信息包括每一個AP的潛在 負載和潛在用戶分配。
5、 如權利要求l所述的方法，還包括在多項式時間段內最小化所 述網絡內的各擁塞AP上的負載，以及在多項式時間段內平衡所述網絡內 的各非擁塞AP上的負載。
6、 如權利要求3所述的方法，還包括確定每 一 個AP的最大信標消息功率電平，其等于或大于該AP的最 優功率電平設置；從所確定的功率電平開始迭代地并且逐漸地降低所述網絡中的各 擁塞AP的信標消息功率電平，直到達到所有所述擁塞AP的最優功率電 平為止；存儲與其中一次所述降低相關聯并且還與所述網絡中的平衡負載狀態相關聯的信標消息功率電平的集合；以及把所述信標消息功率電平的集合應用于所述各擁塞AP,以便最小化擁塞。
7、 如權利要求6所述的方法，還包括在每一次迭代功率電平降低之后確定擁塞負載；把所確定的負載與所存儲的當前最低擁塞負載進行比較；以及如果所確定的負載低于所述當前最低負載，則存儲所確定的負載以作為下一個最低擁塞負載；在最終迭代之后把與所存儲的最低擁塞負載相關聯的信標消息功率電平應用于所述各擁塞AP,以便最小化擁塞。
8、 如權利要求4所述的方法，還包括迭代地確定所述網絡中的最小AP集合，其中該集合內的每一個AP 是具有擁塞負載的擁塞AP,或者是其負載可能會由于功率電平降低而增 大到擁塞負載的AP;確定所述最小集合中的每一個AP的最大信標消息功率電平，其等于 或大于該AP的最優信標消息功率電平設置；利用 一次或多次迭代降低從所確定的功率電平開始降低所述最小 集合中的各擁塞AP的信標消息功率電平，直到達到所述集合中的所有 AP的最優信標消息功率電平為止；以及把所述信標消息功率電平的集合應用于所述各擁塞AP,以便最小化 擁塞。
9、 如權利要求5所述的方法，還包括確定每一個AP的信標消息最大功率電平，其等于或大于該AP的最 優信標消息功率電平設置；從所確定的功率電平開始，迭代地降低所述網絡中的不是所存儲的 所識別AP集合的 一 部分的擁塞AP的信標消息功率電平；在每一次迭代之后，存儲其最優功率電平已被確定的一個或多個擁 塞AP的信標消息功率電平和標識，以及從其最優功率電平尚未#:確定的 各AP中確定下一個擁塞AP;從下一個降低的功率電平開始重復所述迭代降低步驟，直到每一個 所述AP的最優功率電平都已被確定為止；以及把所存儲的信標消息功率電平應用于所述各AP,以便最小化擁塞。
10、 如權利要求l所述的方法，還包括在降低AP上的負載時，確定該AP上的新負載是否滿足V、 ^擴義務 伴，所述條件包括確定相鄰AP的集合中的一個相鄰AP的負載是否大于 最小負載閾值以及確定所述新負載的值是否小于通過把所有所述相鄰 AP的平均負載乘以特定值(l-小區適配閾值)所計算出的值，以及如果 所述條件得到滿足，則可以調節該AP的功率電平，從而提高該AP的信 標消息功率電平；或者在增大AP上的負載時，確定所述新負載是否滿足V、^^V、務斧，所 述條件包括確定所述相鄰AP的集合中的一個相鄰AP的負載是否大于所 述最小負載閾值以及是否大于通過把所有所述相鄰AP的平均負載乘以 特定值(l+小區適配閾值)所計算出的值，以及如果所述小區縮小閾值條件得到滿足，則可以調節該AP的功率電平，從而降低該AP的信標消 息功率電平；以及在任一條件得到滿足但是無法調節所述AP的信標消息功率電平時， 調用全局負載平衡優化方法，該方法在不影響所述WLAN內的各AP的數 據信道功率電平的情況下確定所述各AP的最優信標消息功率電平。
全文摘要
利用多種方法和相關聯的設備來最小化無線局域網(WLAN)中的各接入點(AP)上的負載。一種方法最小化最為擁塞的AP的負載，而第二種方法利用最優的最小值-最大值(優先級)負載平衡解來平衡擁塞AP和非擁塞AP上的負載。所述最優解尤其是在無需復雜修改的情況下獲得的。這兩種方法都包括調節AP信標消息的發射功率電平以便減小擁塞，但是不需要調節AP數據業務信道的發射功率電平。
文檔編號H04B7/005GK101427480SQ200780014125
公開日2009年5月6日 申請日期2007年4月18日 優先權日2006年4月20日
發明者S·-J·韓, Y·貝耶拉諾 申請人:盧森特技術有限公司