无线宽带城域网的性能分析及优化探讨

【摘要】本文从无线宽带城域网的IP数据包大小及数量、网络物理拓扑、网络结构、数据传输介质等方面对网络性能进行了分析，基于现有的网络性能优化技术，提出了一种自适应的频率、功率优化方法。仿真结果表明，提出的优化方法在优化、节约网络资源，提高网络吞吐量等方面具有明显的优势。

【关键词】无线宽带城域网；网络性能；优化

1.引言

为了满足日益增长的无线宽带接入市场需求，无线宽带城域网应运而生。它为广大用户提供固定的、携带的和游牧的无线宽带服务。还可用来连接无线局域网热点与因特网，提供特定区域内的网络连接，以及在“最后一公里”宽带接入领域作为CableModem和DSL的无线替代品。目前，全球各大电信网络运营商都在致力于基于无线宽带城域网技术的“无线城市”的建设。

无线宽带城域网不同于传统的有线网络，噪声和干扰、建筑物的结构、无线设备的摆放及其参数的设置都会对其信号质量和传输速率等性能有很大的影响，为了使其性能达到规划设计预期的网络覆盖、容量、质量等指标，满足实际业务的需求，定期对其进行测试及对测试不达标参数进行分析、优化是网络建设后期及网络运行整个周期内的必要环节。

2.网络性能的分析

无线宽带城域网往往会覆盖局域网和广域网中的部分网络，在优化的过程中，既要把它看做是由许多独立链路组成的无线城域网，也要把它与局域网和广域网作为整体来处理。单链路的优化是全网优化的基础。影响无线宽带城域网性能的因素包括数据传输介质、IP数据包数量和大小、网络物理拓扑和网络结构等等。选择适当的参数对网络进行优化能够有效地提高其网络性能。

以IP数据包为传输单元的无线宽带城域网的链路吞吐量受数据包大小和数量的影响。网络中传输的携带最大比特单元的IP数据包的数量越多，链路承受的负载越大，丢包率也就越高，导致链路吞吐量的下降。同时，增加每个被传输IP数据包的数据量也会减少链路的吞吐量。

无线宽带城域网吞吐量的大小还与信道间的干扰有关，在单播模式下，受信道间干扰的影响，每条链路的丢包率不尽相同，导致有些链路的吞吐量很高，而有些链路却很低。在广播模式下，各用户同时接收基站发送的IP数据包数据，各信道间不存在相互干扰，丢包率低，每条链路的吞吐量相同且均低于单播模式下的最高吞吐量。

IP数据包的大小不影响无线宽带城域网的平均吞吐量，但却存在一个临界值，使网络中的链路吞吐量从最大值急剧下降到最小值。因此，IP数据包如果过小，将不能维持网络中所有链路的饱和状态。无线宽带城域网的吞吐量还与网络的物理拓扑有关，当网络中包含的局域网部分越多，网络的总吞吐量就越低。

无线宽带城域网中核心路由器的位置也会直接影响网络的吞吐量。

3.现有的网络性能优化技术

无线宽带城域网的网络性能优化是指对测试环节的测试数据进行分析，通过合理调整物理资源和网络设备资源，如频率分配、功率分配、用户分配、业务流量分配，通过资源的分配优化，得到整个网络的性能和稳定性的最优化。

目前，关于无线宽带城域网的网络性能优化方法主要有三种：自动频率优化、自动功率优化及负载平衡优化。

3.1 自动频率优化方法

自动频率优化方法先通过测量得到整个网络的状态信息，进而动态实时地给每个AP（Access Point）分配各自的频段以减小各AP间的干扰。基本工作流程如下：

a.各AP测量现有频段分配情况下的干扰；

b.各AP自主判断自己的最佳频段；

c.分布式自主调整或在上层控制器指挥下调整各自频段为最佳工作频率。

基于AP自主测量并被分配最佳工作频段的工作流程，实际上是AP将各自的测量信息提交给一个接入控制器AC（Access Controller），由AC控制各AP进行最佳频段的调整。由于AC的协调，因此该优化方法的收敛速度非常快（如图1所示）。

3.2 自动功率优化方法

自动功率优化方法包括用户端发射信号的功率控制TPC（Transmit Power Control）和AP端发射信号的功率控制。

3.2.1 用户端发射功率的控制

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。当用户离AP比较近时，由于信号衰减比较小，用户的发射功率也可以比较小。其优点是在不影响此用户通信质量的前提下，减小了对于同频段其他用户和AP的干扰；同时减小了终端的耗电量，延长了待机时间。

3.2.2 AP端发射功率的控制与AP的覆盖范围有关

一般情况下，AP为了覆盖尽可能大的区域，优化范围内所有AP均以允许的最大功率发射，一般是20dBm（100mW）左右。但当优化范围内AP数目比较多时，覆盖已不是主要问题，此时各AP间的相互干扰却成为了关键问题。如AP1附近集中了大量的用户终端，而AP2附近用户终端却相对较少。当接入一个AP的用户数大于一定数目时（一般为8个），由于这些用户同时争抢信道表现得十分激烈，从而导致总信道容量的降低。此时，较好的办法是将一部分离AP2较近的用户分给AP2，这样AP1和AP2的用户数目就可以趋于平衡。起初，AP1和AP2的发射功率相等，因此在它们的交界处属于AP2的4个终端接受到AP1的信号等于甚至大于AP2的信号，这对于通信来说是很不利的。当AP1进行了发射功率优化后，它的覆盖范围缩小，此时属于AP2的4个用户收到的干扰明显减少，这就是配合负载平衡的AP端发射功率控制的作用。与自动频率优化方法一样，由AC控制器来完成对AP的功率控制。

3.2.3 负载平衡优化方法

对于无线宽带城域网而言，每个AP都只有一个有效工作信道，AP所连接的STA（Station）采用CSMA/CA机制共享这个信道，由于STA的随机分布，可能会造成某些AP所关联的STA很多，而其他的AP关联的STA很少，关联STA较多的AP会产生过载，导致拥塞，使网络性能下降。同时，一个STA可以与两个或多个AP通信，因此，根据不同AP的负载状态控制STA的接入，使AP达到负载平衡，通过对各AP的负载控制，避免AP发生过载。STA与AP建立连接，STA首先会发送一个或多个探测请求，各AP在接收到STA发送的探测请求后，将向该STA发送响应信息。通过信息交换，STA知道哪些AP在它的覆盖范围内，而接收到来自AP的响应信号强度也可以作为表征哪个AP可以提供高质量的服务的一个指标。由于整个网络对AC都是透明的，因此，在AC上可以监控每个AP的负载状态，当AP接收到来自STA的连接请求，AP将请求转发给AC，AC查询该AP以及其相邻AP的负载状态，决定是否接受STA的连接请求，并将判断结果发送给AP，AP根据AC的指令接受或拒绝STA的连接请求。对于一个负载过大的AP，会拒绝该STA的连接请求。若AP拒绝STA的连接请求，STA将尝试向其他AP发送连接请求。负载平衡优化方法有利于提高整个网络的性能。

4.提出的新的优化方法

本文基于自动频率优化方法和自动功率优化方法，提出了一种自适应的频率、功率优化方法。在该方法中，AP先采用自动频率优化方法自适应地调整各自的工作频率为最佳值；接着采用自动功率优化方法动态地调整各自的发射功率为最佳值。仿真结果表明，结合自动频率优化和自动功率优化的优点，提出的自适应优化法不仅收敛速度快，而且有效地避免了干扰，同时也大大节约了整个网络的频段资源和功率资源（如图2所示）。

5.结束语

无线宽带城域网的网络性能受到诸多因素的影响，分析了影响网络性能的各种因素，基于自动频率优化方法和自动功率优化方法，提出了自适应的频率、功率优化法，仿真结果表明，该法在优化、节约网络资源，提高网络吞吐量方面具有显著的优势。无线宽带城域网为人们的生活和工作提供了诸多便利，但对其网络性能的优化是一项长期的工作，需要在建网后期及网络运行的整个周期内定期对其进行测试和优化。

作者简介：王俊杰，工程师，主要从事中国电信股份有限公司东莞分公司IP城域网的规划、建设和维护管理工作，曾参与东莞电信IP城域网、传输网多个项目的规划、建设工作，在IP城域网网络建设、维护管理领域有较为丰富的实践经验。