基于OpenFlow协议的密集WLAN干扰控制方法与流程

文档序号:14685199发布日期:2018-06-12 23:20
基于OpenFlow协议的密集WLAN干扰控制方法与流程

本发明涉及WLAN干扰控制方法,尤其涉及一种基于OpenFlow协议的密集WLAN干扰控制方法。



背景技术:

WLAN是移动互联网中一种重要的无线接入方式。目前,WLAN已被广泛部署于家庭、校园、企业等场所,为用户提供高带宽的互联网接入。随着移动互联网的发展,用户数量快速增长,其带宽需求也不断提高。为了满足用户需求,无线接入点(Access Point,AP)的部署密集程度也越来越高。然而WLAN网络的可用信道是有限的,正交信道的数目更是稀缺,因此AP的密集部署会导致多个AP竞争同一信道,彼此互相干扰,从而降低网络性能。此外,密集WLAN网络环境通常存在着多家运营商、机构部署的AP,甚至是用户自建的AP。由于很难将所有的AP都纳入干扰管控的范围,因此存在着管控域内的AP和管控域外的AP,简称域内AP和域外AP,这给干扰控制带来了新的挑战。

当前,主要有两种主流的WLAN干扰控制方法,即信道分配和功率配置。通过信道分配,将相邻的AP尽量分配到不同信道,特别是正交信道,从而降低AP间的干扰;而由于节点的信号发射功率存在多个可选的功率级,可通过功率配置,降低处在同信道的邻近AP的功率,从而同时减少其覆盖面积,降低其信号重叠范围,可达到降低干扰的目的。

为了实现高效、全局的WLAN干扰控制,需要对网络进行全局感知和集中管控,采用集中控制型的架构,通过中心的控制器对域内AP进行集中的配置和管理。近年来,软件定义网络(Software Defined Network,SDN)发展迅猛,它是一种新型网络架构,将网络设备的控制面与数据面分离开来,实现了网络流量的灵活控制,使网络作为管道变得更加智能。其核心协议是OpenFlow协议,为今后网络以及网络管理功能的扩展提供了相关接口平台,从而可以实现对异构网络进行灵活、统一管理的目标。但是,传统的OpenFlow协议通常应用于有线网络,用来实现对交换机流表的管控。为实现对WLAN网络的全局感知和集中管控,还需对OpenFlow协议进行扩展。



技术实现要素:

发明目的:本发明针对现有技术中密集WLAN网络存在AP间干扰的问题,提供一种基于OpenFlow协议的密集WLAN干扰控制方法,通过OpenFlow协议集中式地管控域内AP,对其进行信道分配和功率配置,从而降低整个WLAN网络的信号干扰。

技术方案:本发明所述的基于OpenFlow协议的密集WLAN干扰控制方法包括:

(1)传输协议制定:将OpenFlow协议进行扩展,包括扩展OpenFlow消息集合和扩展OpenFlow协议数据传输消息所支持的数据类型;

(2)WLAN干扰控制策略制定:以降低域内AP与域外AP的干扰以及域内AP间干扰为目标,制定域内AP的信道分配策略,再以降低域内AP之间的干扰为目标制定功率配置策略;

(3)WLAN干扰控制策略实施:按照网络状态信息采集、信道分配策略执行、信道分配命令下发、网络状态信息更新、功率配置策略执行和功率配置命令下发执行,其中,信息传输采用制定的OpenFlow扩展协议。

进一步的,步骤(1)具体包括:

(11)对OpenFlow协议进行数据类型扩展,定义包括控制命令消息、AP信息数据、邻接AP信息数据的数据结构;

(12)对OpenFlow协议进行消息集合扩展,根据步骤(11)中定义的数据结构,通过扩展控制器端以及AP端的相关接口,添加一条新的控制命令的消息,以及多组无线数据传输消息。

进一步的,所述步骤(2)中信道分配策略的制定方法为:

(211)构建包括所有AP的干扰冲突图,图中的有向边表示起点AP对终点AP产生了干扰;

(212)将域内AP按照入度进行降序排列,节点的入度反映了干扰该AP的AP数量,包括域内AP和域外AP;

(213)按序对域内AP进行信道分配,分配时,对于每个域内AP为其设置当前干扰程度最小的信道。

进一步的,所述步骤(2)中功率配置策略的制定方法为:

(221)将所有域内AP设置为工作在最高功率级;

(222)根据当前的网络状态信息,构建域内AP的干扰冲突图;

(223)选择干扰冲突图当前出度最大的域内AP,将其功率配置降低一个级别,并更新干扰冲突图;

(224)返回重复步骤(223),直至无域内AP出度大于0,完成功率配置。

进一步的,所述步骤(3)具体包括:

(31)域内AP收集网络状态的相关信息,并通过OpenFlow扩展协议将其上报给控制器;

(32)控制器执行信道分配策略,为每个域内AP确定合适的信道;

(33)控制器通过OpenFlow扩展协议为相应的域内AP下发信道配置命令,调整其信道;

(34)域内AP更新网络状态的相关信息,并通过OpenFlow协议将其上报给控制器;

(35)控制器执行功率配置策略,为每个域内AP确定合适的信号发射功率级;

(36)控制器通过OpenFlow协议为相应的域内AP下发功率配置命令,调整其功率级。

有益效果:本发明与现有技术相比,其显著优点是:

1、密集WLAN环境中不仅存在多运营商、多机构部署的AP,还存在用户自行建立的AP,不是所有AP可实施干扰控制。本发明考虑了这种复杂情况,以降低整个WLAN干扰为目标,包括域内AP之间的干扰,以及域内AP与域外AP的干扰。

2、将信道分配和功率配置结合起来,可以更加有效地降低WLAN干扰。相比于传统的基于功率配置的方法,可以更充分地利用网络的信道资源;相比于传统的基于信道分配的方法,可以更加细粒度地降低网络中的信号干扰。

3、将SDN技术应用到密集WLAN中,实现高效、全局、可扩展的WALN干扰控制。通过扩展Openflow协议实现控制器与域内AP间的交互机制,可完成对网络状态信息的收集以及对AP信道和信号发射功率级的集中式管理配置。

附图说明

图1是本发明基于SDN的密集WLAN网络管理架构图;

图2是本发明WLAN干扰控制策略中信道分配的流程图;

图3是本发明WLAN干扰控制策略中功率配置的流程图;

图4是本发明WLAN干扰控制实施的框架图;

图5是本发明WLAN干扰控制实施中控制器与AP之间的信息交互示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

本实施例提供一种基于OpenFlow协议的密集WLAN干扰控制方法,利用OpenFlow协议,实现控制器与域内AP的交互,从而实施信道分配与功率配置相结合的、全局的干扰控制方法,如图1所示。该方法分为三个步骤,分别是OpenFlow协议扩展、WLAN干扰控制策略以及WLAN干扰控制实施。

1、传输协议制定:OpenFlow协议扩展

本实施例的WLAN干扰控制方法需要扩展OpenFlow协议的消息集合以及扩展数据传输消息所支持的数据类型。为了使控制器与AP支持OpenFlow协议,需要在控制器和AP分别安装SDN控制器软件和SDN交换机软件,例如,Floodlight和OpenvSwitch,并扩展OpenFlow协议。

1.1对OpenFlow协议进行数据类型扩展

本实施例需要实现控制器对AP的控制以及对AP信息、邻接AP信息等数据的收集。因此,首先对OpenFlow协议进行数据类型扩展,定义控制命令消息的数据结构,以及AP信息、邻接AP信息的数据结构。

(1)定义控制命令消息的数据结构为:

可以看到,该消息只包含一个数据成员,即控制命令,而控制器可通过该命令对AP进行信道和功率级的配置。

(2)定义AP信息的数据结构为:

可以看到,AP信息数据包括AP的MAC地址、IP地址、SSID、工作功率以及工作信道等信息。通过添加该数据类型,控制器就可以向AP请求AP信息数据,而AP则可以将数据返回给控制器,实现控制器与AP之间的交互。

(3)对于某个AP,其邻接AP的数量不定,因此邻接AP信息数据是所有邻近AP信息的列表,定义其数据结构如下:

可以看到,每条邻接AP信息的数据包括其MAC地址、SSID、IP地址、工作信道以及接收到的邻接AP的信号强度等信息。通过添加该数据类型,控制器就可以获取该AP的邻接AP信息。

1.2对OpenFlow协议进行消息集合扩展

根据步骤1.1定义的数据结构,对OpenFlow协议的消息集合进行相应的扩展,增加一条新的控制命令消息和两组数据传输消息,数据传输消息包括AP信息数据的请求和回复消息,以及邻接AP信息数据的请求和回复消息。

(1)添加控制命令消息

在控制器端和AP端增加控制命令消息OFPT_SET_WIRELESS_CONFIG,该消息属于Controller-to-Switch消息,由控制器发起,通过该消息,控制器可以向AP下达控制命令。

(2)添加AP信息数据的传输消息

根据步骤1.1的数据扩展,在控制器端和AP端添加AP信息数据的请求消息OFPST_APINFO_STATS_REQUEST和回复消息OFPST_APINFO_STATS_REPLY。控制器通过发送请求消息,请求AP信息数据,而AP收集相关数据后将其放在回复消息中返回给控制器。

(3)添加邻接AP信息数据的传输消息

根据步骤1.1的数据扩展,在控制器端和AP端添加邻接AP信息数据的请求消息OFPST_NEIGHINFO_STATS_REQUEST和回复消息OFPST_NEIGHINFO_STATS_REPLY。控制器通过发送请求消息,请求邻接AP信息数据,而AP通过信道扫描收集到邻接AP的相关数据,并通过回复消息将其返回给控制器。

2、WLAN干扰控制策略

WLAN干扰控制策略按一定时间间隔定期执行。对于新启动的AP,随机选择一个信道,信号发射功率配置为最大功率级。执行间隔长短由网络动态性、干扰严重程度等因素决定。

WLAN干扰控制策略包含信道分配和功率配置两个方面。首先是通过信道分配降低域内AP和域外AP以及域内AP之间产生的干扰;然后,通过功率配置进一步降低域内AP之间的干扰,从而达到降低WLAN干扰的目的。具体如下:

2.1以降低域内AP与域外AP的干扰以及域内AP间干扰为目标,制定域内AP的信道分配策略,流程图如图2所示。

(1)首先AP扫描所有信道,采集邻接AP信息,构建所有AP的信道冲突图G(V,E),V={v1,v2,...,vN}是所有AP点的集合,E表示AP之间冲突边的集合。具体为:对于每个域内AP vj,扫描所有信道,如果在信道c上接收到其他域内AP vin的信号强度高于一定阈值λ,则添加一条由vin指向vj的边e(vin,vj)到边集E中,其信道标记为c;如果在信道c上接收到域外AP的信号强度高于λ,则向V中添加一个点vout,并添加vout指向vj的边e(vout,vj)到边集E中,其信道标记为c。

(2)将域内AP按照入度进行降序排列。入度越大,则该AP的邻接AP数量越多,网络环境越复杂,因此需优先考虑。

(3)按序对域内AP进行信道分配。具体为:对于信道待分配的域内AP va,计算每个信道c上,va处的干扰程度θ。干扰程度定义如下:对于每个域外AP vi,若存在边e(vi,va)∈E且信道标记为c,则定义vi在va处的干扰u_outera,i,c=1,否则为0。对于每个域内AP vj,若存在边e(vj,va)∈E且信道标记为c,则定义vj在va处的干扰u_intraa,j,c=1,否则为0。则其中,β为域外AP的干扰权重。为AP va选取干扰程度θ最小的信道Cmin,并将所有va的出边e(va,vj)的信道标记改为Cmin。

2.2以降低域内AP之间的干扰为目标制定功率配置策略,流程图如图3所示。

(1)假设所有AP为同一型号,支持N个功率级,功率级的集合为P,P={p1,p2,…,pN},其中,p1为最低功率级,pN为最高功率级。首先将所有域内AP设置为工作在最高功率级pN;

(2)根据步骤2.1中确定的信道,重新采集AP信息,构建域内AP的信道冲突图Gin(Vin,Ein),Vin={v1,v2,…vN}表示域内AP节点的集合,Ein表示域内AP之间冲突边的集合。vi和vj处于相同信道,并且vi接收到vj的信号强度超过一定阈值λ时,添加一条vj指向vi的边e(vj,vi)到边集Ein中;

(3)从出度最大的AP vi开始,将vi的功率降低一个功率级。根据信号传播的路径衰减模型更新vi所有邻居节点vj的信号强度,如果此时vj接收到vi的信号强度是小于阈值λ的,则删除入边e(vj,vi)。重复该步骤直至无AP出度大于0。

3、WLAN干扰控制实施

WLAN干扰控制实施的框架图如图4所示,控制器按一定时间间隔实施WLAN干扰控制策略。如果当前AP是新启动的,则为AP设置一个随机信道,并将其工作功率设置在最高功率级。交互示意图如图5所示,具体包括以下步骤:

3.1网络状态信息采集

控制器通过OpenFlow协议向所有域内AP发送数据请求;域内AP接收到请求后,扫描所有信道,发现邻近的AP及信号强度;域内AP将当前的工作信道与功率级,以及邻近AP的信道与信号强度等网络状态信息上报给控制器。

3.2信道分配策略执行

控制器根据全局的网络状态信息,实施信道分配策略,按2.1所述步骤,为每个域内AP确定合适的信道。

3.3信道分配命令下发

根据步骤3.2得到的信道,控制器通过OpenFlow协议向相应需要配置的AP下发配置命令,命令其调整信道;AP接收到命令后执行,并将执行是否成功的结果返回给控制器。

3.4网络状态信息更新

控制器通过OpenFlow协议向所有域内AP发送数据请求;域内AP接收到请求后,扫描当前的信道,发现邻近的AP及信号强度;域内AP将当前的工作信道与功率级,以及邻近AP的信道与信号强度等网络状态信息上报给控制器。

3.5功率配置策略执行

控制器根据全局的网络状态信息,实施功率配置策略,按2.2所述步骤,为每个域内AP确定合适的发射信号功率级。

3.6功率配置命令下发

根据步骤3.5得到的功率级,控制器通过OpenFlow协议向相应需要配置的AP下发配置命令,命令其调整功率级;AP接收到命令后执行,并将执行是否成功的结果返回给控制器。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。

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