IEEE 802.11无线网络的模糊负载均衡技术验证与评估

© 2013年。由爱思唯尔公司出版信息工程研究院可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 7（2014）55 - 612013年应用计算、计算机科学与计算机工程国际会议IEEE 802.11无线网络的模糊负载均衡Mario Collotta*，Gianfranco Scatà地址：意大利恩纳大学Cittadella Universitaria Enna 94100摘要无线网络（WN）由于其易于安装而带来的几个好处，如今被用于许多领域和可扩展性。然而，在大范围内，节点数量的增加意味着接入点（AP）是客户端连接的主要负责人。过载的接入点可能会影响要求在客户之间交换数据的及时性方面本文提出了一种IEEE负载均衡技术，802.11网络，以确保实现典型的约束，表征无线场景。为了验证所提出的方法的优点，几个真正的试验台的情况下实施和负载分布进行了评估。© 2014作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：IEEE 802.11;负载均衡;模糊逻辑;接入点1. 介绍WN越来越多地用于实时约束环境中。研究人员讨论了很多关于使用无线技术可能出现的问题：使用什么是最好的协议[1]，如何更好地管理每个网络实体的生命周期和能耗[2]以及网络负载平衡。负载平衡是一种技术，通过该技术，可以均匀地分布由以下各项生成的网络负载：* 马里奥·科洛塔电话：+ 390935536494;电子邮件地址：mario. unikore.it2212-6678 © 2014作者由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审56Mario Collotta和Gianfranco Scatà / IERI Procedia 7（2014）55根据预定义的策略，在所有可用的接入点之间连接客户端。当不同的接入点覆盖同一区域或存在重叠区域时，负载平衡就开始发挥作用，在重叠区域中，客户端可以选择连接到至少两个接入点。负载平衡技术可以分为两类：集中式和分布式。第一种方法的特点是在单个网络设备内实现策略。相反，在分布式方法中，负载均衡策略由网络的所有接入点执行。集中式方法确保设备的互操作性，但与分布式方法不同，集中式方法不是容错的，即，设备的故障可能决定整个网络的故障。客户端与接入点的关联可以使用以下不同的方法进行管理：关联管理[3]，准入控制[4]或覆盖范围调整。[3]中描述的技术基于接入点可以向客户端发送解除关联帧的可能性;因此，客户端可以连接到另一个过载较小的接入点（如果存在）。在准入控制[4]通过这种机制，接入点可以在存在过载风险的情况下拒绝新客户端的关联。相反，一些接入点基于在过载风险的情况下传输功率的降低来提供特定策略，以便避免关联请求。这种技术也被称为覆盖调整[9]。在标准方法中，AP-客户端关联基于接收信号强度指示（RSSI），并且因此所有客户端可以仅选择少数过载接入点而使其它接入点空闲是可能的。此外，如已知的，IEEE 802.11标准[5]使用具有冲突避免的载波侦听多路访问协议（CSMA/CA）来调节介质访问[6]。因此，如果许多站点连接到同一接入点，则冲突的可能性增加，同时导致网络吞吐量（定义为可用带宽的实际使用）的减少。因此，有必要使用适当的负载平衡技术，以便使与接入点的关联具有“负载感知”。本文的主要贡献是由一个新的负载平衡算法，基于模糊逻辑，改进了文献中已知的一些方法。2. 相关作品在文献中，已经考虑了几个因素，如分组丢失[7]，接入点RSSI [8]和带宽利用率[9]，对几个关联度量进行了评估。在[10]中首先分析了负载平衡定义，以证明负载平衡与最大-最小公平带宽分配之间的强相关性。然后，作者描述了一种算法，以实现最大-最小公平的最小-最大负载平衡的基础上。使用该算法和收集的信息，网络可以平衡负载并向连接的客户端通知新的理想关联。[11]的作者提出了一种负载平衡算法，该算法声称可以找到接入点和客户端之间的最佳关联，以确保最佳的服务质量（QoS）水平。该算法在负载均衡服务器中运行，使用与关联站点、接入点所引起的流量和用户QoS要求相关的若干网络信息。该信息必须在WLAN实体之间交换并存储在更新的数据库中。负载均衡服务器应该定期从每个接入点下载一组特定参数。它执行负载均衡算法，以找到最佳的客户端结果将在系统中播放。在[12]中，作者描述了一种用于实时工业环境的动态负载平衡方法。连接到主干的每个接入点与网络控制器通信，网络控制器在性能下降的情况下执行校正动作。然而，这种方法提出了与先前描述的集中式负载平衡算法相同的问题。在[13]中，负载均衡决策由每个AP以分布式方式执行，而不是仅由网络控制器执行。主要目的是提供一种机制，负载分配，以获得更少的最后期限错过可能考虑到一个最后期限错过（DM）发生时，一个数据包错过其相对的最后期限。测量到DM数超过阈值的站的特征在于性能降级并且将被管理。Mario Collotta和Gianfranco Scatà / IERI Procedia 7（2014）5557开始Clients_Scan（）连接客户端列表Client_Selection（）APs_Scan（）没有RT流？是的NRT流模糊逻辑控制器RT流模糊逻辑控制器%AP_change>NRT阈值？是的是的%AP_change>RT阈值？AP_Change（）没有端Less_Loaded_AP_Selection（）3. 所提出的方法所提出的算法，称为模糊负载平衡算法（FLBA）和图1中所示，首先扫描网络的所有客户端和接入点。Fig. 1.算法（FLBA）Client_Scan（）用于创建连接到特定接入点的所有客户端的列表。然后循环控制该列表，以选择每个客户端并测量其性能。根据所选客户端发送的业务类型，将来自所选客户端的信息提供给特定的模糊逻辑控制器。如果客户端发送软实时业务流（RT），则模糊控制器输入变量是如图2（a）所示的最后期限错过数和信号质量。相反，如果所选节点发送非实时业务流（NRT），则输入变量是分组丢失数和信号质量，如图2（b）所示。输出变量始终由需要更改接入点（%AP_change）表示。如果%AP_change值大于阈值，这显然取决于应用程序为每个特定流量设置的QoS参数（RT流量为40%，NRT流量为70%），客户端将移向通过AP_Scan（）识别的负载较低的接入点。输入/输出变量的取值范围如表1所示。表1.可变范围值值（I/O）Min值最大值信号质量（一）-100分贝0db的最后期限错过（I-RT0200数据包丢失数（I-NRT0200需要更改AP0%的百分比百分百如已知的，通过模糊逻辑，可以利用基于集合理论的策略来识别信息，这比排他性成员的概念（经典逻辑）更灵活，引入了隶属度的概念。58Mario Collotta和Gianfranco Scatà / IERI Procedia 7（2014）55隶属函数一个集合的元素[14]。此外，模糊逻辑已被广泛用于WSNs中的QoS管理[15]。为每个变量定义了三个隶属函数（低、中、高）。图2（c）显示了所有变量是如何一般模糊化的。Y轴指定变量对特定隶属函数的隶属度。考虑到通用变量v包含变量本身可以假设的从最小值到最大值的值的范围，每个隶属函数可以由三角形隶属函数trimf（v，[x; y; z]）表示，如图11所示。2（c）.信号质量截止未命中次数模糊逻辑控制器%AP_变化信号质量丢包数模糊逻辑控制器%AP_变化1Low介质高(a)（b）第（1）款0（c）第（1）款XYZ可变图二、（a）RT流模糊控制器;（b）NRT流模糊控制器;（c）三角形隶属函数基于经典编程语言的IF-THEN语句，通过9条模糊规则（表2）确定输出值。例如，考虑规则7，如果由客户端测量的最后期限未命中数为高并且信号质量为低，则改变该客户端的接入点的概率将为高。表2.模糊规则规则截止日期未命中或数据包丢失信号质量AP%变化1低低介质2低介质高3低高低4介质低低5介质介质介质6介质高高7高低高8高介质低9高高介质4. 绩效评价为了证明所提出的方法的效率，进行了几次测量，使用特定的硬件设备实现不同的真实场景。出于我们的目的，我们使用Microchip的微控制器PIC 24 FJ 256 GB 108 [16]和Roving Networks的WiFi模块RN- 171-XV [17]开发了接入点和客户端。评估场景由多达28个客户端和3个接入点组成，如图3（a）所示。考虑到分组大小为64字节并且传输周期为10 ms（等于相对截止时间），已经执行了测量。我们进行了四次模拟。16个活跃的客户端描述了第一次模拟。在第二次模拟中有20个活动客户端，在第三次模拟中有24个活动客户端，最后所有可用客户端都是第四次模拟的特征。每个模拟持续240秒，重复三次：一次使用我们的方法，一次使用[12]中讨论的动态负载平衡方法（DLBA）方法，一次在标准条件下。Mario Collotta和Gianfranco Scatà / IERI Procedia 7（2014）5559中文（简体）100（%）90日/西l8580751 2 34仿真3000025000200001500010000500001 2 34模拟编号350003000025000200001500010000500001 2 34模拟编号FLBA DLBA标准2315AP 17276264AP 211 8251213节点连接到AP 1连接到AP 2的节点连接到AP 3的节点917 101614 1815192021AP 323222428(a)（b）第（1）款图3.第三章。（a）模拟情景;（b）投入/产出绩效我们测量了吞吐量/吞吐量（Th/Wl）百分比，定义为到达目的地的数据包数量除以网络负载。在图3（b）中可以看出，Th/Wl百分比优于其他比较方法。例如，在模拟4中，Th/Wl百分比为约95%，而通过DLBA方法和标准方法分别获得的Th/Wl百分比为87%和84%。这意味着使用我们的方法，更多的数据包到达目的地尊重他们的最后期限。载荷分布如图4所示。可以看出，通过增加活动客户端的数量，我们的算法可以均衡网络负载。为了更好地理解结果，考虑第四次模拟（28个活动客户端），在每个接入点上测量了大约17000个传输数据包。见图4。在每个接入点FLBADLBA标准350003000025000200001500010000500001 2 3 4模拟编号分组分组分组60Mario Collotta和Gianfranco Scatà / IERI Procedia 7（2014）555. 结论本文提出了一种基于模糊逻辑的IEEE 802.11网络负载均衡方法。从最先进的分析开始，已经可以验证大多数现有方法是如何基于不适合实时约束通信的度量的。模糊逻辑非常适合这种应用，因为它是基于自然推理原理。模糊控制器基于网络提供的信息，通过自然推理来决定是否将客户端移向负载较小的接入点。所获得的结果，在一个网络的特点是由3个接入点和多达28个客户端，是非常有前途的，并显示如何网络负载可以均匀分布，确保在同一时间，在吞吐量/吞吐量百分比方面的良好性能。现在，我们正在努力改进所提出的方法，同时考虑到每个客户端的本地化[18]。引用[1] Collotta M，Pau G，Scatà G.工业无线网络中的截止时间感知调度前景：IEEE 802.15.4和蓝牙之间的比较。国际分布式传感器网络杂志。第2013卷，文章ID 602923，11页，2013年。doi：10.1155/2013/602923。[2] Collotta M，Gentile L，Pau G，Scatà G.一个动态算法，以提高工业无线传感器网络管理。第38届IEEE工业电子年会（IECON 2012），页。2802- 2807，2012年。[3] 胡佳，闵戈勇，贾伟佳，伍德华，基于解析建模和博弈论的IEEE 802.11e无线局域网接纳控制。IEEE全球电信会议，pp。2009年1月至6日[4] 杨昌义，高志鹏，陆舟，陈星宇，邱雪松。无线接入网小区覆盖的摆动调整模型。第六届无线通信网络和移动计算国际会议，pp。2010年1月至4日[5] IEEE Std 802.11-2007信息技术-第11部分：无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范，2012年3月。[6] Collotta M，Scatà G，Pau G.基于优先级的CSMA/CA机制支持IEEE802.15.4家庭自动化应用中的截止时间感知调度。国际分布式传感器网络杂志。第2013卷，文章ID 139804，12页，2013年。doi：10.1155/2013/139804。[7] 蔡玲，王金宽，王翠荣，徐鹏。基于丢包率时间序列预测的负载均衡算法。第四届IEEE工业电子与应用会议，pp。145-149，2009年。[8] 作者：安菲菲，宇文伟，范吉. 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