無線局域網(wǎng)中的負載均衡問題探討

位于中心點的AP，經(jīng)過一段時間的運行，連接的終端的個數(shù)要多于四周AP的終端個數(shù)，承擔的業(yè)務(wù)也已經(jīng)飽和，此時連接到中心點AP的終端的業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）已經(jīng)不能保證。而外圍的AP業(yè)務(wù)還不飽和，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)負載差異。負載均衡就是要解決這種差異，將中心點AP的某些業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到外圍的 AP上，以提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)容量和中心點AP的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

負載不均衡形式二：終端不停地切換造成負載抖動

WLAN共有兩種工作組織形式，獨立基本服務(wù)集（IBSS）和基本服務(wù)集（BSS）。

終端（例如帶有無線網(wǎng)絡(luò)下的筆記本電腦）在進入網(wǎng)絡(luò)的時候必須選擇一個AP作為連接對象，這就是終端接入過程，接入過程要經(jīng)過掃描、認證、連接等步驟。一般而言，終端在掃描過程中會掃描到多個AP的信息，終端選擇AP的條件是掃描到的AP的信號強度。由于無線局域網(wǎng)中終端的移動特性和無線信道的時變特性，終端在某些情況下會發(fā)生從一個BSS 切換到另一個BSS的情況。這種情況就是無線局域網(wǎng)中的切換。終端切換帶來的問題是切換時延，甚至上層業(yè)務(wù)的中斷。切換還會帶來的問題是“乒乓效應”。即終端不停地在兩個或多個AP之間切換，終端就像乒乓球一樣。這樣會造成負載抖動，對網(wǎng)絡(luò)資源造成極大的損耗。

無線局域網(wǎng)中的負載均衡的分類

可以從兩個方面對無線局域網(wǎng)的負載均衡技術(shù)進行分類。按照負載均衡的發(fā)起者分，負載均衡可以分為STA主控的負載均衡和AP主控的負載均衡。按照負載均衡的解決方式可分為接入式負載均衡和切換式負載均衡。無線局域網(wǎng)的負載均衡的分類如圖所示。

終端（STA）主控負載均衡

STA主控的負載均衡實際上是一種自發(fā)的負載均衡策略，是無線局域網(wǎng)中STA的特性之一。切換完成的STA實際上也實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負載的傳遞。

僅僅靠信號質(zhì)量作為STA切換的條件是片面的，目前有大量的研究集中在如何改進切換的時機，以更準確地實現(xiàn)終端切換帶來的負載變化。

STA主控的優(yōu)點是：STA最清楚自己的業(yè)務(wù)需求和所處的環(huán)境，STA掃描得到的環(huán)境中可用的BSS情況對STA而言最準確。而且，切換或接入的主體是STA，業(yè)務(wù)也是在STA上開展，切換造成的損失由STA承擔。缺點是：STA僅僅知道終端側(cè)的情況和STA自身的情況，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而言，STA并不能準確掌握，沒有發(fā)言權(quán)。STA切換隨意性大，會對整個ESS造成混亂，使網(wǎng)絡(luò)全局的負載均衡效果不佳。

AP主控負載均衡

AP主控負載均衡的出發(fā)點是，AP處于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，AP之間通過有線的連接，可以在不影響STA業(yè)務(wù)的情況下，相互傳遞與負載均衡相關(guān)的信息。根據(jù)這些信息，ESS就可以判斷出AP中負載最重的AP和負載最輕的AP.擁有這些信息的ESS就可以做出一些決策，比如，讓負載重的AP下的終端切換到負載輕的 AP下，或者對新加入網(wǎng)絡(luò)的終端進行限制，不允許負載重的AP接入而只允許負載輕的AP接入等，實現(xiàn)ESS內(nèi)的負載均衡。

AP主控的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)側(cè)的整體情況可以通過AP之間的分布式系統(tǒng)，準確、及時地進行統(tǒng)計，在整體協(xié)調(diào)和調(diào)度方面對網(wǎng)絡(luò)側(cè)有利，也比較容易實現(xiàn)整體策略的實施。另外就是整個網(wǎng)絡(luò)的負載均衡調(diào)整速度會很快。缺點是網(wǎng)絡(luò)側(cè)并不知道STA所處的位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、STA所能夠掃描到的AP的情況，所以有切換決策錯誤的風險。

接入式負載均衡

接入式負載均衡就是控制STA的接入實現(xiàn)負載均衡。當AP的負載情況超過閾值后，該AP就會拒絕新的終端的接入，加入網(wǎng)絡(luò)的終端只好尋找負載較輕的AP進行連接。從而在一定的程度上實現(xiàn)負載的均衡。

由于接入式負載均衡只控制新終端的接入過程或切換后的重連接過程，屬于被動的負載均衡，負載均衡的調(diào)整收斂速度會比較慢。極端情況下，沒有新的終端進入網(wǎng)絡(luò)，或者所有的STA都維持當前連接，網(wǎng)絡(luò)會一直處于非平衡狀態(tài)。

切換式負載均衡

切換式負載均衡就是控制STA的切換以實現(xiàn)負載均衡。當ESS中某AP的負載過重的時候，ESS或終端控制該AP下的STA切換到其他AP上，以分散負擔。當ESS中某AP的負載過輕的時候，ESS或終端就控制其他AP下的STA切換到該AP上，以實現(xiàn)整個ESS的全局平衡。

切換式負載均衡的特點是反應迅速，一旦出現(xiàn)負載差異，可以通過切換行為迅速調(diào)整。缺點是切換會對終端造成損失，有切換失敗和上層業(yè)務(wù)中斷的風險。同時，切換式負載均衡必須依賴于快速切換才能實現(xiàn)。如果快速切換方法效果差，則負載均衡造成的損失會增大。

將AP主控方法和切換式負載均衡方法相結(jié)合是當前研究的熱點，不僅可以準確地收集信息做出決策，而且可以迅速反應，主動地調(diào)整擴展服務(wù)集中的負載分布。

雖然負載均衡的本意是為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的運行，平均分配整個網(wǎng)絡(luò)中的負載，達到盡可能高的網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。但是，作為一種網(wǎng)絡(luò)管理行為，負載均衡為網(wǎng)絡(luò)引入了負載信息交互的網(wǎng)絡(luò)開銷和負載均衡調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)管理開銷，并且與之相關(guān)的，終端切換也會增加網(wǎng)絡(luò)的開銷。隨著ESS中AP數(shù)量的增加或STA數(shù)量的增加，維護負載均衡所需的網(wǎng)絡(luò)開銷也會增大，對網(wǎng)絡(luò)性能造成干擾和損失。

負載均衡也有負載調(diào)整失敗的風險。切換有失敗的可能，會造成孤立節(jié)點的存在。切換失敗的終端不得不重新尋找AP進行接入，上層業(yè)務(wù)必然會中斷。另外，切換是對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的干擾，過于頻繁的切換會造成網(wǎng)絡(luò)性能的抖動，并且可能出現(xiàn)“乒乓效應”，使網(wǎng)絡(luò)長時間處于動蕩狀態(tài)，不能穩(wěn)定。

TD-SCDMA系統(tǒng)中的負載均衡技術(shù)

時分同步碼分多址（TD-SCDMA）是一個時分同步系統(tǒng)，在通用移動通信系統(tǒng)陸地無線接入網(wǎng)（UTRAN）的無線資源控制（RRC）中，很重要的一部分內(nèi)容就是負載均衡。在時分系統(tǒng)中，時間和碼道資源是非常有限的，而且在時分系統(tǒng)中，大量的業(yè)務(wù)是電路交換業(yè)務(wù)，對QoS的要求都很高，所以，負載均衡在時分系統(tǒng)中非常重要。

時分系統(tǒng)中的負載均衡有多重粒度。除了可以控制用戶終端（UE）的切換之外，甚至可以在每個時隙的基礎(chǔ)上控制負載的分配。與無線局域網(wǎng)不同的是，時分中的某些負載均衡方法是以犧牲UE的業(yè)務(wù)為代價的，比如暫時中斷分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，甚至強迫用戶掉話，中斷電路交換業(yè)務(wù)，強制UE釋放系統(tǒng)資源。

結(jié)束語

由于無線局域網(wǎng)的使用環(huán)境，負載均衡面臨著比有線分布式系統(tǒng)中更加復雜的問題。好的負載均衡方法可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的效率，提高資源的利用率，降低系統(tǒng)擁塞的可能性，提高系統(tǒng)抵抗負擔變化的能力，提高系統(tǒng)的容忍度。無線局域網(wǎng)的負載均衡應該遵循以下原則：

準確地評估每個AP的負載狀況，并盡快地進行負載信息的交互；負載信息的交互應該不影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。

高效的均衡算法，準確地選擇執(zhí)行負載均衡調(diào)整操作的執(zhí)行者，并結(jié)合切換和接入兩種手段；如何加快負載均衡調(diào)整的收斂速度也是均衡算法應該關(guān)注的重點。

結(jié)合快速切換的切換管理和控制，要避免多個終端在同一個AP處的切換競爭和擁塞。

降負載均衡的副作用，應該降低網(wǎng)絡(luò)開銷，具備避免頻繁切換、切換失敗控制等機制。