基于资源动态配置的密集型无线局域网络节能技术研究

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使用无线局域网(wireless local area network,WLAN)可以更为便捷地连接网络,在越来越多的公司办公室、校园和商业区都大规模地部署了无线接入点(access point,AP)。一般来说,布设WLAN的主要目的是为了满足网内用户对高带宽、移动性和可靠性的要求。然而,一些关于WLAN的研究发现,这些网络极少工作在设计的峰值状态,在大部分时间内网络中的大部分资源都是空闲的(也可说是冗余的),这显然是一种能源的浪费。针对这种现象,本文提倡在WLAN中应用节能技术,其中一种可行的方式是通过动态管理网络内的资源实现节能。本文针对WLAN中空闲设备造成的能源浪费,提出多个应用于WLAN节能的算法,并结合相应的控制机制提出了基于资源动态配置的密集型WLAN节能技术。首先,针对密集型WLAN中大量空闲AP所产生的不必要的能源消耗,提出了基于传播分析和优化过程的绿色聚类算法。该方法是在密集型WLAN中实现节能的关键算法。在传统的未应用节能技术的WLAN中,为了保证WLAN所在区域的网络覆盖,需要开启网内所有的AP;新算法可以在关闭大部分AP后保持网络的基本覆盖。绿色聚类算法由两个并行的分支组成,其中一个分支由较为简单且快捷的算法组成;而另一个分支则采用更为精确的方法对绿色聚类问题进行求解。为了实现新算法本文改进了优化算法并引入了一种室内传播模型。本文对新算法进行了理论分析和仿真验证,结果显示当网内用户数量较少或流量较小时,在保证网络基本覆盖的前提下可以节约67%到90%的能源。其次,为了在建立WLAN之初即引入节能思想并达到进一步节能的目的,提出基于绿色聚类思想的接入点部署规划算法。为了获得更好的节能效果,可以将节能作为设计WLAN的一个目标,使其成为WLAN的一种特性。本文将部署AP的问题改写成一个多目标优化问题:达到使用更少的AP覆盖更大面积的目的。为了对AP的覆盖情况进行更为准确的分析,提出一种基于射线追踪算法、时域有限差分技术和粗糙集理论的室内传播分析方法;为了对等效的多目标优化问题进行求解,提出一种具备动态种群规模的粒子群优化算法。本文对新部署算法进行理论分析和仿真验证,结果显示新算法可以为AP的布设提供指导,与绿色聚类算法相比实现了进一步的节能。再次,针对在密集型WLAN中引入节能技术对网络性能和用户体验造成的影响,提出基于吞吐量分析和终端电池生存期的临时接入选择算法。应用于WLAN的节能技术实现节能的主要途径是:在网络处于低负载或零负载条件下,用户需要的容量仅由负责覆盖的设备即可提供时,关闭冗余AP。一旦网内用户数量增多且流量加大,需要开启AP。而重新开启的AP需要进行初始化,不能为用户提供网络连接服务。针对这一现象,新接入选择算法联合吞吐量分析和终端用户电池生存期,对不同情境中的接入问题进行了处理。本文对算法进行了理论分析,并在Network Simulator version 3(NS-3)软件平台下进行了仿真验证,仿真结果验证了算法在满足临时接入特有的时效性要求的同时,通过为用户提供更优的备选AP改善了网络的吞吐量特性,并降低了系统的丢包率。最后,本文结合上述三种算法,提出一种基于资源动态配置的应用于密集型WLAN节能的技术,在归纳分析现有节能技术的基础上,对新节能技术进行了仿真验证。仿真实验的结果显示:在保证网络覆盖和Qo S的前提下,相比于现有算法,本文提出的节能技术实现了最小的网络功耗。与未应用节能技术的情境相比,节能80%左右;与现有的算法相比,可以提高20%到30%的节能效果。
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