基于资源动态配置的密集型无线局域网络节能技术研究

摘要

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 version3（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QoS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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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2无线接入网节能技术的相关背景知识

1.3无线接入网节能技术国内外研究现状及分析

1.4学位论文的主要研究内容

第2章 基于传播分析和优化过程的绿色聚类算法

2.1引言

2.2基于资源动态配置的密集型WLAN节能技术

2.3 AP覆盖范围的估算

2.4基于传播分析和优化过程的绿色聚类算法

2.5绿色聚类算法的仿真及分析

2.6本章小结

第3章 基于绿色聚类思想的接入点部署规划算法

3.1引言

3.2 AP部署算法中的室内传播分析模型

3.3 DPS-MOPSO算法与AP部署规划算法的实现

3.4 AP部署算法的仿真及分析

3.5本章小结

第4章 基于吞吐量分析和电池生存期的临时接入选择算法

4.1引言

4.2算法背景及引入的模型和假设

4.3基于吞吐量分析的临时接入选择

4.4基于终端电池生存期分析的临时选择接入

4.5临时接入选择算法的实现

4.6临时接入选择算法的仿真及分析

4.7本章小结

第5章 密集型WLAN节能技术的效果分析

5.1引言

5.2本文提出的节能技术的实现及验证

5.3节能技术的对比验证实验

5.4节能技术的实际实现和未来发展

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果

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致谢

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