无线局域网负载均衡技术以及应用

可以从两个方面对无线局域网的负载均衡技术进行分类。按照负载均衡的发起者分，负载均衡可以分为STA主控的负载均衡和AP主控的负载均衡。按照负载均衡的解决方式可分为接入式负载均衡和切换式负载均衡。无线局域网的负载均衡的分类如图2所示。

2.3.1STA主控负载均衡

STA主控的负载均衡实际上是一种自发的负载均衡策略，是无线局域网中STA的特性之一。切换完成的STA实际上也实现了网络负载的传递。

仅仅靠信号质量作为STA切换的条件是片面的，目前有大量的研究集中在如何改进切换的时机，以更准确地实现终端切换带来的负载变化。如UT斯达康通信有限公司在2004年4月27日申请的专利《无线接入点负载均衡方法》(专利号： CN200410017978)中，对终端切换的条件加以扩充，在终端接入无线接入点之前，比较ESS内AP的当前接入用户数或接入数据流量，无线终端接入到接入用户数或接入流量最少的无线接入点，从而实现局域网无线接入点的负载均衡。终端接入或切换除了AP的信号强度，还要考虑AP的当前用户数和流量，增加了切换目标AP选择的准确性。这样的方法的缺点是切换或接入的过程中，终端必须查询AP的状态，从而增加了切换的工作步骤，使切换的时间延长，违背快速切换原则。有研究改进了此方法，由AP定期广播其流量和用户数量，这样做虽然可以在终端背景扫描时就一并得到信号质量和负载水平，但是会增加网络开销。

STA主控的优点是：STA最清楚自己的业务需求和所处的环境，STA扫描得到的环境中可用的BSS情况对 STA而言最准确。而且，切换或接入的主体是STA，业务也是在STA上开展，切换造成的损失由STA承担。缺点是：STA仅仅知道终端侧的情况和STA 自身的情况，对网络环境而言，STA并不能准确掌握，没有发言权。STA切换随意性大，会对整个ESS造成混乱，使网络全局的负载均衡效果不佳。

2.3.2AP主控负载均衡

AP主控负载均衡的出发点是，AP处于网络侧，AP之间通过有线的连接，可以在不影响STA业务的情况下，相互传递与负载均衡相关的信息。根据这些信息，ESS就可以判断出AP中负载最重的AP和负载最轻的AP。拥有这些信息的ESS就可以做出一些决策，比如，让负载重的AP下的终端切换到负载轻的AP下，或者对新加入网络的终端进行限制，不允许负载重的AP接入而只允许负载轻的AP接入等，实现ESS内的负载均衡。

目前的研究重点集中在AP主控的负载均衡方法上。如联想(北京)有限公司在2003年9月24日申请的专利《一种无线接入点的负载均衡方法》(专利号：CN200303134660)中采用以下方法实现负载均衡：通过无线接入点之间的相互通信，每个无线接入点可以根据当前网络的负载分配情况决定是否允许新终端接入，如果负载高，则拒绝终端的接入，从而实现负载均衡。IBM在2002年6月26日申请的专利《AccessPointInitiatedForced Roaming Based Upon Bandwidth》(专利号：US20040001467)中提到一种控制终端移动和漫游的负载均衡方法：无线接入点监控其管辖的所有终端的带宽使用情况，如果发现负载异常，就选择一个终端，强迫其漫游到其他的无线接入点上，由此实现负载均衡。

中兴通讯股份有限公司也在这方面有深入的研究，并有大量的成果。如王占利在2004年3月10日申请的《一种无线局域网接入点设备间负载均衡的实现方法》(专利号：CN200410008410)中采用以下方法实现负载均衡：多个接入点之间通过交互消息的方式选举出主控接入点，主控接入点允许移动无线终端接入，其余接入点设为备选接入点，备选接入点拒绝移动无线终端接入。这个方法可以克服负载均衡的实现依赖于接入点AP外部服务控制器的控制或只能针对特定STA用户群应用的缺陷，解决了接入点AP间充分利用有效资源实现动态负载均衡的问题。

AP主控的优点是网络侧的整体情况可以通过AP之间的分布式系统，准确、及时地进行统计，在整体协调和调度方面对网络侧有利，也比较容易实现整体策略的实施。另外就是整个网络的负载均衡调整速度会很快。缺点是网络侧并不知道STA所处的位置和网络环境、STA 所能够扫描到的AP的情况，所以有切换决策错误的风险。

2.3.3接入式负载均衡

接入式负载均衡就是控制STA的接入实现负载均衡。当AP的负载情况超过阈值后，该AP就会拒绝新的终端的接入，加入网络的终端只好寻找负载较轻的AP进行连接。从而在一定的程度上实现负载的均衡。

由于接入式负载均衡只控制新终端的接入过程或切换后的重连接过程，属于被动的负载均衡，负载均衡的调整收敛速度会比较慢。极端情况下，没有新的终端进入网络，或者所有的STA都维持当前连接，网络会一直处于非平衡状态。

2.3.4切换式负载均衡

切换式负载均衡就是控制STA的切换以实现负载均衡。当ESS中某AP的负载过重的时候，ESS或终端控制该AP下的STA切换到其他AP上，以分散负担。当ESS中某AP的负载过轻的时候，ESS或终端就控制其他AP下的STA切换到该AP上，以实现整个 ESS的全局平衡。

切换式负载均衡的特点是反应迅速，一旦出现负载差异，可以通过切换行为迅速调整。缺点是切换会对终端造成损失，有切换失败和上层业务中断的风险。同时，切换式负载均衡必须依赖于快速切换才能实现。如果快速切换方法效果差，则负载均衡造成的损失会增大。

将AP主控方法和切换式负载均衡方法相结合是当前研究的热点，不仅可以准确地收集信息做出决策，而且可以迅速反应，主动地调整扩展服务集中的负载分布。

虽然负载均衡的本意是为了优化网络的运行，平均分配整个网络中的负载，达到尽可能高的网络资源的利用率，提高网络的性能。但是，作为一种网络管理行为，负载均衡为网络引入了负载信息交互的网络开销和负载均衡调整的网络管理开销，并且与之相关的，终端切换也会增加网络的开销。随着ESS中AP数量的增加或STA数量的增加，维护负载均衡所需的网络开销也会增大，对网络性能造成干扰和损失。

负载均衡也有负载调整失败的风险。切换有失败的可能，会造成孤立节点的存在。切换失败的终端不得不重新寻找 AP进行接入，上层业务必然会中断。另外，切换是对稳定的网络环境的干扰，过于频繁的切换会造成网络性能的抖动，并且可能出现"乒乓效应"，使网络长时间处于动荡状态，不能稳定。
3 TD-SCDMA系统中的负载均衡技术

时分同步码分多址(TD-SCDMA)是一个时分同步系统，在通用移动通信系统陆地无线接入网 (UTRAN)的无线资源控制(RRC)中，很重要的一部分内容就是负载均衡。在时分系统中，时间和码道资源是非常有限的，而且在时分系统中，大量的业务是电路交换业务，对QoS的要求都很高，所以，负载均衡在时分系统中非常重要。

时分系统中的负载均衡有多重粒度。除了可以控制用户终端(UE)的切换之外，甚至可以在每个时隙的基础上控制负载的分配。与无线局域网不同的是，时分中的某些负载均衡方法是以牺牲UE的业务为代价的，比如暂时中断分组数据业务，甚至强迫用户掉话，中断电路交换业务，强制UE释放系统资源。

一般而言，在时分系统中，可行的负载控制措施有：

强制使某些用户掉话。

在同一节点B(NodeB)的不同时隙间进行负载均衡。

下行快速负载功率控制：拒绝UE来的下行快速功率增加命令。

上行快速负载功率控制：减少上行快速功率控制使用的上行目标。

减少分组数据流量的吞吐量。

如果支持多载波，则切换到另外一个TD-SCDMA载波上。

切换到GSM或其他移动通信系统。

减少实施移动台的比特传输率，例如自适应码率(AMR)语音等。

降低基站发射功率，减小本基站覆盖，迫使本基站内的一些UE切换到其他小区。

其中，前4个措施可以在同一个基站内部执行，特点是快速，甚至可以在一个时隙内生效。为了保证那些不能忍受重发导致时延业务的QoS，可以提高对延时并不敏感的链路连接的误帧率要求，这样做尽管会增加分组数据业务的延时，但是却能维护诸如语音和可视电话等传统电路交换业务的质量。

可以看出，在时分双工的TD-SCDMA系统中，由于系统的粒度差异，导致负载均衡的方法也有很大的区别。但总体上，通常要经过负载信息收集、负载评估、任务跃迁3个部分。不同的是加上了码分多址(CDMA)和时分双工(TDD)的特点而已。

4结束语

无线局域网中的负载均衡技术研究才刚刚开始。由于无线局域网的使用环境，负载均衡面临着比有线分布式系统中更加复杂的问题。好的负载均衡方法可以有效地提高网络的效率，提高资源的利用率，降低系统拥塞的可能性，提高系统抵抗负担变化的能力，提高系统的容忍度。无线局域网的负载均衡应该遵循以下原则：

准确地评估每个AP的负载状况，并尽快地进行负载信息的交互；负载信息的交互应该不影响业务质量。

高效的均衡算法，准确地选择执行负载均衡调整操作的执行者，并结合切换和接入两种手段；如何加快负载均衡调整的收敛速度也是均衡算法应该关注的重点。

结合快速切换的切换管理和控制，要避免多个终端在同一个AP处的切换竞争和拥塞。

降低负载均衡的副作用，应该降低网络开销，具备避免频繁切换、切换失败控制等机制。