WLAN 资源调度——网红餐厅的调度秘籍
2023-07-26
本篇部分内容来源自世界无线局域网应用发展联盟（WAA）同名白皮书原文。
在河套IT Talk第100期，我们解读了WAA在其夏季论坛上发布的《企业典型场景高品质WLAN网络建设白皮书》。白皮书介绍了非常多构建高品质WLAN的技术。我们会通过几期展开谈谈这个话题。之前已经聊过了：《射频资源管理——无线局域网竟然也需要红绿灯管理！？》，以及《狮吼功还有一招大喇叭——覆盖增强技术》，今天，咱们就谈谈资源调度保障技术。
1. 网红餐厅的苦恼
调度这个词儿，我们经常听到。因为调度无非就是在时间、空间和资源等限制条件下，通过管理和优化，高效地分配和利用可用资源（如时间、空间或计算能力），以最优化流程完成给定任务。调度问题可以在各个领域中找到，包括计算机系统、通信网络、制造业、交通运输、项目管理等。在每个领域中，调度算法或策略可能因所管理的具体系统或流程的特定要求和目标不同而不同。而今天聊的WLAN也不例外。
为了方便大家的理解，我用一个餐厅就餐的调度过程作比方。想象一家业务超级繁忙的网红餐厅，外面是一群乘客排着队等候就餐。有七八个朋友一起来的，有一家四口，有情侣，还有单个前来用餐的。别小瞧那些单独前来的，说不定其中就潜藏着决定餐厅生死存亡的美食评论家，他们仿佛是VIP般的存在。餐厅内，座位几乎全满，但也有一些人不愿意拼桌，导致某些座位被浪费。上菜的服务员们在过道上穿梭，忙得不可开交，却还是不经意被顾客打断，被催促着上菜、加水、买单。服务员们焦头烂额，甚至没时间收拾顾客离席后的桌子，被大堂经理训斥也是家常便饭。后厨里同样是一片忙乱，厨师长迅速做出决策：哪些菜容易做，哪些菜可以集中一锅炖出多份，哪些菜需要预先加工。锅碗瓢盆的声音不绝于耳，炉灶上不时冒出火焰，仿佛大家正在经历一场紧张的战争，一刻都不敢停歇。
正如这种混乱的餐厅一样，WLAN的应用场景也遇到了这种情况。在工业园区、教育培训、智能制造等组网场景，随着全无线的普及，新的使用习惯和流量模型的变化趋势也随之出现，WLAN和上述描述的网红餐厅的状况越来越像：
- 人均终端数从单一终端转变为多终端（人们不是来吃一碗牛肉面，而是要点很多菜）。
- 应用类型从单一数据业务为主转变成数据、音视频多种业务混合（菜的种类和制作手法要求也很多种，有炒菜，有炖菜，有凉菜，有蒸菜，还有甜点和果盘）。
- 并发的数据量大幅度提升（从餐厅外焦急等待的顾客们能真切感受到，由于是网红餐厅，某些网红菜品被频繁点到，俨然成为瓶颈）。
- 数据流量的大幅增加，以及不同业务对于时延，丢包，抖动等参数的敏感性不同，就要求无线设备对无线空口资源进行合理的分配、调度，以保证不同业务的差异化服务（不能让顾客排队等太久，也不能让顾客就座了等一个菜很久，也不能让第一个菜都吃完了，第二个菜还没有上……，顾客里有吃的快的，吃的慢的，有性子急的，有不着急还在等朋友的，别忘了，还有VIP客户哦）。
在传统WLAN网络中，服务质量QoS（Quality of Service）主要通过Wi-Fi多媒体技术WMM（Wi-Fi Multimedia）来完成优先级业务的保障的。通过将业务分成不同的优先级类别，然后通过随机退避的机制来实现不同优先级业务之间的竞争和调度。但在多用户多业务场景下，随机退避的机制暴露出来一些缺点，很难满足新场景的需求。还是回到前面餐厅的例子会很好理解。WMM其实就好比一种完全没有排队机制的就餐调度方式：大家堵在餐厅门口，类似于抢占式，谁挤在前面被注意到了，就进去就餐，随机点将一样地被选择显然是一种极为粗放型的调度手段，要是人少一点儿勉强说得过去，人多了不打起来才怪。
同理，当多个终端同时竞争无线信道资源时，它们会在遇到碰撞时随机选择一个延迟时间后再次尝试发送数据，这样的竞争方式可能导致资源利用率低、时延较高以及传输效率下降。特别是在大量终端同时竞争时，这种随机竞争机制的效率将进一步降低，很难满足新场景对网络性能的需求。
为了解决上述问题，以应对复杂的WLAN场景的多用户体验，必须要通过一系列的调度技术：VIP用户，带宽智能分配，业务识别及差异化调度等。下面，我们就一个一个来讲解。
2. VIP用户保障
VIP 是指在网络中，存在的高优先级类别客户端，需要对该类用户进行带宽保障，这类客户端的流量需要优先保障与调度。这个比较好理解，VIP用户，不用排队，直接被领进独立包间，或者最佳就餐座位，所有被VIP点的菜，必须最快响应，最好的大厨来亲自上阵。
识别VIP用户可以通过多种方式实现，其中一种常见的方法是使用特殊的标签或优先级标识。这些标签可以在用户设备或网络流量中进行标记，以便网络设备在数据传输和资源调度时进行识别和优先处理。
除了使用QoS标记，还可以通过其他方式来识别VIP用户，例如使用特定的认证方式、MAC地址过滤或者IP地址分配等。这些方法通常需要网络管理员配置，并在网络设备上进行相应的设置。
通过特殊标签或标记，网络设备可以识别VIP用户，并优先处理其业务流量，从而保障其在拥挤场景下的网络连接质量。
3. 带宽智能分配
带宽分配，资源保障最主要的目的，是实现客户端的良好体验。在前文提到无线资源是有限的，如果设备能够评估出一个可使用资源门限，一方面减少多设备间资源竞争带来的空口浪费，另外设备下的客户端能够在有限资源下，得到一个合理到资源分配，保障客户端的网络体验。带宽分配依赖于资源评估算法的支持。资源评估算法，在网络使用过程中，通过检测网络运行参数，如底噪，信道使用率，终端数目等，来大致评估出可使用的网络带宽，网络带宽随网络运行状态实时动态更新，为后续带宽分配所使用。
我们在餐厅里面经常看到餐馆根据桌子的特点把餐桌分为A类，B类，C类，然后分别进行调度排队管理，这样就是典型的一种带宽智能分配逻辑。
带宽分配主要包含两部分资源评估算法：带宽分配算法，终端调度算法。
3.1 带宽分配算法
带宽分配算法，在多客户端场景下，通过检测各个终端的流量大小与类型，可以评估出终端属性。带宽分配算法则跟踪采集到的数据信息，为终端分配合理的带宽使用门限。在保障业务的前提下，终端不能超过该门限值。如果判定存在空闲带宽情况下，则大流量终端可以抢占空闲带宽，达到一个资源合理分配使用，多客户端差异化调度。
3.2 终端调度算法
终端调度算法，结合应用识别技术，报文携带优先级标签，高优先级类报文可以获得优先转发调度，而多客户端各自所获得的有效使用带宽门限是确定的，在完成高优先级类别调度时，保障了业务优先，同时多客户端带宽确定下，又完成了多客户端的资源保障。
4. 业务识别
应用识别与调度保障，在AP 或者无线控制器上通过深度包检测DPI（Deep Packet Inspection）深入解析和检查数据包中的内容、设备指纹识别DFI （Device Fingerprinting Identification）识别连接到网络的设备类型和特征等技术，可以将终端用户的特点、使用的应用情况，进行精准细致的分类，通过配置策略设定，将给不同类别的应用、终端类型进行标记，进行关键业务的优先调度和保障，例如，办公场景中音视频会议为重要业务，可以通过该技术进行识别并优先调度和保障，从而提升该业务使用体验。
如果还用餐厅就餐作为类比：DPI就类似于顾客点完的菜单解读，快速识别每道菜的成分、烹饪方法、烹饪周期，以达到快速制定菜品的制作策略，比如凉菜先上，甜品要放在最后，周期长的菜要第一时间开始启动制作等等。DFI就有些类似顾客识别，比如老顾客是不是还是喜欢点老三样啊，要不要看到这个顾客在排队，后厨就要提前做好某些原材料准备？
5. 动态速率调整
动态速率调整，WLAN 网络使用中，存在多类型终端，如Wi-Fi4，Wi-Fi5，Wi-Fi6 等终端可能同时使用无线网络的情况，不同类型终端在标准协议上，约定的最大传输速率是确定的，如果网络存在干扰或低RSSI 情况下，重传和丢包较高，则会进行降速，如果系统能够检测空口环境并统计选速信息，将终端的选速进行一个区间调整，这样减少高速率出现的丢包与重传，减少空口竞争，从而提升空口使用效率。
还是回到餐厅就餐做类比，动态速率调整，就好比把顾客分为孩子、大人，男人女人，瘦子和胖子等等，不同类似的顾客，有的吃得多，有的吃得少，有的吃得快，有的吃得慢。这样区分之后，就可以动态调整供餐的节奏，避免出现胡子眉毛一把抓的情况。
6. 链路优化
链路优化（OFDMA（正交频分多址）），该项技术主要是可以通过在频域上想多个客户端并发，提升多用户通信时的效率，具体实现是将频段子载波分配给不同的客户端进行并发通信，可根据客户端需求划分资源单元（RU），灵活的RU分配可为多个客户端提供高效的体验速度。
如果类比餐厅就餐，链路优化就是类比服务员们在餐桌之间穿梭，上菜和端盘的场景。为了提高效率，服务员们会灵活选择路径，将相邻桌子的点餐一并处理，避免反复穿梭，节省时间和体力。这种优化策略使得服务员们在有限的时间内能够服务更多的桌子，提高了整体效率
7. 增强MU-MIMO
增强型MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output），多用户场景下，不同用户的业务报文达到AP 时间不一致，报文量也不一样，导致AP 在转发业务报文时不能满足MU 配对的要求，通过增强型MU-MIMO 技术，AP 进行报文预处理，增加MU 配对的成功率，使用MU-MIMO 来同时发送多用户的业务报文，以此减少空口发送的频次，提升空口资源的利用率，以此来提升整网的带宽。
想象一下在繁忙的餐厅中，服务员们手里都提着满满的盘子准备上菜。传统的做法是一个服务员一次只能送一道菜到一个桌子，这样可能会导致一些桌子等待时间较长。但是，如果服务员们采用增强型MU-MIMO的策略，他们可以利用双手同时送多道菜到不同桌子，这样能够减少等待时间，提高了服务效率。或者直接调动送餐机器人，提升送餐的效率。
8. 空口资源联合调度
空口资源联合调度，目前网络上的数据流量，基于TCP 协议的数据流量的比例达到了90%以上。多用户并发场景下，上行的TCP ACK 与下行MU-PPDU 数据报文存在较大冲突碰撞概率，会导致错包丢包。针对该场景，通过空口资源联合调度，多用户上行业务报文可同一时刻发包，降低了空口上下行碰撞的概率，提升了多用户的并发能力。
在餐厅内，有些菜品就是受欢迎，顾客的点餐数量很多，后厨成为制作瓶颈，这个时候就可以采取空口资源联合调度的方法。在这种情况下，将同一时刻点餐的多位顾客的菜品一起提交给厨房，厨师们会在一次性收到多个订单后，做整体规划，优先处理那些准备时间较短的菜品，并采用大份处理，再拆分小份上桌的总体策略，这样就减少了拥塞的概率，提高了厨房的工作效率，确保每位顾客都能够及时享用到美食。
综上所述，资源调度保障是现代无线网络中的一个关键技术领域。通过采用VIP用户保障、带宽智能分配、业务识别及差异化调度等技术，无线网络可以实现对不同业务的差异化服务，提升用户体验和网络效率，提高了网络的带宽利用率和多用户并发能力。这些技术的不断创新和优化将为未来无线网络的发展带来更多可能性，满足不断增长的用户需求。
好了，今天我们就先聊到这儿，下次我们再来谈谈WLAN中的无感漫游技术。
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