（通信与信息系统专业论文）无线多跳网络性能仿真与研究.pdf

中文摘要 摘要：随着移动互联网的普及，无线网络服务将从目前的以话音服务为主逐渐向 提供高速数据接入方向转变，传统的单跳网络结构面临一系列挑战，m e s h 、r e l a y 等分布式无线通信技术逐渐成为未来移动通信系统的重要支撑技术。面向下一代 移动通信系统是一种具有部分基础设施网络支撑的分布式无线网络技术，将分布 式无线通信技术的优势和蜂窝移动通信系统的优势相结合，为运营商提供一个可 管理、可运营的、低成本的移动宽带通信系统。 本论文主要研究基于蜂窝系统的无线多跳网络，根据无线多跳网络结构在整 个系统中所处的位置以及功能的不同分为m e s h 模式和中继模式两类，因此本文研 究内容分为两部分。 第一部分，建立m e s h 模式无线多跳网络系统模型，并用c 语言搭建了系统级 仿真平台，在此基础上构建了采用动态调度树的m e s h 模式无线多跳网络稳定传输 的约束条件。基于约束条件，建立了最大化网络总吞吐量的线性优化模型，设计 了分别以最大化网络总吞吐量和最大化最小可实现节点端到端吞吐量为目标的链 路调度算法l s m t n t 和l s m m e t 。最后对所设计算法进行了仿真评估，采用 l s m t n t 算法使得最小可实现的端到端吞吐量为其上界的8 0 ；算法l s m m e 与贪婪算法相比，节点端到端吞吐量有5 0 以上的提高。 第二部分，建立以l t e a 中继系统为代表的中继模式无线多跳网络系统模型， 构建了带内和带外两种模式下用户与中继节点的干扰模型和资源分配模型，并用c 语言搭建了系统级仿真平台。最后以用户s i n r 和吞吐量为指标仿真评估了3 g p p 中定义的c a s el 和c 淞e3 场景下，l t e a 中继系统的性能，定量的分析了不同网 络场景下系统的性能差异，以及与无中继节点场景相比系统工作于各模式时获得 的增益。 关键词：无线多跳网络；m e s h ；m a ；中继；链路调度；吞吐量 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t a b s t r a c t w 胁t h ep o p u l a r i t yo fm o b i l ei n t e m e t w i r e l e s sn e 坩o r ks e r v i c e s c o n v e nt 0p r o v i d eh i g h s p e e dd a t aa c c e s sf r o mt h ec u r r e n tv o i c es e r v i c e s ，觚dm e 仃a d i t i o n a ls i n g l e - h 叩n e 细o r ki sf a c i n gas 耐e so fc h a l l e n g e s w h i l em e s h ，r e l a y 锄d o t h e rd i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o 瑚【m u n i c a t i o nt e c l l i l o l o g yh a sd e v e l o p e d ，t h en e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lb ead i s 仃i b u t e dw i i e l e s sn e t 、o r kw i t hs u p p o r to ft i i e i n f h s t m c t u r en e m o r i 【，锄dc o m b i n e st h e a d v 锄t a g e s o ft h ec e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n 锄dt h ed i s t r i b u t c dw i r e l e s sc o m m 岫i c a t i ，p r 0 v i d i n gam a n a g e m 朗t ， o p e r a t i o n s ，l o w c o s tm o b i l eb r o a d b 锄dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rt c l e c o mo p e m t o r s ht 1 1 i sm e s i s ，f o c u s e do ns t u d y i n gt l l ew i r e l e s sn m l t i - h o pn e t w o r l 【sb 嬲e do n c e l l u l 盯n e t w o r k s ，a n dt l l en 印o f k sa r ed i v i d e di i l t 0t w ot y p e so fm e s hm o d e 锄dr e l a y m o d e s ot h ec o n t e n t so fs t u d yi n c l u d et 、op a n s i nt h ef i r s tp a r t ，t h em o d e lo fm e s h m o d ew i r e l e s sr n u l t i - h o pn e 锕o r ki sc r e a t e d ， 觚das y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f 0 咖i sc o m p l e t e d b ycl 锄g u a g e b a s e d 0 nt h i sb a s i s ， l i i l l ( s c h e d u l i n ga l g o t h m sl s m t n t 粕dl s m m e ta r ed e s i 印e d 1 n b et o t a ln e 柳o r k t h r o u g l l p u tw i l lb em a x i m i z e dw h e nt l l e l i n k ss c h e d u l e db yl s m t n t 觚dt h e m i n i m u mt h r o u g l l p u tw i l lb em a x i m i z e dw h e nt h el i n k sa r es c h e d u l e db yl s - m m e t f i n a l l y m ea l g o r i t h m sa r ca c c e s s e d b y s i m u l a t i o n s t h em i i l i m u me n d t o - e n d n 啪u 曲p u tc 锄a c h i e v em e8 0 o fi t su p p e rb o 岫dw h e nl i n l 【s a r es c h e d u l e db y a l g o r i t h ml s m t n t c o m p a r e dw i t hg r e e da l g o r i t h m ，t h eg a i no fn o d ee n d - t o e n d t h r o u 曲p u ti sm o r et h 觚5 0 w h e nt h el i 出a r cs c h e d u l e db yl s m m e t i i lt l l es e c o n dp a n ，t h em o d e lo fu e - ar e l a ys y s t e mw h i c hi s t y p i c a l r e p r e s e n t a t i v eo fr c l a ym o d ew i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r ki sc r c a t e d ，锄dc o n s t n l c tt h e i n t e r 】b r e n c em o d e la n dr e s o u r c ea l l o c a t i o nm o d e lo fb o t hi n b a n da n do u tb a n df 0 ru e a n dr e l a y as y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o n i li sc o m p e t e db ycl a n g u a g e f i n a l l y t h e n e t 、o r kp e 怕n n 粕c eo fc 嬲e1 觚dc a s e3d e f m e di n3 g p p 盯em e 弱u r c db ys i n ra n d m r o u g h p u t t h ep e r f o m a n c ed i 丘c r c n c e s o fd i f r e r e n ts c e n “o sa r eq u 锄t i t a t i v e l y a n a l y z e d ，锄dt h eg a i n sa r ea l s o 锄a l y z e dc o m p a r c dm es c e n a r i oo fe n o d eo n l y k e y w o r d s lw i r e l e s sm u l t i - h o pn e 锕o r k s ；m e s h ；l t e - a ；r e l a y ；l i n l ( s c h e d u l i n g ； t h r o u 曲p u t c l a s s n olt n 9 2 9 5 致谢 在研究牛两年半里，导师谈振辉教授在学术上给我精心指导，谈老师严肃的 科学态度，严谨的治学精神，渊博的学识和精益求精的工作作风，深深地感染和 激励着我：在思想道德情操和为人处事上给我树立了光辉的榜样：在生活上给我 以无微不至的关怀。从课题的选择到项目的最终完成，谈老师都始终给予我细心 的指导和不懈的支持，在此谨向谈老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 无线通信实验室金晓军老师在这两年多里给我热心帮助，在生活上给我很多 关怀，使得我能够顺利完成学业，在此表示衷心的谢意。感谢黄清老师这两年对 我的帮助和最后论文撰写的指导，感谢徐少毅老师和王海波老师在学习和科研上 给予我的支持。 由于实验室和诺基亚西门子通信系统技术( 北京) 有限公司有合作项目，这两年 在诺西中国研究院进行无线多跳网络的研究，一直由赵竹岩高级工程师指导，这 期间赵工不但在工作上给热心的指导与帮助，还经常教诲我为人处事的方式，并 在论文完成过程中，提了很多建设性意见，在此向赵工表示衷心地感谢。 另外，感谢实验室的师兄师姐们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服 一个个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 最后感谢母校北京交通大学和电子信息工程学院六年多来对我的大力培养和 生活方面的帮助。忠心感谢我的父母和姐姐多年来对我的学业的支持和生活上的 关心，正是你们的爱，理解和支持，我才得以顺利完成学业。 六年多的大学校园生活，所收获的不仅仅是丰厚的知识，更重要的是在阅读、 实践中所培养的思维方式，自学能力和表达能力。很庆幸这些年来我遇到了许多 恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照 顾。对他们的感激之情难以用语言量度，谨以我最朴实的话语致以最真挚的谢意。 1 绪论 1 1研究意义 目前的2 g 和3 g 无线蜂窝系统架构主要依赖于基站和用户端设备( 移动台) 之 间的单跳无线链路来传输语音和数据。随着移动- 瓦联网的普及，无线网络服务将 从以话音服务为主逐渐向提供高速数据接入方向转变，传统的单跳网络结构面临 一系列挑战。首先，传输速率越高导致发射距离越短，基站能够覆盖的面积就越 小；其次，未来大部分无线系统都将工作在2 g h z 以上频段，如此高频段无线电信 号的衰减比现有的l 2 g h z 频段要严重的多，小区边缘用户的服务质量将得不到 保证。如果继续采取单跳网络结构，无法适应未来无线通信系统高速数据传输的 要求。虽然智能天线技术和编码及信号处理技术已经大大提高了系统的性能，但 没有更好的网络架构，这些技术本身并不能满足未来无线系统的要求，尤其是在 范围很大或者用户很密集的地区。因此，网络架构的演进是重中之重的一个方面， 它在很大程度上影响、甚至决定了其它方面的工作。同时，从经济成本上看，依 靠增加基站采用微小区的办法，并且按照传统的采用有线回程( b a c l ( i l a u l ) 网连接 基站与核心网，将加大运营商投资和运营成本，因此，人们开始考虑能否不增加 基站而达到扩展覆盖面积且减少功率损失的问题【l 】。 无线多跳网络，尽管是在i n t e m e t 网络应用较早时期发展起来的技术，但它的 网络结构和组网方式在未来无线移动通信中，仍有较大的研究价值和应用前景。 从i e e e8 0 2 1 6 em o b i l ew i m a x 到u e ( l o n gt e me v o l u t i o n ) 9 网络结构的扁平化 正在成为趋势，这是因为对系统处理时延越来越苛刻的要求，迫使人们不断优化 网络端的处理结构，提高系统信令处理的效率。这种扁平化的趋势使无线网络的 发展越来越趋向于类似于i n t e m e t 一样的网状结构，而不再是传统分层的树型结构， m e s h 、r e l a v 等分布式无线通信技术逐渐成为未来移动通信系统的重要支撑技术。 随着分布式无线网络的不断发展，m e s h 、r e l a y 等概念已不再局限于传统的全分布 式无线多跳通信网络中，它们既可以是全分布式的，也可以与集中控制柏结合。 从而，面向下一代移动通信系统是一种具有部分基础设施网络支撑的分布式无线 网络技术，将分布式无线通信技术的优势和蜂窝移动通信系统的优势相结合，为 运营商提供一个可管理、可运营的、低成本的移动宽带通信系统【2 】。 本论文主要研究在具有部分基础设施网络支撑的分布式无线网络中，如何评 估网络容量、如何进行链路调度以及联合优化，以尽可能的提高网络性能。 1 2研究背景和现状 本文中研究基于蜂窝系统的无线多跳网络，根据无线多跳网络结构在整个系 统中所处的位置以及功能的不同分为m e s h 模式和中继模式两类。 1 2 1m e s h 模式无线多跳网络 无线m e s h 网络具有诸多优于其它类型无线部署的优势，这些优势主要集中在 降低网络关键环节的成本安装、维护以及运行等方面，以及在某些情况下， 由于网络拓扑结构缺少有线基础设施、或者是在客户室内或室外位置布线成本高 等原因，无线m e s h 网络成为部署网络基础设施的唯一可行方案。下面介绍几种具 有m e s h 拓扑的无线多跳网络。 i e e e8 0 2 16 ，又称w i m a x ，( w | 0 r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，即 全球微波接入互操作性。i e e e8 0 2 1 6 最初被开发用于宽带固定无线接入，作为固 网的补充。其丰要任务是开发工作于2 6 6g h z 的无线接入系统空中接口物理层 ( p h y ) 和媒体接人控制层( m a c ) 规范、与空中接口协议相关的一致性测试以及不同 无线接人系统之间共存的规范。i e e e8 0 2 1 6 在设计时已充分考虑业务的q o s 支持。 根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准系列分为固定宽带无线接入空中接口标 准和移动宽带无线接人空中接口标准，其中的8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 d 都属于 固定无线接入空中接口标准，而i e e e8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接人空中接口标 准。无线网络受限于发射功率，当发射功率一定时，传输的数据速率越高，覆盖 范围会越低。若超过了最大允许发射功率，发送机必须降低数据传输速率以增加 覆盖距离。发送功率一般受标准规范和用户设备电池的限制，所以在蜂窝系统中 邻近基站的用户需要采用自适应技术以提供较高的数据速率，但数据速率会随着 与基站问距离的增加而急剧下降。i e e e 8 0 2 1 6 标准系列由于工作在1 0 6 6 g h z 频 段，基站( b s ：b 硒es t a t i o n ) 和用户站( s s ：s u b s c 曲e rs t a t i o n ) 之间一般采用视 距传输或准视距传输，对于人口密集的城市，由于树木、建筑物等障碍物的遮挡， 许多s s 无法和b s 进行有效的通信，导致覆盖范围受到限制。在i e e e 8 0 2 1 6 d 的 m e s h 模式下，每个s s 节点都是骨干网络的一部分，可以转发其他s s 的信息。这 样可以通过一系列中间节点的转发提供较长端到端通信距离。在这种模式的网络 中存在2 种节点：b s 节点和s s 节点，如图1 1 所示。b s 节点与核心网相连接， 作为w i m e s h 到核心网的接口以实现宽带接入；s s 节点既可以实现本地用 户的宽带接入，又可以转发其他节点的数据，将这些数据传送到目的节点【4 j 。 2 w i r ci 。i 1 1 k w i r e l c s si i 1 1 k 9i 雾冬 s u h 刚b e i s l a f i o n ，。奉蓼 i l l b r ，套跚胁 穆汐 j s u b s c r i b c r 缪，j ， is u b s c r j i ) c r s 【a t j o n 奉咨 l b s c r i h e r s t a ) n 履 ls u b s c r i h c r ls l a i i o n 一奉b ，j 图1 1w i m a x 中m e s h 模式的无线多跳网络 f i 9 1 1 m e s hm 0 d e 砌阳i 鹤sm u l l i - h o pn e t 、 ，o r ku di nw i m a x 从网络的发展来看，i n t e m e t 和移动通信网络逐步融合是发展的必然趋势。传 统移动通信网络是围绕话音业务为核心进行设计和优化的，而未来移动通信网络 是以i n t e m e t 为核心，基于互联网的服务将成为移动通信网络中的业务主体。这要 求未来移动通信系统可支持高速数据传输，需要较大的系统带宽，因此工作于较 高的频段，基站所能覆盖的面积减小。如果按照传统蜂窝系统，采用微蜂窝解决 此问题，由此来会带来很高的网络建设资本支出( c a p e x ：c a p i t a le x p e n d i t u r e ) 和 网络运营支出( o p e x ：0 i p e r a t i n ge x p e n s e ) 。运营商期望一种成本更低，灵活性更 强的网络来满足未来移动通信的需求，中国移动正是为了实现这一目标提出 w i i s e ( w i r e l e s si n t e m e t i ps e i c ee n v i r o n m e n t ) 移动互联网计划，网络结构如图1 2 所示。w i i s e 具有无线多连接接入、扁平化全i p 网络结构，网络节点同质化，应 用p 2 p ( p o i n tt 0p o i n t ) 、分布式信息存储和处理等特点，目标是构建可运营、可管 理的新一代移动互联网络，可以实现无线通信与i n t e m e t 完全融合，建立一种崭新 的通信和信息提供环境。w i i s e 系统的主要技术特征包括：( 1 ) 扁平化的全i p 网 络结构；( 2 ) 智能异构网络接入体系，移动运营商拥有不同的频谱资源，目前这 些频段是与不同的技术体制绑定的，w i i s e 计划希望将这些频段协调、综合向用户 提供一种业务，并给用户带来更好的业务体验；( 3 ) 基于p 2 p 的分布式通信和信 息处理架构，p 2 p 对电信运营商带来了很大冲击，但、m i s e 计划将把p 2 p 引入移 紧，一忍 动运营商的网络之中，成为移动通信网络的一部分，甚至成为新的利润增长点：( 4 ) 可管、可控、可运营的业务环境，在传统互联网上，业务的管理、运营是一个难 题。怎样建立一个既灵活的管理和控制机制，同时又不损失网络的开放性、灵活 性，是w i i s e 着重解决的问题2 1 。 季：z 一二 _ 舀一一酒石z 罗。1 s 0 、 9 秽 固 b a s e 叁s t a t i 0 1 1 二弦l ， ? ，一叁 ，i 。 念 ) 盆 名 i b a s e 。吏颧a t i o n 慈 0 酋 图1 2 、i i s e _ 一面向未来的分布式无线网络 f i g1 2 w r i i ! ；e - t h ef u t u d i s t r i b u t e dw i r e l e s sn e t w o r k 无线通信技术飞速发展，出现了无线局域网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a l 觚a n e 细o r k ) 、w i m a x 、无线个域网( w p a n ：w i r e l e s sp e r s 伽a la r c an e 撕o r k ) 、无线m e s h 网( w m n ：、m r e l e s sm e s hn e 似o r k ) 、无线传感器网( w s n ：、矾r e l e s ss e n s o r n e 铆o r k ) 、物联网( i o t ：i i l t e m e to ft h i l l g s ) 、a dh o c 、3 g ( n i r dg e n e m t i 衄) 和 b 3 g ( b e y o n dt l l i r dg e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m 啪i c a t i o ns y s t 咖) 移动通信网络等许 多新型的采用不同组网技术的异构网络，给人们的工作和生活方式带来了深刻变 革。由于异构网络相对独立自治，相瓦间缺乏有效的协调机制，造成了系统间干 扰、重叠覆盖、单一网络业务提供能力有限、频谱资源稀缺、业务的无缝切换等 问题无法解决。因此异构网络的融合已经成为网络各个层面的主要趋势，体现在 网络融合、业务融合、终端融合及运营管理的融合，各种业务都被整合在一个网 络的物理媒介( 融合网络) 中进行传输，使得各种以口为基础的业务都能在不同的 网上实现互通【6 】。由于有线b a c k h 肌l 网的布网成本很高，并且在特殊情况下无法 一 冷令 、 采用有线b a c k h 叫l 网络进行数据的回传，因此w m n 将成为未米无线异构融合网 络中b a c l ( 1 l 卸l 网络的理想组网方式，如图1 3 所示。在这种网络覆盖情况复杂、 多种技术并存的移动通信环境中，采用m e s h 技术可以实现异构技术的有效融合与 协同工作，实现异构资源的优势互补和协调管理，不仅是技术发展的必然趋势， 也是网络运营者实现最佳用户体验和最优的资源使用的根本途径。 图1 3 采用m e s h 结构的无线b a c l 【l l 叭l 网络 f i 9 1 3 t h em e s hn e t 、j i r o r ki su s e d 褐w 1 r e ：l e s sb l 【h 跏ln 酣阳r k 1 2 2中继模式无线多跳网络 移动通信中经常面临小区边缘间的覆盖空洞( 信号弱不能稳定接收地点) 和部 分远端地区的接入要求，可利用直放站作简单的基站延伸，达到需要的覆盖要求。 直放站的功能过于简单，收到信号后不做其他处理，直接对接收信号做简单的放 大处理后直接发射，因此放大信号的同时，干扰和噪声也被放大，信号质量差， 接入能力低，对周围干扰大，没有升级适戍能力。近年，采用解码转发中继传输 的模式，是解决小区边缘用户接入接高速数据服务的有效手段。解码转发中继节 点本身有相对简单的协议，对接收信号进行解调和基带处理，将噪声和干扰尽可 能处理掉，然后重新编码进行调制，生成发射信号【7 j 。8 0 2 1 6 j 、8 0 2 1 6 m 和u 飞a ( l t e a d v 锄c e d ) 中均引入该中继技术，如图1 4 所示。图中增强型基站( e n o d e b ：e n h 锄c e dn o d eb ) 能提供的覆盖有限，在小区边缘或高大障碍物后，都有信 号微弱地区，引入中继节点( r n ：r e l a yn o d e ) 后，能很好覆盖，并可在移动用 户变动情况下，自适应调度中继节点的工作状态，可根据需要最大负载运行或暂 停工作，实现网络能力合理、有效。引入中继节点还可解决热点地区接入容量不 足问题，并可拓展e n o d eb 覆盖区域，因此采用中继节点后，可对覆盖区域的任 何用户提供高质量和高速率的宽带服务。在中继模式无线多跳网络中，用户除了 可以直接与基站传输数据外，还可以通过中继站转发基站发来的信号，且中继站 还可以通过连接到其他中继站进行多跳转发。中继站具有双重角色，对于基站其 类似于用户站；对于用户站其类似于基站。 图1 4 中继模式无线多跳网络 f i 9 1 4r e l a ym o d ew i r e l e 豁m u h i - h 叩n 印v o r k 从是否支持移动性上分类，中继模式的无线多跳网络中主要使用3 类中继站： 固定、游牧和移动中继站。固定中继节点可以对某一区域提供长期、稳定的覆盖， 它既可以作为基站的补充，对小区边缘、建筑物内部、隧道或地下建筑进行覆盖， 也可以为扩展小区范围所用，将基站信号延伸到小区外部；游牧中继节点可以满 足一些区域i 临时性或突然增加的通信需求，如在某些赛事的赛场通常会集中出现 突发的大量话务或数据业务的需求，而且中继还可以协助将业务负载平衡到邻近 的基站上；移动中继主要针对某些公众交通工具上的用户，由于是群体移动的， 在经过不同的小区时可能产生大量的切换请求，大量用户分别进行链路调整会加 重沿途基站的负担。如果通过中继接入网络，则需要切换和调整的仅为中继站与 基站之问的链路，终端与中继之间的链路则相对稳定。 2 1 3 论文主要工作及结构 本论文主要研究基于蜂窝系统的无线多跳网络，研究内容分为两部分，一部 分是建立m e s h 模式无线多跳网络系统模型和搭建仿真平台，并研究如何进行合理 的链路调度以提高系统中各节点端到端吞吐量；另一部分是建立以l 1 陌a 中继系 统为代表的中继模式无线多跳网络系统模型和搭建仿真平台，并从用户的信号噪 声干扰比( s 烈r ：s i g i l a l t oi n t e m r e n c ep l u sn o i s e 胁i o ) 和吞吐量两方面对该网络 结构的系统性能进行评估。文章的结构如下： 第一章为绪论，主要介绍本课题的研究意义、背景和现状，最后给出了论文 结构。 第二章主要描述m e s h 模式无线多跳网络的系统模型和干扰与冲突模型，并介 绍了仿真中所采用的仿真模型。最后构建了使网络稳定传输的约束条件，基于约 束条件，建立了线性优化模型以最大化网络总吞吐量，并求解得到网络总吞吐量 的上界。 第三章主要研究适用于第二章所描述m e s h 模式无线多跳网络的链路调度算 法，设计了分别以最大化网络总吞吐量和最大化最小可实现节点端到端吞吐量为 目标的链路调度算法，并对所设计算法进行了仿真评估。 第四章主要描述了l 1 e a 中继系统的网络结构模型和信道模型等，构建了带 内和带外两种模式下用户与中继节点的干扰模型和资源分配模型，最后介绍了在 仿真中用户的部署方案以及信噪比和链路容量计算模型。 第五章主要对第四章中所描述的l 1 m a 中继系统的网络性能进行仿真评估， 以用户s 烈r 和吞吐量为指标评估了3 g p p 中定义的c 舔el 和c a s e3 场景下，l 1 卫a 中继系统的性能，定量的分析了不同网络场景下系统的性能差异。 第六章对本论文所研究工作进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。 2m e s h 模式无线多跳网络模型及网络容量 面向下一代的移动通信系统是一种具有部分基础设施支撑的分布式无线网 络，异构网络的融合已经成为网络各个层面发展的- 丰要趋势，使得各种以i p 为基 础的业务都能在不同的网络问实现互通，因此m e s h 模式无线多跳网络将成为下一 代无线网络中回程网络的理想组网方式。 网络容量为无线网络的重要性能指标之一，链路之间的干扰和单个无线接口 上承载的传输对数目限制了无线多跳网络的容量，使用多信道【9 】、多无线接口以及 方向性天线技术【l o 】可以增加无线多跳网络的容量。本章描述了m e s h 模式无线多跳 网络的系统模型，提出了网络总吞吐量上界计算模型，推导了当网络总吞吐量最 大化时各节点的端到端吞吐量。 2 1系统模型 在m e s h 模式无线多条网络中，各个m e s h 节点的数据流需要逐级向前传递最 终到达与有线网络相连的网关节点。对于一个单天线、单接口、单信道的m e s h 模 式无线多跳网络，每个m e s h 节点作为客户节点的a p ( a c c e s sp o i n t ) 以及路由节 点时都使用相同的信道，几乎所有本地客户端产生的数据包都要在相同的信道发 送到邻近的m e s h 节点。为避免链路间的干扰和冲突，各链路需要分时传输，因此 系统容量较小，并且随着节点数量的增多容量将迅速下降。这种使用单天线、单 信道、单接口的m e s h 模式无线多跳网络，无论是作为接入网还是作为b a c l ( 1 l a u l 网络其性能都是很有限的，不适合大吞吐量的网络。 本章中研究采用多个方向性天线、多接口、多信道的m e s h 模式无线多跳网络， 其模型如图2 1 所示，网络中存在m e s h 节点( m e s hn o d e ) 和网关节点( g a t e w a y n o d e ) 两类节点。图中“a c t i v ew i r c l e s sl i i l l 【”表示在某一段传输调度时问内可传 输数据的无线链路，“p o t e n t i a lw i r e l e s sl i n k ”表示虽然相应的节点问存在无线链路， 但在当前传输调度时间内不可传输数据。所研究网络的特性如下所述： ( 1 ) 为了增加系统吞吐量，网络中可以存在多个网关节点；为减小系统调度 开销，在任意一段传输调度时间内，可传输的链路组成了树状拓扑，并且以网关 节点作为调度树的根节点，每个网关节点生成一一棵调度树，所生成的调度树满足 网络的连通性，使得所有的m e s h 节点均可传输数据到网关节点；每个m e s h 节点 有且仅有一个父节点，但可以有多个子节点； ( 2 ) 在不同的传输调度时间内，由于实际网络场景不同，可能具有不同的树 9 状拓扑，系统根据网络场景生成与之匹配的网络拓扑，因此从长期来看，网络结 构为m e s h 结构；采用动态调度树的方式，使得网络同时兼顾了树状网络和m e s h 网络的优点： ( 3 ) 数据流通过网关节点在m e s h 节点和骨干网间传输，网关节点是无线m e s h 网中数据流的汇聚节点，并且网关节点通过有线链路与骨干网相连；假设在传输 调度时间内，m e s h 节点的传输要求保持不变； ( 4 ) m e s h 节点配置多个收发机，其中只有一个收发机用于连接父节点，但 其余收发机均可用于连接子节点；模型中假设节点内部各收发机具有良好的信号 隔离，正在发射信号的发射机不会对正在接收信号的接收机造成干扰，因此m e s h 节点可工作于双工模式，使用不同的收发机同时与父节点和多个子节点通信； ( 5 ) 每个m e s h 节点都使用方向性天线做全向覆盖，例如节点配置3 个1 2 0 0 或 6 个6 0 0 的方向性天线，每节点配置的方向性天线数不少于配置的收发机数；一般 情况下二者数量相等；各天线与收发机间可灵活配置，并且一个收发机可对应多 个天线； ( 6 ) 系统工作于时隙同步模式，上行链路和下行链路工作于不同的时隙。 i p t ! 篓k 鱼! 炒 攘鹃 监。 哆 、 a c t i v ew i r e i e s si n k p o t e n t i a lw i r e i e s si n k m e s hn o d e w i r el i n k 图2 1m 髂h 模式无线多跳网络 f i 9 2 1m e s hm o d ew i 砖l 嘲m l l l t i - h 叩n 咖o d 【 回 2 1 1网络基本参数 本文研究的m e s h 模式无线多跳网络中共有个节点，其中厂个为网关节点， ，个为m e s h 节点。网络模型可用图g = ( v ，e ，丫) 表示，其中v 2 ，。，1 ，：， ， 表示网络中所有节点集合，包括m e s h 节点和网关节点；e 表示当前传输调度时间 内可传输数据的无线链路集合，即网络中所有“a c t i v ew i r e l e s sl i i l l 【”的集合； 丫= 乃，厂：，y ，) 表示网关节点集合，且有丫ev 。由于在传输调度时间内可传输 链路构成树状拓扑，因此网络中共有- ，条有效无线链路。每个网关节点配置多 个收发机，且每个收发机独立工作，并生成一棵调度树，定义 0 一= r ( 0 ，m 。，7 ，”) cg 为图g 中基于网关节点乃的收发机材的一棵 调度树，其中匕，表示树中的节点集合；工m 表示树中链路集合，且有k 。e 。每 个m e s h 节点只能在一棵树中，因此当乃乃，有一n ，= f 2 j 和毛。n 。= f 2 i 。假 设节点1 ，与节点y ，间存在一条链路，且1 ，为父节点，v ，为其子节点，则u 与v ， 之间的链路可表示为p ( u ，) e ，此链路的容量用c ( h ，v ，) 表示。若以( d ，) ) 表 示链路p ( ，v ，) 上的实际数据流，则八d h ，匕) ) c “，) 。从节点向下延伸，在逻辑 上构成了以节点 ，为根节点的子树，用s 叶表示此逻辑子树中所有节点集合，且 m s 叶，如果节点，包含在此子树中，记为e s 崎。节点 ，j 的父节点表示为p ( u ) 。 分配给源一目的节点对的资源越多，在这对源目的节点问可实现的吞吐量越 大。集合= 口m ，口也，口) 表示各源目的节点对占有网络资源的权重，即口u 表 示节点y ，与其相应根节点这一源目的节点对所占网络资源的权重，若m 1 r ，则 气= 0 。这一参数可根据各节点业务量的统计数据而设定，由于网络中的m e s h 节 点为固定节点，因此每个节点的业务量在较长时间内保持稳定，那么在传输调度 时间内，可认为这一参数为常数。由于网关节点的各收发机独立工作，因此各收 发机生成的相应调度树独立分配其树内各节点可占有的系统资源量，故各节点占 有网络资源的权重满足式( 2 1 ) 。 n 二口v ，2 l ， v 乃丫 ( 2 1 ) y ，y ，j 1 | 。 定义变量矢量冗= l 气，1 1 表示端到端吞吐量，在本论文中所研究 的m e s h 模式无线多跳网络模型中，所有的数据均汇集到网关节点，变量表示 节点y ，与相应的网关节点间的端到端吞吐量。若研究上行链路，表示以节点 为源节点，以节点1 ，。所在树的根节点( 网关节点) 为目的节点的端到端吞吐量： 若研究下行链路，0 表示以节点，所在树的根节点为源节点，而以节点u 为目 的节点的端到端吞吐量。若u 丫，则记2u 。 2 1 2干扰模型 文献【1 3 】中提出了基于接收机的干扰模型，如图2 2 所示，此模型适用于采用 方向性天线的无线网络。若节点通过某一天线传输数据到节点l ，如果所有与 节点1 ，同时发送数据的节点天线均不覆盖到节点v ，的相应接收机，则节点y ，可正 确接收发自节点v j 的数据。例如图中节点v ，向节点y ，发送数据，与此同时节点 发送数据到节点屹，但节点v ，不在节点发射天线的覆盖范围内，故节点1 ，可 正确接收；而节点1 ，的发射天线覆盖节点屹的接收机，因此节点匕将对节点心的 接收机造成干扰。 图2 2 基于接收机的干扰模型 f i 配2i n t e 彘r 铋c em o d e lb a d 彻r - e i v 盯 文献【1 6 】中描述了在一跳链路上的数据传输可正确接收的两种干扰模型，即 p r o t o c o l 模型和p h y s i c a l 模型。 p r o t o c o l 模型：若节点哆在某一信道上向节点1 ，发送数据，如果等式( 2 2 ) 成立，则节点匕可正确接收。其中表示节点咋的位置举标，咋为任意一个与 节点匕在同一信道上同时传输数据的节点， o 为固定阈值，其大小由各节点的 发射功率决定，此参数用于防止节点哆与其邻居节点同时工作于相同的信道，而 对节点v ，的接收造成干扰。 h 一i ( 1 + ) h 一i ( 2 2 ) p h y s i c a l 模型：用集合i ，表示在同一信道上同时传输的节点集合，若节点 1 2 m i ，向节点吩v 发送数据，如果等式( 2 3 ) 成立，则节点0 可正确接收。其 中尸h 表示节点咋v 的发射功率，x h 同样表示节点1 ，的位置举标，虬表示环境 中的噪声功率，信号功率随距离i 一i 的衰减速率为l k 一r ，万表示接收机正 确接收所要求的最小信号噪声干扰比( s i n r ) 。 p v t 一万 扎+ 磊v 商 ( 2 3 ) 本文中研究m e s h 模式无线多跳网络时采用基于接收机的干扰模型和p r o t o c o l 模型进行链路问干扰分析。若节点1 ，向节点y ，发送数据，如果与节点心工作于同 一信道的发射机没有覆盖节点，的接收机，则节点咋可在同一信道上与节点1 ，同 时传输数据；如果节点y ，处于节点k 发射机的覆盖范围内，但等式( 2 2 ) 成立， 则节点u 仍然可在同一信道上与节点1 ，同时传输数据。 研究中采用布尔干扰模型【1 7 】进行链路调度，即相互干扰的两条链路不能同时 传输。系统工作于同步模式，在某一时刻所有的下行链路工作或所有的上行链路 工作。因此处于树中间的节点，至少有两个无线接口同时工作，一个接收来自父 节点的数据，其余无线接口向子节点发送数据。为了避免在节点内部发射机的信 号泄露对接收机的干扰，网络中使用两个频谱互不重叠的信道，并采用静态信道 分配方案。根据链路在调度树中的深度进行信道分配，例如，奇数跳链路使用信 道l ，偶数跳链路使用信道2 。 2 1 3冲突模型 当节点工作于点对多点( p 2 m p ：p o i l l tt om u l t i p o i n t ) 模式时，相应的链路间 存在冲突。若节点屹使用相同的收发机与子节点v ，i ，v ”，y 进行数据传输， 则节点屹与子节点v i l y ”， ，工作于p 2 m p 模式，如图2 3 所示。链路 p ( 屹，) ，p ( 屹，) ，p ( 屹，、) 之问相互冲突，在任何一个时隙内只能有一条链路工 作。图中，节点屹使用另一收发机与节点 ，。连接，故链路p ( 匕，) 与其他链路间不 冲突。 ，- 爿j ，7 d 臼pv n o d e v ? jn ! ，d ev 图2 3 链路冲突模型 f i 9 2 3 l i i 】l 【c o n n i c tm o d e l 2 2m e s h 模式无线多跳网络总吞吐量上界 上一节详细描述了本文中所研究的m e s h 模式无线多跳网络模型，本节中致力 于研究该模型下网络总吞吐量的上界。 文献【1 9 】中给出的传统概念上的无线m e s h 网络模型和约束条件用于验证给定 的各节点端到端吞吐量要求是否可实现，并利用这些约束得到了可实现吞吐量的 上限。在本节中，拓展了文献【1 9 】中的网络模型和约束条件以应用于上述所定义的 特定网络，研究具有多个网关节点采用动态树状调度拓扑的m e s h 模式无线多跳网 络的网络总吞吐量和各m e s h 节点端到端吞吐量。 2 2 1约束条件 为了分析网络特性，首先定义o l 调度变量只( p ( b ， ，) ) 。如果在时隙f 内链 路d k ，匕) 有效，即传输数据，则只( p ( ，y ，) ) = l ；否则只( p ( 坼，y ，) ) = 0 。 收发机数约束：节点v 中的收发机数为七( ) ，且每个m e s h 节点中只有一个 收发机和其父节点连接，但可有多个收发机与多子节点连接，而网关节点的全部 收发机用于与其子节点连接，因此有 只( p ( m ，匕) ) + 只( p ( p ( 屹) ，匕) ) 七( ) ， v k v 口，耐哆仨丫，v f r 24 、 v ，p v i ，) e 、一。7 只( e ( 乃，吩) ) 七( 乃) ，v 形丫 v f r 2 蚧 1 4 干扰约束：根据干扰模型，将存在干扰的链路分为m 个集合并用i ，i ：，i 脚 表示。集合i ，1 f m 中包含一对互相干扰的链路，即当链路p ( ，) 与p ( ，) 间 存在干扰时，记i ，= e ( ，屹) ，p ( k