………………………Ｍ ＮｏＬ０ＧＹ ＬＥｃ０ＭＭ ＵＮＩｃＡＴ１０Ｎｓ 基于簇结构的可扩展无线Ｍ ｅｓ ｈ 网络部署策略研究 张蕴解放军通信指挥学院硕士研究生 刘 波解放军通信指挥学院讲师 刘中治解放军通信指挥学院讲师 摘要：ＷＭＮ是一种可以提供廉价、可靠无线宽 无线Ｍｅｓｈ网络（ＷＭＮ），也称为“无线网状网”，是针对 带接入服务的新兴无线网络架构，其高覆盖率 和低传输功率等特点使其成为了下一代无线 特定的商业应用而涌现出来的一种新兴无线网络，可以提 通信系统实现无缝宽带接入的理想选择。在分 供廉价、可靠的无线宽带业务接人服务。与传统的无线网络 析ＷＭＮ优势的基础上，从网络部署的角度来 不同，ＷＭＮ是一个动态的自组织、自配置网络，具有成本更 介绍ｗＭＮ中面ｌ临的主要挑战——可扩展性， 低、网络维护简单、网络稳定可靠、业务覆盖率高等特点，是 主要介绍了密集城区范围内基于簇结构的可 扩展ＷＭＮ部署策略。 下一代无线通信系统（如４Ｇ）实现无缝宽带接入的理想组 关键词：ＷＭＮ，网络架构，部署，可扩展性，簇 网技术。本文将从网络部署的角度来介绍ＷＭＮ中面临的 主要挑战——可扩展性，主要介绍密集城区范围内基于簇 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｓｈ ｎｅｔｗｏｒｋ （ＷＭＮ）ｉｓ ａ 结构的可扩展ＷＭＮ部署策略。 ｎｅｗ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｂｕｔ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｃｃｅｓｓ．ＤＨｅ ｔｏ ｉｔｓ ｃａ— ｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｔｒａｎｓｍｉｓ— １网络部署分析 ｓｉｏｎ ｐｏｗｅｒ，ＷＭＮ ｐｌａｙ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｓｕｐ— ｐｏｒｔｉｎｇ ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｃｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｘｔ 目前，无线Ｍｅｓｈ网络的性能主要从两个方面来分析： ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｂａｓｅ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ 覆盖范围和容量。尽管很多人都对多跳网络的覆盖范围或 ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＷＭＮ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ 容量进行了研究，并提出了很多相关的解决方案，但是很少 ｍａｊｏｒ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｉｎ ＷＭＮ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｓｃａｌａ－ ｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｃａｌａｂｌｅ ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄ 有人同时考虑容量和覆盖性能问题。多跳ＷＭＮ中每个节 ＷＭＮ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｎｓｅ－ｕｒｂａｎ 点可实现的吞吐率会随着总节点数量的增加而快速下降， ｃｏｖｅｒａｇｅ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ． 为了解决多跳ＷＭＮ网络的可扩展性问题，必须从平均信 Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＷＭＮ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ， ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ，ｃｌｕｓｔｅｒ 号质量、信道利用率等方面着手进行研究，实现负载均衡。 ２基于簇结构的密集城区部署策略 图１给出了基于簇结构的ＷＭＮ。在密集城区范围内， 基于簇结构的ＷＭＮ中每个簇只包含一个中心接人点 （ＡＰ），该接入点通过有线方式连接到Ｉｎｔｅｍｅｔ，其他接人点 都通过无线方式互连。 在基于簇的ＷＭＮ中，ＩＥＥＥ ８０２．１ｌａ ＷＬＡＮ标准主要 现代电信科技２００８年１０月第１０期 ｆ技术广角………………………・ ■ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐａｎｏｒａｍａ ，一 一‘一一。一一一－．、，一一一一一一 一一一－－、 Ｉ 簇 ｌ 簇２ ｌ （ ）是指所有用户到达Ａ只的 流量负载，Ｒ（上）＝２ｊ 。，其 中ＲＤ是指每个用户平均所 需流量。很明显，两个ＡＰ之 间的间隔间距可以描述如 下，如公式（１）所示： ｄＦｎ 。， １，２…，力（１） 蜂窝单元中所有的流量负载 应该受蜂窝饱和吞吐率的限 制，如公式（２）所示： Ｒ（ ）≤Ｒｂ（ｋ） （２） 在图２描述的情形中， 图１密集城区覆盖范围内基于簇结构的无线Ｍｅｓｈ网络 一簇ＡＰ的总服务区域为 用于ＡＰ之间的数据传输，而ＩＥＥＥ ８０２．１１ｂ／ｇ主要 ［２／０＋２ ２１ｉ］。因此，一簇通过有线方 ｉ＝１ ／Ｉ 用于ＡＰ和用户终端之间的数据接人。为了避免信 道之间产生干扰，必须通过频率规划来确保两个相 邻信道ＡＰ之间的距离足够远。这样，蜂窝之间的信 道间干扰就可以降低。 ２．１ ＡＰ部署分析 无线链路吞吐性能和覆盖范围是密集城区内 ＷＭＮ中部署ＡＰ时必须考虑的最基本要素。从覆盖 式连接的ＡＰ的总流量负载为［２ ２ ２１ｉ］Ｄ￣Ｒ。。部 ｉ＝ｌ 署一簇ＡＰ（其中一个ＡＰ通过有线方式连接到 Ｉｎｔｅｍｅｔ）的成本就是（２ｎ＋１＋Ｐ），其中包括（２ｎ＋１）个 接入点的总成本和固定开销成本（即有线连接成本 Ｐ）。为方便起见，该网络中的有线连接成本Ｐ被标 准化为一个接入点的成本。在该网络中，ＡＰ部署问 范围的角度来看，蜂窝半径越大越好，因此需要的 ＡＰ就越少；从吞吐性能的角度来看，蜂窝半径越小 越好，从而无线链路的数据速率就越高。权衡考虑， 我们总结出了一个最优化问题，即确定各个ＡＰ之 题可以描述成一个混合整数非线性编程（ＭＩＮＬＰ）问 题，其中决策变量包括／１和ｋ ・，ｊｎ。ＭＩＮＬＰ问题的 目标是使一簇ＡＰ的总体负载流量与成本的比值达 到最大化。接下来，我们介绍两种ＡＰ部署策略：递 增空间部署策略和均匀空间部署策略。 ２．２递增空间部署策略 间的最佳间隔距离。 图２给出了密集城区环境下ＷＭＮ中的簇结构。 由于接人点对称分布在簇中心接入点ＡＰ０周围，因此 只需要考虑一种大小的簇。 图２中的各个符号表 述如下：ｎ是指簇中某一侧 的ＡＰ数量；ｄｊ是指Ａ 。 和Ａ只之间的间隔距离；Ｈ （ｄｉ）是指Ａ 。和Ａ只之间 图２描述的就是采用递增空间部署的一个例 子，其中ｄ。≤ｄ：≤…≤ｄ 。在一个簇中，Ａ 和Ａ 在间距为ｄ』条件下的无线 链路容量，这些参数遵循 ＩＥＥＥ ８０２．１ｌａ ＷＬＡＮ规范。 Ｊｊ是指ＡＥ的蜂窝半径；Ｒ 图２密集城区环境中的一簇ＡＰ（图中采用的是递增空间部署策略，其中ｄ ≤ｄ ２≤…≤ｄｎ） ＭＳ‘ｒＴ＿Ｏｃｔｏｂｅｒ ２ＯＯ８ ……………………。Ｍ Ｎ０Ｌ０ＧＹｏＦＴＥ蚴ＭＭ ｕＮＩ ｏＮｓ 之间无线链路的所有负载流量是递减函数；也就是 说，离中心的距离越远，之间无线链路所能承载的流 量负载就越小。因此，各个接入点的部署间距应该是 一个递增函数（如ｄ ≤ｄ ≤…≤ｄ ），这样一簇ＡＰ 所能承载的流量负载就越大。根据递增空间ＡＰ部 署策略，我们可以通过求解下面的ＭＩＮＬＰ优化问题 得到系统参数，如公式（３）所示。 Ｍ ＡＸ…， ３ ４ ５ ６ ７ ２【 ２ 妇Ｄ ｏ ＡＰ的数量。ｎ ＝— （２—ｎ＋ｌ＋Ｐ）生上— （３） 图３不同连接成本下两种空间部署 策略可实现的最优性能比较 式中，２１ｉＤｒＪ￣。≤Ｒ （ｋ）（ｉ＝１，２，…，ｎ）表示每个蜂窝单 元中总的负载流量会受蜂窝单元饱和吞吐率的限 制；Ｈ（ｄ）≥∑Ｒ（ ）＝∑２１￣ｎＲ。（ １，２，…，ｎ）表示 ｉ＝１ 』＝１ 一苦【ｑ苫一 摄 章帕譬 《七一＿Ｉ 繇岖馨口 Ａ 和Ａ只之间的无线链路容量Ｈ（ｄ）应该比为 ３ ２ ２ ２ ２ １ １ １ ∞ ∞ ｍ ２ ３ ８ ６ ４ ２ ２ ８ ６ ４ Ａ Ａ ，…，Ａ 提供服务的蜂窝单元的负载流量 大；ｄｉ＝Ｉ ＋』 一１（ｉ＝１，２，…，ｎ）表示间隔距离吐与蜂窝 半径 之间的关系；Ｊ ≤ ｊ≤ｊ～（ｉ＝Ｏ，１，…，ｎ）表示 蜂窝半径的限制条件；ｄｊ≤ｄｍ缸（ｊ＝１，２，…，ｎ）表示两 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ 个接入点之间的最大间隔距离限制在ｄ眦； ｎ厶（ ＡＰ的数量．ｎ ＝１，２，…，ｎ）是指由于安装ＡＰ的路灯之间的距离而 图４簇内递增空间部署策略和均匀 产生的间隔距离。 空间部署策略之间的性能比较 ２．３均匀空间部署策略 有线连接方式的成本开销为Ｐ＝２，那么当ｎ＝２时， 均匀空间部署策略是指将一个簇内的所有蜂窝 递增空间部署策略的性能达到最优状态，而当ｎ＝ｌ 部署在相同间距的位置上，各个接入点均匀分布在服 ２ ２ ２ ｌ ｌ １ ９ 时，均匀空间部署策略的性能达到最优状态。这样， 务区域内。因此，这种部署方案存在额外的限制条件， 瑚 枷 咖 瑚 一ｇ一递增空间部署策略可以实现的最优目标函数值比均 帮哑 《帕譬 《 即 Ｊ，所以ｄ＝ｄ＝２１，Ｒ（ ）＝Ｒ（Ｊ），Ｉ４（吐）＝Ｉ４（ｄ）。这样，接 匀空间部署策略可以实现的最优函数值高出６％。 人点部署问题的ＭＩＮＬＰ描述就可以简化为公式（４）： 图４给出了以上两种部署策略中一簇（２ｎ＋１） ＭＡＸ （４） ｎ，Ｊ Ｚｎ＋ｌ十Ｐ 个ＡＰ中的总体流量负载和总服务区域比较。从图４ 其中，Ｒｂ（ｋ）≥Ｒ（』）＝２１ＤＭＲＤ；Ｈ（ｄ）≥ｎＲ（Ｊ）＝ｎ 中我们可以发现，随着簇内ＡＰ数量的增加，递增空 ×２１Ｄｒ￣ｔＤ；ｄ＝ｎＬｓ。 间部署策略下的总体流量负载增长速度比均匀空间 ２．４两种部署策略之间的比较 部署策略下的总体流量负载增长速度快很多。而且， 图３中比较了不同有线连接开销Ｐ条件下以 均匀空间部署策略下的流量负载增量会逐渐减小， 上两种部署策略之间的性能目标。图３中的目标函 甚至消失（从ｎ＝６至ｎ＝７）。由于目标函数值与总体 数是ＡＰ数量（ｎ）的凹函数，因此，目标函数存在一 流量负载成正比，与一簇ＡＰ的成本成反比，所以可 个最大值。在图３中我们还可以发现，一个簇中的最 实现的目标函数值是ｎ的凹函数。 阿 佳ＡＰ数量会随不同的部署策略而发生变化。如果 收稿日期：２００８—０９—２６ 现代电信科技２００８年１０月第１０期
