一種多出口wimaxmesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

一種多出口wimaxmesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

1集中式調(diào)度模式通信網(wǎng)絡(luò)中的反向網(wǎng)絡(luò)是指連接到基站節(jié)點(diǎn)b和基站監(jiān)視器（rc）的網(wǎng)絡(luò)，包括直線和無線網(wǎng)絡(luò)。在具體建設(shè)回程網(wǎng)絡(luò)時,應(yīng)考慮整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與QoS需求。根據(jù)蜂窩網(wǎng)的業(yè)務(wù)模型和用戶滲透率即可計算出回程網(wǎng)絡(luò)的容量需求。對于主要承載語音業(yè)務(wù)的2G網(wǎng)絡(luò),平均每基站的回程流量約幾Mbit/s;對于3G網(wǎng)絡(luò),可以根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)的比例、用戶滲透率、基站覆蓋面積計算其回程流量。由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(wirelessmeshnetwork,WMN)具有以下優(yōu)點(diǎn)IEEE802.16d標(biāo)準(zhǔn)定義了Mesh模式下的兩種調(diào)度方式:集中式調(diào)度和分布式調(diào)度。在集中式調(diào)度方式下,MeshBS在調(diào)度過程中處于中心位置,并協(xié)調(diào)SS的接入問題。由于Mesh模式下沒有獨(dú)立的上下行子幀,BS和SS之間在通信過程中不必建立直接鏈路,而是可以通過中間SS中繼來建立連接。在該調(diào)度模式中,BS和SS可以視為處于同一棵調(diào)度樹中,BS處于調(diào)度樹的根部。BS在確定鏈路的突發(fā)(burst)分配以及相關(guān)參數(shù)后,根據(jù)SS的請求統(tǒng)一調(diào)度安排網(wǎng)絡(luò)資源。BS在MSH-CSCH消息中廣播調(diào)度信息,在MSH-CSCF消息中廣播各條鏈路的突發(fā)分配以及相關(guān)參數(shù),各個SS節(jié)點(diǎn)根據(jù)MSH-CSCF消息中的調(diào)度樹來進(jìn)行鏈路更新。由于集中式調(diào)度機(jī)制中BS負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)通信過程中SS之間的通信關(guān)系,因此在一定程度上可以避免碰撞問題,可有效解決SS對資源的競爭。但是,在集中式調(diào)度機(jī)制下容易出現(xiàn)以下問題:由于SS之間需要通過BS來進(jìn)行通信,一旦BS與某SS之間無法建立連接將導(dǎo)致該SS無法與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信;BS需要大量的額外開銷來維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息表;整個網(wǎng)絡(luò)的通信效率較低;由于網(wǎng)絡(luò)通信對于BS的過度依賴,BS必須保證工作的穩(wěn)定性。在分布式調(diào)度方式中,網(wǎng)絡(luò)中各個SS可以直接進(jìn)行通信,這使得整個網(wǎng)絡(luò)的通信效率大大提高,也有效規(guī)避了過度依賴BS帶來的通信風(fēng)險。依據(jù)在傳輸調(diào)度過程中是否存在碰撞現(xiàn)象,IEEE802.16d將分布式調(diào)度劃分為協(xié)同分布式調(diào)度和非協(xié)同分布式調(diào)度。根據(jù)MSH-DSCH消息中特定位的比特值來標(biāo)志調(diào)度類型:0為協(xié)調(diào)調(diào)度,1為非協(xié)調(diào)調(diào)度。在協(xié)同分布式調(diào)度中,控制子幀使用無碰撞的方式來傳輸調(diào)度包;而在非協(xié)同分布式調(diào)度中,傳輸調(diào)度包則采用競爭方式。IEEE802.16dMesh模式中的分布式調(diào)度是采用請求、答復(fù)和確認(rèn)三次握手的方式來建立發(fā)送數(shù)據(jù)前的鏈接:首先由請求發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送MSH-DSCH消息中的RequestIE來指明要發(fā)送數(shù)據(jù)的屬性以及可用的時隙,然后目標(biāo)節(jié)點(diǎn)則根據(jù)該請求尋找合適的時隙并回復(fù)請求節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的時隙位置;最后,請求節(jié)點(diǎn)收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)回復(fù)后發(fā)送MSH-DSCH許可消息來完成鏈接的建立過程。通過以上分析可知,Mesh網(wǎng)絡(luò)采用集中式調(diào)度方案更有利于保證QoS。本文將對基于WiMAX(IEEE802.16)的無線回程網(wǎng)絡(luò)的容量提升問題進(jìn)行研究。圖1是目前研究WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)的常用網(wǎng)絡(luò)模型。在該網(wǎng)絡(luò)模型里,各節(jié)點(diǎn)工作于WiMAX802.16的Mesh工作模式,MeshSS節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信,MeshBS節(jié)點(diǎn)作為整個WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)對外的單一出口。該網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰,便于建模與制定優(yōu)化算法,不足之處是由于只有單個MeshBS作為網(wǎng)絡(luò)出口,整個網(wǎng)絡(luò)的容量因此受限,此外,如果該MeshBS發(fā)生故障,將影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行,無法滿足實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)壯性、容錯性、高吞吐率等方面的需求。為此,本文提出了一種多出口的WiMAXMesh回程網(wǎng)組網(wǎng)方案和調(diào)度算法,以提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、強(qiáng)壯性和資源利用效率。仿真結(jié)果表明,本算法在這幾方面性能均有顯著提高。2meshs站的網(wǎng)絡(luò)模型針對單出口網(wǎng)絡(luò)的不足之處,本文提出了一種基于IEEE802.16d的WiMAXMesh組建回程網(wǎng)的新方案。假設(shè)回程網(wǎng)需要為n個基站承載業(yè)務(wù),則可以為這些基站配備支持IEEE802.16d的無線網(wǎng)卡,令這些基站成為Mesh網(wǎng)絡(luò)的MeshSS站;為了保證網(wǎng)絡(luò)的容災(zāi)性和負(fù)荷分擔(dān),我們?yōu)樵揗esh網(wǎng)絡(luò)設(shè)置m(m≥2)個MeshBS作為對外連接的出口,網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。由于采用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為回程網(wǎng),這些MeshBS物理上可以與RNC合設(shè)。MeshBS通過無線網(wǎng)卡與MeshSS(MeshSS與基站合設(shè))通信,同時還具備到SGSN、MSC網(wǎng)絡(luò)以及其他MeshBS的高容量連接,包括有線、光纖或者微波等方式。圖2是具有3個MeshBS的無線回程網(wǎng)絡(luò)的例子。由于在本組網(wǎng)方案下WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)有多個MeshBS與上一級網(wǎng)絡(luò)相連,區(qū)別于以往只有單個MeshBS作為出口的情形,本文把這種組網(wǎng)稱為多出口的WiMAXMesh組網(wǎng)。3多出口網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度算法在對本文所提出的WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行最優(yōu)化的資源調(diào)度時,不僅要確保在每個MeshBS所轄的MeshSS的范圍內(nèi)局部最優(yōu),還需要考慮當(dāng)網(wǎng)絡(luò)具有多個WiMAXBS時仍然保持全局最優(yōu),為此我們提出了一個支持多出口的Mesh回程網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度算法MEMSA(multiple-egressmeshnetworkschedulingalgorithm),以下將進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.1meshs節(jié)點(diǎn)圖3是一個隨機(jī)生成的WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?圖中包括了3個MeshBS和10個MeshSS節(jié)點(diǎn)。圖中在兩點(diǎn)之間的連線表示該連接點(diǎn)相互之間存在數(shù)據(jù)傳輸路徑,也就是說在相互的無線物理傳輸范圍內(nèi)。3.2度量值的計算為了實(shí)現(xiàn)有效調(diào)度,需要合理構(gòu)造整個Mesh網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度樹。為了清晰起見,本文以路徑的物理長度作為在計算調(diào)度樹的邊的長度的度量值(metric)。在實(shí)際應(yīng)用本方案時,我們可以綜合考慮各種因素,例如帶寬、時延、價格、干擾等因素來計算度量值。我們在算法中為網(wǎng)絡(luò)設(shè)置一個虛擬節(jié)點(diǎn)R3.3總體計算方法為了在相鄰兩個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行有效的無線傳輸,必須滿足一定的信號干擾噪聲比(SINR)門限,只有當(dāng)SINR達(dá)到門限值時接收方才能成功接收信號。實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)的SINR門限值與編碼、調(diào)制、天線效率、信號功率、噪聲干擾功率、傳輸距離等因素均有關(guān)系,而且這些因素在各個節(jié)點(diǎn)均有不同的值。在Mesh網(wǎng)絡(luò)里,還要考慮調(diào)度算法、并發(fā)傳輸?shù)纫蛩貙INR的影響。為了簡化模型,本算法以節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離作為判斷節(jié)點(diǎn)之間無線傳輸是否可達(dá)的依據(jù)(實(shí)際應(yīng)用時可以結(jié)合上述各項(xiàng)因素綜合計算)。設(shè)Mesh網(wǎng)絡(luò)由m(m>0)個MeshBS,n(n>0)個MeshSS組成。用距離矩陣D={d(i,j)|1≤i,j≤m+n}表示任意兩個節(jié)點(diǎn)i、j之間的距離,其中i、j都是節(jié)點(diǎn)的編號。編號時,從MeshBS開始編號,接著進(jìn)行MeshSS編號,編號是順序增加的。本算法定義了節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離值d以下是對多出口WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)從虛擬節(jié)點(diǎn)開始構(gòu)造全局調(diào)度樹并進(jìn)行資源調(diào)度的算法描述。(1)在Mesh網(wǎng)絡(luò)中新增虛擬根節(jié)點(diǎn)R(5)從0節(jié)點(diǎn)開始,選最小距離邊e(6)若i=n+m則得到最小生成樹T,轉(zhuǎn)(9),否則轉(zhuǎn)(7);(7)設(shè)已選e(8)i←i+1轉(zhuǎn)(6);(10)從T中依次選取到根節(jié)點(diǎn)從最長到最短的路徑P(11)對P(12)如果全部節(jié)點(diǎn)都已調(diào)度,則schlist就是調(diào)度列表;否則轉(zhuǎn)(10)。以下用數(shù)學(xué)歸納法證明本算法所得到的最小生成樹T是全局最優(yōu)的最小生成樹?！と绻挥?個BS節(jié)點(diǎn),則由于R·假設(shè)利用本算法已生成一棵具有m個BS和n個SS的最小生成樹,而此時還有一個節(jié)點(diǎn)k未加入樹中?！と绻斯?jié)點(diǎn)是一個BS節(jié)點(diǎn),則由于BS與R·如果此節(jié)點(diǎn)是一個SS節(jié)點(diǎn),那么它到其他頂點(diǎn)的距離也是比現(xiàn)有最小生成樹里最大距離的邊還要大,否則根據(jù)本算法該節(jié)點(diǎn)應(yīng)先于其他節(jié)點(diǎn)已加入樹中。因此,剩余節(jié)點(diǎn)k只要選取與其距離最小的節(jié)點(diǎn)加入樹中即可,從而保證得到的樹仍為最小生成樹。3.4全局調(diào)度樹網(wǎng)絡(luò)的選擇可以通過以下流程把本算法應(yīng)用在WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)中。a.在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置多個MeshBS(不少于1個),各MeshBS均與上一級網(wǎng)絡(luò)(由SGSN或MSC等組成的網(wǎng)絡(luò))有連接。該連接是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的出口。b.各MeshBS之間可以采用有線或微波進(jìn)行互聯(lián),也可以考慮在MeshBS之間采用帶外(outofband)無線回程連接。當(dāng)采用帶外方式時,MeshBS之間的通信頻帶應(yīng)采用與MeshSS之間相異的頻帶,以免相互干擾,并提高鏈路容量。c.MeshSS依據(jù)到各MeshBS的距離、帶寬或QoS等接入策略,選擇接入某個MeshBS,這樣以該MeshBS為根可以形成一顆調(diào)度樹;如果某MeshSS到多個MeshBS的度量值相等,則該MeshSS可以選擇序號最小的MeshBS。d.當(dāng)MeshSS接入網(wǎng)絡(luò)后,通過本文提出的MEMSA算法,可以計算一個全局最優(yōu)調(diào)度樹。此處的全局最優(yōu)可以根據(jù)實(shí)際需要,采用功率、干擾、成本、吞吐量等判據(jù)。e.第d步計算的全局調(diào)度樹可能與第c步計算的局部調(diào)度樹有差別,此時MeshBS應(yīng)通知相應(yīng)MeshSS按照全局最優(yōu)樹重新選擇上級節(jié)點(diǎn)。f.對于由MeshSS發(fā)往MeshBS的上行業(yè)務(wù),可以通過全局最優(yōu)樹實(shí)現(xiàn)選路至相應(yīng)MeshBS。g.對于由上級網(wǎng)絡(luò)發(fā)往MeshSS的下行業(yè)務(wù),可以依據(jù)本全局最優(yōu)樹計算的路由選擇相應(yīng)的MeshBS進(jìn)行下發(fā);如果由于路由變化、漫游等原因造成被選中的MeshBS的下級節(jié)點(diǎn)不包含目的MeshSS,則該MeshBS有責(zé)任把下行數(shù)據(jù)包傳遞到相應(yīng)正確的MeshBS。h.各MeshBS之間可以進(jìn)行負(fù)載均衡,也可以進(jìn)行業(yè)務(wù)分類,例如某些BS承載實(shí)時業(yè)務(wù),而某些BS承載非實(shí)時業(yè)務(wù)。i.為了保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性和容災(zāi)性,各MeshBS之間可以通過某種特定的策略,如Round-Robin或者指定主備的方法進(jìn)行負(fù)載均衡。如果某MeshBS失效,則可以由相鄰MeshBS接替承載其業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)并不需要做太大的調(diào)整來使用本算法。因?yàn)閷τ赟S而言,它接入到哪個SS是根據(jù)其接收到的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息(例如信號強(qiáng)弱、跳數(shù)多少等因素)來選擇的。如果使用本算法,只要在SS廣播的網(wǎng)絡(luò)信息中加上全局優(yōu)化樹的Metric值作為參考就可以了;在BS方面,也只須負(fù)責(zé)進(jìn)行自身所帶子樹的調(diào)度,對于其他BS下帶的SS,BS只須知道網(wǎng)絡(luò)路由。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楣收匣蚋罱拥仍虬l(fā)生改變時,由相應(yīng)BS發(fā)起在BS之間進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換和運(yùn)算;當(dāng)SS切換時,SS根據(jù)Metric值重新選擇接入的SS或BS即可。3.5用邊值總成相關(guān)的比來表示邊值由于本算法是一個全局最優(yōu)算法,其優(yōu)化效果可以采用本方法時的最小生成樹的邊值總和與未采用本方法時邊值總和的比來表示。該比值等于對某一連通圖求最小生成樹得到的邊長度之和與通過該連通圖求得的任意連通樹的邊長度之和的平均值進(jìn)行比較所得到的值。該值與具體連通圖的拓?fù)錁?gòu)成有關(guān),但必小于等于1。4多頻率梯度仿真為了驗(yàn)證我們所提出算法的有效性,我們基于C語言開發(fā)了一個WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對WiMAXMesh網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法進(jìn)行仿真。在仿真過程中,我們隨機(jī)生成了1000個拓?fù)鋱D,并在拓?fù)鋱D中隨機(jī)擺放MeshBS和MeshSS節(jié)點(diǎn),其數(shù)量也是隨機(jī)生成的。我們比較了以下幾種情況下的調(diào)度效率?！握{(diào)度樹單頻率(singletreesinglefrequency,STSF),所有的節(jié)點(diǎn),包括多個BS和多個SS節(jié)點(diǎn)都共用一個調(diào)度樹,而且采用同一個頻段。這種情況也就是傳統(tǒng)的調(diào)度方法;由于共用頻帶,因此收發(fā)干擾限制在2跳范圍內(nèi)?！ざ嗾{(diào)度樹單頻率(multi-treesinglefrequency,MTSF),采用本文提出的MEMSA算法生成的多棵調(diào)度樹,所有節(jié)點(diǎn)共用一個頻段;由于共用頻帶,因此收發(fā)干擾限制在2跳范圍內(nèi)。本情況與第(a)種情況的差別主要是存在多個出口?！ざ嗾{(diào)度樹多頻率(multi-treemulti-frequency,MTSF-ISO),采用本文提出的MEMSA算法生成的多棵調(diào)度樹,各子樹使用不用的頻段,從而相互隔離,但同一棵子樹內(nèi)部仍然存在干擾,每棵子樹內(nèi)的收發(fā)干擾為2跳范圍。·多調(diào)度樹多頻率加上定向天線(multi-treemulti-frequencywithdirectionalantenna,MTSF-ISO-Dir),采用本文提出的MEMSA算法生成的多棵調(diào)度樹,各子樹使用不用的頻段,從而相互隔離,同時,各Mesh節(jié)點(diǎn)之間采用定向天線,可以把干擾范圍限制在1跳范圍內(nèi)。以下是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有20個和50個節(jié)點(diǎn)時采用不同調(diào)度算法下的仿真結(jié)果。圖6和圖7的橫軸是BS的數(shù)量,而縱軸是調(diào)度周期。從仿真結(jié)果可以看出,STSF與MTSF的調(diào)度效率相近,而MTSF由于有多個BS作為出口,總體調(diào)度周期比STSF縮短2%;當(dāng)采用多頻段MTSF-ISO時,調(diào)度效果得到明顯提升,調(diào)度周期縮短約53%;當(dāng)