无线网络的网络容量研究进展.docx

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无线网络的网络容量研究进展

无线网络的网络容量研究进展

肖雪芳1，雷国伟2,3

（1厦门理工学院光电与通信工程学院厦门361024，2北京邮电大学电子工程学院北京100876，3集美大学理学院厦门361021）

摘要综述了无线网络容量的关键技术和研究进展：

首先，介绍了无线网络容量的研究背景；其次，归纳了无线网络容量理论方面的研究现状；然后，从物理层、链路层和网络层总结了提高无线网络容量的技术途径；接着探讨了异构无线网、认知无线网的网络容量问题；最后，对无线网络容量的重点研究方向给出了建议。

关键词网络容量；异构；认知；网状网

1引言

随着无线通信网络用户的日益庞大，带来了各种无线接入技术的飞速发展。

特别是随着“三网融合”概念的提出，更加速了多种异构网络的泛在融合。

然而以频谱为代表的无线网络资源则显得日趋紧张，因此一方面必须对无线网络资源进行整体规划、智能管理、优化决策和调度，以提高网络资源的合理利用。

另一方面，采用自适应调制技术（AM）、多天线技术（MIMO）、认知无线电技术（CR）等提高无线频谱利用的有效性，以提高无线通信系统的信道容量。

然而，传统无线通信的容量研究主要是建立在特定点对点信道下寻求达到最佳理论性能界限或信道容量。

基于点对点通信的香农定理在无线蜂窝通信系统中获得了巨大的成功，但是在高度网络化的通信系统中已面临巨大的困难。

如何将香农信息理论推广至多个无线节点组成的复杂的通信网络领域，解决多个发送者、多个接收者之间的相互作用（如干扰、合作等）问题，从而指导无线网络的优化设计，一直是网络信息论研究者努力的目标。

目前，对无线网络容量的研究已涌现了大量开拓性的成果[1-10]。

Gupta和Kumar针对自组织（Adhoc）无线网络下的网络容量进行分析，提出了四种网络模型情况下各自所能达到的容量界[1]，即随着网络节点数的增加，平均每个节点所能获得的吞吐量则以标度率（scalinglaw）下降。

该文献成为无线网络容量领域的经典论文，从而掀起了无线网络容量研究的序幕。

但该文献讨论的对象仅限于独立同分布的静态节点，另外节点的功率、网络流量模式等也比较单一。

之后，Grossglauser等人研究了随机网络节点运动情况下，采用多用户分集和数据包转发，理论上可以使源¾宿之间的平均吞吐量不再受节点数目变化的影响[2]。

但该结果是在信道状态信息完全已知的前提下获得的，如果节点运动速度太快，则无法获取网络的拓扑信息，由此带来信道估计的困难势必影响网络的吞吐量[3]。

另外，以上结果还没有考虑到路径损耗、节点功率及网络时延等因素。

文献[4]在研究网络传输容量时结合了路径损耗和吸收衰减的因素。

文献[5-6]讨论了节点的传输功率以及功率控制给网络容量带来的影响。

文献[7-8]在研究网络吞吐量时考虑了数据包迟延的因素。

总之，这些文献都从理论上探讨了无线网络的容量界和不同参数对网络容量的影响，但由于实际无线网络的复杂性，因此还难以给出无线网路容量的一般表达形式。

文献[9-10]尝试着以二维栅格网和环形网为例，给出了规则拓扑网络的容量闭式解，为一般网络的容量研究提供了借鉴。

伴随着网络容量理论研究的同时，一些提高网络容量的优化方法和技术也相继提出[11-31]。

如采用基础设施[11-13]；采用多信道多射频[14-15]；采用智能天线技术[16-17]；采用MIMO技术[18-20]；采用超宽带技术[21-22]；采用认知无线电技术[23-25]；采用网络编码与协作传输[26-29]；采用广播和多播[30]策略；采用多包多数据流[31-32]；采用路由策略[33]等。

无论从理论或是技术来讲，对自组织网的容量研究已趋于成熟。

但是，在无线通信技术飞速发展的今天，涌现出了多种类型的无线网络。

如：

无线局域网（WLAN）、WiMAX、Wi-Fi、无线个域网（WPAN）、网状网（WMN）、无线传感器网（WSN）等。

虽然对这些网络的容量也有相关的研究，如WMN网的网络容量[34-35]和WSN网的网络容量[36]。

这些研究无疑还是建立在自组织网的理论基础上进行的。

目前，虽然也有相关综述性的文章，但也主要针对某一类型如自组织网[37]或网状网等进行讨论[38]。

在网络泛在的大趋势下，采用不同组网技术的异构认知与网络融合将是未来网络容量研究的重点和关键。

对于相关的研究还不多，本文正是在此背景下深入探讨无线网络容量的发展和研究方向。

下面先从理论角度和技术角度分别阐述。

2理论研究

由于无线网络中有关网络容量的概念比较繁杂，为此我们归纳了几种典型的网络容量概念[1-4；39-45]，如表1所示。

类型

概念

公式

传输容量

（TransmissionCapacity）

提出只考虑一个系统，在中断约束下，单位面积内网络的频谱资源利用率，即最大信息传输速率。

其中b为成功用户获得的平均数据率，为满足中断要求的最大空间密度，i为中断限制。

频谱共享传输容量

（SS-TransmissionCapacity）

多个系统共享频谱的情况下的传输容量。

表达式同TmC，但i的意义为满足所有系统中断率的密度。

传送容量

（TransportCapacity）

考虑网络规模与网络容量的关系，有空间距离的含义（bit-meter/second）。

TrC∝f（n）

其中n为节点数，f为Knuth函数表示法。

吞吐量容量

（ThroughputCapacity）

网络中节点所能获得的最大吞吐量。

ThC=C/T

其中，C为源发出的数据包大小，T为数据包到达目的所历经的时间。

平均节点吞吐容量

（Per-nodeThroughput）

平均分配在每个网络节点上的吞吐量。

ThC/N

其中N为节点总数。

目前研究频率最高的是围绕传送容量[1-4,39-40]和平均节点吞吐量展开[41-42]。

根据表1中的传送容量定义，当平均空间传送距离为1m时，传送容量即退化成吞吐量容量。

文献[1]首先介绍了两种类型网络：

扩张型网络（ExtendedNetworks）和密度型网络（DenseNetworks），然后主要就二维平面密度型网络研究了四种情况下的平均节点网络容量界，如表2所示。

协议模型

物理模型

随机网络

（1/（nlogn）1/2）

Ο（1/n1/2）和Ω（1/（nlogn）1/2）

任意网络

（1/n1/2）

Ο（1/（nlogn）1/）和Ω（1/n1/2）

表2中采用了Knuth函数表示法，Ο表示渐进上限，Ω表示渐进下限，Q表示上下同时逼近。

相比传送容量而言，传输容量以新的角度去研究网络容量[43]。

其核心思想是基于网络中信干比的统计特性，即无线Adhoc网络中的总干扰信号功率服从稳态分布[44]。

注意到，传输容量和传送容量还是有一定联系的。

根据表中传输容量的概念，其值与传输半径的关系为Q（r-2），另外传输范围和节点数的关系又为r2∝1/n，因此传送容量就与lr有关，即规律为Q（1/n1/2）。

由于传输容量能够反映在数据率、带宽、中断概率一定情况下无线网络能够支持的用户数，因此，在分析Adhoc网络时也被看作一种重要的性能指标。

除了表2中介绍的之外，还有一些传输容量的变种[45-46]，限于篇幅不进行赘述。

虽然Adhoc网络容量的理论分析已取得了大量的成果，但由于Mesh网和Adhoc网之间的差别，其研究结果可能无法直接应用于Mesh网。

比如，Mesh网中可能同时存在固定的Adhoc节点，又存在移动的Adhoc节点，因此文献[1]采用的网络结构与Mesh网络结构并不匹配。

文献[34]从Mesh的链式拓扑推广到任意拓扑，指出平均每个节点的吞吐量随节点数以Ο（1/n）下降。

随后，文献[35]发现在节点到网关这一段，给节点增加发射功率级可使吞吐量改善为Ο（1/δn）。

特别在多网关情况下，可使效果更为明显。

总之，对Mesh网络来说，影响网络容量的因素很多，网络拓扑、网络流量类型、网络节点密度、节点功率、节点移动性等在容量估计与优化中都必须考虑[38]。

因此，有很多文献就Mesh容量提出了跨层优化的思想[47-48]。

3技术研究

尽管Gupta和Kumar从理论上给出了无线网络容量所能达到的性能界，人们还是努力想法通过各种技术来提高网络的吞吐容量。

分别有如下一些技术手段：

1）物理模型下使用渗透理论

Franceschetti等人提出[49]，在物理模型下使用渗透（percolation）理论设计路由策略,由一些节点构成类似“高速公路”的跨越源¾宿之间的所有节点。

该“高速公路”就像一个渗透的管道，源节点把数据传送到附近处于管道内的节点，再经由管道以高数据率送达离宿节点最近的管道内的节点，最后传送给宿节点。

经过理论证明，无论是随机网络还是任意网络都可以得到更为紧密的容量上下界值即单个容量的界值是Q（1/n1/2）的速率。

2）采用固定基础设施

由基础设施支持的Adhoc网相继被提出[11-13]，其中文献[13]提出混合（hybrid）自组织网的概念，网中Adhoc节点独立同分布且具有相同的发射功率，基站规则分布且把区域分成许多六边形蜂窝状。

基站之间的通信采用高速宽带有线网连接。

加入基础设施的好处是使源¾宿之间的跳数保持不变，而纯Adhoc网的源¾宿之间的跳数则随节点数以1/n1/2的关系增长。

可以说采用固定基础设施的实质是以减少跳数的增加来改善网络容量。

3）采用多信道多射频接口

文献[1]研究的是单信道单射频接口的情形,对此文献[14-15]讨论了多信道多接口（interfaces）的网络容量。

在无线网络中采用多信道技术，让相邻链路使用不同信道，这样就可以减少因干扰引起的信道容量衰减。

但是在多信道无线网络环境下，若每个节点只有单一射频接口，那么每个射频接口和不同节点进行通信时就要不停地切换信道。

这样会造成网络拓扑的时刻变化，切换时间带来的延迟也会影响网络的吞吐量。

因此，使用多射频、多信道的无线网络，可使每个射频接口具有独立的MAC和物理层特性，可以通过路由控制协调不同节点间的通信，从而达到网络容量的优化。

4）利用智能天线技术

Yi等人讨论了在任意网络中使用智能天线[16]，发现：

若发射端天线使用的波束宽度为，接收端使用的波束宽度为，则网络容量可获得的增益。

而在随机网络中这个结果可以达到42/。

文中还特别提出，如果波束宽度、减小的程度与一样快，则网络中的吞吐容量可以不受节点数的影响。

文献[17]则具体从硬件的角度讨论天线参数如天线增益、波束宽度等对网络容量的影响。

5）利用MIMO技术

为了考察MIMO技术对Adhoc网络容量的影响，文献[18]介绍了容量界域（capacityRegion）和数据率界域（RateRegion）的概念。

通过比较发现，采用MIMO技术对Adhoc网络容量的增益和对点对点通信系统的增益贡献是相似的。

文献[19]提出在网络中有多个发射节点和单个接收节点，每个发射节点只使用一根天线发射，而接收节点同时使用多根天线分别接收来自不同发射天线的信号并且译码，这些天线使用的都是统计独立信道。

文献[20]针对Mesh网的传输配置问题，研究当节点的物理层使用MIMO技术时，在同样的空间传输范围内，发射天线的数目对于网络容量的影响。

6）采用超宽带技术

Negi等人首先将超宽带技术（UWB）应用于Adhoc网络容量的优化[21]。

文中假定网络节点的传输功率均为W，在带宽B→∞的极限情况下，推导得出：

节点吞吐容量的上界为，下界为。

在该基础上，Honghai等人采用了渗透理论，将其上下界减少了的数量级[22]。

7）采用认知无线电技术

认知无线电被视为解决频谱覆盖问题的充满前景的方法之一，它采用机会通信的思想，在尽可能不影响主用户通信的前提下，为从用户开辟可用的频谱空间。

文献