紧耦合LR-WPAN/WiMAX集成网络：体系结构、性能和评估模型

© 2012由Elsevier B.V.出版。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.comwww.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）59 - 672013年电子工程与计算机科学国际会议紧耦合LR-WPAN/WiMAX集成网络：体系结构与性能建模Ayyoub Akbari-Moghanjoughia *，Aduwati Salia，José RobertoAmazonasb，Burhanuddin Mohd Alia，Shamala Subramaniamc，Sabira Khatunda部。马来西亚普特拉大学工程学院计算机通信系统工程系。b巴西圣保罗大学理工学院电信和控制工程系。c马来西亚普特拉大学计算机科学和信息技术学院通信技术网络系。d马来西亚Perlis大学计算机与通信工程学院，马来西亚摘要本文提出了一种紧耦合LR-WPAN/WiMAX集成网络的总体架构，并提出了一种新的接入路由器--无线集成接入路由器（WIAR）。所建议的接入路由器有效地将WiMAX和LR-WPAN技术结合在同一设备中。提出这种集成的主要动机是在广域网中部署物联网（IoT）应用和服务。使用WiMAX作为回程服务，可以为分布在广阔区域上的移动LR-WPAN用户提供Internet连接。此外，它使第三方客户端能够通过互联网访问本地LR-WPAN覆盖区域（本文称为Senspot）中收集的所有数据。此外，一个分析模型已经开发的综合网络，以评估系统的性能。从WiMAX用户的新的和切换呼叫的阻塞概率的理论结果，以及从LR-WPAN传感点在WiMAX的小区中的新的连接已经调查的呼叫/连接速率和分配的信道的数量。© 2013作者。出版社：Elsevier B.V. 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：回程支持;异构无线网络;物联网;网络集成; WiMAX; LR-WPAN。* 通讯作者。联系电话：+6-017-271-4682。电子邮件地址：ayyoub@ieee.org。2212-6678 © 2013作者出版社：Elsevier B.V. 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.01060Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）591. 介绍由于各种无线通信技术的激增以及对提供对因特网资源的无缝和连续访问的高度兴趣，异构无线网络在过去几年中受到了极大的关注。无线和移动通信系统作为一种廉价且有前途的无处不在的通信手段已经变得越来越流行。除了传统的广域蜂窝接入技术之外，最近的无线通信接入技术已经扩展到包括大城市区域中的WiMAX [1]和LTE技术[2]，以及分别在本地和个人区域中的WiFi（IEEE 802.11）[3]、WPAN和LR-WPAN（IEEE 802.15.4）[4]。在过去的几年中，许多努力也致力于网络的集成，例如WiFi和WiMAX或蜂窝网络。ShenshengTang报告了WiFi/WiMAX集成网络的性能建模[5]。水平和垂直切换率，以及一些有趣的性能指标已被推导和计算通过引入一个迭代算法。分析和数值计算结果表明，采用3G/WLAN融合网络后，3G网络的性能得到了显著提高，尤其是当WLAN位于热点区域时。所开发的方法已被证明是有用的建模和性能评估的其他类型的网络，如3G网络与无基础设施模式的WLAN或ad hoc网络[6]。如前所述，几项工作已经提出了集成无线/蜂窝网络的架构、集成性能和建模[7-10]。然而，目前还没有关于LR-WPAN和WiMAX集成的研究报道。一般来说，低成本通信和廉价设备是非常可取的，但在某些情况下，取决于应用，通信的可靠性和准确性以及可访问性都是极其重要的。例如，用于移动患者监测的通信系统，无论通信成本如何，都需要完全可访问患者信息。如今，毫无疑问，WPAN在监测和收集患者所有可能的重要信息方面发挥着关键作用[11]。LR-WPAN的短距离和低速率传输使得该技术开发不仅用于健康监测目的而且用于环境监测的监测系统非常便宜。除了LR-WPAN技术的所有优点之外，其可靠地部署以覆盖大距离的限制阻止了其用于其他移动对象监测。虽然应用网状拓扑使用IEEE802.15.5可能支持关于大规模实时通信的想法，因为在城市地区，不可靠通信的风险相当高，并且与以所提到的规模部署这种网络相关联的成本过高。因此，在这项工作中，提出了一个模型，LR-WPAN和WiMAX网络集成，以提供无缝接入LR-WPAN用户通过WiMAX网络作为回程支持。如果LR-WPAN的簇头能够从其本地网关连同所有连接的精简和全功能设备（RFD/FFD）一起移动，则WiMAX网络可能是为LR-WPAN用户提供回程支持的有前景的解决方案。为了处理通过WiMAX网络的上述业务，其他中间节点必须扮演网关角色，并将所有本地业务传送到WiMAX，反之亦然。然而，这样的中间设备还不存在。针对这一问题，本文提出了一种移动无线综合接入路由器（WIAR）。因此，手持和可穿戴传感器设备不必包括WiMAX和LR-WPAN接口，因为WIAR负责协议转换。所有的簇头都有可能使用WIAR接入路由器或定期部署的正常WPAN网关转发收集到的信息，或者回复接收查询。在此基础上，第二节介绍了集成异构网络建模，包括系统描述、建模和总体布局。模型的性能指标和Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）5961评估在第3节中进行和讨论。数值结果在第节4.结论总结见第5节。2. 集成异构LR-WPAN/WiMAX网络根据LR-WPAN和WiMAX蜂窝网络之间的相互依赖性，它们之间的耦合可以被指定为紧耦合或松耦合。在拟议的网络集成中，WIAR在提供这两种不同无线技术之间的连接方面发挥着关键作用。它建立了网络的连接，而不使用任何其他中间网络和/或互联网。本工作中使用的紧密耦合集成创建了可靠的集成网络，假定这些异构网络不依赖于第三方网络和/或服务的功能和可用性。2.1. 网络架构和系统描述智能传感器节点是低功耗设备，配备有一个或多个传感器，处理器，存储器，电源，无线电，以及可能的致动器[12]。可用功率的降低阻止了传感器提供长距离传输。如图1所示，在仅由低速率传感器节点组成的网络的简单场景中，当距离达到100米时，数据包成功率（PSR）接近于零[13]。这一结果来自于发射机处的可用功率的降低，与距离上的功率衰减相关联，并且因此，在组织不好的网络中分组丢失的增加。此外，对于那些具有大规模移动性的WSN应用，例如健康监测，接入网关/回程以将收集 的信 息传输 到IP 网络 站点/服务 器或 用户存 在严 重的限 制。 在本文 中，一 个集 成的 LR-WPAN/WiMAX异构网络，提出了解决上述问题，通过使用WiMAX网络作为回程中继移动传感器数据流量，而不部署大量的汇和网关的规模，例如，一个城市。Fig. 1.纯LR-WPAN中的数据包成功率（PSR）与距离的关系（IEEE 802.15.4）如前所述，WIAR支持802.15.4和802.16无线电接口。此外，协议转换和封装过程，特别是在MAC层，是WIAR的主要功能。具有挑战性的任务是双向MAC报头转换，以使传输的帧由62Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）59MWWIARNChMOWIAR何MTBWIARNChWNChWVW豪WH（hoNChW新W新的NChM目的地MAC地址设备。为了克服报头压缩中的上述挑战，在本研究中考虑了类似报头的有效载荷[14]。由于所有流量都是通过上述WIAR传输的，而不是使用互联网或任何其他类型的云资源，因此这种网络集成应被视为紧耦合集成类别。如将看到的，所提出的LR-WPAN/WiMAX集成网络涉及在性能建模中需要考虑以评估网络的性能的三个主要部分。2.2. 拟议的系统建模在LR-WPAN/WiMAX集成的性能建模中，除了考虑用户从LR-WPAN到WiMAX网络的垂直切换之外，还可以在同一无线电网络内进行用户穿越不同小区/Senspot的水平切换。在所提出的系统建模中，我们主要关注移动无线集成接入路由器（WIAR），其被设计为使用双无线电接口来支持无线个人网络的节点，并且使用WiMAX无线电用于回程支持目的（参见图11）。2）。IEEE 802.16/802.15.4网桥（WIAR）调度IEEE802.16接口本地流量Internet流量IEEE 802.15.4接口图二. IEEE 802.16和IEEE 802.15.4图二.紧耦合的集成WPAN和WiMAX业务模型根据图3，在所考虑的场景中，在WiMAX小区中存在N个Ch信道。另一方面，在一项研究中，N个Ch信道被分配给WiMAX小区中的新呼叫，并且N个Ch表示来自WiMAX小区的所有连接请求。W MLR-WPAN网络。v 指定LR-WPAN节点到WiMAX基站通过WIAR站。TB还表示与切换回其基站的那些用户相关联的速率。协议封装业务分类器Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）59631M一体化一一旦信道准备好被重新加入，则归属网络被重新加入。表1列出了本文中使用的重要符号和符号。表1.标记和符号符号评论符号评论ChNMWiMAX小区豪WWPAN感知点ChNS中允许新呼叫的最大通道数WiMAX小区H（ho）W*WPAN传感点之间的水平切换率在不同的WiMAX小区ChNW所有溢出通道的最大数量，H。和V. WPAN传感点新的M中WiMAX客户端的新会话请求到达率WiMAX小区TBWIAR通过WIAR从WiMAX小区新W新会话请求从WPAN到达WiMAX小区OWIAR通过WIAR到WiMAX小区的溢出请求速率。VW从WPAN到WiMAX小区的垂直切换速率何M中WiMAX客户端的新切换会话请求率WiMAX小区性能建模是基于二维马尔可夫过程[5]开发的。基于所考虑的参数，详细的平衡方程可以由全局平衡方程[15]简化。例如，如果WiMAX系统处于状态（i，j），则WiMAX系统从状态i到状态j的稳态概率被定义为（i，j），并由等式（1）给出：（一）.0我N Ch，0J min（NCh，NCh1）1（i，j）A SM（一）（0，0），NCh我N Ch，0Jmin（NCh，NCh1）A M S M3. 性能度量在本节中，定义并证明了评估所提出的LR-WPAN/WiMAX集成模型的性能指标。已经选择了两个性能指标来评估通过WIAR承载的成功总流量的速率和到替代网络的切换速率。3.1. 总承载业务量在集成系统中，WiMAX小区负责实现到达的业务的切换从一个LR-WPAN传感点。总承载流量取决于总到达率（k）和切换连接（HO）到达速率。所有的到达率已计算使用迭代算法M在[6]中介绍。承载的总通信量表示为CT总计，并可通过等式进行评估。（三）、1（i，j）（0），0NCh我NCh我NCh（二）上午1时nK我JK 1MM KL 1 WIAR我的！j！我J1（0，0），n kChNAho（i NA）m kChJK 1MML 1 WIAR我的！j！1I jnK我K1M(0)、我的！I1我ChnNK一ho（iN一K1MM我的！我我64Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）59j0NChNChMS我0N通道1Sj0SMN一PNChNChNChmin NCh，N Ch共计M集成 我（i，j）（三）整合的S M集成1i1j 13.2. 会话/呼叫阻塞概率存在由于基站或接入点上缺少空闲信道而拒绝新的或切换呼叫或会话请求的可能性。评估综合网络的主要指标之一是呼叫阻塞概率。基于该度量的结果，可以将正确数量的信道分配给不同类型的用户，例如新用户、切换用户等。(4)和（5）已分别应用。Ch可用min N Ch，N ChI1Ch不稳定SP新（i，j）（NCh（j，j）（四）WiMAX11个月i NChWiMAX切换ChS（NCh（j，j）（五）此外，LR-WPAN Senspot的LR-WPAN用户的会话请求阻塞概率（诸如垂直、水平、切换和溢出）可以由等式（1）确定。（六）：Pall LR WPANNCh（i，NCh）（NCh（j，j）（六）LR WPAN1M1S1M4. 数值结果和讨论为了研究所提出的综合异构无线网络的性能，不同数量的信道已被认为是本地和切换呼叫请求。WiMAX呼叫到达率和LR-WPAN到达率的变化的行为进行了研究，在两个方面的总承载流量和呼叫阻塞概率以及。初始网络架构配置具有20个信道作为WiMAX小区信道的总数。允许用于新WiMAX呼叫和LR-WPAN Senspot中的所有类型的连接的信道的最大数量分别被定义为15和10。图4中描绘了集成架构中的总承载业务。通过增加来自LR-WPAN客户端的新连接到达率和WiMAX呼叫到达率，结果显示集成系统的承载流量增加。对于为来自LR-WPAN的切换连接请求分配的6个和8个信道，总承载业务几乎相同，而最低承载业务仅在为从LR-WPAN到WiMAX基站的切换连接分配的两个信道的情况下发生。NCh1N通道MAvaj0j0NNM1Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）5965图三.存在新WiMAX呼叫时的总承载流量以及作为LR-WPAN到达速率图图5和6给出了新呼叫和切换呼叫的呼叫/连接阻塞概率的数值结果。我们可以看到，在WiMAX基站的20个信道中仅为LR-WPAN用户分配两个信道，无论是新呼叫还是切换呼叫，与分配6个和8个信道的情况相比，呼叫阻塞概率明显较低。这是由于WiMAX本地用户获得信道的可能性很高。此外，在两个图中，通过数值模型获得的结果几乎相同。图7示出了在所提出的集成网络中为LR-WPAN用户分配更多信道的优点。然而，值得注意的是，它导致对于WiMAX小区的所有类型的订户（包括新呼叫和/或切换呼叫）的呼叫阻塞概率增加。有几种技术用于信道分配，并且考虑用于LR-WPAN连接和WiMAX呼叫的信道分配之间的权衡以用于进一步研究以实现优化的解决方案。图五、作为新WiMAX呼叫到达率的函数的新WiMAX呼叫阻塞概率66Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）59见图6。切换呼叫阻塞概率随不同切换呼叫到达率的见图7。LR-WPAN连接在所提出的集成架构中对于用于LR-WPAN连接的5. 结论在本文中，已经提出了一种解决方案，用于长距离传输LR-WPAN数据使用WiMAX网络提供的好处。因此，一个双无线电接口为基础的中间设备，命名为WIAR，已被引入到这种集成中发挥关键作用。此外，WiMAX作为回程支持的存在，以及使用WIAR作为移动无线接入路由器，使得WPAN的所有本地信息可以通过Internet访问两个第三方用户。在这种架构中，相同Senspot中的所有传感器都连接到WIAR，并且在数据传输期间，WIAR负责执行Ayyoub Akbari-Moghanjoughi等人/ IERI Procedia 4（2013）5967对IEEE 802.15.4帧进行必要的修改，并使其与IEEE 802.16 MAC报头兼容。呼叫阻塞率和总承载流量被认为是本文的两个性能指标。上述指标已通过数值模型进行了研究，结果表明，提供进一步了解拟议的LR-WPAN/WiMAX集成网络的性能。引用[1] “IEEE Std 802.16m-2011 ， IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16 ： Air Interface for BroadbandWireless Access Systems Amendment 3：Advanced Air Interface”，编辑，2011，pp. 1112[2] “3GPP，Overview of 3GPP release 12 v.0.0.5，Tech.代表：2012年9月，ed，2012.[3] “IEEE P802.11-REVmb/D12-2011，IEEE信息技术草案标准-系统之间的电信和信息交换-局域网和城域网-特定要求-第11部分：无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范”，2011年编辑，第11页。1-2910[4] IEEE Std 802.15.4g-2012，IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part 15.4：Low-Rate Wireless Personal AreaNetworks（LR-WPAN）Amendment 3：Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Data-Rate，Wireless，SmartMetering Utility Networks，2012年版。1-252[5] S. 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