(paper) balloonnet: a deploying method for a three-dimensional wireless network surrounding a...

8

Click here to load reader

Upload: naoki-shibata

Post on 09-Jun-2015

183 views

Category:

Technology


1 download

DESCRIPTION

Aiming at fast establishment of a wireless network around a multi-level building in a disaster area, we propose an efficient method to determine the locations of network nodes in the air. Nodes are attached to balloons outside a building and deployed in the air so that the network can be accessed from anywhere in the building. In this paper, we introduce an original radio propagation model for predicting path loss from an outdoor position to a position inside a building. In order to address the three-dimensional deployment problem, the proposed method optimizes an objective function for satisfying two goals: (1) guarantee the coverage: the target space needs to be covered by over a certain percentage by wireless network nodes, (2) minimize the number of network nodes. For solving this problem, we propose an algorithm based on a genetic algorithm. To evaluate the proposed method, we compared our method with three benchmark methods, and the results show that the proposed method requires fewer nodes than other methods.

TRANSCRIPT

Page 1: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

���������� ����� ��� ������ ���

� �����������������

�������� ������� ����������� � ��������

������ ����†� ���� ��‡� ����� �������†� ������ ������∓ ��� ����� ���††������� ������ �� ����������� �������� ���� ������� �� ������� ��� ����������� ������ ����� �����

����� {�����!�� �!������ ���}"�#����#$�‡%��������� %������ &��� '��(������ ����� &���� �����

����� �)����"���#����!#��#$�∓*�(���� �� ������ +������ ,������ ���-��� '��(������ .������� ���-���� �����

����� �!������"����#���

��������������� �� �� ���� ������ � � ���� � ������������� � �� ��� ��� ��� ���� �� � ������ ����� �� ������ ��������� ������ �� ��������� ��� ������� � ������� ������ ��� ���� ���� ��� �������� �� �� ��� ������ � ��� ������� ��� ���� �� ��� ��� � ���� ��� ������� ��� �� ��������� �������� �� ��� ��� ����� �� ��� ������ �� ����������� ������� ����� ����������� ���� �� ���������� ���� ���� �� ������� ������� �� � ������� ����� � ��� ����� ������� �� ����� ��� ��������������� ��� ������ ���� ��� ���������� ������ �������� �� �� ������ ������� �� ���������� ��� ! "#$ ��������� ��� ��������! ��� ������ ���� ���� �� ��������� �� ���� � ������� ���������� �� ���� � ������� ����%"&$ �������� ��� ������ � ������� ����� '�� � ���� ������� ��� �� ������ �� � ������� ���� �� � ������� � ��������(� ��� ���� ��� ������� ������� �� �������� ��� ������ ��������� ��������� ������� ��� ��� ��� � ��� ���� ��� ������������� ��)���� ���� ���� ���� ����� �������

���� ��*������ � �������% ������% ����� ��������������� % ���� � �� ��� ��������

�# ������������

+�������� ��� )���� �� �/��������� � ������ �� �����!

���� ������ ������ �� � �����0���� (������� �������

��� �/����� )������ ���������# �� ������ ���� ����� �!

��� )��� ������!���� �� ����������� ���� ��� �������� ������

����� ��� ��� 1�(����� .����� ��� *����� 1�� ���)���

21�*!�3456 ��(� ���� ��(������ ��� ����-��� ��������������

��0���� (���� ����������� �� ���� ��� �������� �� (�����#

����� ���� ���� ��0��� ���� �� � )����� ���)����

���������� �� ������������ ����������� � �� ����� ���

�� � ������ ����# 1 � ���� �� ���� ������������

����������� 0������ )����� ��!��� ���)��� ��� ����������

���������� ��� ���� ������ ��(� ���� ����� �� ������

����# 1 )����� ��!��� ���)��� � � ������0� ��� ������� �

)����� ���)���� ��� ���� ���)��� ���� ��� )����� � ���

������� )���� ���� ���� ��� ���������� �������� )��� �����

���� ���� �/�� )����� ��� ������������ ����� �� ����������

)��� ������ ���� ������ ������������ ����# ��� ������0�

� �/������ �� ������ �� �������(� ���� ��� ������������ ��

��$�� ������ ����� ����� �� ��� ��� ��0��� � ���������

������������ ��(����� ���)����� �� �/����(� ��(���#

���� ������ ��� ������� � )����� ��!��� ���)��� ��

�� ������ ��(�������� ��(� ���� ������� 476 ������ ����

���������� �� � ������� ��� � )����� ���)��� �� ��(��

�� ������ ������� � � �� ����� 8�� ��������# 1��

�� ��� ����� ��� ���� �� (������ �� � ��� ��0���� ��

������ � ����� ����� �� ���� �� ����� �� ��(�� � �������

)���� � �� ��� �� �������# 9���� ���� 4:6 � � ������

��� ���������� � )����� ��!��� ���)��� ����� � �������

�� � ���������� ��(��������# 9�������� ��� ������ ������

������� ���)��� ���� ��� �� ��� �� ���� ������ �

���� ��(� ����� ��� �������# 9� � ������� ���� � ����

��� ���������� )��� �� ���� ���������� ��� ��������� )���

���� ���������# ���������� )� ���� � ������ �� 0�����

��(�� �� ������ ������� )��� )����� ���� �������� ������

��� )����� ��(��� �� ����� ��� �������#

�� ��� ������ )� ������ � �����!���������� ���� ������!

���� ������ ��� ������ � � )����� ���)��� ���� ��(�� ��

������ ������� ���� ��� �����# � ����� ���� �������!���(��

���)��� ��(��� ������ ���� ������� �� ��� ���# �����

����� )�(� ��������� )����) ��� )��� ������ �����������

��� ���)��� ���� ��� ���(��� )��� ��(����� �� � ����-�����

���������� ��� ����� ����������� � ���������� �� ����

����� �������� ����� � �������# �� ��������� ��� ;���

�� ��� ������� ��� �����(� ����� )�(� ���� ��8������� ����

����� ���� ���� �� 1< ����� ��� �������� ���� ��� �����

���������� � ���� )��� ����������� ����� ������� ��� ;���#

�� ����� �� ������ ������ ������-����� ��(��� ��� �����(�

��� ���� ���������� �� ������ �������� k!��(����� �� �

)����� ���)���# ��� ������� �� ���������� ��� ���)���

���� ����� � ������� � �<!���� 4=6� � )� ������ �

������� ������ ���� �� � ������� ���������# 1������ �(!

���� �/����� ����� ����������� ����� 4>6 ��(� ���� �����

��� ������ �� ������ ��(��������� )� ���� ���� �����

������� ��� �� ������� )���� ��0��� ���������� ������!

��!������ ����������# ?�� ��� ������ )� � �� �������� �����

����������� ����� ���� ���� ������ �� ��� ���������� �������

��� ��� ������� ����� � ������� �� ����� �� �������� ���

Page 2: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

������������� ��� �� ��� �� ����� �� �� �������

�� ���������� ��� �� ���� �� ������� ��� ����� ���

����� �� ����� �� �� �� ��%� ������� ��� ���� ��������

�� ������� ��� ��������� ������� ����� ���������� ��

���� ����� ��� ��� ������� ��� �� ��� ��� ����������� ���

� ����� ���� ��� ��� ��� ��� ������ ���� ������ �� � ���

������� �� ��� ����� �� ��� ��������� ������� !� � �����

�� �������� ������"���� ��� �������� #������ ����� $�

������� �� ��� ���� ������" ����� �� ���� ��������� � ���%

��� �"������� �� ����������� ����� ����� ����������

����� �� ���� &�� ����� �� �� ����� '�()�� ���� ��

��������� �� �� ���������

**� ������� ����

+��������� ������� �� ������ ��� �� ����� �� �������

�� ������ �������� ���� �� ��"���,�� ��� �������� ��

��� �� ��� ������������� ������ ���� �������� ��%

���� ��� �� ����� �� �� ���������� ���� � ������� ����

��"���,�� ��� ������ � ������,�� ��� ����� �� �����

�� ���� ��� ���� ����� �� �-���� ����� ��� ������� ��

�������� +������ �� �� ������� � ������ �� ������ �

����� ��� ������ ����� �� ����"������ � �������������

��� ��� � ��"����� �����./0� *� ���� �� �� ���������

�� ��� ���� ������ ���� ������ #��� ���%������� ���������

�� ����������� ��� �� �� ������� � ������ ���� �����

���� ������������ ��� ���������.$�0� *� �� �������� �"����

����� ��� ������������� ��� �� ��� ��� �� ������ ���

��� ������ ��� �������� �� ������ �� �� ���%��%����%���

���� �� ��� ����� ��� ���� ������������� ��� �����

����#������ �������� �� ��� ��������� �� ��� ������ &���

#�� ��#����� ���������� ��������� �� ������� ��� ���� �����

���� ����� ����������� �� ��� ���������� 1�� �� �� �������

� ������.$20 ���� 3!�!.$$0 �� ���� ��� �������������

��� �� ��� �� ����� �� ������ �� � ������ ������ &���

������ ������� �� ��� ����������� �� ��� ������� �����

�� ����� �� ���������� ������� ��������� �������� ��� �

������ �������� ����� ����� �� ������� �� ���������� ��

� � �%����������� ����� ������ ��������� ������ ��� ��

����� ���� �� �� �������� �� ���� 4�� �� �� ����� �����%����

������� �� �� �� ������5 ��� ���� �-���� ���� ������

���� ������� �� ����%����������� ���������� �� ����%

���� 6���� +������" ��� 7�,�� ������� ������������� ���

�� ������ �����������.$'0� ��"�����.$80 ��� ��������

��������� ������.$�0� ����� ���� ������ ������ �� ���

79%��� ������ ����� ������� #�� �������� ��������� �� �

������ ������� :� ���� ����� ������� ��� ��� ���� ��

��� �"������� �� ���������� ����� ��� ������������� ��� ��

��� ��� �� ����� �� ��������� �� �� � ������ ����� �������

������� �� ���� � � ���������� �� ���#���� �� ����� �� �

��� ��� �����������

!� � �� �� ������� � ������ ��� �� �� � �������

���� ������� �� �� ���� ������� � ������ �� ������ ��� ��

����� ��� �������� ���� �������� �� ��� ���.$)0� &�� ��������

�� �������� �� �������� �� ������ ���������� *� ���� ��

���� ��� �� ���� ������� ��� ��� ������� ;������

���������� ��������� ���� �� ����� ������ ��� ���������

������ ��� ���� �� ������ :� ���� ���� ������� �-����

��������,�� ������� ��� ������� ���� �� ������������� ���

���� ��� ���� ��� ������ �� ���������

�� ������ ���� � ������ ��� �� �� �� �� ���� ��

�"������ ���� ��� �� ����� ���������� �� ������� ���

����� ���������� +�� �� ��� �������� ���������� �� �

�������� ����� �������� �� � ��� �������� �-������� ��

���� � ��� ��� *� ���� ����� � ������ � ������ �������� ��

������ ���������� ������� ��� ����� �������� �� ������

k%������� ����� ��� �� ����� �� �������� ������� ��

��� ������� ���� ��������� � ���� � � ���������< �$

�� ������������ ����5 �2 �� ��=�� ��� ���� �����������

������� ���� �� �� ���� �� ������� ������� ������ ��� ��������

&�� ������� ������ ������,�� ��� ����� �� ����� ������

�� ������� k%������ �� ��� ��������

***� 9���� ��������

*� ���� �������� � #�� ��� �� ������ �� �� �������

�� ���� �"����� �� ����������� ��� �������� ��� ������

�� ��������� ��� ��������� �� ��� ������

�� �������� ��� ����� �����

>��$ ������� � �������� ������� ��� ��� *� ��� �� ����

��� ����� �����%���� �������� ��� �� ����� �������� ��

�������� �� �������� �� ��� �� ����� ��� ��������

�� ����������

��������

&�� ������ �� �������� �� ������ ������ �� ��=�����

���� ������ ?��� ������� �� ����� ��� ���� ����

������� 9�������� �"�������� ���#��� ���� �������� �� �

����� �� 2�� �� ��� � �� �"��������� �� ��� ��� �

� �� �� ����� �� �������� ������ ������� ��� ��� � ���� �!��� ����"

����� �� �

7�� �� ����� �� ������%�� ��� ������� ��� ��%���

������������� �������� ����������� &���������� �� � ���

������ ����������� �� ������� �� �� �������� ����� ��� ������

�� ��� ��� �� ���� ��� ���� �� ��#�� ��� ������� �����

������ ���� ��� ����������� ��� ���� ��� �� ����� ��

T .�@�0� &�� ��� Ra ������ �� ��� �� ���� A �� ��#���

�� ��� ��� ��� ������� ����� ������ ��� ���� A ��

���� ���� T �

����� ���� ���

�� ������ ���� ��� ������� �� �� � ������� ���� &��

������� �� ��������� �� � ��� �� ����� ����� ����� � �����

Page 3: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

l �� ���� ��� ���� ���� ��� � ��� � �� ���� ����������

�� ��� �������� ���� ���� ��� ��� ������ �� �� �������� ���� ��

������ ���� ����� ����� � ��� ���� �� ������� ������ � ���� �� ���

�������� ��� �� ��������

�� ������ ����� ���

�� ���� ���� ��� ������� �� ������ � ��� � ���� �� ����

���� �� ������! ��� k"�������� �� ��� � �����

�����

• #������!$ � ���� ���� �� ��� ������ � �����% ���������

����� �������� ��� �� �����

• &���������� ��������� ���� �� L$ � ���� �� ���� ���� "

����� ��� ����������� ���� ������� � ����������� �� �

��������

• ' ���� k �� ��������

• (���� s �� ������ �����

������

• )������� �� ��� � ���� �� ������* ����

��������

+ ����� ���� N �� � ��� �� ����!� ������* ����� M ��

� ��� �� ������ �� ��� � ���� �� ���� �� �������� �� k )��api �� cj �� ��� i�� ������* ��� �api ∈ N � �� ��� j�� ����

�cj ∈ M � p(i, j)� ��� �,�� �� ������� -��! ���� �������

api ������ cj �� ���

p(i, j) =

{1 L(i, j) ≥ T0 otherwise

�.�

/ ������ kp(j) ����� ������� cj �� ������ �! k ���� ��

��� / ������ kp(j) �� �,�� �� �������

kp(j) =

⎧⎪⎨⎪⎩

1

|N |∑i=1

p(i, j) ≥ k

0 otherwise

�0�

-�� ���������� �� �1������ �! ��� ��������� ���� ��

|M|∑j=1

kp(j)

|M | ≥ s �2�

� ������� ��������

3����� ��� ��� � ���� �� ���� ���� �� ������! ���

���������� �� ��� � ����� �� ���� �� !% ��� ��4������ � ������

�� ���������� �! ��������� ���� ��

minimize(n) subject to constraints (3) �5�

�6 (���� &��������� 3���

�� ���� �� ����� � � � ����� ��� ��� ����!����� ��

��� �� ���� ���� � ����"��"����� ���� ����� ����� �� ����

��� �� ��*� ���� �� �� ��������� ��*� ����� �� ����� �����

��! ��������� ���� ���� ���� ����������� -���� ��� �������

����� ����� ����� ���� ��� ��� �77"22 ����89:� ��� +;�

����8<:� ��� 7=+-"02. ����8>:� ��� ���� ������� �!

=*����� �� ��8.<: �� ��� ���� ������� �! ?���� �� ��8.>:

-���� ����� ��� ���� �� ��� � ������ ������� �������

�� ������ ����� �� � ��������� �� ���� �� ��� �����

���� ������� ��������� ������� ����� ��� ������ @�������

���������� �� ���� ����� �� ��� � ���! �������� = �

����������� � ������ ���� ���� ����� ��� �� �� ���� ��

�������� �� ����� ������������� �� �� � �� ��� ��� ����

��� ���� ��� ��� �! ��*��� ���� �� �� ��� �� -��������� ��

������� � ���� ����� ��*�� ���� ���� �� ���������� �� ����

����� �� ������ �� ����� ����� � �� ��������� �� ��������

������ ��� �� � � �����A� ��� �� �� �� ���� �� ���� ����

��� ���������� �� ���� ������ � � �� �� � ���! ��,� �� �� ���

� ������ ���� ���� �� � ������� ���� +�� �� ������� � ���

���� ����� ���! ��� ���� ���������� ������� ���� � ������

���� ����

+��� ����� ���� ��� 8.B: �� 80C: ��*� ���� �� �� ����

������ ����� ����� �1������� ��� ��������� �� ���� ����� ����

��� ��� � �� ��� ��������� �� ���" ������ �������� ���� ���

�������� �� � ��� ������� ���� �� � � ���� ����� �����

��� �� ����������� ������� ������ �������� �� ���� ������ ��

� � �1��������

�� ���� ��� ��� �� � ����� ������� ��� �����

��������� ������ �� ��������

-�� ���� ������� �! =*����� �� �� �� ���� ��

���� �� ���� �������� �� ������ � ���� �� ����� ���

� �����8.<:% �� ���� ���� ���������� ��� ����� ����� � ��

��� � ��� ���� �� � � ����� -��! � ����� ���� ����� ���� ���

�� �� �� ������ �� �� � ����"��"����� ����� ����� ����

�! ��������� ����� ���� ���� ��� ���� ������� �! ?�����

�� ��8.>: �� ������ �D� �� �9� ��������� ��� ���� ��� � ���"

���� ����� ����� �� ��� ���� ������� �! ?����� �� ���

�����������! d� din �� h ����� ��� ������� ������� ��

������ ����� �� �� � ��� ����� ��� ������� ������� �����

�� ��������� �� ��� ������ ���� ��� �� �����������!% �� f ��

���� ���!

Lossout = 54 + 40 log d− 30 logh+ 21 log f �D�

Lossin = 0.6din − 0.6h+ 10 �9�

Loss = Lossout + Lossin �<�

���������� �� � ����� ���������� �����

�� ����� �>� ���������� � � ���� ��� ������ ����� �����

������� ������ ����� � �� �������� E -�� ���� �� ��"

��� ����� �� ������ �� ����� ����� Lossdistance �! �������

�� ����� ����� Lossobstacle �! ��������� -�� ���������� ���

����� �� -���� �

L(A,B) = Lossdistance + Lossobstacle �>�

-�� ���� ��� ����� ����� �! ������� ��*�� ���� �� ���

���! �� ��� ������� d1 ������� A �� B� � � ���� �� ��� �

������� d2 ���� ��� ����� � ���� �� ��������� �� ����� �� ��

�������� ������� A �� B� d1 �� �� �� �� d2 =��������� d2 ��

������� ���� d1 -�� ��������� α, β, γ �� δ ��� ������� �!

��� � ������ ���������� ����� ���� ��� ���� ������ ��� ���

������� �� �6"E

Lossobstacle ���������� ��� ����� ����� �! ��������� �����

������� A �� B Oi ���������� ��� � ���� �� ��������� ��

Page 4: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

���� �� ����� � �����

����� �

���������� �� �������� �� ��

��� �������� �

L(A,B)

��� ������ � ������� ��� ��������� � ��!��� ���� �� A ��� B� !���� �� ������ � � ��������� �

" �������� ��� �������

Lossdistance

��� ��� ��� ��������� � ��� � ��������� �������� #d1$ ��� ���������� �������� #d2$

Lossobstacle ��� ��� ��� ��������� � ��� � �������

α = 36.37 % ��&����� � � ��������� � ��� � ��������� �������� d1β = 0.12 % ��&����� � � ��������� � ��� � d2 − d1

γ = −69.13 % ��&����� � � ��������� � ��� � ��������� �

δ = −28.51 % ������

���� ���� ��� �� ������ �� ����� �� ���� A ��� B�� ���ρ �� �� � ���� ��� �� ���� ���� �� ��� ����

Lossobstacle =∑

ρiOi ��

���� ����� �� ������� �� �� ���� ���������� ���

��� �� ��� �� ���� �� ���� �� ������ ���� ��� � ������

���� � ������ ����� d1 �� �� �������� ��� ���� ��� d2 �� ��������� �� ��� ���� �� ���� A ��� B ����� �� ���� � �������� �� ���� �� �� ������� �� �� � ! ���� ��� �� ��� ����� ��

������� �� �� �� �� ��� ����� �� �� � ����� �� � �� ����

A ��� B� ����� ��� �� �� �� ���� ��� �� ����� ����

�� ���������

"� �������� �� ��� ����� �� � �� ���� ����� ����� ����

• #���� ����

• $� �� ����

• �����

#� ����� � �� ������ �� ����%���� � α, β, γ ��� ρ� ��� ������%���� � ��� ���� ���� �� ��� ����� �� ������� �� �� �����&

���� �� ��������� �� �� '���� ��� �� #������ ��� (������

)������� �� *��� #�� � � � �� (������ ��� ���������� "� ����

� �� ����� +, �� � ! ����� !-��./ # ./�00� *#,� �

)1��!2$"3-&4+&56//*4 ������ ���� � ��� ��((#'��7�08

��� ���������� ��� ���� "� ������ �� ������ ���� �� ����

�� ��������� ��� �������� ������ � ���� � ���� 09/ ���� �

������ �� �������� ! ���� ���� � �� ����� �� �� ����� ���

�� �� ������ ���� �� � �� +, �� ���� �� �� �� ����� �

����� � ���� ��� ��� � �� ����� ���� "� �������� ��

������ ����� �� �� ������ �������� ���� ���� 09 �������

���6 ����� ���� �� �� ���������� ���� � :��������� �

���� ���� ���� �� ;���� �������� ���� �� ;��� ����� ��

������ ���� ��� ������

"� ����� �� ����%���� � �� �� ����� ������� �����

�� <0/ �� ���������� �������� ���� �� �������� ������

��

�������� �

���� '� ����� � ������� � ���� �

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Sig

nal S

treng

th[d

Bm

]

d1[m]

Proposed method[19][20]

Measured data

���� (� % ���� � � � ��� ��� ��� ��� ��� �� )�*+)�,+� ���

� ��� ��� ��� ��� ��� �� )�*+)�,+ ��� � ���� �������-��" �� ��� ����

� d1 = d2 ��� d1 = 0.95din + 0.05d, h = 20, f = 2400�

� ���� � ��� ����������� �� ���� ������� �� ����%���� � ���

� ������� ����� �� <00� ����� ���� �� ��� ������ ��

� ������� �� �� � ����� ## ������ ��� �� �� ������� ��

����%���� � ��� ������� ��� � ���� ��� ��� � ��� �����

Lossdistance = 36.67 log(d1) + 0.12(d2 − d1) log(d2)

−69.13 log(d2)− 28.51 0/�

Lossdistance = −29.34 log(d1)− 37.66 00�

���= ����� �� ���������� �� ���� �� �������� � ����&

��� ��� � �� ��� ���� ��� �� Lossdistance ���� ������� ���� �� �� ������ "� ��� ��� �� �� Lossobstacle ����� ���� �� �������� �� � � %�� �� �������� � ���� ��� �� ��� ����

���9 ����� �� ������ � ����� ��� ���� ������ ��� ����� ###

����� �� � � �� ���� ������ �� �� �� �������� ��� $���� �>�

������� : � -:(� (' ��� R2 ������� �� ������� �� ��

������ ��� ������� �� ���� �<���� ��� � �� � ������ ����� ���

��� �� �� ������ ��� ����%���� � ������ ����� !� ����� %�9

����� �� �� ���������� �� ���� �� �������� ����� ��� ��

����� �� ��� d2� �� �� ����� ������ �� ���� ### ���� ��

(' ��� -:( ��� �� �������� ����� ��� �� �� ��� (' ���

-:( ��� � ��� �������� ��� ������� �� �� ������ ��� ������

�� =/?�)�� ����� �� ���������� � �� ������ � ������ � ��

���� ��� ����� ����� ������ ���� ������ �� ����

Lossdistance = α log(d1) + β(d2 − d1) log(d2)

+γ log(d2) + δ 0��

@ +./�/0�� :��1/�

��� ������� �� ��������� �������� ������ ����� �� � ����&

����������� ����� �� *+&����798� ��� � �� �������� ���� �

Page 5: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

Err

or

d1[m]

Proposed model

w/o d2

[19][20]

���� �� ����� � �� ����

����� ��

�������� ��������

�� ���� ���� ���� ����� �� �����

������� ���� ��� ! �"�## �$�#%

�&� d2 �%��' � �% � �!�

��� ��� ����� ������ � � �������� ��� �� �� ������ ��

����� � � ���� �� ������� �� �� �� ������ ������� �

�� ��������

�� ��� ����� �� ������ ������ ������� ���� ��� �� �

����� �� �� �� k��������� �� ��� ������ �������� �� ���

������� ���� �� s� ��� ����� ���� ��� � ������� ������� ���� ��� �� ��� ��� �� �� �� ��� �������� ��������

�� � ��� � ������� ���� � ������ � ��� ����� �� ����

��� ������� ���� � ������ ��� � ������ ��� ��� �� �����

����� �� ���� � ��� ���� ��������� ��������� ��������

��� ���� ��� ����� �� ���� ������ ��� ��� �� ��� �� �

������ ����� ��� �� �� ����� ��� ����� ���� �� ���

�� ������ ������ � �������� ��� ��� ����� �� �������

���� � !��"�

� ���� � �� ��� � �������

n� P � N � P ′ ��� L ������� �� ��������� ��� ����� ��

������� ���� � ��������� #� �� �� ������ �������� � ��

����� �� $� ��������� %� #|P |$� �� ���� ���������

��� � �� �� �������� ������� ��� ���������� �� �� ������

� ����� �� #� ������ ��������$ � � � �� ������ � �����

� ������ � �� �� ����� ������ ����� ����� ��� ���������

�� � ����� ��� ����� �� ��� ������ � � ����� �� ��� ���

������ ��� ����� ������ ��������� ������� �� ��� ���������

�� ��� ����� ���

!������ ����� ��������#$ �������� N ������ �����

��� ����� �� ���� n� &�������� ��� ���� ���� ���

�������� �� ����� ��� ��� ������� L� !������ '�����#$������ ��� ����� �� ����� ������ ���� ��� �� ��� ��

���� �� �� �� ��� �������� �������� !������ (����� �)�

���#$ ������ � ��� ����� �� ���� � ���� ��� ���������

��� �� � �� ��� �� ������ ������ � �� ����� ��� �� ����

�� ������

!������ '�����#$ ������� ��� �� ��� �� ��� ����

����� �� ���� ��� � ����� �� �������� �� ������� ���

����� ���

(������� � ����� � ���� ���������

)� *)( (+ R2

������� ���� #��" ��$" $��% ��,"

�&� d2 ��! "�"$ #��# �� '-% .-%,. %$�! %"�"! %��� &�

%/ ������� * N + )���� �� ������

!/ ����� *

$/ n + )���� �� ���� � � ������ ��������

#/ L + '�� �� ���������� �������

�/

"/ ,,�������� �� �� ���� ������ ��������

/ P = InitialPopulation(n,N,L),/ ,,'����� ������ ������ �������� ���� �����������

'/ ����� ���� ��

%�/ ,,�������� ��������� �� ��� ��-� ���������

%%/ P ′ = Search(P )%!/ ,,� '�����#$ ������ ∅� ����������� ��������%$/ �� P ′ = ∅ ��

%#/ �����

%�/ �� ��

%"/ ,,�������� � ��� �������� �� �� ������� ������ �

���� ��� ���� ������ �������� � P ′

% / P =(����� �)���#P ′$%,/ �� �����

%'/ ������ ��� �� � ������ � P

���� "� �������� 0�� � ������� ������� �

����� ��� ��� ���� ����� �� ��������� � ��� � ��� ������

��� ��� ��������� ��� ����� ��������� ��������� .����� ��

� ������ ∅� ��� ������� ��� �� ������� ���� � !��

/�

(���� �� ���� ������� � �� � '�����#$ ��� �� �����

������

• �� ���

�� ����� �� ���� ��������� �� ����� ����� � �����

������ �� ��������� ������ � ��� ����� ����� �

!������ 0����� ������� ��� ��� ��������� ������

����� �� � ���� #� ������ ���� ����� ��� ��� ���������

��� � ���� ����$� �� ������� ������ ���� ���� ���

1% ����������

• ��� ��� �����

�� ����� �� ��� ������ ������ ��� ��� ��� � P � �������� ������� �����-��� �� ����� � ����� �����

�� ��� �� ����� � �� ���� ������ �� ��� �� � 2

����� �� � ��� ���������� �� ������� � ����� ��

��� � ��� ���� � � ��� ����� �� ��� � ������

��������� ������

• �����������

&�� ���� ������� ������ ��� ����� �� ��� �

��� �� �- ��� ����� �� � 3 ������ ��� ��������� ��

��� ���� ��� ����� �� ��� ������ �� ���� �� �����

����� ������ �� ��������� �� ������� ������������

4� ��� ��� ����� �� ��� � ����� ���� �� �������

Page 6: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

�� ����� �

�� P � �������

�� M � �� � � ��� ���� ���� � �� ������ �� ��� �������

��

�� ����� ������ � ���������� ≤ �� ��

�� �������� �� ���� ��� �� ���� ����� �� ������

��������� �� ����� �����

�� �������P �

�� ������� ������ � �������� �� ���� ��� ���������

�� ������������P ���

��� ����������P �

��� ���������P,M �

��� �� � � �! �� ��� !�� � ����� ����� ������� ���

"� ��������� #�� ��� ������

�� �� ������� �P �"�� ����

�� ����� ∅��� ��� ��

��� ��$������� ������� � �������� �� ��� ��� �� �����

�� �� ����

��� �������P �

��� �� ��� %��� ������ P ≥ s ����

��� ����� P��� ��� ��

��� ��� ���

��� ��� ������

�� ����� ∅� �� �� ���������� ��� ������ ����� ��

���� ����� �� ����� �����������& ���� ���������� ���

���%�%��� �� ��������� � ������ %� ��� ��%�� ��

����� ������ %� ��� � �& ������� ���� apcover � M �

������������ ��� ��� ��%�� �� ����� ������ %� � ��!��'

� � � � ��� �� ������ � ��� ���%�%��� � ��� ��

apcover/|M |&• �� � ����

��� �������� ������ ��� k��������� ���� � �����

�� ���� ���������� �� �� ��������&

• �����������

� ��� �������� ����� � �� �� ��� ��� "� ���������

��� ������ � ��� ��� �� %� ������� � � ��� ������

� � � &

• �������

$������� ������� � �� ���� %��!�� �!� �� ����

������� ����������� (� � ��� ���������� !��

!���� �������� � ������ &

) & ��� !�"#$%

�� �� �� �������� ��� ������� ����� � !� ������� ���

����� �� ����� ����� �& *� ���� �������� ��� ��� �� ��

��� ������� ����� ������� �+������� � ���� �����

���&

�� ���������� ������������

*� �� ���� ��� �+������� ��� ,�������� �� �

������� ����� %�� �� -��� ������ �� ����� �

"�& ' #�

'�������� ���(��)

s = 85 s = 90 s = 95k = 1 �� �� ���

k = 2 � ��� ����

k = 3 ���� ���� ���

$��������& $�� ������ ! �� � ����� �� ��� %�� � ���

""��� .�� � /.�� �����������& 0�� ������ ���� !���

������ ���� � �� ��� %�� �� � ��� �� � �������� !��

������� � ��� 1���� �"2�32� �� ��� %�� �& *� ��� ���

���� ! �� �� �&45�� � ��� �� � ������� �������� T ��

6�� !�� ��� �� �.5 7�� ��� ����� ��8��� �� ���� 5�%��

��������� ����� � �� � ��� ��� ����#���� ��� �

������ ���9//:& $�� ������� ��� ��� ��� ��������

�� ����;� ��� � � ������ � ���! ��� �����!�<

• �(=< ��� ���� 3 4/� �/&55>?;�

• ������< "/ >7

• @�< * �!� 3 (��������� +5A

• �������< B��� �� "&5

• 6���� �������< 7�� "&5&� /A�%�3

*� #��� �� ���� � ��������%��� �������� !��

����� ����� � �� ��� ��%�� �� � �� ��8��� �� ������ ���

��� �������� �� ��&

*� ��� ���#� ��� ���������� �� ��� ������� �����

������� �+������� � ���� �+������ ��� �������&

����� �+�������� ��� ��!��' � �� !��� ������ �� ���

������ ���� %� ��� ��������& *� ������� ��� �������

������ ���� ��������6��� �� ���� ��� � ��� �������

6��&

*� ���� �� ���� � �����!��� �+������ ��� ��������

�� %��� ��� ������ %��� � ��� 6��� !��� !��

����%� ����� )&

�� ������ ������

*� ��� ����� ����� � ��� ��������� !�� ��� �������

����� & *� �+����� ��� ����� � ��� ��� ���� �+�����

���� ���! $�%�� )& *� ����� ��� ��8��� ��%�� ��

��������� k ���� " �� /� � ��� ���� / �� C& $�� ��8���

�������� ���� s !�� ���� ��� �� .�D� 4�D � 4�D& *�

�������� �� ����� ��� ���� ���%��� �� ��� ������&

7���!� !� �+��� ��� ������� ����� �&

���������� � ���� �� ��� ����

$�� ����� ������ �� ������� �� �� ������� ���

��� ��� ��� � ��& $�� ����� ������ ��� ������ !�� �

���#��� ��%�� �� � �� �� ����� ��� ���� %�� �� �

!�� � # � ��� ������ �� � �� !��� ����� ��� %�� �

!�� ���� ��%�� �� � ��� � �������� ������� %� ��������

������� ��� ��%�� �� � ��&

��� �� ��� ����

$�� ����� �������� � ��� �� � � ������ �� �����

� ��� � �������� ������ #�� ���� �� ������ %� ������

�� ��� ������ ��� ������ ����� ��� ��� ����� & �

�� �� ����� ���� ����#�� ��� ��8��� ��������� ��� �����

� ������� ��� � # � � ��� �� ������ ���� ������ ���

��8������& � � # � � ������� � �������� ��� ��%�� ��

Page 7: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

����� ��� ������� ��� ������ �� � ��� �� �� ���� ����

� ������ ��� ���� �������

����� ���� ���

����� ���������� � � ��� �������� ���� ��� ������

������� �� ���� ������� ����� ��� ��� ���� ���� � � ��

��� ������ ����� ��� � ���� ��� �� ��� �� ��� �������� ��

��� � ��� ��� ���� �� �!������ ����"� �� #� ����� ���

� ���� �� � $���� ��� ��� ��"����� ��!������ � ��� ����

������� ����� ��� ����� �� ��� �������� ��� ����%���

&�� ���� ����"� � ��� �'�� ()� ��� ('�� ��� ���� k� *� (��� �������"� ��

�� ��������� ���� ��

��� ������ ���� ����� ������� � ����������

��� ��� �� ��� ���� ���� ��� ����� � +��,�*'� ���

������ ��������� ��� ��� �� ��� ��� �������� ������� -.�

/.� �� ���� ��� �� ����� 0��� ��� ����� ��� �"����� "� ��

��� ���� �� ������� ����� ��� ��1��2���� "� ��

��� ��� ������������ ������� .��� ��� ��� � �� �� ���

� ���� ����� ����� ��� �� ��1��2���� "� �� ���

��� ������� 3� ��� ��� ���� ��� ����� �� ����� ��� ���

�������� ������ � ��� ��� ��� � � ������ ��� ����� ���

���%���� ���������� ���� k ��� s ��� ���� #� ��� ���� ����k4� ��� s45)%� ��� ������� ����� ��!��� �� ��� �������������� ��� ��%� �)% ��� 6�% ��� ���� /.� -. ��� ���

�������"� �� 3� ��� ����� �� ���� ���������� � ��� ����

�� k4�� ����� ��� ���������� � ����� �� ����� ��� (6%��*%� )�%� �������"� �� ��� ���� ������� ��� ��� �� � ��� ����� ���� ��� �������� ������ ���������� ����� ������� �

���� ����� ��������� +�� ��� �� ������� ��� ���� �����

�� ����� � ��!��� ������ �� ��� ������������� �� ����

������� .��� ��� �������� ������ ��� ��� ����� � ��� ���

���� ��"�� ����� � �� � $����� ������ ���%���� � ���

����� �� ������� ����� ��!���� 3� ��� � �� ��� ���� ���

�������� ��"���� �� ��� ��� �� ��� �� ������ � ��� ��

���� ��� ����� �������� ������� ���� �� ������ �"��

���� ��������� ��� ���

���������� �� �������� �� � ���� �����������

3� ��������� �1�������� � ��� ��� ��"������� �����

�� ��� �� ������� �� �� ���� ��� k = 1� n = 3� ������� 5(�7% ��"������ 3� ������� ��� ��������� ������� ���

��� �� ������� �� �� ���� ��� ��� /.. ������� � ���

��� � ���� +��** ����� ��� ��� �� �� ��� ���������� &���

��� 1 ����� ��������� ���������� ����� ��� ��� �������

������ �������"� �� ��� �� ��� �� ��� ���� ��������� ��� ���

������� ������� ��� �� ���� ��� �� ��� ��� ������������

��� �"����� ������ ��� ����� ��� ���������� ����� ���� ��"�

�������� ���� � �� � ������� ������

#� ��� �1�������� ��� �"����� ����� ��� **�',����� ���

��� ��"����� ��� ,7�7% ��� �'' ���������� ������ 8 �

����� ��� �"����� ����� � ����� ���� ��� �������� �"��

�� �� ���� � �������� � ������ #9� ��� ��"����� "� �

� � ��� �� ��� �� ���� ��� �� ��� /.. ������ �������

�� ���� �� ��� ���������� ����� ���� ���� *'���� ���

����� ���� � ��� ��"���� �� ���� ��"�� � � ���� ��� ����

building Abuilding B

1F

2F

building Abuilding B

���� ��� ������� � ����

(-62,-75,-70)

Survey pointEstimation point

-62dBm

-75dBm

-70dBmap1

ap2

ap3

���� ��� �������� � ��� � ���� ������ � �

�� ��� �������� �� �� ����� ���������� �� ��� ��� ���� ���

�������� �������� ���� ��� �� ���� ��� ������� �

������ ���������� ����� �� ���

3� �"�������� ��� ������� �� ������ �������� ��

�"�� � ����"����� ��!������ �� �� ������� 8� �1��� �

�� ��� ��� ����� ���� � ����� � +��*(� :����������

��� ����� ���� ��� � ���� ��� ������ � �������� ��

�������� ��� "� �� �������� �� ��� �������� ���� ���

��� ������� ��� �� �� ��� ��� �1�������� 0������� �����

� ������� �� �� � ���� ��� ������� ������� ��� ����

���������� ���� ��� �������� �����

��� �"����� ����� ��� 6' ��"�� ����� ��� ��,7���� -��

����� �������� ��� �� ��� �� ������ ��� ������� ��

Page 8: (Paper) BalloonNet: A Deploying Method for a Three-Dimensional Wireless Network Surrounding a Building

��� ���

������

���

���

���

���

���

�� ��

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

85 90 95

Num

ber

of N

odes

coverage[%]

Proposed methodLocal SearchRS�� ������

���� �� ���� ��� k = 1

6.2 7.59.1

10.914.6

18.8

10.412.4

16.4

��

��

��

0

5

10

15

20

25

30

35

40

85 90 95

Num

ber

of N

odes

coverage[%]

Proposed method

Local Search

RS

�������

���� �� ���� ��� k = 2

10.1 11.6 13.916.8

19.824.3

11.9

19.1

25.2

��

��

��

0

10

20

30

40

50

60

85 90 95

Num

ber

of N

odes

coverage[%]

Proposed method

Local Search

RS

�������

���� ��� ���� ��� k = 3

������� �� �� ���� �� ��� �� ������ ��� ���������

��� ����� � ���� �� ����� �� �� ��� ����� ����

������� � ���

��� !���������

������ �� "����� #������� � �� ��� ���� � �� ������� �

��������� #������� �� � ������ � �$ � � ����� �� �%����

����� �� �� ��� �� �������� �� ���� � ���� ���������

�� �� �� � �� � ����� ����� ������&� �� ���# ��

���� ��� ��� ���� k���� �� �� ����� ������������ '����� ���� � �� ���� � ��������� ���� ���� ���� �������

�� ���� ���� �������� (� ��������� ����� ���� �� ���� ����

��� ��� �� ���# �� ���� # �� �� )*%$ ����� ����� ��� ������� ' ����� � �� �������� ����

������ �� ����+,--. �� ��� ����� ��� �� ���� � ,--

��� ����� ���� �� ,-- ��� �� �� ��� ���� ��� �� ��

�� �� #������� � � ���� �� �� �������� ������ '

���� �������� � ����� �� /� ���� �� � ����������� #���

����� ����������� #��� �� ,--� �� �� �� � ��� ������

0�12�$ ����� �� ������ � �� # � ��������

����������������

���� �� � �� ����� �� �� �� � # �� ����������������

��������� 3��������� �� 4�����

���� �� � �� ����� �� # !5-���5 5 �6�� +378*�8 �

378*�2. �� �� �� �� � ������� � �� �� �� �������� ���

�������� 9 �� �� ��� �������� �� �� ���&����� ��

�/���� ����� �� ������ ��9 # �� :����� �� ;��������$

!���� $ -�� ��$ -���� ��� �������� +:;<�.�

,���������

�� ��! �!"# �!$$!%! �!���&# ��" ��!'"# �!'�( �%!�)"%(# *"%+%",�

� �,# �",%!( �"%�,-.# /�-�"% � ,!&(�%# �"�!, 0!�,����,# �"!( �!1�%�#

2!$�� 2�,�# 3%4, � !,$�!$# �!'�( � ���# �!4�( �!%%!).!(� # !,(

�!�� ��� # 5� � 3('!,-�( 0�!� !,( ���!���% 3�( ����"%67 3 ��� �+���� � ��%���� ��(�-! �&���$ )"% �%�!��8# ���� �����������

� ������� �������� ��� �������# '"��# ���9# #::�;�9+

;�<# ��:� ;��=�

�; � >",��# � 366!&!# 5��%!������ !,( ��- ,�?�� )"% ,"(� :!-�$�,� �,��%���� ��,�"% ,���"%6�7 3 �%'�&8# � � 2"%,! ") 3(+0"- ����"%6�#

'"� <# ::�<;�+<@@# 2,�� ;����

�9 �� �"%&!# 2� �����1� �%# �� ���% !,( �� �"!&�%�# 5��!+��$���:"&$�,� ") ��� ": ��!&� )"% �!,�� �A��,��",8# ��� ��� ��������

������ ���������� �� ������ ����� �! �""�������� ��# ���$����# ::��@+

��# ;��=�

�B �� �!$�% ��)!��# �!(�% �"!&�%� !,( ��- !� �� �"%&!# 5�,��%)�%+�,-� 3'"�(!,-� �, �!:�(& ��:"&�( ��%���� 3( "- �,-�(�,� 3%�!

����"%6�8# ��%�� &��'���"�! ����# ::��+<# 3:%�� ;����

�@ �!$��%! C"(%�# �,(��" C!���$# * !�6!% �%�� ,!$!- !%� !,( �!%!'

�� �6 !�$�# 5��,�"% ����"%6 �",D�%!��", !,( � � �%�� ") ��$�,+

��",!��&8# �, ��� ����# ����&��'���" �� � ��##�# ���(��'�# �������#�!$1%�(��# �3# ��3# �!&� ;��<�

�< ��-�%",�- �"$$,�-!��", �"$$����� E���F ��� �, � � �%":�!, �",+

)�%�,-� ") C"��! !,( ���-"$$,�-!��",� 3($�,���%!��", E��C�F# 5� �

!,!&��� ") � � -"�A����,-� ") ��3 -�� �, � � 9�B + 9�� �0. 1!,(8#��- � %�:�# ��� ��:"%� 99# �!&� ;��9�

�= /�,6" �%-��# �� /� �� 0!%�# ���� �$�� # !,( �!,�� �� *!$# 5� !,,�

$"(�� )"% DA�( ��%���� !::�-!��",�8# ��- � %�:�# ���� ��;��< *%"!(+1!,( ��%���� 3--��� �"%6�,� �%":# 2!,# ;����

�� 2� �� *�%�# 5B�< 1�(�,� :�,��%!��",#8 �, 5�����! �"1�� �!(�" �"�!%(

��%� ��,�%!��", �&���$�8# ���� ���-"$ ��-%��!%�!�# �"$$����",

") � � �%":�!, �"$$,�����# *%����# *���$# ::��<=+�=B# ����;9� ��,! ��:�# ��-� B�<# �����

�� �� � � �"$# ��� !6%!1!%�& !,( ��� �&�,�!%# 5��,�"% :!-�$�,� )"%

�%�( -"'�%!�� ,(�% �$:%�-��� (���-��",8# ������������� ���������� ������� ����� %)����# ::��@��+�@�=# '"�;# 2&� ;��;�

��� >"+� �, �!,�# � ,+� � 0 !,( >+� �� ���,�# 5�)D-��,� ��:"&+

$�,� 3�"%�� $� )"% �,�%�,� �"'�%!�� !,( �",,�-��'��& ") ��%����

��,�"% ����"%6�8# &������� ��������# ::���B+�;�# 2&� ;��@���� 3,� ",& �"!- !,( �!6�� �!��# 53 &1%�( �3+�3 !�"%�� $ )"% 4��+

�,+��$� �- �(�,� ") $��+�'� !���$1���8# �� ")���� ��# ��#)������

��*�������*# ::���B=+��<�# '"�9�# ���� B# ��:� ���<�

��; ���4�, ��,# �!� ",� � !,( ��� �!,�# 5�3�3 1!��( �:��$! �"'�%!���- �$� �, ��%���� ��,�"% ����"%6�8# ����*� +����#�� ,-# ::�=;9�+

=;BB# ;����

��9 �!%� 2# �&":" 2 � !,( ��$� �# 53 1!��� )"% 9+� -�!% ,���"%6�8#����� ����� ���(��'��* +�����#��*�. ,��� ������������� ����������#

::�<9�+<9<# ;����

��B ��-!&�A �# ��$� �# 53 ,�� $"(� )"% 9� -�!% $"1�� ,���"%6�8#

+������� ��# �������)��# �� ")���*! ����# ������������� �� "���)

��/��*����� �! ��#��� ��# ����� ��� +������� �� ")���* �� 0������

*����)� ���(��'�! ����# ������������� &��'���"# ::�;;+;�# 2&� ;��B�

��@ �� �� �!.% 3!$ !,( G&�$,� 2� 0!!�# 5�"'�%!�� !,( �",,�-��'��& �,� %��+��$�,��",! ����"%6�8 ��� ,1�� ���)�� ������������� ����������

�� ������ �� ")���* ��# ���(��'��*# ::�9B<+9@=# ��:� ;��<�

��< >"� ��!6! � �1!�!# >"�6� �!�"# �!"6� ��!�!�!%! !,( �" � �1!#

5*!"",�( ��%���� ��� ����"%6 )"% �$�%��,-& �,)"%$!��", �&�+��$8# �#$����# ����� ����� ���(��'��* ��# �""��������� &��'���"�#

::�����+��;;# �!%- � ;����

��= 0�(�!6� �6!$"�"# �"� �%" ���!" !,( � �,�- � �- ���("# 5��(""%+�"+�,(""% C%":!�!��", �"�� C%�(�-��", �, ���+�0. �" �+�0. *!,( )"% !,

�%1!, 3%�!8# ���� ���������� � 2�0��� �� ���0� 3�#

'"�@�# �"�9# ::���@�+��<=# �!%� ;����

��� �� ���!" !,( �� �- ���1"# 5C!� "�� :%�(�-��", )"%$! )"% $�-%"-��, B���0. �" ��0. 1!,(8# ����������� ������# '"� B�# ,"� ��# ::�<�@+

<�=# �!&� ;��B���� �� 0� �!6�%# 5C�,��%!��", ") %!(�" ���,!� �,�" 1�(�,�� �, � � -�!%

%!(�" �,'�%",$�,�8# ��� ����. ����. 4.# '"�<;# ,"� �# ::�;=��+;=9@#

���9�

�;� 3� �� �� �%6$!,�# 2� �� C!%�",� !,( �� �� �����# 5�!(�" :%":!�!��",

�,�" 1�(�,�� !� BB�# ��� !,( �B�� �0.8# ��� 5�� �������������

���������� �� ��# ������ ��#��# ::��;�+�9�# ��-� ���=�

�;� �,�����% ��:7HH����$��!���6�,��H:%"(-��H�,���(�%H

�;; ���-" 3�%",�� ��9�� ��%��� :%"(-� �:�-�D-!��",

��:7HH����-��-"�-"$H�,H��H:%"(H-"!��%!H��%����H:�@<=�H:�<��=H:%"(-� (!�! � �������!�-(���1��@�� �$