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毫米波的定向天线和波束赋形技术使得多条数据流之间的并行传输成为可能,但并行传输也可能造成更高的多用户干扰。因此在时隙资源有限且请求传输的数据流数较多时,如何对数据流进行有效的并行调度以提高网络性能,仍然是一项重要挑战。针对这些问题,提出了一种基于网络全局冲突图的并行调度算法(CB-STDMA)。为保证用户的服务质量(QoS)需求,该算法以最大化网络中满足QoS需求的流数为目标,考虑了流之间的冲突干扰,并且优先对所用时隙数较少的流进行调度来节省资源。通过仿真验证了该算法性能的优势。
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2019 年 1 月 Journal on Communications January 2019
2019010-1
第 40 卷第 1 期 通 信 学 报 Vol.40
No.1
基于冲突图的毫米波无线个域网并行调度方案
王一兵,牛勇,丁玮光,吴昊
(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)
摘 要:毫米波的定向天线和波束赋形技术使得多条数据流之间的并行传输成为可能,但并行传输也可能造成更高
的多用户干扰。因此在时隙资源有限且请求传输的数据流数较多时,如何对数据流进行有效的并行调度以提高网络
性能,仍然是一项重要挑战。针对这些问题,提出了一种基于网络全局冲突图的并行调度算法(CB-STDMA)。为
保证用户的服务质量(QoS)需求,该算法以最大化网络中满足 QoS 需求的流数为目标,考虑了流之间的冲突干扰,
并且优先对所用时隙数较少的流进行调度来节省资源。通过仿真验证了该算法性能的优势。
关键词:通信与信息系统;毫米波通信;并行调度;无线个域网;冲突图
中图分类号:TN929
文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000−436x.2019010
Contention graph based concurrent scheduling
algorithm in millimeter wave WPAN
WANG Yibing, NIU Yong, DING Weiguang, WU Hao
School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
Abstract: The directional antennas and beamforming techniques in millimeter wave (mmWave) bands are used to make
concurrent transmission between multiple flows become possible. However, higher mutual interference may be caused by
concurrent transmission. Therefore, when the time slots were limited and the number of data flows was large, how to
schedule the concurrent flows efficiently was solved by proposed algorithm. The contention graph based spatial-time di-
vision multiple access (CB-STDMA) concurrent scheduling algorithm guaranteed the quality of service (QoS) of users,
and aimed at maximizing the number of flows with their QoS requirements satisfied. It considered the interference be-
tween different flows, and a higher priority was given to the flow with fewer time slots requirement. Extensive simula-
tions demonstrated that the proposed CB-STDMA algorithm increased the number of flows with their QoS requirements
satisfied and the network throughput by 50% and 20% respectively compared with the existing algorithms.
Key words: communication and information system, millimeter-wave communications, concurrent scheduling, WPAN,
contention graph
1 引言
随着移动数据业务需求的急剧增长,位于
30~300 GHz 的毫米波频段在第五代(5G)移动通
信系统中逐渐受到了广泛的关注。其中,60 GHz 毫
米波(以下简称毫米波)频段是研究中使用较多的
一个频段。一方面,毫米波较大的带宽和较高的发
射功率,为高清视频、即时音乐、高清图像传输等
收稿日期:2018−05−02;修回日期:2018−11−06
通信作者:牛勇,niuy11@163.com
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61801016);中国博士后科学基金资助项目(No.2018T110041);轨道交通控制
与安全国家重点实验室(北京交通大学)自主研究课题基金资助项目(No.RCS2017ZT009)
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.61801016), China Postdoctoral Science Foundatio
n
(No.2018T110041), The State Key Lab of Rail Traffic control & safety of Beijing Jiaotong University (No.RCS2017ZT009)
第 1 期 王一兵等:基于冲突图的毫米波无线个域网并行调度方案 ·35·
无线个域网(WPAN, wireless personal area network)
中带宽密集型多媒体服务的实现提供了可能
[1-2]
。另
一方面,对于毫米波的高传播损耗,实际中一般采
用定向天线和波束赋形技术加以克服。将发射机和
接收机的波束相互对准
[3]
,这种定向通信使不同链
路之间的干扰大大减小,因此,通过合适的调度算
法,可以充分利用空分复用技术来进行并行传输
[4]
,
进而提高整个网络的性能。
2 相关工作
在之前针对毫米波无线网络调度问题的研究
中,许多基于时分复用(TDMA, time division mul-
tiple access)的方案被用于传输调度
[5-6]
。后来由于
定向天线和波束赋形技术的发展,传播损耗对系统
的影响得以改善
[7-8]
。并且定向通信可以减少链路之
间的干扰,因此采用并行传输的方式可以提高系统
吞吐量
[9]
。在现有的相关工作中,文献[5-6]的方案
都是基于 TDMA 提出的,其目的是提高系统的传输
速率和整个网络的吞吐量,尽管这 2 种方案在一定
程度上提高了网络性能,但与并行传输所能达到的
传输速率和网络吞吐量相比,还是远远不够的。文
献[10]提出了一种在速率自适应无线网络中的双重
更新并行调度算法,但并未考虑毫米波的特性所带
来的影响。文献[4]在毫米波条件下提出了基于最大
QoS 独立集的并行调度算法,但是该算法是在小小
区回传网络的场景下得出的。文献[11]提出了一种
基于独占区的调度算法,确保了毫米波无线个域网
内的并行传输总是比顺序的时分复用算法性能更
佳。文献[12]提出了一种在考虑了流的吞吐量需求
的前提下,以最大化网络中总流数为目标的翻转性
算法,但是并未考虑网络中关于流之间冲突干扰的
全局性信息。文献[13]提出了一种分布式传输功率
控制解决方案,用于设备到设备(D2D, de-
vice-to-device)链路之间的并行传输调度,增大同时
调度流的速率和并进一步提高网络吞吐量,但并没
有考虑传输效率问题,无法实现对资源的充分有
效利用。文献[14]提出了一种用于毫米波网络的
能量有效调度方案,该方案利用并行传输来实现
更高的能量效率,但没有对网络中的冲突干扰做
出应对。因此,在 60 GHz 的无线个域网场景中,
如何在时隙资源有限的情况下实现对资源的充分
有效利用,以实现网络性能的全局最优,仍然存
在一定的挑战。
本文提出了一种基于冲突图的空时分多址接
入调度算法(CB-STDMA, contention graph based
spatial-time division multiple access)。该算法对相同
级别的流进行调度,一方面让所用时隙数较少的流
优先被调度,从而节省出宝贵的时隙资源来调度更
多的流;另一方面,只有被调度的流之间没有冲突,
即不是相邻链路且相互干扰小于某个门限值时才
能被同时调度,使被调度的流保持较高的速率,从
而进一步增加了网络中满足吞吐量需求的流数以
及网络的总吞吐量。本文中将最低吞吐量需求称为
服务质量(QoS, quality of service)需求。
3 系统模型
本文考虑基于 IEEE 802.15.3c 协议的 60 GHz
室内无线个域网场景。场景中包括一个微微网控制
(PNC, piconet controller)和几个无线节点(WN,
wireless node)。无线节点之间可能有数据流需要进
行传输,每条流都有自己的最低吞吐量需求,即
QoS 需求。PNC 可以对网络中的数据传输进行同步
和协调
[15]
,并且可以获得每条流的 QoS 需求以及各
个无线节点的位置。每个无线节点都装有电子导向
定向天线,从而使收发器之间可以进行定向传输来
提高天线增益
[16]
。另外,假设各无线节点之间进行
视距(LOS, line of sight)传输,从而尽量降低路径
损耗。对于无线节点的发射机和接收机,则都假设
是半双工的,即同一时刻只允许一条流进行传输
(发送或接收)。
3.1 MAC 层帧结构
在 IEEE802.15.3c 协议中,网络时间被划分成
一系列的超帧
[17]
,其介质访问控制层(MAC,media
access control)帧结构如图 1 所示。每一个超帧由 3
部分组成:信标周期(BP, beacon period)、竞争访
问周期(CAP, contention access period)、信道时间
分配周期(CTAP, channel time allocation period)。
在 BP 中,主要对来自 PNC 的网络同步和控制信息
进行广播,如将对各流的调度决策广播给网络中所
有的无线节点。在 CAP 中,设备通过载波监听多
点接入/冲突避免(CSMA/CA, carrier sense multiple
access with collision avoidance)技术将自己的传输
请求发送给 PNC。在 CTAP 中,划分出许多时隙(TS,
time slot),在每一个时隙,无线节点之间可以根据
BP 周期中接收到的调度命令进行有效的数据传送。
在本文提出的方案中,因为毫米波的定向传输特
2019010-2
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