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论文研究-认知无线网络中基于跨层优化的联合资源管理 .pdf 评分

认知无线网络中基于跨层优化的联合资源管理,尹鹏,冯志勇,本文的研究内容是认知中继系统中支持基于跨层优化的无线资源分配方式 的机制与方法。该方案采集并将各个用户终端的不同业务类型��
山国武技论文在丝 网终游戏、移动 中继作为协作节点的引入,方面为认知传输提供了更多的无线接入机会,发送节点 和接收节点之间的可用链路增多,为频谱效率的提升和认知系统吞吐量的增加创造了条件; 另一方面,系统中可供使用的资源将更多,資源分配方式将更灵活,在进行资源分配时所需 要考虑的无线信道环境、网元能力、用户需求等信息也更多,因此需要一个更加强大的信息 采集、交互机制来支持认知中继系统中更灵活的“跨层”式的无线资源分配。 跨层优化在认知中继网络中的应用 系统描述 系统如下图所示,次级系统包括三类节点,认知基站 继节点 ,终端用户。 ≯直接传输 〉中继协作传输 每帧的第一时段 每帧第二时段 图认知中继系统 系统偎设 ()在同付刻,各个次级节点的频率可用情况不是完全致,即次级系统并不是处于 单个主用户系统覆盖范围之内,其可能处于不同的主用户小区 ()次级系统内部存在干扰,一个频率在同一时刻只能用于一条链路 ()中继节点与认知基站均可以同一时刻为多个终端用户服务,且可以为不同的服务节 点分配不同的功率和频率;对于服务于同一用户的若干个频带,已经有研究证明在 各个频带之间进行功率的平均分配也可以实现良好的性能增益,这里不考虑服务于 同一用户的不同频率之间的功率分配问题。 ()对」中继节点的时隙分酉问题,这里将每一帧分成两个时段,第一个时段用于从 处接收数据,第二个时段用」向服务的终端用户转发数据。已有研究表示,将两个 时段等分,可以有效地降低系统资源调度的复杂度,并保证定性能的业务实现 下一步工作是将时隙分配纳入到资源分配的范畴中,考虑对于集中式节点其第 时隙接收的速率和第二时隙可发射速率极度不匹配的情况。 优化模型 (一)关于链路选择和信道分配 山国武技论文在丝 从系统结构中看出,对于·定认知用疒来说,既可以直接与建立直接链路以实 现数据传输,也可以通过分布于网络中的中继节 进行协作传输,前提是建 立链路的两个节点满足认知环境下链路建立的条件,即同一频段在两个节点都处于 状态。 Available spectrum bands Source Relay Destination Relay channel Direct channel Dual-hop channel 图认知环境下的信道可用性与链路建立情况图示 如上所示,对于在和终端节点处都可用的频点,两点可以在此频率上建立 直连链路,而对于和则只能通过中继节点的协作米实现目的节点和源节点的连接。向 量表示频率号为的频带是否在节点处可用,即 频率在节点处不可用 频率在节点处可用 其中∈ 链路选择与信道分配的目的在于根据可用信道的分布及其具体的信道质量,结合只体 终端用户的速率需求,选择最大可能满足所有用户业务需求同时追求频谱效率的最大化。 (二)关于网终中集中节点处的功率分配 对于以上网络中的集中节点来说,其需要在不同的节点包括终端与中继之间协调 信道资源的分配,对于中继节点来说,假设一个中继可以在同一时隙为多个移动终端服务, 这样,在确定它们与其服务的节点之间的频率分配后,需要根据其自身的发射功率限制条件 进行功率分配。 对于集中式节点,功率分配的目的是在其服务的不同节点之间进行功率分配,由于在 信道分配环节已经避免了频率之间的干扰,这时进行功率分配,就要结合已确定的链路建立 情况 假设中继节点服务于终端用户 则功率分配的目的是确定 且满足限制条件 () 是集中式节点的最大发射功率。这里的集中式节点包括和可以同时服务于多个用 户的中继节点。 (三)关于终端用户的业务保障 对于不同的业务种类来说,其对链路性能的需求是不一杵的,如下表所示,为 中典型业务对链路的需求,其中数据率 丢包率 和时延 是三 个措述链路性能的主要参数通过下表我们可以分析出这三类业务对需求的特点: 山国武技论文在丝 语音类实时业务:带宽需求相对变化小,对丟包率有定容忍度,对时延有较高的 要求 流媒体类准实时业务:带宽需求变化范围较大,对误包率容忍能力较强,对时延要 求较语音类业务要宽松 背景数据类业务:对误包率要求很高,对于带宽的需求属于贪婪式的,但对时延基 本没有要求。 表 参数需求 参数 语产 流媒伫 数据 音频 视频 无要求 通过对以上三个问题的讨论,本文将认知中继网终中的资源调度问题求解总结为通过 确定系统內频率在各节点之间链路上的分酩,并进行相应的功率控制,以达到用户需求的 由香侬公式知,两点之间可以实现的数据速率取决于三个因素,即可用信道数、信源 发射功率和信道质量 信道可用性和信道质量是物理层影响系统性能的关键因素。在此,使用矩阵 来表示信道可用性 表示在节点处的信道是可用的,则相反。使 用三维矩阵=( )来表示在各链路上的信道状态,其中二维矩阵 表示节点的各信道状态。表示从节点到节点在信道上的 信道状态。特别的,—表示从节点到节点在信道上没有直接通信链路存在。相应 的,各链路上的信道容量可以表述为 其中,表小发射功率,表小背景噪声功率。 在给定调度时隙,对于用户集合中的用户来说,其可以实现的数据速率包括两部 分,一部分是通过直连链路从认知基站获得的,另外一部分是通过中继节点获得的流 量,即通过每个调度帧在两个时间段上的接力传输实现的数据吞吐。 基于跨层的渐近式资源分配方案 优化方案设计 从第二章的分析出发,本文提出一种渐近式的基于跨层思想的资源调度机制,从用户 的无线环境分析和业务需求出发,确定中继协作策略流程: 山国武技论文在丝 第一步:从用户出发,确定各用户 中继节点的可用频点分布,并建立相应 的链路资源列表: 设总频点数为,各节点在调度开始前建立其长度为的可用频点列衣 ∈ 。这里我们将视为节点,中继节点用 表示,终端总数为 表4系统频谱资源厍 点 由上表确定潜在的可建立链路列表: 表链路资源库 用户 第二步:直接链路预分配 按业务类型对节点进行分集处理,其中实时业务节点集合为,非实时业务节点 集合为,其相应的节点数分别为。为保证业务的,减少中继概率以 避免频谱资源的浪费,需要首先保证实时业务的速率需求。这里首先为实时业务 用户进行直接链路分配,考虑用户与直连链路可用的频率集为 ,能够实现的理论传输速率可以表示为 ∑ 这里将理论可实现速率与业务速率需求进行比较,并通过第一步中的链路可行列表 检测是否存在与其他用户之间存在信道争用的情况,即某一编号为的频率对于节点满 足条件: 对信道争用的处理可以通过办助中继米处理,对于与中继之间可行链路较多的节点, 可用中继链路的传输来补充实现其传输速率的要求。 经过以上处理后,对于未能满足要求的实时业务用户进行中继链路分配。对于未满足 业务要求的实时用户,其速率需求为 山国武技论文在丝 ∑ 其中,上式中的和是经过第二步获得的直连链路频率分配结果。为保证该用户能 够获得以上的传输速率,在 链烙上为用户服务的频率集合能够承载的业务速率应 满足 相应地,在中继到用户之间的第二跳链路上,也应满足上述要求,才能够达到实时 业务用户的数据速率 第三步:经过第二步处理,荻得初步的实时用户链路和频谱分配结果 在可用、在处可用,在所有处皆不可用的频率集合,这些频率只能用于 中继传输的第一跳,数学表达式为 不可用,中继可用,且不少于一个终端可用的频率集合,这些频率只能用于中 继传输的第二跳,数学表达式为 处不可用, 处可用,且不少于一个可用的信道,这些频率只能用于直连信 道,其数学表达式为: 第三步的工作是针对以上三和类型的特殊频谱以及其他的剩余频谱进行分配,分配的原则是 首先满足实时用户的务需求。 第四步:在集中节点进行面向用户的功率分配 以上的链路选择和功率分配是基于所有集中节点在其发射频率上平均分配发射功率实 现的,这里进行功率调整的目的是实现面向用户的数据速率进行精细化调整,在保证满足实 时业务用户的数据需求后,最大可能的提升系统吞吐。 仿真与性能分析 为了评估提出的基于跨层的渐进式资源分配方案,本文搭建了一个中继系统用于仿 真,其中 和所有认知用户的信道可用性均不同。 认知用户的业务类型包括流媒体业务和数据业冬两种。假定用户业务的到达过程满足 泊松分布。对流媒体业务用户而言,其业务持续时间服从负指数分布且数据率需求是崮定的 对」数据ν务,各用户的数据量满足均匀分布。当传输的数据量达到所需求的数据总量,该 用户的数据业务即完成。具体的仿貞参数设置如下表所示: 表仿真参数设置 信道数目 实时业务数据速率需求 山国武技论文在丝 非实时业务的数据量 实时业务的到达率 实时业务的平均持续时间 图随着用户节点数增加,系统性能的变化趋势 为了说明所设计流稈的性能,仿真中设计一种比较方案,其中采用中继选择随机和平 均功率分配的资源调度方案。如上图所示是归一化系统容量与用户节点数的关系,随着节点 数的増加,可实现的频谱利用机会増加,同时中继节点处进行功率分配显著提高了系统吞吐 性能 结论 本文针对节点级合作—中继协作在认知无线网终中的应用,确定了认知中继网络的 合作机制和优化模型,最后,基于跨层优化,提出了一种面向用户业务的渐进式资源分配方 案,对链路决策、信道分配和集中节点的功率分配进行联合联合优化,仿真结果表示该机制 可以有效地提高系统的有效吞叶。 参考文献 牛凯,移动通信原理,电子工业出版社, 页

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