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        功率可控的多分組接收優(yōu)化策略*

        2012-06-27 05:59:42韓江洪劉征宇
        電信科學 2012年12期
        關鍵詞:發(fā)送數據約束條件能級

        韓江洪 ,高 潔 ,石 雷 ,劉征宇

        (1.合肥工業(yè)大學計算機與信息學院 合肥 230009;2.安全關鍵工業(yè)測控技術教育部工程研究中心 合肥 230009;3.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院 合肥 230009)

        1 引言

        隨著物聯網技術不斷深入人們的生活,無線網絡通信技術也逐步覆蓋了人們生活的各個方面。隨著設備終端的增多以及數據傳輸的需要,對網絡通信的傳輸速率要求越來越高。針對這樣的情況,如何在有限的帶寬基礎上進一步提高通信速率,成為了一個重要的研究課題[1]。與傳統(tǒng)無線網絡通信協議(如ALOHA協議[2,3])相比,多分組接收的最大特點是允許多個節(jié)點同時發(fā)送數據?,F行的多分組接收中,主要集中在對基站得到的信號進行分析處理,如串行干擾消除 (successive interference cancellation,SIC)[2]算法,而這些算法對信號進行單一的處理,存在很大的被動性。

        采用多分組接收后,接收端可以同時接收來自于多個節(jié)點的多份數據,提高了吞吐率。如在參考文獻[4]中,提出基于信噪比建立網絡模型,并利用最大可行解來解決模型復雜度高而無法正常求解的問題,能夠得到在功率恒定前提下的多分組接收最優(yōu)方案。方案中節(jié)點功率固定,有效參數增加,為求最大可行解提供了參考依據和約束條件。由于信號之間的干擾是不可控的,只有那些相互之間信號干擾符合解析條件的節(jié)點才可以進行同時發(fā)送。由約束條件得到的同時發(fā)送信號的節(jié)點集合不再具有可選性。根據節(jié)點固有特性來進行的分組,未充分發(fā)揮多分組的優(yōu)勢[5]。本文研究了SIC算法,該算法基于信號的信噪比實現對節(jié)點的多分組解析,采取功率可控和跨層分時優(yōu)化方案提高多分組傳輸質量,建立節(jié)點功率分配模型,增加同時發(fā)送的節(jié)點數量。在這個功率分配模型下,對節(jié)點重新進行線性規(guī)劃,得到相對最優(yōu)的多分組解析時間片最大可行集合,從而實現對多分組集合的擴充,提高信息吞吐量。

        2 無線網絡中多分組解析

        傳統(tǒng)的無線通信中,只有一個節(jié)點發(fā)送信息。采用CSDA等方式可以避免節(jié)點之間的干擾。在多分組接收中,基站接收到的為多個節(jié)點發(fā)送的信息,因此,對于其中的一個節(jié)點,它的噪聲還包含其他節(jié)點的有用信息。

        本文采用SIC算法作為多分組解析算法[3,4],建立基于信噪比傳輸方案的抽象模型。信噪比為:

        基站接收到的節(jié)點i的信號強度表示為[4]:

        其中,劃歸 Gt、Gr、L 為 1,便于計算。

        網絡的傳輸速度為:

        gi表示節(jié)點i和基站(或接入點)之間的功率衰減比,Pi是節(jié)點i的發(fā)送功率,N0為固有噪聲。

        在一個數據分組中,只要節(jié)點信號的信噪比大于一定的閾值,就能被解析[5],解析的順序是,先將信號強度最高的信號解析出來,然后是次強,直到將信號最弱的解析出來。有一組節(jié)點同時發(fā)送數據,并且數據分組可解,則這組節(jié)點中的任意一個節(jié)點的信噪比需要滿足式(4)[5]:

        3 功率可控多分組接收無線傳輸策略

        功率不可控多分組接收方案發(fā)送節(jié)點的可行解受到很大的限制[6]。采用功率可控的方法,對節(jié)點的發(fā)射功率進行調節(jié),使基站能夠得到良好的可進行多分組解析的信號,提高網絡吞吐量。

        3.1 功率可控方案的約束條件

        假設在多分組傳輸過程中,一旦確定一個節(jié)點的功率,在一次網絡存活周期內則不再進行網絡的調整(一次網絡周期指這段時間內沒有新的節(jié)點加入)。當網絡節(jié)點發(fā)生變化時,如有新的節(jié)點加入(節(jié)點失效不會影響已經分配好的分組的正常工作)或個別節(jié)點發(fā)生較大移動,則需要進行新一輪的重新分配。

        選取任意一個數據分組,如果此數據分組中的任意節(jié)點可發(fā)送數據并且被基站解析,則和它同時發(fā)送信息的那些節(jié)點必須也能夠被解析。需要保證如下約束:

        且需要滿足以下條件:

        結合上述約束條件,先約定每個數據分組的通信時間為1/n,使用如下函數[6]作為優(yōu)化目標函數,求得最大的C。

        3.2 初分時間片

        為了使每個節(jié)點在單位時間內有足夠的時間片使用網絡信道,達到最低的通信要求,首先需要進行時間片的分配。由信道容量Ci=W·lb(1+SINRi),設共有n個節(jié)點,為了能夠滿足每個節(jié)點的最低通信要求,設每個節(jié)點在時間片i發(fā)送數據,得到的目標是:max K[6],則需要滿足的方程為:

        在約束條件下得到最大的K,則網絡吞吐量為最大。簡單地為每個節(jié)點分配一個時間片,則M=n。對于節(jié)點i的通信要求Ri,需要分配的時間為:ti=Ri/W·lb(1+SINRi)。設定每個節(jié)點的信噪比取值為β(恰好滿足解析條件),則ti=Ri/W·lb(1+β)。 將時間片進行疊加,得到∑ti,則在以 1 s為周期的通信中,為每個節(jié)點分配的時間為:

        ti′即為節(jié)點i的專屬時間片。

        3.3 約束方程能級劃分

        節(jié)點功率可選數值為線性,發(fā)送信息為離散事件。線性規(guī)劃方程總數中變量x數量為n2,共有n個節(jié)點需要滿足約束條件中的方程,總方程數量為3n。的取值為離散值,因此,直接計算的約束條件不足,計算量過大。為解決上述問題,本文采用能級劃分的方法來確定每個節(jié)點的能耗值。

        當 i=1 時,g1P1≥βN0;當 i=2 時,g2P2≥β′N0+β′g1P1,即giPi≥β(N0+∑j=1gjPj)。由于功率可控,假設每個節(jié)點恰好被解析,即giPi=β(N0+∑j=1gjPj),得到這樣一組條件,滿足等比數列關系:

        每個節(jié)點滿足:

        其中,Pmax為節(jié)點能發(fā)射的最高功率。由等比數列可以得到一個節(jié)點i在其功率范圍內可選的n值的集合,記為Ci(n∈Ci)。由于每一個節(jié)點都可以擔當第一能級,則對于節(jié)點i,能級為從1到nimax。按照節(jié)點最大能級從大到小排列,得到節(jié)點能級選擇矩陣如下所示:

        ·能級值:當節(jié)點j一旦確定要承擔的能級則在一個網絡周期內不再改變,記為nj。

        4 多分組能級分組優(yōu)化策略

        網絡剛形成時,各個節(jié)點以最高功率向服務器發(fā)送ID號和最低通信速度要求?;镜玫竭@些信息后,存入列表,得到每個節(jié)點的(giPi)max和Ri。根據第3節(jié),得到節(jié)點能級矩陣,按照以下原則進行分組。在一定的功率范圍內,能夠同時發(fā)送的節(jié)點數量是有限的,根據多分組發(fā)送的約束條件,得到以下幾點原則。

        原則1在一個多分組中,所有節(jié)點中的最高能級和最低能級跨度越大,則能級數列可選因子越多,可同時發(fā)送的數據分組數量越多。

        原則2節(jié)點為了保證信息能夠被基站接收,一定可以承擔能級1,而可承擔高能級的節(jié)點數量較少。根據原則1,節(jié)點盡可能選擇最高能級。

        原則3如果相鄰節(jié)點的能級差為0,則按照最低通信速度,由高到低進行調整。

        4.1 初選多分組集合

        (1)從能級矩陣的節(jié)點1開始,如果它與節(jié)點2的能級差大于1,根據原則1,把節(jié)點 1放入集合 G1。

        (3)重復上述操作,直到選擇到節(jié)點n或有節(jié)點承擔了第1能級則停止。

        (4)將G1中的節(jié)點從能級矩陣中全部剔除,得到新的節(jié)點能級矩陣,返回重復第(1)~(3)步的操作,得到下一個多分組集合。

        (5)在進行以上操作時,若在進行第j個多分組集合的選取過程中,存在 c個連續(xù)節(jié)點 ni+1,ni+2,…,ni+c的最高能級相等,如的能級差大于c,則節(jié)下一個節(jié)點能級為n-1,依次類推,直到節(jié)點 ni+1,同時將這些節(jié)點全部放入此次初選的多分組集合j中;如果能級差小于c,則節(jié)點,下一個節(jié)點能級為,依次類推,直到某一節(jié)點填充到n能級則停止,進入節(jié)點ni的能級選擇,并將這些已經選好的節(jié)點放入多分組集合j中。

        (6)重復上述操作,直到所有的節(jié)點都被分發(fā)完畢,得到一系列多分組集合G。

        (7)在能級選擇過程中,高能級的節(jié)點提前被選入多分組集合中,后續(xù)的多分組集合的高能級會有空閑。對于集合Gj中,如果不存在 ni=i,,而在集合 Gg中,存在節(jié)點ng=i,則將ng放入集合Gj′,得到Gj的備選補充集合。由一系列t個多分組集合G,可以得到對應的t個備選補充集合。統(tǒng)計備選補充集合中各個節(jié)點的出現次數,進行簡單的均勻分配,填充到存在能級空閑的集合中去,由此得到新的多分組集合G′。

        4.2 時間片分配

        由信道容量Ci=W·lb(1+SINRi),設每個節(jié)點在時間片i發(fā)送數據。在約束條件下得到最大的K時,對應的時間片網絡吞吐量為最大。第3節(jié)初分時間片時,為每個節(jié)點分配了專屬的時間片段,以此來滿足最低的網絡通信要求。進行多分組分配后,單一時間片可以有多個節(jié)點同時發(fā)送數據。根據新的多分組集合G′,分配對應的時間片。

        初分時每個時間片i對應一個節(jié)點j,從多分組集合G′中選擇一個包含j節(jié)點的多分組集合G,則大大縮小了時間片的多分組集合選擇范圍。分配時,存在多個包含j節(jié)點的分組集合,因此在進行選擇時,需遵循max K的優(yōu)化目標,約束條件如下:

        其中,M為節(jié)點i能夠發(fā)送信息的時間片。得到每個時間片對應分配的多分組,然后再通過第3.2節(jié)中的約束條件進行檢驗,從而將不符合條件的節(jié)點從集合中剔除。

        5 系統(tǒng)仿真

        首先,建立仿真環(huán)境,設定好基站位置,在基站周圍隨機分布一些節(jié)點,初分時間片。然后,根據能級策略進行多分組分配,在初分時間片的基礎上進行功率可控的多分組傳輸策略,分配可行解集合。仿真中采用的最大功率Pmax=2 W,最小功率Pmin=1 W,噪聲干擾No=10-10W。

        由隨機生成的50個點進行多次統(tǒng)計,節(jié)點中閾值和最高能級的關系如圖1所示。

        由圖1可以看到,閾值越大,能夠同時發(fā)送信號的點就越少。信噪比大于閾值為SIC多分組解析的基本要求,因此,提高解析能力,降低閾值,成為提高多分組發(fā)送效率的核心。

        表1 噪聲—能級關系

        表1為當閾值為3時,噪聲和能級的關系。當噪聲從0.000000001變換到0.00000001時,最高能級降了5點。隨著噪聲的增加,最高能級越來越小,且波動不大。在低噪聲階段,降低一個數量級的噪聲,提高能級的效果并不明顯。而在高噪聲階段,降低一個數量級的噪聲,效果比較明顯。效果對比如表2所示[4],圖2為采用傳統(tǒng)方案、MPR技術、功率可控的多分組接收技術3種情況下的K值比較曲線。由圖2可知,采用功率可控的多分組技術大大提高了K值(即網絡吞吐量),節(jié)點數目較少時,采用功率可控方式,多數節(jié)點均可同時發(fā)送數據。

        如表3所示,以10個節(jié)點為例,隨機生成10個點(分布半徑為250 m)。由于節(jié)點距離基站并不遠,計算得到最高能級為12。按照分級策略,節(jié)點在任意時間片均可以發(fā)送數據,節(jié)點之間幾乎無干擾。由此可以看出,在小范圍內,節(jié)點取得的均勻的能級是提高時間片利用率的主要手段。

        表2 3種接收方式K值比較

        表3 隨機節(jié)點最高能級

        6 結束語

        本文通過調節(jié)節(jié)點的發(fā)射功率,使更多的節(jié)點在多分組解析的基礎上能夠發(fā)送數據,增加了多分組集合的節(jié)點數量。在滿足基本通信要求的基礎上,進行多分組時間片劃分,提出了能級概念,并設計了能級劃分策略,從而得到離散事件線性約束方程的求解方案,最終求出多分組發(fā)送集合。實驗證明,采用該策略大大提高了網絡的通信速率,增加了網絡吞吐量。

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