姚樹香

(廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理系，福建廈門361024)

云無線接入網(wǎng)是一種新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，適用于5G等下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在云無線接入網(wǎng)中，信號處理是在中央處理器(簡稱為“處理器”)進(jìn)行的，而不是在基站等進(jìn)行分布式處理。簡單、低成本的無線單元從用戶設(shè)備中采集數(shù)字信號，并將信號傳輸至處理器。處理器可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼(或解碼)，以減少用戶之間的干擾，提高信號與干擾加噪聲比(即SINR)，優(yōu)化用戶的傳輸速率[1]。本文聯(lián)合射頻和無線電自由空間光，優(yōu)化云無線接入網(wǎng)前傳的上行鏈路。與現(xiàn)有研究相比，對物理層進(jìn)行了優(yōu)化，以最大化用戶的傳輸速率。

1 系統(tǒng)模型

(1)

(2)

對于具有光無線前傳的無線單元，無線電自由空間光單元將接收到的無線電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后轉(zhuǎn)發(fā)到處理器；處理器的接收端將射頻信號放大和過濾后再進(jìn)行下變頻。激光器輸出光強(qiáng)時(shí)，激光驅(qū)動器的輸入必須是非負(fù)的，平均光功率必須受到安全規(guī)定的約束。為了確保滿足這兩個(gè)條件，使用模擬削波器，并添加一個(gè)偏差以確保輸入是非負(fù)的。用B表示信號的削波電平和為保證安全而增加的偏置電平。

(3)

因此，

(4)

噪音ω的平均值為：

(5)

(6)

處理器從無線電自由空間光鏈路接收到的信號為：

(7)

其中，vi是信號的噪音，η是光電二極管的響應(yīng)率，gi是自由空間光信道的衰減。自由空間光信道的衰減通常被分解成3個(gè)分量，分別表示損耗、閃爍和指向錯(cuò)誤，即gi=glgaigpi[4]。矩陣H描述了用戶到處理器的信道，如(8)所示：

(8)

為了簡化公式，定義一個(gè)對角矩陣D來表示所有處理器收到噪音的功率，但并不包括信號轉(zhuǎn)換的噪音功率。矩陣D如下所示：

(9)

2 問題描述

(10)

(11)

根據(jù)平均傳輸速率對用戶進(jìn)行降序排序，按照該順序?qū)τ脩暨M(jìn)行解碼，則第i個(gè)用戶的速率Ri為：

(12)

其中，Φ(·)是對數(shù)函數(shù)log(·)。用戶的總速率如為：

(13)

其中，Vx是用戶傳輸功率的對角矩陣。

通過求解以下的優(yōu)化問題，可以得到無線電自由空間光收益和射頻削波器的選擇策略。

(14)

Gr>0

由于優(yōu)化問題(14)以及第一個(gè)約束條件均不是凸函數(shù)，求解該問題并不容易，而且不能保證算法的收斂性。因此，為了得到其數(shù)值解，使用Matlab工具箱求解問題(14)。盡管這種方法不能保證最優(yōu)解，但在對約束條件進(jìn)行松弛后，能夠產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果，且該結(jié)果能收斂于解析解的上界。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

使用MATLAB中的fmincon函數(shù)[5]求解(14)的優(yōu)化問題。云無線接入網(wǎng)的信道是瑞利衰落信道，其路徑損耗取決于用戶和無線單元之間的距離。假設(shè)用戶的發(fā)射功率和射頻的前端噪聲對所有用戶具有相同的功率。對于自由空間光的前傳鏈路，每個(gè)鏈路的光通道服從獨(dú)立的對數(shù)正態(tài)分布，其衰落程度取決于鏈路范圍。自由空間光前傳鏈接的參數(shù)如下：波長λ為1 550 nm，帶寬是1 GHz，傳輸功率為16 dB·mW，響應(yīng)率η為0.5，噪音的標(biāo)準(zhǔn)差為10-7。處理器位于中心的分區(qū)中，每個(gè)分區(qū)中有1個(gè)無線單元。無線自由空間光前傳鏈路是根據(jù)無線單元與處理器的距離進(jìn)行分配，無線單元與處理器之間距離最小的能夠優(yōu)先分配到無線自由空間光前傳鏈路。

光通信的信道質(zhì)量依賴于天氣條件，將天氣條件量化成4種情況：晴天、雨天、雪天和霧天。不同的天氣條件具有不同的衰減系數(shù)，其中，晴天的衰減系數(shù)γ1為0.44，雨天的衰減系數(shù)γ2為1.55，雪天的衰減系數(shù)γ3為35，霧天的衰減系數(shù)γ4為50。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1是晴天條件下用戶傳輸速率的累積分布函數(shù)。將求解優(yōu)化問題得到的參數(shù)代入式(12)就能計(jì)算得到用戶的傳輸速率。增加無線電自由空間光前傳鏈路的數(shù)量可以提高傳輸速率，但是速率的改善并不是線性的，速率不僅與無線電自由空間光前傳鏈路的數(shù)量有關(guān)，還會受無線單元和處理器之間的距離影響。

圖1 傳輸速率的累積分布函數(shù)

圖2顯示了在不同的天氣條件下，用戶速率的第二個(gè)四分位(即中值)隨無線電自由空間光前傳鏈路數(shù)量的變化。用戶速率在不同天氣條件下的加權(quán)累計(jì)分布函數(shù)是由不同天氣條件下的累積分布函數(shù)值加計(jì)算得到的。

圖2 不同天氣下速率隨鏈路數(shù)量的變化

4 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了云無線電接入網(wǎng)的混合射頻/無線電自由空間光前傳，通過選擇射頻轉(zhuǎn)換器和無線電自由空間光鏈路的增益來最大限度地提高用戶的傳輸速率。增加自由空間光前傳鏈路可以提高用戶速率，使無線單元的設(shè)計(jì)更簡單、更經(jīng)濟(jì)。未來的工作在于利用無線電自由空間光進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)研究，設(shè)計(jì)分布式的優(yōu)化問題解決方案。