孫洪亮,王 超,杜 旭

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

可見(jiàn)光通信(VLC)具有功耗低、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)兼顧照明與通信。VLC可以應(yīng)用于室內(nèi)定位、水下通信等多種場(chǎng)景,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位及高速率數(shù)據(jù)傳輸,具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。然而,在傳輸范圍、傳輸路徑等方面VLC存在一定的不足,無(wú)線(xiàn)射頻(RF)網(wǎng)絡(luò)恰好可以彌補(bǔ)VLC傳輸受限的短板。VLC與RF結(jié)合可以提高吞吐量,增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。對(duì)于混合VLC-RF網(wǎng)絡(luò),如何高效地提供服務(wù)是一個(gè)重要問(wèn)題。為解決異構(gòu)VLC-RF網(wǎng)絡(luò)信道估計(jì)誤差大和系統(tǒng)能效低的問(wèn)題,文獻(xiàn)[3]提出一種基于能效最大化的魯棒資源分配算法。文獻(xiàn)[4]提出一種混合VLC-RF網(wǎng)絡(luò)中功率和時(shí)隙分配的優(yōu)化方案,最大化下行通信的總和速率,降低了優(yōu)化頻率。為提高單用戶(hù)中斷數(shù)據(jù)率性能,文獻(xiàn)[5]針對(duì)VLC-RF網(wǎng)絡(luò)提出一種簡(jiǎn)化部署方案,根據(jù)用戶(hù)的信道情況,動(dòng)態(tài)地將用戶(hù)分配給VLC或RF系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]提出了一種最大化最小用戶(hù)傳輸速率的資源分配問(wèn)題,在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的前提下,提高系統(tǒng)吞吐量。為高效利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源,需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估,合理匹配資源。

有效帶寬、有效容量理論是QoS評(píng)估與保障的經(jīng)典理論,已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[7]提出一種基于有效容量的次優(yōu)化方法,在時(shí)延QoS約束下,研究了基于非正交多址接入(NOMA)的功率控制策略。為保障正交頻分多址(OFDMA)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS,文獻(xiàn)[8]提出一種基于有效容量的頻譜高效設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[9]基于對(duì)有效帶寬的評(píng)估,提出一種長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)下行鏈路的資源塊分配算法對(duì)QoS進(jìn)行保障。文獻(xiàn)[10]將有效帶寬和有效容量理論引入到異構(gòu)QoS流量的多用戶(hù)調(diào)度(MUS)問(wèn)題中,滿(mǎn)足了不同用戶(hù)的QoS需求。為實(shí)現(xiàn)多路徑中心的QoS保障,文獻(xiàn)[11]基于有效帶寬進(jìn)行資源調(diào)度過(guò)程,提出一種時(shí)延感知的流調(diào)度系統(tǒng)。針對(duì)VLC-RF切換機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),基于有效帶寬與有效容量理論研究QoS保障問(wèn)題,并不容易。

本文構(gòu)建了隨機(jī)業(yè)務(wù)到達(dá)、VLC-RF切換服務(wù)機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列系統(tǒng),結(jié)合有效帶寬理論、有效容量理論,設(shè)計(jì)了時(shí)延QoS約束下的資源匹配算法。算法在保障QoS的前提下實(shí)現(xiàn)資源匹配,可以為VLC-RF系統(tǒng)服務(wù)資源的合理預(yù)留及分配提供一定的參考。

1 系統(tǒng)建模

本文主要研究VLC-RF異構(gòu)通信場(chǎng)景,具體場(chǎng)景如圖1所示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中含有一個(gè)VLC接入點(diǎn)(AP)和一個(gè)RF-AP。VLC-AP放置在天花板上,RF-AP固定在墻上,終端配備了光電探測(cè)器。

圖1 系統(tǒng)模型圖

VLC通信主要依賴(lài)于視距傳輸,當(dāng)光線(xiàn)傳輸被遮擋時(shí),系統(tǒng)將切換到RF網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供服務(wù)。根據(jù)上述服務(wù)特性,切換服務(wù)過(guò)程的瞬時(shí)服務(wù)s(n)可以用如下數(shù)學(xué)過(guò)程描述:

(1)

其中,VLC網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)速率用RVLC表示;RF網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)速率用RRF表示;未被遮擋概率用β表示。

系統(tǒng)采用二態(tài)馬爾可夫調(diào)制過(guò)程(Two-state Markov Modulated Process,2-MMOO)描述數(shù)據(jù)包到達(dá)過(guò)程,具體過(guò)程如圖2所示。2-MMOO到達(dá)有1和2兩種狀態(tài)。系統(tǒng)在1態(tài)以R1的速率傳輸數(shù)據(jù)包,系統(tǒng)在2態(tài)以R2的速率傳輸數(shù)據(jù)包。pa表示1態(tài)轉(zhuǎn)為2態(tài)的概率;1-pa表示處于1態(tài)的概率;pb表示2態(tài)轉(zhuǎn)為1態(tài)的概率;1-pa表示處于2態(tài)的概率。

圖2 2-MMOO的馬爾可夫鏈

2 VLC-RF網(wǎng)絡(luò)資源匹配算法

近年來(lái),有效帶寬、有效容量理論不斷應(yīng)用于QoS分析與保障中,為網(wǎng)絡(luò)資源管理提供了新思路、新方法。有效容量EC(θ)具體計(jì)算方法如下所示:

(2)

其中,S(n)表示前n時(shí)刻的累計(jì)服務(wù)的數(shù)據(jù)包數(shù)量。θ為QoS指數(shù),具體取值可以由下式確定:

P{d(n)≥D}≤ε,

(3)

其中,D為目標(biāo)時(shí)延;ε為時(shí)延違反概率閾值。

利用有效容量表達(dá)式,可以計(jì)算服務(wù)過(guò)程的有效容量為

(4)

基于有效帶寬理論可以評(píng)估業(yè)務(wù)的帶寬需求,有效帶寬EB(θ)具體計(jì)算方法如下所示:

(5)

其中,A(n)表示前n時(shí)刻的累計(jì)到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

參考文獻(xiàn)[12],得到2-MMOO到達(dá)下的有效帶寬為

(6)

為滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的時(shí)延QoS需求,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所能支持的最大到達(dá)強(qiáng)度應(yīng)不小于業(yè)務(wù)的最小帶寬需求。即滿(mǎn)足如下式:

EC(θ)≥EB(θ) 。

(7)

此時(shí)RF網(wǎng)絡(luò)需提供的最小的帶寬需求為

(8)

當(dāng)VLC通信被遮擋時(shí),立即切換成RF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。按照式(8)求解的切換后的RF最小服務(wù)速率為用戶(hù)提供服務(wù),可以保障用戶(hù)的時(shí)延QoS要求。

3 仿真分析

本文基于Matlab對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源匹配算法進(jìn)行仿真分析。設(shè)置pa=0.1、pb=0.1、R1=3 packets/slot、R2=2 packets/slot,時(shí)延違反概率閾值為ε=10-3,VLC傳輸速率RVLC=1 packets/slot。分別設(shè)置β=0.4、β=0.5、β=0.6,研究目標(biāo)時(shí)延D、未被遮擋概率β改變對(duì)RRF的影響。從圖3中可以看出,在不同的β參數(shù)下,RRF隨著D的增加而減少。因?yàn)镈值越大,系統(tǒng)對(duì)時(shí)延QoS的要求越寬松,需要更少的服務(wù)保障業(yè)務(wù)的QoS。當(dāng)D取相同值時(shí),β越大,系統(tǒng)所需要的RRF越多。按照上述參數(shù)設(shè)置,VLC自身服務(wù)不能滿(mǎn)足QoS要求。未被遮擋概率越大,VLC提供的服務(wù)越多,而在VLC不能正常進(jìn)行通信時(shí),則需要更大的RRF來(lái)滿(mǎn)足時(shí)延QoS要求。

目標(biāo)時(shí)延/Slots

設(shè)定pa=0.1、pb=0.1,R1=3 packets/slot、R2=2 packets/slot,β=0.4。觀(guān)察D、RVLC改變對(duì)RF服務(wù)速率產(chǎn)生的影響。分別設(shè)置RVLC=1 packets/slot、RVLC=1.5packets/slot、RVLC=2packets/slot。從圖4中可以看出,當(dāng)D相同時(shí),RVLC取值越大,RRF的值越小,這是因?yàn)殡S著VLC服務(wù)速率變大,VLC系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)包的能力增強(qiáng)。因此,較小的RRF就能夠滿(mǎn)足QoS要求。

目標(biāo)時(shí)延/Slots

固定參數(shù)pa=0.2、pb=0.1,β=0.4,RVLC=1 packets/slot。觀(guān)察參數(shù)R1、R2與RF服務(wù)速率的關(guān)系。圖5仿真結(jié)果表明參數(shù)R1、R2改變對(duì)服務(wù)速率的影響較為明顯,服務(wù)速率隨著R1、R2的增大而增大。因?yàn)镽1、R2變大導(dǎo)致2-MMOO的到達(dá)強(qiáng)度變大,系統(tǒng)所需服務(wù)速率增加。

圖5 R1、R2對(duì)RF服務(wù)速率的影響圖

4 結(jié) 論

面向VLC-RF異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),本研究設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)延QoS約束下的資源匹配算法。考慮VLC遮擋問(wèn)題,建立了切換服務(wù)機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列系統(tǒng)?；谟行捓碚?評(píng)估了二態(tài)馬爾可夫到達(dá)下的帶寬需求?；谟行萘坷碚?計(jì)算了切換服務(wù)所能支持的到達(dá)強(qiáng)度,進(jìn)一步分析了滿(mǎn)足時(shí)延QoS要求下RF所需匹配的最小服務(wù)速率。仿真分析了到達(dá)參數(shù)、服務(wù)參數(shù)及QoS參數(shù)變化對(duì)算法的影響。算法可以為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源分配與管理提供一定的理論參考。