無線多跳網絡下基于過時信道狀態信息的跨層資源分配

馮 維 馮穗力 丁躍華 黃 鑫②

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無線多跳網絡下基于過時信道狀態信息的跨層資源分配

馮 維①馮穗力*①丁躍華①黃 鑫①②

①(華南理工大學電子與信息學院 廣州 510640)②(華南師范大學物理與電信工程學院 廣州 510006)

對于無線多跳網絡跨層資源分配算法的研究大多是建立在假定每個節點能獲得網絡中其他節點的完美的信道狀態信息(CSI)的基礎上。但是由于信道的時變特性和CSI的反饋延時，在動態變化較快的無線網絡中，節點所獲得的CSI很可能是過時或者部分過時的。基于這個前提，該文首次在動態無線多跳網絡跨層資源優化分配算法中考慮了CSI這種變化的影響，并提出了一種相應的分布式聯合擁塞控制和功率分配算法。仿真結果證明該算法能夠極大地提高網絡效用和能量效用。

無線多跳網絡；信道狀態信息；動態跨層資源分配；分布式算法；能量效用

1 引言

目前已有大量學者針對無線多跳網絡跨層資源分配算法展開了研究，并取得了許多研究成果。文獻[1]指出了跨層設計的動機和必要性，并總結了近十年來跨層聯合優化方面的相關研究成果。文獻[2]針對多信道無線多跳網絡，提出了一種考慮時延因素的聯合速率、路由和調度的跨層公平帶寬分配算法。該算法將聯合速率、路由和調度的跨層優化問題描述成一個網絡效用最大化問題，然后采用對偶分解的方法獲得該問題的次優解。文獻[3]將無線多跳網絡的功率控制和信道分配問題聯合建模為一個效用最大化問題，并提出了求解此問題的集中式和分布式算法。文獻[4-7]分別針對層與層之間不同的關系和不同的服務質量(Quality of Service, QoS)要求提出了一種跨層資源分配算法。盡管如此，這些算法都依賴于一個重要的假設：節點所收集的CSI是實時的，完善的。而事實上，節點所收集到的信道狀態信息往往是不完善的，過時的。這是因為：(1)接收端在估計出CSI之后，需要將此CSI反饋至發送端，有時甚至需要將此信息發送至其他節點，不同的網絡環境將會帶來不可預計的延時；(2)網絡狀態信息不可能頻繁地發布，否則會極大地增加網絡負載。上述兩種因素對CSI的影響一般難以避免，需要采取其它措施來消除或降低其影響。根據我們的調研，目前只有少數文獻在正交頻分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)的下行傳輸過程[8,9]和認知無線電主從用戶共享信道資源環境下的頻譜感知過程[10,11]中考慮了CSI過時的影響。但上述這些結果均無法解決無線多跳網絡系統中CSI誤差帶來的問題。

本文首次研究了無線多跳網絡跨層資源優化分配過程中過時CSI帶來的影響，并通過在建模資源優化問題時考慮CSI的過時以減少這種影響。本文考慮的優化問題是：在已知存在過時CSI的基礎上實現無線多跳網絡的聯合擁塞控制和功率控制。

接下來的文章組織如下：第2節提出了系統模型和優化模型；第3節提出了分布式優化算法；第4節對算法進行了仿真，并對仿真結果進行了分析；第5節總結全文。

2 系統模型和問題建模

2.1 系統模型

2.2 問題建模

本文需要解決的問題是：已知過時的CSI，在滿足業務流速率分配公平性要求下，聯合功率分配和擁塞控制，達到最大化網絡總吞吐量的目標。

又鏈路可用容量可表示為

綜上所述，我們的優化目標是求解如下的網絡效用最大化(Network Utility Maximization, NUM)問題：

3 分布式聯合優化算法

第2節中得到的NUM問題計算復雜度很高，難以集中在某個控制節點中完成。本節基于拉格朗日對偶分解技術[12]，提出一種分布式優化算法來求解式(11)。該分布式算法通過求解原問題式(11)的對偶問題的解來代替求解原問題式(11)。原問題式(11)的對偶問題表達為

對偶函數為

和

3.1 分布式功率控制子問題

與式(20)同理可得

對式(24)的第2部分再次運用參考文獻[10]中式(33)得

至此，我們可以求得

3.2 算法的實現步驟

步驟1 初始化所有變量。

步驟4 返回到步驟2直至結束。

3.3 計算復雜度和收斂性分析

又由強對偶原理[12]可知，凸優化問題經過拉格朗日對偶分解方法求出的對偶問題的極值點也為原始優化問題的最優解。所以，該算法在迭代步長能滿足收斂步長要求的前提下，能保證動態追蹤到原始問題的最優解。

4 數值仿真和性能分析

網絡效用曲線如圖1所示。由圖1可知，使用過時的CSI來進行資源分配只能收斂到網絡效用的次優值，這是因為根據過時CSI所分配的流速率可能超過了鏈路實際可利用的速率，所以實際的網絡效用會降低。

公平性指標曲線如圖2所示。由圖2可知， CSI過時時間越長，公平性越不理想。這是因為過時時間越長，網絡在進行資源的優化分配計算時對現狀的了解越少，越難公平的分配資源。而在本文的算法中，由于考慮過時CSI的影響，公平性性能得到改善。能量效用曲線如圖3所示。在有限的功率約束下，傳統算法根據過時CSI來分配資源，會導致下面兩種情況：(1)節點分配的鏈路速率超過鏈路實際可利用容量，流傳輸的實際速率降低；(2)節點分配的鏈路速率低于鏈路實際可利用容量，造成鏈路資源的浪費。這兩種情況都會導致網絡總能量效用降低。

5 結束語

本文首次在動態無線多跳網絡中考慮了過時CSI對跨層資源分配帶來的影響，并提出了一種考慮過時CSI影響的聯合擁塞控制和功率控制的算法。相比集中式的優化算法，該算法具有較低的計算復雜度，因此更適用于無線多跳網絡環境，且仿真結果進一步表明，算法能夠改進網絡資源分配的合理性，提高網絡總體效用，降低能耗。

圖1 網絡效用

圖2 公平性

圖3 能量效用

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馮 維： 女，1984年生，博士，研究領域為無線多跳網絡的跨層資源分配.

馮穗力： 男，1955年生，博士，博士生導師，研究方向為信息網絡理論與技術、通信信號處理等.

丁躍華： 男，1982年生，博士，講師，研究方向為信息網絡理論與技術.

黃 鑫： 女，1984年生，博士，研究多跳網絡的資源分配.

Cross-layer Resource Allocation with Outdated Channel State Information in Wireless Multi-hop Networks

Feng Wei①Feng Sui-li①Ding Yue-hua①Huang Xin①②

①(,,510640,)②(,,510006,)

Most of the existing works on the cross-layer design of dynamic resource allocation in wireless multi-hop networks assume that every node can avail perfect Channel State Information (CSI) of other nodes in the networks. However, because of the channel fluctuations and the feedback delay, the availed CSI is usually outdated or partly outdated in a dynamic wireless network. In this paper, the impact of outdated channel information is firstly investigated in wireless multi-hop network, and a distributed joint congestion control and power control algorithm with outdated CSI is proposed. The simulation results demonstrate that the proposed algorithm significantly improves network efficiency and energy efficiency of the multi-hop networks.

Wireless multi-hop networks; Channel State Information (CSI); Cross-layer design of dynamic resource allocation; Distributed algorithms; Energy efficiency

TP393

A

1009-5896(2014)11-2750-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00546

馮穗力 fengsl@scut.edu.cn

2013-04-22收到，2014-08-07改回

國家自然科學基金(61340035)和廣州市科技計劃項目(2014J 4100246)資助課題