井下移動無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化策略研究

魏 臻, 蔡曉萍, 衛(wèi) 星

(合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)

井下移動無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化策略研究

魏 臻, 蔡曉萍, 衛(wèi) 星

(合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)

井下移動無線網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于無人機車駕駛系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò),提高其接入吞吐量是亟待解決的問題。針對井下多機車場景,文章提出了一種能使系統(tǒng)吞吐量最大化的接入控制策略。首先建立多軌旁接入點(access point,AP)多軌直道環(huán)境下的機車接入數(shù)學(xué)模型,然后通過理論推導(dǎo)得到系統(tǒng)吞吐量效用函數(shù),提出基于此效用函數(shù)的機車接入控制策略,利用效用函數(shù)和機車接入控制策略保證了數(shù)據(jù)的多包接收以及吞吐量的最優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示所提出的接入策略優(yōu)化效果與傳統(tǒng)策略相比有較大提高,其吞吐量提高50%以上。

礦井機車;移動無線網(wǎng)絡(luò);吞吐量;接入控制;集合劃分

0 引 言

井下移動無線網(wǎng)絡(luò)是一種新型的井下移動通信系統(tǒng),它是將無線局域網(wǎng)(wireless local area networks,WLAN)技術(shù)運用于井下,設(shè)立若干個軌旁無線接入點(access point,AP),通過移動局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道,實現(xiàn)井下機車接入AP,將機車狀態(tài)和位置信息等數(shù)據(jù)上傳到地面調(diào)度運輸中心[1-3]。無人機車駕駛就是利用井下移動無線網(wǎng)絡(luò)WLAN技術(shù)覆蓋機車,工作人員只需在地面調(diào)度中心遙控機車作業(yè),避免在發(fā)生礦井坍塌或機車相撞事故時出現(xiàn)人員的傷亡,從而實現(xiàn)機車可靠的運輸調(diào)度并保障工作人員的安全[4]。系統(tǒng)需要將行駛過程中機車車載攝像頭所采集的高清視頻數(shù)據(jù)和機車狀態(tài)信息實時傳送到地面監(jiān)控中心,這對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、實時性和可靠性都有很高的要求[5]。井下移動無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量優(yōu)化是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

目前,對于網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化問題,從用戶干擾的角度,相關(guān)算法有干擾協(xié)調(diào)功率控制[6]和用戶速率控制的長期演進(Long Term Evolution,LTE)無線網(wǎng)絡(luò)下行系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化算法[7]、基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的串行干擾消除算法(Successive Interference Cancellation,SIC)[8-9]等;從用戶接入控制的角度,即對于用戶的接入請求,AP有選擇性地接入或拒絕,當(dāng)系統(tǒng)能達到容量最優(yōu)時,請求才能被接入,相關(guān)算法有基于博弈論的多用戶接入選擇[10-11]、交換策略的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶接入算法[12]、基于馬爾科夫過程的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇[13]、最大化容量增益的小區(qū)關(guān)閉算法[14]及呼叫接納控制算法[15]。用戶接入控制方法能夠有效抑制用戶間的干擾,SIC算法能夠有效解決多機車同時向1個AP傳輸數(shù)據(jù)的干擾問題,實現(xiàn)多對一通信。

然而,井下移動網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有著很大的區(qū)別,井下的AP設(shè)置工作在一個清晰的子信道,不存在AP間的干擾,是由地面調(diào)度服務(wù)中心的服務(wù)器對機車進行調(diào)度安排,控制機車接入的AP,實現(xiàn)整體上最優(yōu),不是由機車自主選擇。目前針對井下移動無線網(wǎng)絡(luò)機車接入的研究很少。

本文聯(lián)合SIC技術(shù)和機車接入控制技術(shù),將系統(tǒng)吞吐量最大化問題抽象成集合劃分問題,通過對系統(tǒng)模型中相關(guān)參數(shù)的合理假設(shè)和化簡,大大簡化了模型,并提出了一種基于機車接入控制的井下移動無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化策略。

1 系統(tǒng)模型

在井下巷道中,軌旁AP間隔安裝在巷道壁上,在同一軌道上的兩輛機車間為防止發(fā)生碰撞必須有一定的安全間距。機車在巷道中隨機分布,并與軌旁AP進行連接通訊,由于井下無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中軌旁AP是受到地面調(diào)度服務(wù)器控制的,機車若要接入軌旁AP,需要向軌旁AP發(fā)送探測幀,接到探測幀的軌旁AP將請求信息傳送給調(diào)度服務(wù)器,調(diào)度服務(wù)器會對機車的接入請求進行判斷,若同意,則將機車接入該軌旁AP,提供無線資源給該機車并接收機車上行數(shù)據(jù);若拒絕,則機車?yán)^續(xù)發(fā)送探測幀給周圍的軌旁AP。井下機車分布的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

假設(shè)已知機車的排布,即機車的位置已知,所有機車的位置屬于集合S={s1,s2,…,sn}。軌旁AP的坐標(biāo)是固定的,U={u1,u2,…,um},f(s,u)為根據(jù)機車、AP位置進行距離計算的函數(shù)。則機車i對于軌旁APj的距離為:

(1)

機車i對于軌旁APj的鏈路增益為:

(2)

其中,λ為信號衰減指數(shù)。

圖1 井下機車分布的網(wǎng)絡(luò)模型

假定對于軌旁APj,有多輛機車被接入并上傳數(shù)據(jù),則需要運用SIC干擾管理技術(shù)[16-18],使得多車可同時和軌旁APj進行通信。令SINRi,j表示機車i對于APj的信噪比,有

(3)

用一個0-1關(guān)系矩陣R來表示機車和軌旁AP的連接情況,即

(4)

其中,Ri,j=1表示將機車i分配給軌旁APj,Ri,j=0表示機車i未接入軌旁APj。

根據(jù)香農(nóng)公式,可以求得軌旁APj的上行數(shù)據(jù)傳輸率為:

(5)

每輛機車只能接入1個AP,且根據(jù)井下通訊的全覆蓋性,要求任何一輛機車至少有1個AP和它的距離小于其發(fā)射半徑,即每輛機車都能夠接入軌旁AP上傳數(shù)據(jù),則有:

(6)

每個AP接入的機車數(shù)量之和等于總機車數(shù)量,設(shè)每個AP接入的機車數(shù)量為Qj,則有:

(7)

對于任意一個AP,其接入的機車與AP的距離小于等于該機車的發(fā)射半徑,設(shè)機車i的發(fā)射半徑為qi,接入APj,由(1)式可知機車i與APj的距離為di,j,則有:

(8)

令Pi為機車i的發(fā)射功率,有

(9)

其中,Pmax、Pmin分別為機車最大、最小發(fā)射功率。

對于每個軌旁APj,要確保總的上行數(shù)據(jù)吞吐量小于等于C,從而確保所有接入的機車都能夠進行正常通訊,由(5)式得到Cj,則有:

(10)

本文的優(yōu)化目標(biāo)是:通過機車接入控制策略,確定接入矩陣R,最大化系統(tǒng)吞吐量。問題模型用系統(tǒng)吞吐量效用函數(shù)來表達,即

(11)

滿足約束條件(6)～(10)式。

2 算法描述

對n輛機車m個軌旁AP,每個機車可以向多個AP發(fā)送請求接入探測幀,調(diào)度服務(wù)器對機車進行不同的調(diào)度,R有不同取值,從而產(chǎn)生不同的吞吐量收益,R的可能取值為2n×m種,故這是一個NP-hard問題,很難求解,若用精確算法求解機車接入問題,則會導(dǎo)致組合爆炸。

只有確定接入矩陣R,才能求得相應(yīng)的Cmax,R求解問題可以轉(zhuǎn)化為機車和軌旁AP的配對問題,即n×m個0-1變量的取值問題,傳統(tǒng)接入策略有2種方式。

策略1 遍歷每輛機車的策略,產(chǎn)生一個接入矩陣,即對機車進行編號,每輛機車就近接入軌旁AP。

策略2 遍歷每個AP的策略,產(chǎn)生一個接入矩陣,即對軌旁AP進行編號,軌旁AP將所有收到的請求探測幀進行同意接入操作,被接入后的機車不再有接入其他AP的可能性。

這2種策略得到的結(jié)果會出現(xiàn)AP負載不均或單個AP的吞吐量大于C的情況,本文對這2種策略進行改進,組合成1種策略。

定理1 理想情況下,采用SIC技術(shù)進行多包接收時,1個AP的最大吞吐量取決于所接入的機車情況,不論其接入的先后順序。

證明 由于篇幅限制,證明過程略。

由定理1可知,1個AP的吞吐量是與機車鏈路增益、發(fā)射功率相關(guān)的變量,與機車的檢測順序無關(guān)。由(2)式可知,機車鏈路增益與距離有關(guān),可以經(jīng)過相關(guān)運算求得,而發(fā)射功率是可調(diào)節(jié)的,為了最優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量,假設(shè)所有的Pi,j都取Pmax。

根據(jù)定理1,(5)式可以化簡為:

(12)

同理,(11)式可以化簡為:

(13)

定義AP所覆蓋機車集合為Xcover,初始機車接入集合為Yinitial,目標(biāo)機車接入集合為Zresult。定義單個APj的初始機車接入集合Yj、目標(biāo)機車接入集合Zj、接收到探測幀的發(fā)射機車集合Xj,則有:

(14)

(15)

(16)

其中,j=1,2,…,m。

通過距離計算得到APj能夠覆蓋機車集合為:

(17)

其中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;r為機車信號發(fā)射半徑。

定義系統(tǒng)中單個AP吞吐量超出最大容量的AP集合為:

(18)

其中,j=1,2,…,m。

對于井下不同的機車分布場景,為了保證負載均衡,在此定義密度參數(shù)為:

(19)

其中,j=1,2,…,m;ρj為APj覆蓋機車數(shù)占總機車數(shù)的比率。

令所有AP的密度參數(shù)集合為:

(20)

當(dāng)1個APj接入的機車數(shù)目為0時,該AP為空負載狀態(tài),會導(dǎo)致其他AP負載過大以及整體吞吐量降低;當(dāng)1個APj接入的機車數(shù)目過多,會有不能滿足約束條件(10)式的情況發(fā)生,需要進行局部調(diào)整優(yōu)化。調(diào)整的準(zhǔn)則為:

準(zhǔn)則1 當(dāng)Cj>C時,將部分機車斷開并分配到其他AP,直到該AP的吞吐量符合(10)式。

準(zhǔn)則2 對于空負載APj,若其沒有接收到任何機車的請求探測幀,則不進行調(diào)整,若初始時存在機車向APj發(fā)送請求探測幀,則將部分機車連入該AP,使得負載能夠均衡。

以上2個準(zhǔn)則可保證既能滿足約束條件,又能最大化系統(tǒng)吞吐量。

本文在策略1、策略2基礎(chǔ)上進行了改進,并且根據(jù)2個準(zhǔn)則進行修正優(yōu)化,遍歷AP的順序由密度參數(shù)ρj大小決定,從而得到每個AP的初始機車接入集合Yj,再根據(jù)準(zhǔn)則進行局部調(diào)整,通過交換機車的目標(biāo)AP作為鄰域進行局部搜索來提高系統(tǒng)吞吐量和保證負載均衡,最終確定每個AP的目標(biāo)機車接入集合Zj,由集合關(guān)系Zresult轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃囮P(guān)系R,得到最終優(yōu)化后的吞吐量Cmax。具體接入控制算法如下所述。

輸出:目標(biāo)接入機車集合Zresult、接入矩陣R、系統(tǒng)吞吐量Cmax。

輸入:巷道長度L、無線局域網(wǎng)帶寬W、巷道寬度d、發(fā)射功率最大值Pmax、AP最大容量C、噪聲干擾N0、信號衰減系數(shù)λ、AP之間間隔dAP、機車信號發(fā)射半徑r、機車安全距離ds、機車數(shù)量n、軌旁AP數(shù)量m。

(1) 初始化L、W、d、Pmax、C、N0、λ、dAP、r、ds、n、m,由(17)式得Xcover,進而通過(19)式、(20)式來確定Odensity。

(2) 將Odensity中的ρ1,ρ2,…,ρm從小到大排序,從ρj大的AP開始遍歷,機車就近接入,即由gj大小確定Yj,進而由(16)式得到Y(jié)initial。

(3) 根據(jù)Yinitial,得到R,由(12)式計算Cj,根據(jù)(10)式和(18)式得到Bover,當(dāng)Bover≠?,對Bover中AP的接入機車根據(jù)準(zhǔn)則1進行修正,重復(fù)步驟(3),直到Bover=?,得到Zj,進而由(16)式得到Zresult。

(4) 如果存在APj的Zj=?,由(17)式得到該AP的Xj,并根據(jù)準(zhǔn)則2進行修正,最終得到Zresult和R，再由(13)式得到Cmax。

3 仿 真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

根據(jù)井下環(huán)境在Matlab軟件下進行系統(tǒng)的仿真構(gòu)建,并將本文接入控制策略與策略1和策略2進行比較。在仿真場景中,機車可以視為質(zhì)點并隨機分布在長方形的區(qū)域中,根據(jù)文獻[19-21],設(shè)置參數(shù)如下:

L=700 m,W=22 MHz,

dAP=150 m,r=200 m,

ds=30 m,C=500 Mb/s。

機車隨機分布模擬場景如圖2所示,軌旁AP是指間隔安裝在巷道壁的基站,在巷道中有多條軌道,機車隨機分布在這些軌道上,并且保證機車與機車的安全距離大于30 m。

圖2 20輛機車隨機分布模擬場景

3.2 仿真結(jié)果和分析

當(dāng)C=500 Mb/s時,采用本文策略與策略1和策略2下系統(tǒng)吞吐量如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)AP最大容量C一定時,在不同機車數(shù)量環(huán)境下,策略1的效果優(yōu)于策略2，本文策略得到的系統(tǒng)吞吐量優(yōu)于其他2種策略的結(jié)果,證明本文策略能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)化。

圖3 C=500 Mb/s時3種策略下吞吐量隨機車數(shù)變化曲線

策略1和本文策略的優(yōu)化結(jié)果比較見表1所列。

由表1可知,本文對系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化效果比傳統(tǒng)策略提高了50%以上。

當(dāng)機車數(shù)量為20,機車分布類型為均勻分布和密集分布時,3種策略下的系統(tǒng)吞吐量如圖4所示。

由圖4可知,在不同分布環(huán)境下,本文策略保證得到的系統(tǒng)吞吐量最大,證明本文策略能夠適應(yīng)不同的機車分布場景,體現(xiàn)出本文接入策略的優(yōu)越性。

在AP的最大容量C分別為400、500、600 Mb/s的情況下,采用本文策略得到的系統(tǒng)吞吐量隨機車數(shù)的變化曲線如圖5所示。由圖5可知,AP最大容量的提升能夠提高系統(tǒng)整體吞吐量,這需要更先進的AP設(shè)備來保證。

表1 策略1與本文策略下的Cmax比較 Mb/s

圖4 機車數(shù)為20時在不同分布場景下吞吐量的變化

圖5 在不同C下本文策略吞吐量隨機車數(shù)變化曲線

4 結(jié) 論

本文研究了井下無線局域網(wǎng)的吞吐量,提出了一種針對井下移動無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化的接入控制策略,從井下移動無線網(wǎng)絡(luò)接入控制的角度對機車和軌旁AP配對,以達到系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)。仿真結(jié)果顯示本文接入控制策略適合于井下無線通信環(huán)境,可以減少機車之間的干擾,能夠適應(yīng)不同的分布場景,從而最大化系統(tǒng)吞吐量。

本文的系統(tǒng)吞吐量效用函數(shù)和策略均建立在理想的無線信道環(huán)境下,未考慮AP之間的干擾,下一步將考慮彎道、多岔道等環(huán)境下的接入策略,以及對于機車動態(tài)調(diào)度策略進行研究。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Research on access optimization strategies for the throughput of underground mobile wireless networks

WEI Zhen, CAI Xiaoping, WEI Xing

(School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Underground mobile wireless networks is applied to communication network of locomotive unmanned system. To improve the throughput is an urgent issue to be resolved. To deal with the situation of underground multi-locomotive and to maximize the system throughput, the access control strategy was proposed. Firstly, a mathematical model for locomotive’s access was constructed with multiple access point(AP), multi-track and straight roadway. Secondly, on the basis of the theoretical derivation, the throughput utility function was obtained, and the access control strategy was designed based on the utility function. Finally, the utility function and locomotive access control strategy were used to ensure multi-packet reception of data and throughput optimization. The simulation results showed that the optimal result of access control strategy increased at least 50% than that of traditional strategy.

mine locomotive; mobile wireless network; throughput; access control; set partition

2015-12-31；

2016-02-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(61501161);國家國際科技合作專項資助項目(2014DFB10060)

魏 臻(1965-),男,安徽無為人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.007

TN926.3

A

1003-5060(2017)02-0175-06