基于自由空間光通信的云無線接入網上行鏈路優化研究

姚樹香

(廈門軟件職業技術學院經濟管理系，福建廈門361024)

云無線接入網是一種新的網絡體系結構，適用于5G等下一代網絡架構。在云無線接入網中，信號處理是在中央處理器(簡稱為“處理器”)進行的，而不是在基站等進行分布式處理。簡單、低成本的無線單元從用戶設備中采集數字信號，并將信號傳輸至處理器。處理器可以對數據進行網絡編碼(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)，優化用戶的傳輸速率[1]。本文聯合射頻和無線電自由空間光，優化云無線接入網前傳的上行鏈路。與現有研究相比，對物理層進行了優化，以最大化用戶的傳輸速率。

1 系統模型

(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換為光信號，然后轉發到處理器；處理器的接收端將射頻信號放大和過濾后再進行下變頻。激光器輸出光強時，激光驅動器的輸入必須是非負的，平均光功率必須受到安全規定的約束。為了確保滿足這兩個條件，使用模擬削波器，并添加一個偏差以確保輸入是非負的。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個分量，分別表示損耗、閃爍和指向錯誤，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，但并不包括信號轉換的噪音功率。矩陣D如下所示：

(9)

2 問題描述

(10)

(11)

根據平均傳輸速率對用戶進行降序排序，按照該順序對用戶進行解碼，則第i個用戶的速率Ri為：

(12)

其中，Φ(·)是對數函數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

由于優化問題(14)以及第一個約束條件均不是凸函數，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解，但在對約束條件進行松弛后，能夠產生預期的結果，且該結果能收斂于解析解的上界。

3 仿真實驗

3.1 實驗設置

實驗參數的設置如表1所示。

表1 實驗參數

使用MATLAB中的fmincon函數[5]求解(14)的優化問題。云無線接入網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。假設用戶的發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，每個鏈路的光通道服從獨立的對數正態分布，其衰落程度取決于鏈路范圍。自由空間光前傳鏈接的參數如下：波長λ為1 550 nm，帶寬是1 GHz，傳輸功率為16 dB·mW，響應率η為0.5，噪音的標準差為10-7。處理器位于中心的分區中，每個分區中有1個無線單元。無線自由空間光前傳鏈路是根據無線單元與處理器的距離進行分配，無線單元與處理器之間距離最小的能夠優先分配到無線自由空間光前傳鏈路。

光通信的信道質量依賴于天氣條件，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，其中，晴天的衰減系數γ1為0.44，雨天的衰減系數γ2為1.55，雪天的衰減系數γ3為35，霧天的衰減系數γ4為50。

3.2 實驗結果與分析

圖1是晴天條件下用戶傳輸速率的累積分布函數。將求解優化問題得到的參數代入式(12)就能計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量有關，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

圖2顯示了在不同的天氣條件下，用戶速率的第二個四分位(即中值)隨無線電自由空間光前傳鏈路數量的變化。用戶速率在不同天氣條件下的加權累計分布函數是由不同天氣條件下的累積分布函數值加計算得到的。

圖2 不同天氣下速率隨鏈路數量的變化

4 結論

綜上所述，本文設計了云無線電接入網的混合射頻/無線電自由空間光前傳，通過選擇射頻轉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，使無線單元的設計更簡單、更經濟。未來的工作在于利用無線電自由空間光進行網絡供應研究，設計分布式的優化問題解決方案。