時延QoS約束下VLC-RF網(wǎng)絡(luò)資源匹配算法

孫洪亮,王 超,杜 旭

(吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022)

可見光通信(VLC)具有功耗低、使用壽命長、可靠性高等優(yōu)點,同時兼顧照明與通信。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,無線射頻(RF)網(wǎng)絡(luò)恰好可以彌補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。對于混合VLC-RF網(wǎng)絡(luò),如何高效地提供服務(wù)是一個重要問題。為解決異構(gòu)VLC-RF網(wǎng)絡(luò)信道估計誤差大和系統(tǒng)能效低的問題,文獻[3]提出一種基于能效最大化的魯棒資源分配算法。文獻[4]提出一種混合VLC-RF網(wǎng)絡(luò)中功率和時隙分配的優(yōu)化方案,最大化下行通信的總和速率,降低了優(yōu)化頻率。為提高單用戶中斷數(shù)據(jù)率性能,文獻[5]針對VLC-RF網(wǎng)絡(luò)提出一種簡化部署方案,根據(jù)用戶的信道情況,動態(tài)地將用戶分配給VLC或RF系統(tǒng)。文獻[6]提出了一種最大化最小用戶傳輸速率的資源分配問題,在滿足用戶需求的前提下,提高系統(tǒng)吞吐量。為高效利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源,需要對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)進行準確評估,合理匹配資源。

有效帶寬、有效容量理論是QoS評估與保障的經(jīng)典理論,已受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。文獻[7]提出一種基于有效容量的次優(yōu)化方法,在時延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)計時延QoS,文獻[8]提出一種基于有效容量的頻譜高效設(shè)計方法。文獻[9]基于對有效帶寬的評估,提出一種長期演進(LTE)下行鏈路的資源塊分配算法對QoS進行保障。文獻[10]將有效帶寬和有效容量理論引入到異構(gòu)QoS流量的多用戶調(diào)度(MUS)問題中,滿足了不同用戶的QoS需求。為實現(xiàn)多路徑中心的QoS保障,文獻[11]基于有效帶寬進行資源調(diào)度過程,提出一種時延感知的流調(diào)度系統(tǒng)。針對VLC-RF切換機制下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),基于有效帶寬與有效容量理論研究QoS保障問題,并不容易。

本文構(gòu)建了隨機業(yè)務(wù)到達、VLC-RF切換服務(wù)機制下的網(wǎng)絡(luò)隊列系統(tǒng),結(jié)合有效帶寬理論、有效容量理論,設(shè)計了時延QoS約束下的資源匹配算法。算法在保障QoS的前提下實現(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)通信場景,具體場景如圖1所示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中含有一個VLC接入點(AP)和一個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器。

圖1 系統(tǒng)模型圖

VLC通信主要依賴于視距傳輸,當光線傳輸被遮擋時,系統(tǒng)將切換到RF網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)。根據(jù)上述服務(wù)特性,切換服務(wù)過程的瞬時服務(wù)s(n)可以用如下數(shù)學過程描述:

(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)制過程(Two-state Markov Modulated Process,2-MMOO)描述數(shù)據(jù)包到達過程,具體過程如圖2所示。2-MMOO到達有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,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)具體計算方法如下所示:

(2)

其中,S(n)表示前n時刻的累計服務(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為目標時延;ε為時延違反概率閾值。

利用有效容量表達式,可以計算服務(wù)過程的有效容量為

(4)

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

(5)

其中,A(n)表示前n時刻的累計到達的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

參考文獻[12],得到2-MMOO到達下的有效帶寬為

(6)

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

EC(θ)≥EB(θ) 。

(7)

此時RF網(wǎng)絡(luò)需提供的最小的帶寬需求為

(8)

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

3 仿真分析

本文基于Matlab對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源匹配算法進行仿真分析。設(shè)置pa=0.1、pb=0.1、R1=3 packets/slot、R2=2 packets/slot,時延違反概率閾值為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,研究目標時延D、未被遮擋概率β改變對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。因為D值越大,系統(tǒng)對時延QoS的要求越寬松,需要更少的服務(wù)保障業(yè)務(wù)的QoS。當D取相同值時,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不能正常進行通信時,則需要更大的RRF來滿足時延QoS要求。

目標時延/Slots

設(shè)定pa=0.1、pb=0.1,R1=3 packets/slot、R2=2 packets/slot,β=0.4。觀察D、RVLC改變對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D相同時,RVLC取值越大,RRF的值越小,這是因為隨著VLC服務(wù)速率變大,VLC系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)包的能力增強。因此,較小的RRF就能夠滿足QoS要求。

目標時延/Slots

固定參數(shù)pa=0.2、pb=0.1,β=0.4,RVLC=1 packets/slot。觀察參數(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。因為R1、R2變大導(dǎo)致2-MMOO的到達強度變大,系統(tǒng)所需服務(wù)速率增加。

圖5 R1、R2對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)計了一種基于時延QoS約束下的資源匹配算法。考慮VLC遮擋問題,建立了切換服務(wù)機制下的網(wǎng)絡(luò)隊列系統(tǒng)。基于有效帶寬理論,評估了二態(tài)馬爾可夫到達下的帶寬需求。基于有效容量理論,計算了切換服務(wù)所能支持的到達強度,進一步分析了滿足時延QoS要求下RF所需匹配的最小服務(wù)速率。仿真分析了到達參數(shù)、服務(wù)參數(shù)及QoS參數(shù)變化對算法的影響。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。