通过联合网络编码和波束形成高效的无线广播

文摘

我们开发一个框架,利用网络编码(NC)和/多输入多输出(MIMO)技术,联合在一起,提高下行吞吐量的广播频道。具体来说,我们考虑一个基站(BS)配备多个发射天线同时服务多个移动站(MSs)通过生成多个信号光束。考虑到大量的MSs和少量的传输天线,BS必须决定,在任何传播机会,哪一组的海量存储系统(MSs)中,它应该传输数据包,为了最大化总体吞吐量。我们提出两种算法对海量存储系统(MSs)中,利用数控和正交分组的用户渠道改善整体吞吐量。我们的结果表明,该技术显著增加实现吞吐量,特别是在高度有损环境。

1。介绍

近年来,/多输入多输出(MIMO)一直被认为是一个关键使能技术为提高无线通信系统的性能。与传统的通信,MIMO技术依赖于多个天线发送和/或接收信号。天线的数量,一个设备可以配备有限的由于空间的限制。例如,在一个蜂窝网络,而天线的数量可能没有限制,可以配备基站(BS),数量有一个限制,当涉及到移动站(MS)由于大小和/或成本约束。可以利用再分配功能,使空间的时分多址(SDMA)技术,它允许多个BS的同时传输多个海量存储系统(MSs)中,从而实现更高的整体数据吞吐量(1- - - - - -3]。具体来说,BS利用MIMO产生辐射模式,同时目标不同组的海量存储系统(MSs)中(4,5];这就是所谓的波束形成(BF)。数学上,每个天线的信号光束编码和独立乘以一个男朋友权向量控制其形状和方向。男朋友的体重向量是由海量存储系统(MSs)中位置以及渠道的特点之间的BS和海量存储系统(MSs)中。假设BF权重向量,然后由选择一组最优的SDMA方案的海量存储系统(MSs)中,信号干扰加噪声比率(SINRs)最大化。

废话,传输天线可以形成和传输信号梁(6,7]。因此,假设一个梁是分配给每个女士,当海量存储系统(MSs)中,的数量超过发射天线的数量,,BS选择最好的海量存储系统(MSs)中,也就是说,那些SINRs最大化(8]。然后需要一个高效的调度算法在海量存储系统(MSs)中与这些废话映射。例如,鉴于10 MSs (和一个BS配备2天线,一个高效的调度程序可以选择()第一次槽的传播,()在第二时间段,(在第三次槽),等等。五个时段后,BS完成然后传送所有数据包目的海量存储系统(MSs)中。这些调度算法设计的主要挑战在于分组的海量存储系统(MSs)中,在海量存储系统(MSs)中最小干涉;即传播梁用于女士应该创建没有或很少干涉其他海量存储系统(MSs)中。实现这一目标的一个方法是一起组海量存储系统(MSs)中,其信道向量是相互正交。

网络编码(NC)是另一种有效的技术,也认识到伟大的网络吞吐量的潜力,获得了相当大的关注由于其简单实用9]。在单跳无线网络,如蜂窝网络、数控可以显著减少所需的传输/传输尝试成功交付数据包(10]。考虑图的例子1出于演示的目的。而不是立即电源丢失的数据包例如,对于一个女士,BS等待直到有另一个丢失的数据包例如,另一个女士。由于空间距离和,这是可能的,但为了,可能会收到和缓存成功;同样的,也可能是缓存成功。在这种情况下,b只需要重新发送一个数据包,这是一位异(XOR)的数据包和。(在这里,所有数据包都认为有相同的比特长度,能够执行异或操作)。如果这个包是成功收到和,然后可以恢复作为和可以恢复作为。因此,一个重传允许两个海量存储系统(MSs)中恢复丢失的数据包,导致的减少,或者等价于增加吞吐量效率。

在本文中,我们开发的调度算法,利用数控和高炉技术联合在一起整体吞吐量最大化实现无线广播下行通道。具体地说,我们考虑一个BS与多个发射天线,同时服务多个海量存储系统(MSs)中生成多个信号光束具有定义良好的波束形成的权重向量,其中每个对应于一个特定的梁女士。给予大量的海量存储系统(MSs)中,少量的传输天线,BS必须决定,在任何传播机会,哪一组的海量存储系统(MSs)中,它应该传输数据包,为了最大化总体吞吐量。在这项工作中,我们证明了群体形成的问题是np困难并提出两个调度启发式,利用数控功能和用户渠道改进的正交性的整体吞吐量广播传输。我们的模拟结果表明,该技术实现更高的吞吐量比实现在现有的技术下,特别是在高损耗环境。

我们论文的大纲如下。首先,我们现在的文献综述部分2。然后,我们概述数控技术和讨论我们共同BF-NC框架部分3和4,分别。节5,我们描述我们提出联合BF-NC-based调度算法。我们的仿真结果显示提出的技术部分6和总结的论文部分7。

2。相关工作

同时服务支持多个海量存储系统(MSs)中通过高炉技术可以非常具有挑战性的由于不同的积极信号光束产生的干涉。因此,一些高效的调度算法和合适的男朋友策略提出了减少干扰在多个光束。最大化容量之和,将海量存储系统(MSs)中通常选择通过穷举搜索,可以非常昂贵的大池女士甚至不可行。例如,鲱鱼et al。11)提出了一个算法选择每个时间段的MSs / SDMA / TDMA网络通过考虑的最大SINR保证金将海量存储系统(MSs)中对一些SINR阈值。崔et al。12]提供了一个调度算法,这依赖于来自海量存储系统(MSs)中在每个时间段的反馈来确定海量存储系统(MSs)中以这样一种方式的一个子集之和最大化的能力。文德兰花等。13]研究zero-forcing高炉技术的性能在有限的信道反馈的视线(LOS)通道。他们的研究结果显示,zero-forcing高炉技术表现良好,特别是当系统有可靠的信道状态信息(CSI)海量存储系统(MSs)中。此外,Yoo和戈德史密斯(7)的正交CSIs在海量存储系统(MSs)中安排MSs同时最小化整体干扰。特别是,他们的技术贪婪地选择一组海量存储系统(MSs)中,假设BS知道CSIs的MSs系统。

另一个传统的技术,但效率,是使用一个男朋友码包含一组所有可能的系数(或码字)形成一个男朋友。一般来说,码书生成离线,由固定数量的码字,不依赖于信道条件的统计特征(14]。大多数电报密码本是固定的,设计为一个特定的发射机。例如,爱情和健康(15提出一种方法来生成密码本,不能自适应地改变随着信道的变化。通过使用他们的技术,BS和海量存储系统(MSs)中都有完整的密码本的知识。Amiri et al。16)提供了一个有效的算法自适应地改变一个速率基于BS新的反馈信息。然而,他们的技术是复杂的,因为b需要经常评估新的反馈信息,并且,因此,这项技术可能不适合海量存储系统(MSs)中大量的系统。黄等。17]显示性能的正交高炉技术通过选择一个码字为每个女士以这样一种方式来减少所有活动横梁之间的干扰。更具体地说,他们的技术包括找到一组固定码码字的所有活动横梁依靠海量存储系统(MSs)中战略与国际研究中心。

大多数报告的这些作品为每个目的考虑将分配一个男朋友/梁女士然而,海量存储系统(MSs)中近距离内经常经历同样的信道条件和有类似的SINR的水平。因此,考虑分组和关联这些海量存储系统(MSs)中一起在一个男朋友梁不仅可以支持更多的海量存储系统(MSs)中,也使有效利用数控技术,进一步提高吞吐量。这项工作提出了一个框架,考虑邻近SINRs和CSI正交分组海量存储系统(MSs)中,形成的男朋友。我们首先证明群体形成的问题是np困难(在附录中给出的证明),然后提出两种启发式技术:greedy-selection-based技术和codebook-based技术,在描述部分5。

3所示。网络编码和广播

对符号方便,在这篇文章中,大写粗体字母用于矩阵和小写粗体字母用于向量,和,,,,表示共轭转置、转置、归一化、尺寸或大小,和l2范数,分别。

在本节中,我们简要介绍了使用数控技术在无线广播频道。我们考虑海量存储系统(MSs)中(接收器)和一个BS(发送方)。不失一般性,我们假设每一个数据包都可以传播在一个时间段(所有时段的固定期)。我们还假设海量存储系统(MSs)中使用积极的还是消极的确认(ACK / NAK)让BS知道接收每个数据包的状态。传统上,一个女士立即发送一个否定如果包没有成功收到。当使用XOR数控技术,而不是立即电源丢失数据包一定后收到NAK女士,BS等待固定间隔时间电源开始前(时段)。启用了数控,BS然后重新传输一个XOR-coded包每组的多个数据包丢失。要实现这一目标,BS维护所有丢失的数据包的列表以及相应的海量存储系统(MSs)中在一段时间内(即。在重新传输阶段,等待期)。丢失的数据包的数量,可以编码一次然后最多的数量等于海量存储系统(MSs)中,任何成功的女士,一个失去了数据包从每个数据包收到任何海量存储系统(MSs)中不会包含在转播的编码数据包。BS保持电源编码数据包丢失的数据包,直到所有MSs成功接收所有数据包。

考虑一个广播传输蜂窝网络的例子,所有BS数据包传输都认为达到海量存储系统(MSs)中。系统有两个海量存储系统(MSs)中,也就是说,和,我们考虑丢失数据包的模式如图2作为一个例子,一个十字架和一个椭圆形分别代表了失去和编码的数据包。自,生成的编码数据包的废话和用于两个海量存储系统(MSs)中,和,都是,,。包只是用于女士吗因为女士已经成功收到。注意,如果一些编码数据包无法正确接收到的任何目的海量存储系统(MSs)中,b将更新丢失的数据包表,确定最佳编码数据包重传的机会。

不失一般性,系统海量存储系统(MSs)中,我们假设如果对于任何在哪里是女士的包错误率吗。记得b相结合将会产生一个编码的数据包尽可能多的丢包,和最高的女士控制系统的性能。让这让女士是一个随机变量代表的数量失去了女士的包一定数量后,传输。当趋于无穷时,每个传输遵循一个伯努利试验,将遵循二项随机变量。因此,我们有 与传输数据包海量存储系统(MSs)中,预期数量的传输可以写成 注意,在这一节中描述数控技术认为数据包将被广播给所有海量存储系统(MSs)中。因此,b可以听到发送的数据包通过所有的海量存储系统(MSs)中或没有。

4所示。联合波束形成和网络编码

在这项工作中,我们考虑广播传输下行信道的蜂窝网络,在b用于发送的数据包并达到所有网络中海量存储系统(MSs)中。当数据包传输不成功,BS保持电源,直到失去了成功/失败的包交付给所有海量存储系统(MSs)中。我们假设b需要广播海量存储系统(MSs)中包。

第一次传输后,一个或多个海量存储系统(MSs)中可能不接收数据包。,当这一切发生的时候,一个简单的方法来确保成功交付数据包是BS中继/每个丢失数据包广播给所有的海量存储系统(MSs)中(例如,图3(一个))。另一个重传技术是使用波束形成者只丢失的数据包发送那些没有收到数据包的海量存储系统(MSs)中。在本文中,我们研究和开发技术,依靠那男朋友梁形式,直接传输到一组海量存储系统(MSs)中,也就是说,那些没有收到数据包的海量存储系统(MSs)中(例如,图3 (b))。除了高炉技术,我们提出的技术依赖,将网络编码(NC)来进一步提高吞吐量性能的广播频道。

简单的广播数据包输给了所有海量存储系统(MSs)中,而不是使用高炉技术,可以非常低效的原因如下。首先,海量存储系统(MSs)中往往位于不同位置与各种距离BS,导致高变化的海量存储系统(MSs)中接收信号的优点。,不同的海量存储系统(MSs)中可能会经历不同的包成功率。第二,没有指导传播信号,可以浪费电能信号发送方向/区域没有海量存储系统(MSs)中发生。让我们考虑图所示的例子3海量存储系统(MSs)中,有3组:,,。在这个示例中,发送数据包到一个位置,不包含任何的组织将是一个浪费能源。通过使用一个高炉技术如图3 (b),b可以直接BF梁以这样一种方式来提高信号质量达到预期的海量存储系统(MSs)中。注意,BS可能使用多个时段传输一个数据包时,每个人如果所有MSs位于除了对方。所面临的挑战,以及提出了高炉技术的新颖性在于所有MSs分组到多个集群每个对应一个梁以这样一种方式来提高广播吞吐量同时最小化能量消耗。

我们现在描述如何结合数控和高炉进一步提高广播网络的吞吐量。数据4(一)和4 (b)说明了使用数控广播数据包在网络流,分别如图3(一个)(没有波束形成)和图3 (b)(波束形成)。在这个例子中,有4海量存储系统(MSs)中(例如,)。BS需要交付7包(例如,)所有海量存储系统(MSs)中,最多可以生成3束。回想一下,最好的策略来生成一个编码包丢失的数据包的数量,可以最大化编码。因此,我们使用三个时段来生成并发送编码包。在第一次槽,当不使用高炉技术,编码的数据包被发送到所有海量存储系统(MSs)中,而当使用高炉技术,三个编码/未编码的数据包,,,在梁1日发送,2和3,分别。在第二次槽,BS生成编码数据包丢失的数据包相结合和一个₆并发送海量存储系统(MSs)中,,。当不使用高炉技术,编码包然后被发送到所有的海量存储系统(MSs)中。然而,当使用高炉技术,编码的数据包和未编码的数据包要通过光束传播1 (和)和3 (),分别。在第三次槽,BS只需要传输数据包女士。在这种情况下,很明显,没有必要广播包到每一个人。因此,当使用高炉技术,信号质量发送给女士可以提高通过分配所有梁3传输能量,从而增加了包的成功率和/或减少能源消耗。

在第一次槽,注意,编码数据包结合第一个4丢失的数据包(即。,without BF) when sent to all MSs exactly suffices as it enables each of the 4 MSs to recover its lost packet (i.e.,为)。因此,这似乎是最好的策略。同样,高炉技术也就足够了;也就是说,发送,,在三个不同的光束1、2和3,分别还支持海量存储系统(MSs)中恢复失去的所有数据包。然而两种技术之间的差异在于,高炉技术可以使接收信号强,从而减少包错误率增加正确解码收到的数据包的机会。

请注意,有一个权衡使用高炉技术在海量存储系统(MSs)中分组。分组下的海量存储系统(MSs)中大量相同的梁可能减少编码的数据包的数量,但这也会导致较小的机会成功接收编码数据包的目的让我们考虑女士的例子4海量存储系统(MSs)中,如图5。我们可以看到在图5(一个)与一个梁,b可以简单地使用一个编码包4目的海量存储系统(MSs)中。另一方面,形成多个组的海量存储系统(MSs)中(例如,每束2海量存储系统(MSs)中,在这个例子中)需要产生更多的编码数据包,但海量存储系统(MSs)中更有可能获得更高的信号质量,导致更高的机会成功接收编码的数据包。指图5 (b)再次说明,BS使用2编码数据包:海量存储系统(MSs)中和和其他的海量存储系统(MSs)中和。注意,这里的BS可以传输2编码数据包同时或连续两次槽。一个策略来确定大小/组的海量存储系统(MSs)中,高炉技术是减少每组海量存储系统(MSs)中丢失的数据包的方差。这将允许BS有效生成编码数据包在海量存储系统(MSs)中所有每组可以成功地同时获得所有必需的包。因此,有效的分组算法,可以确定最佳尺寸/组是必要的。在本文中,我们开发和提出了两种有效的算法对海量存储系统(MSs)中进行分组。

我们假设BS配备多个天线系统,使它能够同时生成多个光束传播。我们还假设BS知道所有通道向量与每一个女士对所有通过反馈渠道。让权力分配给梁BS。为每一个梁我们分配一组海量存储系统(MSs)中在哪里,对于任何,是一组的海量存储系统(MSs)中。集团形成以这样一种方式,海量存储系统(MSs)中属于同一组可能会经历相同的包丢失,减少传输的数量在BS通过按位异或操作。

目标是最小化BS的成功交付包女士指出,减少时间相当于一些公平的约束下的整体吞吐量最大化。然而,如果一个特定的女士是远离BS,使其无法接收数据包,然后清楚。在这项工作中,我们不考虑这个退化情况下,和这样一个女士可能是由邻近BS提供服务。此外,我们假设b在海量存储系统(MSs)中使用一个循环传播方式和渠道是静止的。因此,每个女士将收到一个公平份额的传输数据包和预期达到的吞吐量将反映考虑系统的性能。

回想一下,信号质量在海量存储系统(MSs)中可以通过SINR /量化评估。特别是,女士在梁可以计算为 在哪里,,,,权向量为梁,传输能量吗为女士,信道矢量噪声功率,分别和梁的数量。如果所有传输光束都是两两正交,这样和(假设是归一化以检查其正交性),,然后。因此,(3)将会减少(信噪比(信噪比))。如果所有预定的海量存储系统(MSs)中有很高的SINR(或信噪比),平等的权力分配接近最优的冲水方法(17]。因此,分配传输光束都是平等的权力。给一个固定的总传输功率废话,这意味着每个光束的传输功率分配是在哪里活动横梁在那段时间的数量。

让是一组失去了女士的包。为广播传输方案的数量在一个组取决于的组合所有丢失的数据包从海量存储系统(MSs)中。因此,一组编码和未编码的包丢了可以被视为,在那里属于和。每组独立于其他组吗为。这意味着集团的组合过程是完全独立的集团吗。在每一个梁,最高的女士包错误率将主宰,梁的性能。为每一个梁,预期数量的传输可以制定 在哪里是一组编码/未编码的丢失的数据包根据数控技术应用到梁,女士包错误率吗在梁,是一个二进制变量赋值给女士吗在梁定义为

此外,每个女士只能属于一个梁;也就是说,。简单的分析,我们不使用任何错误校正码。因此,可以计算的误比特率(),这样,在那里是一个数据包大小的碎片。假设使用BPSK。因此,

在哪里和(18]。预期的数量的传输系统是废话的时间花费,直到所有海量存储系统(MSs)中成功地获得所有必需的包。

没有失去的通用性,4)可以写成 在哪里是男朋友的指数集。对每组,BS需要成功传输所有丢失的数据包超过一组的前男朋友梁前进到下一个男朋友梁,也就是说,。假设有套高炉使用光束BS。考虑到所有套高炉梁,我们的目标是减少传输的总数;也就是说, 在哪里。这个优化问题的解决方案作业,减少传输的总数。然而,我们证明这个分配问题是np难(我们提供np困难的证明在附录中),相反,我们提出两个启发式/技术解决这一群体形成问题,利用数控功能和用户渠道的正交性。一个拟议的技术使用贪婪选择基于SINR的水平,而其他技术使用一个预定义的码书生成一组正交的男朋友梁。让表示组正交梁。例如,意味着b使用组正交梁在密码本,否则。接下来,我们描述我们提出两个调度技术。

5。提出的调度算法

因为我们的分配问题是np难,我们建议使用两种技术来设计启发式算法,有效地解决它。第一种技术时间表和组根据他们的SINRs海量存储系统(MSs)中,和第二个使用一个预定义的电报密码本,首先生成多组正交BF梁,然后分配每个SINR的梁女士是最大化。提出技术将被描述的细节。

5.1。技巧1:Greedy-Selection-Based调度器

我们首先描述和制定群体形成的问题,基本上试图找到最优的海量存储系统(MSs)中,最大化整体吞吐量,然后提出了一个调度算法来解决它。调度算法提高了整体吞吐量通过共同开发的高炉和数控技术。给定一个传输天线BS和一个接收天线MSs坐落在通信范围内的b, b可以选择传输数据包一组选定的海量存储系统(MSs)中,位于彼此分开,其质量水平超过一定阈值。注意,使用线性等距的天线阵列限制并发信号光束一定数量的数量。我们表示这个数字,在那里。

当海量存储系统(MSs)中,的数量,超过,BS选择最好的海量存储系统(MSs)中SINRs最高的(或更少)。我们认为空间分离在海量存储系统(MSs)中,利用信道向量的正交性,描述(7]。下面,我们描述我们greedy-selection-based调度算法。

我们的算法的细节描述如下:在步骤1中,是一组所有可用的海量存储系统(MSs)中,是一组预定的海量存储系统(MSs)中在哪里代表了当前迭代数。因此,最初是空的,等于。在步骤2中,我们计算,信道矢量的分量为每一个在,之前确定张成的子空间正交。注意,当,我们假设对于每一个女士。在步骤3中,我们选择女士,用的规范是最大化(即。,best MS) over each。我们更新后的值,,,连续。在步骤4中,发现最好的女士的海量存储系统(MSs)中,我们进一步确定集群SINRs大于某个阈值。我们表示这个集群。注意的价值取决于MSs通道增益以及他们BS覆盖范围内空间分布。最后,在步骤5中,我们确定为下一个迭代通过消除所有的海量存储系统(MSs)中和所有不semiorthogonal海量存储系统(MSs)中,其信道向量在一定阈值。如果不是一个空集和步骤2,然后去。否则,算法终止并返回一组与相应的集群。

请注意,算法1需要两个阈值和。在实践中,一个可以尝试多个阈值来选择/确定一个最小化总传输的数量。现在我们提出我们的第二个技术。

5.2。技巧2:Codebook-Based调度器

第二个方法,所述伪代码如下所示,使用了两个算法:算法2,决定最好的梁女士的SINR最大化和算法3,进一步减少传输的数量。结果将一组海量存储系统(MSs)中,一个优化的电报密码本和预期的传输。技术的伪代码2 开始运行算法2为每个女士}{确定最佳梁运行算法3{进一步减少传输的数量}结束返回一组的海量存储系统(MSs)中,一个优化的电报密码本和预期的传输。

算法2描述如下:在步骤1中,代表了所有海量存储系统(MSs)中,代表所有可能的光束在密码本的数量。在梁是海量存储系统(MSs)中指定的所有吗和最初是空的。在步骤2中,我们选择梁女士是谁的SINR最大化(最好的分配梁)所有可能的光束。在步骤3中,我们更新的价值和。最后,在步骤4,如果不是一个空集,然后转到第2步。否则,算法终止,返回一组海量存储系统(MSs)中。如果一些组海量存储系统(MSs)中(例如,对梁)是一个空集,这意味着b不会发送任何数据包在光束的功率分配是零。请注意,算法2最小化的方差SINRs每个梁的海量存储系统(MSs)中。

使用所有集,密码本可能不是最好的解决方案。换句话说,使用大量的密码本意味着BS花的时间成功地重新发送所有丢失数据包在海量存储系统(MSs)中最有可能有很高的SINR的水平。然而,当我们降低SINR值一定的海量存储系统(MSs)中通过消除一些套密码本和分配这些剩余集的海量存储系统(MSs)中,可以减少传输的总人数。因此,我们提出了一个算法,进一步减少传输的数量所示算法3。

算法3工作如下:在步骤1中,我们原来的密码本和海量存储系统(MSs)中在每个组。然后,我们计算的预期数量的传输在哪里是套密码本的数量。在步骤2中,我们确定最大每在海量存储系统(MSs)中分配给每组一个码书用。最好的一组密码本(),也就是说,一组的最小值最大的珀耳斯在所有组密码本,在步骤3中决定。因为价值最高的集最大的珀耳斯主导系统中的传输性能,当我们消除,传输的数量可能会减少。然后,我们把所有的海量存储系统(MSs)中所有其他现有集在第4步完成。在步骤5中,我们计算的预期数量的传输消除后设置。在步骤6中,如果第2步,然后我们去进一步引入优化。否则,算法返回码书连同的海量存储系统(MSs)中进行了优化和预期数量的传输步骤7中描述。

6。绩效评估

我们考虑一个下行信道组成的BS和多个海量存储系统(MSs)中。BS和每个女士都分别配备4-transmit 1-receive天线天线元素和元素。系统参数设置如下:最大数量的并发信号光束;操作5 GHz频率;天线阵间距在BS在哪里是波长;噪声功率;数据包大小是1000字节;每个女士的传输数据包数量是100包;BPSK调制技术。公平地说所有的海量存储系统(MSs)中,我们假设b采用循环传输调度策略。MATLAB仿真实现。

在播放场景,BS数据包发送到所有的海量存储系统(MSs)中。广播传输的一个例子是数字电视广播,所有MSs看同样的电视频道在同一时间。因此,BS只需要传输数据包无方向性,这使得它们达到海量存储系统(MSs)中。我们假设b使用一个天线,并没有必要应用高炉技术在数据传输。

为了评估我们的提出的调度算法的性能,我们认为评价四重传方案:1-Omni ARQ(即。,传统的重传技术),1-Omni数控(即。,传统的仅与NC), BF-ARQ(即。,BF with traditional retransmission technique), BF-NC with SINR (proposed technique 1: greedy-selection-based scheduler), and BF-NC with codebook (proposed technique 2: codebook-based scheduler). Both 1-Omni ARQ- and 1-Omni NC-based retransmission schemes use one transmit antenna element, and retransmissions of lost packets are respectively done with ARQ and NC techniques only. BF-ARQ-based retransmission scheme is to use BF to retransmit lost packets to a group of MSs with ARQ techniques. The group formation for BF-ARQ is based on technique 1 (Algorithm1)。拟议中的BF-NC-based重传方案使用方法1(算法12)或技术(算法2和3)。这些计划的图解积分法是在图6。

6.1。圆均匀分布在一个女士

首先,我们研究了广播场景如图7(一),有120个均匀分布海量存储系统(MSs)中,所有拥有相同的渠道获得。

记得BS使用一个传输天线在数据传输阶段,使信号/包(全方位传播)达到海量存储系统(MSs)中。在图8(一个),我们显示数据包传输的平均损失率在这些全方位传输传输功率的函数。数据8 (b)和8 (c)显示传输数据包的总数和吞吐量增益,分别作为权力的所有函数模拟传输方案。

图8 (b)表明1-Omni NC-based重传方案执行最好的在这个网络场景中与所有其他的重传方案相比,其次是BF-NC电报密码本,BF-NC SINR, 1-Omni ARQ,然后BF-ARQ。达到表演的1-Omni数控计划预计在这个网络拓扑,因为所有的海量存储系统(MSs)中体验相同的信道增益和信号强度。稍后我们将看到,这不再是当考虑更现实的场景海量存储系统(MSs)中会有不同的收益。BF-NC SINR(即。,with greedy selection) scheme, SINR thresholds are set to 3 levels (6.75, 7.25, and 8.00) for grouping MSs in each beam. For completeness and to assess the impact of incorporating the NC technique, we also measure and plot in Figure8 (c)的吞吐量增长1-Omni数控,BF-ARQ, BF-NC SINR,和BF-NC与电报密码本1-Omni ARQ-based传输方案。在所有数据中,吞吐量增益比率1意味着重新传输方案都使用相同数量的总传输。图显示1-Omni NC -和BF-NC-based重传方案达到的吞吐量增长比率2.2(即。,增长120%)和1.5(即。,50% gain), respectively. Even though both of the proposed BF-NC-based retransmission schemes have similar results, we lean towards the codebook-based one since it does not require multiple levels of SINR thresholds while still achieving similar performances.

6.2。集群分布女士一个圈

在本节中,我们考虑研究网络拓扑与女士集群分布。具体地说,我们认为网络拓扑的场景图7 (b)60海量存储系统(MSs)中,集群分成3各有20海量存储系统(MSs)中。

海量存储系统(MSs)中,每个集群都接近彼此,和渠道获得海量存储系统(MSs)中属于同一个集群是相同的(或关闭)。图9(一个)显示全向数据包传输的平均损失率(不包括重发)传输能量的函数。在图9 (b)的数量,我们将展示的总传输(包括重发)在每个研究重传方案作为传输能量的函数。首先,观察不同情况在海量存储系统(MSs)中均匀分布(见部分6.1),在海量存储系统(MSs)中不均匀分布,提出了重传方案(包括BF-NC SINR BF-NC和码书)比(即不仅传统的传输方案。、1-Omni ARQ和BF-ARQ),还与数控(即传统的方案。1-Omni数控方案)。传输需要的总数量是根据该方案大大小于下需要1-Omni ARQ和1-Omni数控,特别是对于低发射功率水平。这是因为b现在可以有效地分配权力的一组活跃BF梁而不是权力向四面八方传播,加强然后在海量存储系统(MSs)中,接收到的信号,因此,增加MSs SINRs。

第二步,我们可以画出的图是提出技术实现非常相似的总数的传输性能。这是因为当所有在同一集群海量存储系统(MSs)中也有类似的渠道获得,每个编码数据包最有可能来自所有海量存储系统(MSs)中,其丢包率是相似的。换句话说,这丢失的数据包的数量最大化编码。

我们现在情节的吞吐量增长提出方案和1-Omni数控方案与传统方案相比(例如1-Omni ARQ)。如图9 (c)的吞吐量增长1-Omni数控——BF-NC-based重传方案可以达到120%(比2.2)和175%(2.75的比率),分别。注意公司的数控1-Omni计划结果在几乎总传输的数量减半,而这些相同的数控技术整合进BF-based方案(无论是SINR或基于码书的)传输总量的减少了近三分之一。

6.3。随机分布在圆女士

最后,我们研究网络拓扑女士与一个随机分布。特别是,我们考虑图的网络拓扑的场景7 (c)120海量存储系统(MSs)中,随机分布在距离基站,这样他们的渠道获得均匀分布在0.7和1.3之间。此外,角都是正态分布的均值90和标准偏差的30度。任何站以外的范围度忽略。

数据包传输的平均损失率在这些全方位传输图所示10 ()。BF-based传输方案在这种情况下的性能受到的1-Omni数控方案如图10 (b)。具体来说,1-Omni数控方案有最好的结果NC-based重发(即紧随其后。,BF-NC SINR或码),1-Omni ARQ,分别和BF-ARQ。最后,图10 (c)显示了吞吐量增益对1-Omni ARQ方案。这是当移动台是直觉上分散太多,波束形成变得不那么有效。在这种情况下,omnitransmission意义和数控用更少的重发提供了额外的好处。因此,1-Omni数控传动方案执行最好的。

6.4。影响的数量的海量存储系统(MSs)中

在本节中,我们想要研究的海量存储系统(MSs)中对性能的影响行为。在这个模拟中,我们使用图的网络拓扑7(一),海量存储系统(MSs)中多种多样的数量从120年到300年。在所有情况下,所有的海量存储系统(MSs)中有相同的频道收益。图(11日)显示传输的数量变化随着海量存储系统(MSs)中不同数量的每个提议的传输方案。正如所料,当增加的海量存储系统(MSs)中,BS倾向于花更多的时间成功地重新发送所有丢失数据包对应的海量存储系统(MSs)中。使用BF-NC时传输的码重传方案小于BF-NC与贪婪的选择(SINR)传输方案。注意,MSs的数量影响的吞吐量增益BF-NC-based重传方案;这是显示在图11 (b)。越高的海量存储系统(MSs)中,结合更多的机会越高电源之前丢失的数据包,从而导致更高的吞吐量增长(较小的传输)。

7所示。结论

本文提出了两个联合BF / NC-based无线广播调度算法下行通道。第一个算法依赖于贪婪的选择基于他们的SINRs海量存储系统(MSs)中,而第二种算法使用电报密码本集团和调度海量存储系统(MSs)中。贪婪的选择方法包括使用MSs正交性和物理位置来最大化他们的信号通过无线网络质量。codebook-based方法,另一方面,使用一个预定义的码书生成多组正交梁。

我们的结果表明,所提出的技术/算法增加了整体吞吐量通过最小化传输尝试的数量。

我们的模拟表明,技术显著减少重传的次数,从而实现高吞吐量增加多达175%的广播传输相比,传统的ARQ传输方法。

附录

在本节中,我们证明我们BF-NC调度问题是np困难的。首先,我们知道,著名的问题“调度不相关的并行机器(SUPM)”是np难19]。证明我们BF-NC-based调度问题是np难,我们需要显示的减少SUPM问题我们的问题。在SUPM问题,有一个组工作用和一组用并行机器与他们相关的速度因素。泛化的相同的机器,他们可以以不同的速度运行,但均匀。为每台机器速度因素的处理时间的工作()机用可以计算为。请注意,每台机器只能一次一个工作流程。因此,机器上的总时间是。我们的目标是找到一个最大完工时间最小化,这样的调度器 在哪里和。形式上,SUPM问题是一个包含问题的实例如下:

鉴于SUPM问题的实例,我们可以构建以下版本的BF-NC-based调度问题,减少如下。海量存储系统(MSs)中都是一组。一组丢失的数据包属于女士是。特别是,这项工作在最初的问题是我们问题简化为一组数据包丢失女士(即,)。为每一个梁女士,我们随机分配用一组丢失的数据包一群海量存储系统(MSs)中对所有组,如图12,在那里和。在这种情况下,我们设置分配一组数据包丢失一组(梁)。注意,这是我们BF-NC-based调度问题的特殊情况当所有丢失的数据包在每组不能总和。因此,减少变量来可以通过。

假设我们有解决BF-NC-based调度问题的最优解。完成,我们可以证明我们BF-NC-based调度问题的最优解是一个SUPM问题的最优解如下。首先,我们只使用一组正交的男朋友光束从一个给定的速率。例如,BS只使用集合,然后我们组和在(8),。因此,我们有 在哪里和是一组编码/未编码的失去了基于数控技术在梁数据包为女士和包错误率在梁,分别。回想一下,在每个梁失去所有数据包不能在这种特殊的情况下。因此,一组数据包丢失女士严格取决于,在那里。在这种情况下,我们可以重写(a .)如下: 在(各),时间成功地重新发送所有丢失的数据包是时间重新发送所有的总和在哪里。

比较(. 1)(各),假设存在一个函数的减少来的,所有实例SUPM问题简化为我们BF-NC-based正确调度问题。这是 的解决方案(各)是一组对所有和。从(本),这两个目标函数可以简化为彼此,反之亦然。这意味着我们BF-NC-based调度问题的最优解(各)是一个SUPM问题的最优解(. 1)。此外,SUPM问题可以简化为我们的问题在多项式时间内。到此结束,我们的问题是np难。

引用

1. p . Viswanath和d . n . c .谢霆锋”和能力向量的高斯广播频道和uplink-downlink二元性,”IEEE信息理论卷,49号8,1912 - 1921年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
2. k .黄r·w·希斯和j·g·安德鲁斯,“空间划分多个访问和反馈速度约束,“IEEE信号处理,55卷,不。7,3879 - 3891年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 崔w·a . Forenza j·g·安德鲁斯和r·w·希斯”与梁的选择机会空分多址”,IEEE通信,55卷,不。12日,第2380 - 2371页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. b . d . Van Veen和k·m·巴克利“波束形成:多功能空间滤波方法,”IEEE ASSP杂志,5卷,不。2,4-24,1988页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. g . Dimić和n . d . Sidiropoulos”下行波束形成与贪婪的用户选择:性能分析和一个简单的新算法,”IEEE信号处理,53卷,不。10日,3857 - 3868年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
6. “t Yoo和a·戈德史密斯优zero-forcing波束形成与多用户的多样性,”《IEEE国际会议通信(ICC 05)1卷,第546 - 542页,2005年5月。视图:谷歌学术搜索
7. t . Yoo和a·戈德史密斯”使用zero-forcing multiantenna广播调度的最优波束形成,”IEEE在选定地区通讯》杂志上,24卷,不。3、528 - 541年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. h .阴和h .刘”的性能空分多址(SDMA)与调度,“IEEE无线通信,1卷,不。4、611 - 618年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. r . Ahlswede n . Cai郑胜耀r·李和r·w·杨,“网络信息流动,”IEEE信息理论,46卷,不。4、1204 - 1216年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|Zentralblatt数学|MathSciNet
10. d .阮t Tran、t .阮和玻色,“无线广播使用网络编码,”IEEE车辆技术,卷。58岁的没有。2、914 - 925年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. f·沙德,t·d·托德诉Kezys和j . Litva”室内SDMA能力使用智能天线基站,”第六届国际会议上通用个人通信学报》(97年ICUPC”),2卷,第872 - 868页,1997年10月。视图:谷歌学术搜索
12. 崔w·a . Forenza j·g·安德鲁斯和r·w·希斯”能力的机会空间划分多个访问梁选择,”《IEEE全球电信会议2006年11 - 12月刊,页1 - 5,。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. n文德兰花:金达尔,h·c·黄”波束形成和有限速率反馈洛杉矶MIMO下行通道,”学报》第50届IEEE全球电信会议(GLOBECOM ' 07)2007年11月,页4200 - 4204。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 诉Raghavan, a . m .细哔叽,n .波士顿”的有限反馈波束形成算法码书结构相关MIMO渠道很少有天线,”《IEEE国际研讨会信息理论(06年访问)2006年7月,页2622 - 2626。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. d . j .爱和r·w·希斯”Grassmannian波束形成对相关MIMO信道,”《IEEE全球电信会议11 - 12月刊110年,页106 - 2004。视图:谷歌学术搜索
16. k . Amiri d·沙姆西基地、b . Aazhang和j . r . Cavallaro”自适应波束形成的电报密码本有限反馈MIMO系统,”学报》第42届会议信息科学和系统(cis ' 08)2008年3月,页994 - 998。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. k黄、j·g·安德鲁斯和r·w·希斯”的正交波束形成性能SDMA有限反馈,”IEEE车辆技术,卷。58岁的没有。1,第164 - 152页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. a·戈德史密斯无线通信》,剑桥大学出版社,2005年。
19. k·詹森和l . Porkolab“改进的近似方案调度并行机器无关,”31届ACM学报》研讨会上的理论计算(FCRC ' 99)1999年5月,页408 - 417。视图:谷歌学术搜索

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