文摘

本文研究了端到端(e2e)数据率dual-hop再生(DF)基础设施传送不同的资源分配方案。在这种背景下,我们首先提供一个最佳的资源分配方案的比较分析对其他方法提供洞察系统行为,显示每个替代的好处。然后,假设最优资源配置,一个封闭的形式表达的分布均值和中断的数据率。事实证明,相应的意思是e2e数据速率公式获得的积分表达式,不承认一个封闭形式的解决方案。因此,严格的下界公式意味着e2e数据速率。结果可用于选择最方便的资源分配方案和执行链接尺寸在网络规划阶段,显示组件链接带宽之间存在的显式关系,信噪比的值,意味着数据速率。

1。介绍

不断发展的移动通信系统由于增加需求更高的数据速率,更好的覆盖率,改善服务。例如,全球有近76亿手机用户启用移动网络运营商在2017年第一季度(Q1)。可以看出目前有39亿智能手机订阅,46亿移动宽带订阅,和21亿年长期演进(LTE)订阅它预计将达到68亿,83亿年,2022年和50亿年,分别由(1]。此外,预计全球移动数据流量将由2021年[49 eb每月2]。此外,物联网(物联网)和E-health服务是新兴的司机和其他越来越多的垂直应用程序和商业模式(3]。

更好的数据速率和覆盖需求的增加导致了严格的性能要求,无线接入网络。因为传送被认为是一种有希望的技术来提高移动网络覆盖和容量,中继节点(RNs)预计将形成未来移动网络基础设施的一个组成部分。因此,继电保护已包含在标准的第三代合作伙伴计划(3 gpp)长期演进版本10 (LTE-Advanced)之外,也将发挥关键作用5代(5 g)网络。

继电保护技术可以分为几组根据他们的操作模式。本论文的重点是所谓的基础设施(固定)传送,它假定RNs的位置选择的手机网络提供商在网络规划阶段延长细胞覆盖率,提高移动网络在其覆盖范围的容量(4]。由于传动功率的基础设施,RNs通常保持不变控制有害cochannel干扰对邻近的细胞。基础设施继电器可以大致分为两组:Amplify-and-Forward (AF)和再生(DF)。在房颤,RNs直接放大接收到信号,从/到基站(BS)前重新传输/从用户设备(UE)。另一方面,DF RN解码前的信息从接收到的信号传输到目的地。在以下,重点将端到端(e2e)基础设施DF继电保护的性能。通过中继链路(RL)和访问链接(AL),我们把BS-RN RN-UE链接,分别如图1。

再生中继在文献中一直得到广泛的研究。继电器的性能和能源效率增强网络获得了大量的利益;见,例如,(5- - - - - -15]。最近DF传送的缓冲性能的影响也被研究引用像(16]。然而,尤其是在分析研究中,DF继电保护系统的性能分析进行了假设之间长期的时频资源也同样共享RL和艾尔链接(17- - - - - -22]。在最近的一些工作(23,24),最优资源分配的概念(RA)介绍了(25)也被认为是。我们回想一下,资源配置是相同数量的数据时最优转移对RL和艾尔在每个广播帧。一个更正式的定义这一概念提出了部分3。在这种背景下,不同作者研究了继电保护性能的提高频谱效率提出了适应和中继选择方案的实现率(23),以及自适应调制方案(24]。然而,我们所知,分析e2e数据率和闭型表达式的推导分布存在最优资源分配之前文献中并未得到解决。

贡献。本文的主要贡献是三倍。首先,我们进行比较分析的几个资源分配方案;即传统RA (RL和艾尔同样共享资源),固定RA (RL和资源是按比例分配根据相应的平均数据速率),和最优RA (RL和铝资源分配根据瞬时的数据率在每个链接)。其次,假设风湿性关节炎的最佳方案,我们得到一个封闭的形式表达概率分布函数的均值和故障两跳DF继电保护系统的数据速率。最后,使用最优RA方案时,意味着e2e数据速率达到一个表达式的一个积分,不承认封闭形式的解决方案。因此我们推出的下界公式近似平均e2e成功数据速率性能。

剩下的纸是组织如下:部分2给出了系统模型和相应的信道建模的假设。部分3解释了不同RA方案研究,描述之间的差异传统RA,固定RA有/没有缓冲,最佳RA。封闭形式表达,描述瞬时,意思是,DF传送系统的故障数据速率和最佳RA节中给出4。结论部分5,而未来扩展的研究本文简要讨论的部分6。

2。系统模型

本文的两跳中继系统被认为是图所示1。在这个模型中,之间的通信问题和BS总是发生使用RN作为一个中间节点。广播帧的持续时间假定,艾尔和RL假设之间的通信资源的共享一个无限小的粒度。半双工操作被认为是,RN不能同时发送和接收信息;因此, ,在那里和对应的时间分配给RL和阿尔•传播,分别。

以后,下标””和“”是指RL和基地,分别。每个链接的可实现的数据速率能够支持取决于它的带宽分配和接收信噪比。因此,根据香农公式,实现率在传输时间间隔(创科实业),对应于每个广播帧是由 在哪里和对应的带宽分配给每个链接,和代表瞬时信噪比的值,这是假定为常数在每个创科实业,但据快衰落进行数据之间可能会有所不同。在基础设施传送,RNs形成一个固定的网络的一部分,他们的位置是在部署阶段精心策划,这样一个强大的视距(LoS)组件存在向服务b有足够高的概率。事实上,信道模型在实际系统考虑场景组件存在于继电器链接,例如,(26]。在这些通信场景中,低信噪比的变化RL预计,因此,Ricean分布模型可以用于无线信道快衰落分量的RL (27,28]。在美联,另一方面,视线范围(仿真结果条件被认为是问题的位置通常是随机变量;因此,瑞利分布模型可以用于无线信道的快衰落组件,如图1。

3所示。资源分配

这部分介绍了不同的RA方案,可以根据使用的灵活性两跳DF传送系统更新的通信资源分配给RL和艾尔。四个不同的RA方案分析:传统的RA,固定RA有/没有缓冲区,和最佳的RA。

3.1。传统的类风湿性关节炎

在这个方案17,29日),同样分为RL和艾尔的时候,也就是说, 。因此,传统的e2e数据率()是由 换句话说,两个链接的性能取决于相应的信噪比,和经历的链接最低信噪比将代表总体的瓶颈e2e继电保护系统的数据速率。在这里,1/2的因素是由于半双工的约束。

3.2。固定RA没有缓冲

在这种类型的RA的方案中,的值和选择每个链接的平均数据速率比例,也就是说,和 。因此,我们可以写出没有缓冲(用), 从(3),我们得到

因为在一般 ,时间分配为每个链接将是不同的,也就是说, 、验证 。因此,整个有效载荷e2e链路上传输的数据

使用(5),e2e数据速率可以写成: 在第二个平等遵循从(4)和第三个平等 。此外,我们可以应用这个公式 在(6),获得 三个不同的封闭形成e2e数据率的解决方案可以在这种情况下解决模数运算符;也就是说,

3.3。固定RA与缓冲

在RA计划中,假定RNs拥有庞大的缓冲区,以防止数据在传输过程中溢出。RN buffer-aided传递,可以更好地利用之间的信道状态信息,而选择在RL。缓冲和传播也使RN在调度有效利用时间的多样性。在这个传送类型,b可以继续RL无论信道上的传输质量。在深衰落的情况下,数据可以存储在RN的缓冲区,直到AL再次变得适合传输通道条件。一次,艾尔通道条件优惠,然后,RN可以向前之前缓冲数据的问题30.- - - - - -32]。在此设置中,我们表示的e2e数据速率 。因为相同的传输的数据量对RL和艾尔在长期的关系 应该持有。然后,我们发现

3.4。最优的类风湿性关节炎

最佳资源共享的概念啤酒花连接开发(25]。在这个方案中,e2e数据率()是最大化时同样的传输的数据量在每个创科实业每个链接。这相当于确认 适用于每个广播帧。为了实现条件(11),需要适当的资源分配;的选择 , , ,和取决于每个链接的瞬时信噪比(原则上,调整权力是另一个自由度;然而,这项工作涉及基础设施固定中继,BSs和RNs下行的传动功率保持不变,以避免潜在的有害cochannel干扰向相邻的细胞)。因此,时间和带宽的自由度来实现(11)。实际的实现,如2型DF传送LTE-A和移动WiMAX [33),提供方便分配时频资源的方式,这样可以实现最佳的资源分配或至少接近(由于一个实际的存在粒度的资源分区)。因此,使用(1)和(11),最优e2e数据速率的表达式如下:

3.5。不同的RA方案的性能比较

当我们比较不同RA方案的效率,提出了到目前为止,可以显示 成立。自传统RA方案没有缓冲RN和总是把通信资源同样RL和半岛之间,它的表现显然不如对应于其他中继转发策略。然而,传统RA是最简单的方案在实践中分配资源。固定RA没有缓冲调整广播帧的传输时间符合长期(预期)的数据率,每个链接能够支持;看到(3)。然而,由于缺乏一个缓冲RN,不仅其e2e数据率较低的对应固定RA与缓冲方案,但也最优RA计划,调整传输时间和RL和艾尔及时率;看到(11)。最后,我们注意到固定RA与缓冲也比最优RA策略给出了(12)当预期的e2e数据率进行了比较。虽然可以 瞬时数据速率,在固定RA缓冲区可以支持 和 。还请注意,詹森不等式验证 ;看到(12)和(13);然而,值得注意的是,缓冲区的使用引入了额外的延迟和额外的硬件成本,作为数据块运输RL和艾尔的广播帧通常不匹配在同一创科实业。

图2介绍了累积分布函数(CDF)的收益可以通过最优的方法,对上述基线计划(即。,传统的RA和固定RA和没有缓冲)。最优RA总是提供了重要的收益对传统和固定RA不使用缓冲区。我们回想一下,在固定RA的缓冲区可以支持的情况 和 ;因此,有时 ,如图2。然而,代表rate-optimal RA策略提供一个缓冲RN不可用。

3.6。信道状态信息的作用

实现一个RA计划长期和短期信道状态信息(CSI)可以使用。保持简单的讨论,我们专注于通信和假设接收机的下行方向一直短期CSI(从飞行员获得信号通过一个合适的信道估计过程),而发射机可能长期或短期CSI只有在接收机通过一定的反馈机制(即提供它。,频分双工空气接口)。快速反馈是短期长期CSI CSI和缓慢。在这里,“快速”和“慢”指提供反馈的速度相比,无线信道的相干时间。

我们注意到任何依赖的RA方案瞬时利率(例如,和)应该有短期CSI RL和艾尔在每个创科实业RA决策。这是风湿性关节炎的最优方案,RN应该请求CSI的报告问题之前执行的资源分配(会同BS)固定RA RL和艾尔。没有缓冲,传输时间和选择比例每个链接的平均数据速率。因此,只有长期CSI是需要选择的资源分配,确定后,保持固定创科实业。同样,固定RA缓冲区只适用于长期CSI。最后,如果快无线电层调度应用于无线链接,然后短期CSI总是必要的。

4所示。端到端数据率最佳RA

在本节中,我们重点描述的数据性能优化RA计划,调整时间共享的通信资源分配给RL和阿尔创科实业的基础上。CDF实验组的e2e数据速率的第一特征,在那之后,关闭形式表达意思和中断的数据率也得到了。

4.1。信噪比的近似分布继电器链接

通过结合(1)和(12),最佳RA计划的e2e数据速率可以表示如下: 在哪里和RL的瞬时信噪比和基地,分别。如果这些无线链接的快衰落组件承认Ricean (LoS)和瑞利衰落分布仿真结果),那么概率密度函数(pdf)和是由(28] 分别。在这些方程,和代表RL和艾尔的平均信噪比,分别。此外,零级修改第一类贝塞尔函数(34),使数学分析(14)的挑战。然而,与强大的洛条件实际情况,Ricean因素可以大;见,例如,提供的分析(27),12 dB的典型值的顺序可以很容易地观察到。假设高因素,我们假设在分析信噪比是常数在《BS和RN之间的联系。虽然结果(27)提供一个好的理由这样的假设,我们通过模拟在以下验证它。图3显示了它的在(14),考虑到艾尔总是分布式根据信噪比(16)。RL的信噪比,我们考虑两种情况:首先,我们假设RL快衰落是分布式根据(15);然后,我们考虑一个常数RL的信噪比( )。图3显示了它的为不同的和 ,与 在所有情况下。结果表明,恒定信噪比的假设是有效不仅产生的分布,而且平均偏差 ,位置的值> 12 dB是验证近似误差总是小于对整个数据速率范围考虑。事实上,假设恒定速率RL(例如,常数),这种行为也是由詹森不等式证明如下: 的下界e2e数据率是渐近紧,意味着什么Ricean分布的因素。

4.2。概率分布为瞬时e2e数据率

从(12),提供可以通过一个标准的改变的一个随机变量35]。首先,通过设置 和解决而言, ,可以写 的提供承认以下公式: 在哪里 。第二,艾尔的信噪比可以表示为的函数如下: 然后,可以写 通过结合(12),(20.)和(22),是由 在哪里 如果 和 如果 。因此,使用(16),就变成了 使用(23),的PDF的情况下也可以推导出吗还有另一个分布,如Nakagami或威布尔(28]。通过的导数(24),的PDF是由 提供的呈现在图4,我们对RL(假定意味着信噪比)是dB。垂直虚线右边的图描绘了上限的e2e数据速率得到如果AL的信噪比非常大(即生长。,上界)。我们也出了CDF曲线当AL信噪比dB(深蓝色曲线)和dB(橙色曲线)。带宽的影响,说明了设置 (虚线)和 (固体曲线)。

结果表明,平均信噪比之间的不平衡的RL和艾尔的e2e数据速率性能会严重降低风湿性关节炎的最优方案。如果AL的平均信噪比明显低于平均信噪比的RL(见蓝色曲线),那么可以在一定程度上补偿不平衡分配更多频率资源。然而,固体之间的差异和冲深蓝色曲线在高概率最大的地区,虽然减少了尤其是在低概率的地区。因此,如果艾尔的平均信噪比很低,那么额外的频率资源的使用在增加e2e AL不一定是有用的数据率的性能。

也可以观察到,如果平均信噪比RL和半岛是相同的(橙色曲线),然后e2e数据速率增加同样的低和高概率区域当频率资源增加。因此,可以得出结论,增加频率资源在美联是一个更有效的选择意味着信噪比之间的不平衡状况和艾尔RL并不显著。我们也注意到,即使AL适用四倍比RL频率带宽,然后e2e数据率不是很接近上限的性能极限。而最优的e2e数据速率RA计划渐近方法时的上限 增加,改进的e2e数据率效率获得额外的频率资源的减少时 变得更大。

4.3。风湿性关节炎意味着e2e数据率的最优方案

平均(平均)e2e数据率()可以通过计算的期望值如下: 假定常数 ,我们继续通过编写(26)的形式 因此,计算固定带宽AL (RL)和瞬时数据率()。自 ,预计RL由分时 。这个值可以使用如果时间分享RL和基地之间需要固定。自更容易处理比 ,分部积分法是用于获得 然后,通过使用(24),替换 和集成范围 和 ,可以改写如下: 分部积分后,(30.)可以表达形式 从一个封闭的形式表达的定积分(31日)不存在,我们推导出紧下界的意思是e2e数据速率,也可以作为一个很好的分析近似下部分4.5。现在让我们考虑相对时间的分布( ),这是用来确定RL传输时间的分配资源。根据(11),我们有 ,因此, 艾尔,分享的时间 可以计算 。(提出的提供32)可以用于尺寸在蜂窝网络规划阶段:我们可能需要,例如,RL相对传输时间是在一些预定义的阈值有一个给定的概率 。这样的要求的原因可能节省一些RL资源服务的必要性的问题直接连接到RN BS作为捐赠的。我们注意到(32)也特征的相对数据率损失的最大数据速率RL能够支持。即,如果理想RL取而代之的是一个与一个有限的数据速率 ,损失的e2e数据率 ,相对损失 。相对数据速率损失时可以作为绩效指标对比的数据速率RN (RL)的数据速率限制和pico-base站(没有数据速率限制在回程)能够提供。

4.4。风湿性关节炎停机数据率为最优方案

故障数据率被定义为最大数据速率这样 验证,中断概率(36]。为了获得一个表达式 ,我们开始写 后者遵循平等(23)。故障数据率可以从(分析计算33)提供的倒数承认一个封闭的形式表达。如果AL的信噪比被认为是指数分布(瑞利衰落),然后我们发现 在哪里故障数据率获得作为一个解决方案吗 因此,从(34)和(35),我们看到e2e数据速率公式(12)定义了一个直接的关系中断的数据速率和艾尔e2e链接。现在让我们回到我们的讨论之间的分时RL和艾尔。同样,我们注意到,使用分布(32),可以计算(34)分时阈值应验证对于一个给定的多余的概率 。

图5显示了平均(平均)e2e数据率()和停机e2e数据率()作为一个函数的平均信噪比的。在所有情况下,认为在RL平均信噪比dB。的性能上限和 ,这取决于意味着RL的信噪比,用黑色虚线表示。一个更多的时间,我们已经绘制曲线的情况下 (深蓝色曲线)和 (分别为橙色曲线)。

图5(一个)显示平均e2e数据速率与最优RA可以使用额外的频率明显增加了资源的。让我们考虑两种情况: Mbps和 Mbps。我们注意到, Mbps获得当 dB为 和 dB为 。然而,如果我们的目标平均数据速率Mbps,那么意味着在AL应该增加信噪比 dB为 和 dB为 。

图5 (b)显示了停机的故障数据率的概率%(固体曲线)和%(虚线),分别。正如所料,故障数据率减少降低中断概率时,这种情况代表了更严格的要求的服务质量(QoS)。因为冲和坚实的曲线相同的颜色成为相互接近时铝的平均信噪比的增长,我们得出这样的结论:为保证更好的e2e无线链路可靠性性能损失(降低中断概率)可以部分抵消分配更多资源链接。我们也注意到积极的影响,提供更大的带宽在艾尔时铝的平均信噪比很低。

4.5。下界近似平均e2e数据率

为了获得一个下界 ,集成域(31日)分为三个小区间,这样 验证。这背后的基本原理在于定义集成范围,这样每个定积分与 承认一个封闭形式的解决方案,代表一个上界在其相应的集成时间间隔。具体的表达式 , ,和 ,推导在附录中,介绍了(37),(38)和(39),分别。第一子区间是由 , 。因此,它可以显示 指数项的地方(31日)已经取代了其泰勒级数展开争论 。请注意,(37)提供一个上限只有当术语的数量之和()是奇数。右侧功能(37)可以综合分析,给出了封闭形式的解决方案而言,指数积分函数 ;看到(a .在附录中。第二子区间是 , 。因此, 在哪里代表一个对数函数的线性插值(一阶),这样 和 进行了验证。由于对数函数是凹, 在 因此,(38)是有效的。附录中给出了解决方案;看到(如系)。的第三子区间 。因此, 结合后(37)- (39),下界的表达式得到如下: 封闭形式定积分的表达式(37)和(38在附录)派生;看到(a .)和(如系)。图6显示的准确性增加迅速, ,的相对误差比低%的 (实际平均信噪比的值)。的最优值和使用数值方法被发现。

5。结论

本文比较分析几种RA计划(即。,传统的RA, fixed RA with and without buffer, and optimal RA) was presented in the context of a two-hop DF infrastructure relaying system. Based on the obtained results, it is possible to conclude that the optimal RA scheme that was presented provides a notable performance gain when compared to the other baseline RA schemes, which kept the communication resources in both RL and AL fixed or adjusted them slowly in long-term. Moreover, it was possible to derive closed form expressions for the CDF and PDF of the e2e data rate when optimal RA scheme is used. This work also contributes by calculating the mean and outage data rate for the e2e relaying link.

在基础设施传送系统,如考虑的4 g网络,RL容易成为性能瓶颈;这是因为macrocellular BS RL频率资源分配少,相比RN的资源可以分配的。在此之前的事实macrocellular BS必须与许多RNs和分享其频率资源问题同时,而一个RN通常是一个较小的地理区域和更多的带宽分配问题的可能性。因此,我们发现性能的影响可用带宽RL和艾尔是显著的。借助最优RA计划,可以表明RL的使用可以明显提高的效率。这种效应表明一个非常积极的影响e2e数据速率传送系统的性能。

最后,严格下界近似意味着e2e数据速率的两跳DF传送系统是获得使用一种新颖的理论方法。这些结果阐明了设计参数和系统变量之间的复杂关系,从而提供关键的见解基础设施传送尺寸和无线资源管理的角色(RRM)在当代异构网络。

6。未来的工作在RA:一些5 g继电保护的挑战

虽然本文研究在本质上是通用的,是数学分析的基础上,我们的工作在很大程度上是出于4 g LTE基础设施传送系统模型。即认为半双工DF RNs放置在大宏单元,在所谓的捐赠者eNode B是RN RL,和RN本身充当其他小eNode B的角度来看问题。在5克,一些新引入的挑战可能会发生。从继电保护的角度来看,预计相关的主要挑战将5克的特性,比如使用更高频率的无线电通信载波(mmWave)、触觉互联网,移动RNs和继电保护设备间(D2D)通信。

在mmWave通信中,高频运营商最好用于小细胞,极高的数据率预计将运输使用大的带宽。这对RA方案提出了挑战,应使用RL和艾尔。让我们举个例子:如果,例如,一个小RN放在一个灯柱,那么问题要求非常高的数据速率可能出现和消失得很快。因为在这种情况下很可能在范围几乎没有RNs(位于附近的灯的帖子),传入的高数据率每可以预测问题。也就是说,系统可能应用预测在几个RNs RA。然而,设计这样的系统将是非常具有挑战性的。我们还注意到频谱使用RL和艾尔5 g的可能是更复杂的比4 g。例如,RL和艾尔可能操作在不同的无线电运营商(所谓的外圈框石传递),以适应RL和艾尔的数据率和/或分享负载在不同频率运营商。

触觉网络指的是极低延迟、高可用性、良好的可靠性和强大的安全提供互联网服务。从继电保护系统的角度来看,主要的挑战是来自低延迟和可靠性要求。天性,收音机的延迟协议(例如,RA)在两跳传输更大,而不是直接传播。甚至更重要的是,由于严格的延迟需求,有效利用缓冲区RN暂时存储数据是具有挑战性的,因为它可能会增加通信延迟明显。最后,保持两跳通信可靠、RL和基地,以及利用RA,应精心设计的。

RNs移动传送不是静态的定义。然后,可以支持的数据速率时间和RL可能会改变,因此,最优的实现在RL和阿尔•RA计划成为一个挑战。此外,网络协议的交接过程中带来了进一步的挑战在RA RL。继电保护在D2D创建全新的RA的问题:我们需要确定最好的RN(在许多候选人),考虑到源节点,RN,和目标节点移动,改变其可行性活动时动态地源节点服务RN减少由于某种原因。设备继电保护也可能有限缓冲功能。

附录

右侧功能(37)可以集成获得一个封闭的形式通过设置 作为 在哪里 。然后,用 和 ,可以看到 成立。经过一些处理,(34、使用道具4.281.3]。是上有界 这个词一直使用线性插值计算对数函数的区间 ,这样 ,因此 提出的假设下的线性插值,可以显示 结合表达式 , 和指数积分函数的近似34] 以及进一步的数学操作,上界的定积分近似(各)可以改写如下: 在哪里 和 。因此, 终于获得。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了芬兰科学院授予287249年和311752年。