无线多跳网络下基于过时信道状态信息的跨层资源分配

2014-06-02冯穗力丁跃华

电子与信息学报 2014年11期

冯维冯穗力丁跃华黄鑫②

冯维①冯穗力*①丁跃华①黄鑫①②

①(华南理工大学电子与信息学院广州 510640)②(华南师范大学物理与电信工程学院广州 510006)

对于无线多跳网络跨层资源分配算法的研究大多是建立在假定每个节点能获得网络中其他节点的完美的信道状态信息(CSI)的基础上。但是由于信道的时变特性和CSI的反馈延时，在动态变化较快的无线网络中，节点所获得的CSI很可能是过时或者部分过时的。基于这个前提，该文首次在动态无线多跳网络跨层资源优化分配算法中考虑了CSI这种变化的影响，并提出了一种相应的分布式联合拥塞控制和功率分配算法。仿真结果证明该算法能够极大地提高网络效用和能量效用。

无线多跳网络；信道状态信息；动态跨层资源分配；分布式算法；能量效用

1 引言

目前已有大量学者针对无线多跳网络跨层资源分配算法展开了研究，并取得了许多研究成果。文献[1]指出了跨层设计的动机和必要性，并总结了近十年来跨层联合优化方面的相关研究成果。文献[2]针对多信道无线多跳网络，提出了一种考虑时延因素的联合速率、路由和调度的跨层公平带宽分配算法。该算法将联合速率、路由和调度的跨层优化问题描述成一个网络效用最大化问题，然后采用对偶分解的方法获得该问题的次优解。文献[3]将无线多跳网络的功率控制和信道分配问题联合建模为一个效用最大化问题，并提出了求解此问题的集中式和分布式算法。文献[4-7]分别针对层与层之间不同的关系和不同的服务质量(Quality of Service, QoS)要求提出了一种跨层资源分配算法。尽管如此，这些算法都依赖于一个重要的假设：节点所收集的CSI是实时的，完善的。而事实上，节点所收集到的信道状态信息往往是不完善的，过时的。这是因为：(1)接收端在估计出CSI之后，需要将此CSI反馈至发送端，有时甚至需要将此信息发送至其他节点，不同的网络环境将会带来不可预计的延时；(2)网络状态信息不可能频繁地发布，否则会极大地增加网络负载。上述两种因素对CSI的影响一般难以避免，需要采取其它措施来消除或降低其影响。根据我们的调研，目前只有少数文献在正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)的下行传输过程[8,9]和认知无线电主从用户共享信道资源环境下的频谱感知过程[10,11]中考虑了CSI过时的影响。但上述这些结果均无法解决无线多跳网络系统中CSI误差带来的问题。

本文首次研究了无线多跳网络跨层资源优化分配过程中过时CSI带来的影响，并通过在建模资源优化问题时考虑CSI的过时以减少这种影响。本文考虑的优化问题是：在已知存在过时CSI的基础上实现无线多跳网络的联合拥塞控制和功率控制。

接下来的文章组织如下：第2节提出了系统模型和优化模型；第3节提出了分布式优化算法；第4节对算法进行了仿真，并对仿真结果进行了分析；第5节总结全文。

2 系统模型和问题建模

2.1 系统模型

2.2 问题建模

本文需要解决的问题是：已知过时的CSI，在满足业务流速率分配公平性要求下，联合功率分配和拥塞控制，达到最大化网络总吞吐量的目标。

又链路可用容量可表示为

综上所述，我们的优化目标是求解如下的网络效用最大化(Network Utility Maximization, NUM)问题：

3 分布式联合优化算法

第2节中得到的NUM问题计算复杂度很高，难以集中在某个控制节点中完成。本节基于拉格朗日对偶分解技术[12]，提出一种分布式优化算法来求解式(11)。该分布式算法通过求解原问题式(11)的对偶问题的解来代替求解原问题式(11)。原问题式(11)的对偶问题表达为

对偶函数为

和

3.1 分布式功率控制子问题

与式(20)同理可得

对式(24)的第2部分再次运用参考文献[10]中式(33)得

至此，我们可以求得

3.2 算法的实现步骤

步骤1 初始化所有变量。

步骤4 返回到步骤2直至结束。

3.3 计算复杂度和收敛性分析

又由强对偶原理[12]可知，凸优化问题经过拉格朗日对偶分解方法求出的对偶问题的极值点也为原始优化问题的最优解。所以，该算法在迭代步长能满足收敛步长要求的前提下，能保证动态追踪到原始问题的最优解。

4 数值仿真和性能分析

网络效用曲线如图1所示。由图1可知，使用过时的CSI来进行资源分配只能收敛到网络效用的次优值，这是因为根据过时CSI所分配的流速率可能超过了链路实际可利用的速率，所以实际的网络效用会降低。

公平性指标曲线如图2所示。由图2可知， CSI过时时间越长，公平性越不理想。这是因为过时时间越长，网络在进行资源的优化分配计算时对现状的了解越少，越难公平的分配资源。而在本文的算法中，由于考虑过时CSI的影响，公平性性能得到改善。能量效用曲线如图3所示。在有限的功率约束下，传统算法根据过时CSI来分配资源，会导致下面两种情况：(1)节点分配的链路速率超过链路实际可利用容量，流传输的实际速率降低；(2)节点分配的链路速率低于链路实际可利用容量，造成链路资源的浪费。这两种情况都会导致网络总能量效用降低。

5 结束语

本文首次在动态无线多跳网络中考虑了过时CSI对跨层资源分配带来的影响，并提出了一种考虑过时CSI影响的联合拥塞控制和功率控制的算法。相比集中式的优化算法，该算法具有较低的计算复杂度，因此更适用于无线多跳网络环境，且仿真结果进一步表明，算法能够改进网络资源分配的合理性，提高网络总体效用，降低能耗。

图1 网络效用

图2 公平性

图3 能量效用

[1] Path H and Rudra D. A survey of network design problems and joint design approaches in wireless mesh networks[J].&, 2011, 13(3): 396–426.

[2] Xiong H, Li R, Eryilmaz A,. Delay-aware cross-layer design for network utility maximization in multi-hop networks[J]., 2011, 29(5): 951-959.

[3] 黄鑫, 冯穗力, 柯峰, 等. 无线mesh网络中基于效用最优的联合信道分配和功率分配算法[J]. 电子与信息学报, 2011, 33(11): 2600-2604.

[4] Augusto C, Carvalho C, da Silva M,.. REUSE: a combined routing and link scheduling mechanism for wireless mesh networks[J]., 2011, 34(18): 2207-2216.

[5] Shi Y, Hou Y, Kompella S,. Maximizing capacity in multihop cognitive radio networks under the SINR model[J].,2011, 10(7): 954-967.

[6] Xie R, Yu F, and Ji H. Dynamic resource allocation for heterogeneous services in cognitive radio networks with imperfect channel sensing[J]., 2012, 61(2): 770-780.

[7] Cui H, Song L, and Jiao B. Weighted amplify-andforward relay selection with outdated channel state information[J]., 2013, 2(6): 651-654.

[8] Shankhanaad M, Mohammad M, and Vijay K. Joint relay selection and power allocation for decode-and-forward cellular relay network with channel uncertainty[J]., 2012, 11(10): 3496-3508.

[9] Ayaz A and Mohamad A. Margin adaptive resource allocation in downlink OFDMA system with outdated channel state information[C]. Proceedings of the IEEE 20th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, Tokyo, Japan, 2009: 1868-1872.

[10] Kim H, Wang H, Lim S,.. On the impact of outdated channel information on the capacity of secondary user in spectrum sharing environments[J]., 2012, 11(1): 284-295.

[11] Lim S, Wang H, Kim H,. Mean value-based power allocation without instantaneous CSI feedback in spectrum sharing systems[J].,2012, 11(3): 874-879.

[12] Boyd S and Vandenberghe L. Convex Optimization[M]. Cambridge: Cambirdge University Press, 2004: 307-390.

[13] Huang X, Feng S, and Zhuang H. Jointly optimal congestion control, channel allocation and power control in multi- channel wireless multi-hop networks[J].,2011, 34(15): 1848-1857.

[14] Bertsekas D. Nonlinear Programming[M]. Belmont: Athena Scientific, 1995: 200-210.

[15] Jain R, Chiu D, and Hawe W. A quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in shared computer system[R]. Eastern Research Laboratory, No. DEC-TR-301, 1984.

冯维：女，1984年生，博士，研究领域为无线多跳网络的跨层资源分配.

冯穗力：男，1955年生，博士，博士生导师，研究方向为信息网络理论与技术、通信信号处理等.

丁跃华：男，1982年生，博士，讲师，研究方向为信息网络理论与技术.

黄鑫：女，1984年生，博士，研究多跳网络的资源分配.

Cross-layer Resource Allocation with Outdated Channel State Information in Wireless Multi-hop Networks

Feng Wei①Feng Sui-li①Ding Yue-hua①Huang Xin①②

①(,,510640,)②(,,510006,)

Most of the existing works on the cross-layer design of dynamic resource allocation in wireless multi-hop networks assume that every node can avail perfect Channel State Information (CSI) of other nodes in the networks. However, because of the channel fluctuations and the feedback delay, the availed CSI is usually outdated or partly outdated in a dynamic wireless network. In this paper, the impact of outdated channel information is firstly investigated in wireless multi-hop network, and a distributed joint congestion control and power control algorithm with outdated CSI is proposed. The simulation results demonstrate that the proposed algorithm significantly improves network efficiency and energy efficiency of the multi-hop networks.

Wireless multi-hop networks; Channel State Information (CSI); Cross-layer design of dynamic resource allocation; Distributed algorithms; Energy efficiency

TP393

1009-5896(2014)11-2750-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00546

冯穗力 fengsl@scut.edu.cn

2013-04-22收到，2014-08-07改回

国家自然科学基金(61340035)和广州市科技计划项目(2014J 4100246)资助课题