时延QoS约束下VLC-RF网络资源匹配算法

孙洪亮,王 超,杜 旭

(吉林化工学院 信息与控制工程学院,吉林 吉林 132022)

可见光通信(VLC)具有功耗低、使用寿命长、可靠性高等优点,同时兼顾照明与通信。VLC可以应用于室内定位、水下通信等多种场景,能够实现高精度定位及高速率数据传输,具有广阔的应用前景[1-2]。然而,在传输范围、传输路径等方面VLC存在一定的不足,无线射频(RF)网络恰好可以弥补VLC传输受限的短板。VLC与RF结合可以提高吞吐量,增加网络覆盖范围。对于混合VLC-RF网络,如何高效地提供服务是一个重要问题。为解决异构VLC-RF网络信道估计误差大和系统能效低的问题,文献[3]提出一种基于能效最大化的鲁棒资源分配算法。文献[4]提出一种混合VLC-RF网络中功率和时隙分配的优化方案,最大化下行通信的总和速率,降低了优化频率。为提高单用户中断数据率性能,文献[5]针对VLC-RF网络提出一种简化部署方案,根据用户的信道情况,动态地将用户分配给VLC或RF系统。文献[6]提出了一种最大化最小用户传输速率的资源分配问题,在满足用户需求的前提下,提高系统吞吐量。为高效利用网络服务资源,需要对网络服务质量(QoS)进行准确评估,合理匹配资源。

有效带宽、有效容量理论是QoS评估与保障的经典理论,已受到国内外学者的广泛关注。文献[7]提出一种基于有效容量的次优化方法,在时延QoS约束下,研究了基于非正交多址接入(NOMA)的功率控制策略。为保障正交频分多址(OFDMA)网络的统计时延QoS,文献[8]提出一种基于有效容量的频谱高效设计方法。文献[9]基于对有效带宽的评估,提出一种长期演进(LTE)下行链路的资源块分配算法对QoS进行保障。文献[10]将有效带宽和有效容量理论引入到异构QoS流量的多用户调度(MUS)问题中,满足了不同用户的QoS需求。为实现多路径中心的QoS保障,文献[11]基于有效带宽进行资源调度过程,提出一种时延感知的流调度系统。针对VLC-RF切换机制下的网络系统,基于有效带宽与有效容量理论研究QoS保障问题,并不容易。

本文构建了随机业务到达、VLC-RF切换服务机制下的网络队列系统,结合有效带宽理论、有效容量理论,设计了时延QoS约束下的资源匹配算法。算法在保障QoS的前提下实现资源匹配,可以为VLC-RF系统服务资源的合理预留及分配提供一定的参考。

1 系统建模

本文主要研究VLC-RF异构通信场景,具体场景如图1所示。假设网络中含有一个VLC接入点(AP)和一个RF-AP。VLC-AP放置在天花板上,RF-AP固定在墙上,终端配备了光电探测器。

图1 系统模型图

VLC通信主要依赖于视距传输,当光线传输被遮挡时,系统将切换到RF网络为用户提供服务。根据上述服务特性,切换服务过程的瞬时服务s(n)可以用如下数学过程描述:

(1)

其中,VLC网络提供的服务速率用RVLC表示;RF网络提供的服务速率用RRF表示;未被遮挡概率用β表示。

系统采用二态马尔可夫调制过程(Two-state Markov Modulated Process,2-MMOO)描述数据包到达过程,具体过程如图2所示。2-MMOO到达有1和2两种状态。系统在1态以R1的速率传输数据包,系统在2态以R2的速率传输数据包。pa表示1态转为2态的概率;1-pa表示处于1态的概率;pb表示2态转为1态的概率;1-pa表示处于2态的概率。

图2 2-MMOO的马尔可夫链

2 VLC-RF网络资源匹配算法

近年来,有效带宽、有效容量理论不断应用于QoS分析与保障中,为网络资源管理提供了新思路、新方法。有效容量EC(θ)具体计算方法如下所示:

(2)

其中,S(n)表示前n时刻的累计服务的数据包数量。θ为QoS指数,具体取值可以由下式确定:

P{d(n)≥D}≤ε,

(3)

其中,D为目标时延;ε为时延违反概率阈值。

利用有效容量表达式,可以计算服务过程的有效容量为

(4)

基于有效带宽理论可以评估业务的带宽需求,有效带宽EB(θ)具体计算方法如下所示:

(5)

其中,A(n)表示前n时刻的累计到达的数据包数量。

参考文献[12],得到2-MMOO到达下的有效带宽为

(6)

为满足业务的时延QoS需求,异构网络所能支持的最大到达强度应不小于业务的最小带宽需求。即满足如下式:

EC(θ)≥EB(θ) 。

(7)

此时RF网络需提供的最小的带宽需求为

(8)

当VLC通信被遮挡时,立即切换成RF网络进行通信。按照式(8)求解的切换后的RF最小服务速率为用户提供服务,可以保障用户的时延QoS要求。

3 仿真分析

本文基于Matlab对异构网络资源匹配算法进行仿真分析。设置pa=0.1、pb=0.1、R1=3 packets/slot、R2=2 packets/slot,时延违反概率阈值为ε=10-3,VLC传输速率RVLC=1 packets/slot。分别设置β=0.4、β=0.5、β=0.6,研究目标时延D、未被遮挡概率β改变对RRF的影响。从图3中可以看出,在不同的β参数下,RRF随着D的增加而减少。因为D值越大,系统对时延QoS的要求越宽松,需要更少的服务保障业务的QoS。当D取相同值时,β越大,系统所需要的RRF越多。按照上述参数设置,VLC自身服务不能满足QoS要求。未被遮挡概率越大,VLC提供的服务越多,而在VLC不能正常进行通信时,则需要更大的RRF来满足时延QoS要求。

目标时延/Slots

设定pa=0.1、pb=0.1,R1=3 packets/slot、R2=2 packets/slot,β=0.4。观察D、RVLC改变对RF服务速率产生的影响。分别设置RVLC=1 packets/slot、RVLC=1.5packets/slot、RVLC=2packets/slot。从图4中可以看出,当D相同时,RVLC取值越大,RRF的值越小,这是因为随着VLC服务速率变大,VLC系统处理数据包的能力增强。因此,较小的RRF就能够满足QoS要求。

目标时延/Slots

固定参数pa=0.2、pb=0.1,β=0.4,RVLC=1 packets/slot。观察参数R1、R2与RF服务速率的关系。图5仿真结果表明参数R1、R2改变对服务速率的影响较为明显,服务速率随着R1、R2的增大而增大。因为R1、R2变大导致2-MMOO的到达强度变大,系统所需服务速率增加。

图5 R1、R2对RF服务速率的影响图

4 结 论

面向VLC-RF异构网络,本研究设计了一种基于时延QoS约束下的资源匹配算法。考虑VLC遮挡问题,建立了切换服务机制下的网络队列系统。基于有效带宽理论,评估了二态马尔可夫到达下的带宽需求。基于有效容量理论,计算了切换服务所能支持的到达强度,进一步分析了满足时延QoS要求下RF所需匹配的最小服务速率。仿真分析了到达参数、服务参数及QoS参数变化对算法的影响。算法可以为异构网络的资源分配与管理提供一定的理论参考。