基于自由空間光通信的云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)上行鏈路優(yōu)化研究

姚樹(shù)香

(廈門(mén)軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理系，福建廈門(mén)361024)

云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)是一種新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，適用于5G等下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中，信號(hào)處理是在中央處理器(簡(jiǎn)稱(chēng)為“處理器”)進(jìn)行的，而不是在基站等進(jìn)行分布式處理。簡(jiǎn)單、低成本的無(wú)線(xiàn)單元從用戶(hù)設(shè)備中采集數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)傳輸至處理器。處理器可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼(或解碼)，以減少用戶(hù)之間的干擾，提高信號(hào)與干擾加噪聲比(即SINR)，優(yōu)化用戶(hù)的傳輸速率[1]。本文聯(lián)合射頻和無(wú)線(xiàn)電自由空間光，優(yōu)化云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)前傳的上行鏈路。與現(xiàn)有研究相比，對(duì)物理層進(jìn)行了優(yōu)化，以最大化用戶(hù)的傳輸速率。

1 系統(tǒng)模型

(1)

(2)

對(duì)于具有光無(wú)線(xiàn)前傳的無(wú)線(xiàn)單元，無(wú)線(xiàn)電自由空間光單元將接收到的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后轉(zhuǎn)發(fā)到處理器；處理器的接收端將射頻信號(hào)放大和過(guò)濾后再進(jìn)行下變頻。激光器輸出光強(qiáng)時(shí)，激光驅(qū)動(dòng)器的輸入必須是非負(fù)的，平均光功率必須受到安全規(guī)定的約束。為了確保滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，使用模擬削波器，并添加一個(gè)偏差以確保輸入是非負(fù)的。用B表示信號(hào)的削波電平和為保證安全而增加的偏置電平。

(3)

因此，

(4)

噪音ω的平均值為：

(5)

(6)

處理器從無(wú)線(xiàn)電自由空間光鏈路接收到的信號(hào)為：

(7)

其中，vi是信號(hào)的噪音，η是光電二極管的響應(yīng)率，gi是自由空間光信道的衰減。自由空間光信道的衰減通常被分解成3個(gè)分量，分別表示損耗、閃爍和指向錯(cuò)誤，即gi=glgaigpi[4]。矩陣H描述了用戶(hù)到處理器的信道，如(8)所示：

(8)

為了簡(jiǎn)化公式，定義一個(gè)對(duì)角矩陣D來(lái)表示所有處理器收到噪音的功率，但并不包括信號(hào)轉(zhuǎn)換的噪音功率。矩陣D如下所示：

(9)

2 問(wèn)題描述

(10)

(11)

根據(jù)平均傳輸速率對(duì)用戶(hù)進(jìn)行降序排序，按照該順序?qū)τ脩?hù)進(jìn)行解碼，則第i個(gè)用戶(hù)的速率Ri為：

(12)

其中，Φ(·)是對(duì)數(shù)函數(shù)log(·)。用戶(hù)的總速率如為：

(13)

其中，Vx是用戶(hù)傳輸功率的對(duì)角矩陣。

通過(guò)求解以下的優(yōu)化問(wèn)題，可以得到無(wú)線(xiàn)電自由空間光收益和射頻削波器的選擇策略。

(14)

Gr>0

由于優(yōu)化問(wèn)題(14)以及第一個(gè)約束條件均不是凸函數(shù)，求解該問(wèn)題并不容易，而且不能保證算法的收斂性。因此，為了得到其數(shù)值解，使用Matlab工具箱求解問(wèn)題(14)。盡管這種方法不能保證最優(yōu)解，但在對(duì)約束條件進(jìn)行松弛后，能夠產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果，且該結(jié)果能收斂于解析解的上界。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

使用MATLAB中的fmincon函數(shù)[5]求解(14)的優(yōu)化問(wèn)題。云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的信道是瑞利衰落信道，其路徑損耗取決于用戶(hù)和無(wú)線(xiàn)單元之間的距離。假設(shè)用戶(hù)的發(fā)射功率和射頻的前端噪聲對(duì)所有用戶(hù)具有相同的功率。對(duì)于自由空間光的前傳鏈路，每個(gè)鏈路的光通道服從獨(dú)立的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其衰落程度取決于鏈路范圍。自由空間光前傳鏈接的參數(shù)如下：波長(zhǎng)λ為1 550 nm，帶寬是1 GHz，傳輸功率為16 dB·mW，響應(yīng)率η為0.5，噪音的標(biāo)準(zhǔn)差為10-7。處理器位于中心的分區(qū)中，每個(gè)分區(qū)中有1個(gè)無(wú)線(xiàn)單元。無(wú)線(xiàn)自由空間光前傳鏈路是根據(jù)無(wú)線(xiàn)單元與處理器的距離進(jìn)行分配，無(wú)線(xiàn)單元與處理器之間距離最小的能夠優(yōu)先分配到無(wú)線(xiàn)自由空間光前傳鏈路。

光通信的信道質(zhì)量依賴(lài)于天氣條件，將天氣條件量化成4種情況：晴天、雨天、雪天和霧天。不同的天氣條件具有不同的衰減系數(shù)，其中，晴天的衰減系數(shù)γ1為0.44，雨天的衰減系數(shù)γ2為1.55，雪天的衰減系數(shù)γ3為35，霧天的衰減系數(shù)γ4為50。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1是晴天條件下用戶(hù)傳輸速率的累積分布函數(shù)。將求解優(yōu)化問(wèn)題得到的參數(shù)代入式(12)就能計(jì)算得到用戶(hù)的傳輸速率。增加無(wú)線(xiàn)電自由空間光前傳鏈路的數(shù)量可以提高傳輸速率，但是速率的改善并不是線(xiàn)性的，速率不僅與無(wú)線(xiàn)電自由空間光前傳鏈路的數(shù)量有關(guān)，還會(huì)受無(wú)線(xiàn)單元和處理器之間的距離影響。

圖1 傳輸速率的累積分布函數(shù)

圖2顯示了在不同的天氣條件下，用戶(hù)速率的第二個(gè)四分位(即中值)隨無(wú)線(xiàn)電自由空間光前傳鏈路數(shù)量的變化。用戶(hù)速率在不同天氣條件下的加權(quán)累計(jì)分布函數(shù)是由不同天氣條件下的累積分布函數(shù)值加計(jì)算得到的。

圖2 不同天氣下速率隨鏈路數(shù)量的變化

4 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了云無(wú)線(xiàn)電接入網(wǎng)的混合射頻/無(wú)線(xiàn)電自由空間光前傳，通過(guò)選擇射頻轉(zhuǎn)換器和無(wú)線(xiàn)電自由空間光鏈路的增益來(lái)最大限度地提高用戶(hù)的傳輸速率。增加自由空間光前傳鏈路可以提高用戶(hù)速率，使無(wú)線(xiàn)單元的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)。未來(lái)的工作在于利用無(wú)線(xiàn)電自由空間光進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)研究，設(shè)計(jì)分布式的優(yōu)化問(wèn)題解決方案。