VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)QoS感知的跨層動(dòng)態(tài)資源分配

劉煥淋 張 彤 陳 勇 蒲 欣 黃冰川 龔蕭楠

①(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

②(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400065)

1 引言

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的普及化、生活化使得互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量和用戶內(nèi)容生產(chǎn)能力在短時(shí)間內(nèi)急劇上升[1]，物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展也使得接入互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)設(shè)備數(shù)量和應(yīng)用需求急劇增長(zhǎng)，對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬和服務(wù)性能需求快速上升[2]。由于無線電頻譜資源逐漸耗竭，工作頻段在2.4 GHz的無線保真(Wireless Fidelity, WiFi)技術(shù)的頻譜帶寬有限，導(dǎo)致其無法從容應(yīng)對(duì)急劇增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量和帶寬需求。而基于發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)的可見光通信(Visible Light Communication, VLC)技術(shù)因其擁有可見光波段的廣闊頻譜資源，且LED布設(shè)方便、綠色節(jié)能、安全可靠，有望成為下一代無線通信最具潛力的通信技術(shù)[3,4]。VLC與WiFi技術(shù)互補(bǔ)形成的VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)槭覂?nèi)用戶提供更加高速、綠色和可靠的通信服務(wù)[5]。

近年來，游戲直播、在線教育等多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，流媒體直播服務(wù)的低延時(shí)、高速率的用戶體驗(yàn)質(zhì)量(Quality of Experience, QoE)的需求為VLC-WiFi網(wǎng)絡(luò)接入和資源分配策略帶來了新的挑戰(zhàn)[5,6]。文獻(xiàn)[5]提出一種基于靜態(tài)頻譜分配的用戶中心接入(User-Centric Access based on Regular Spectrum Allocation, UCARSA)方法以進(jìn)一步提升VLC-WiFi系統(tǒng)吞吐量及用戶體驗(yàn)性能。文獻(xiàn)[7]提出一種基于用戶QoE最大化VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最小成本的垂直切換方案。文獻(xiàn)[8]提出VLC-RF(Visible Light Communication-Radio Frequency)混合網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合優(yōu)化功率分配與負(fù)載均衡方法，該方法在均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)，基于用戶速率體驗(yàn)優(yōu)先思想優(yōu)先切換QoE較低的用戶至其他AP(Access Point)，以提升用戶速率及系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[9]將光小區(qū)劃分為中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，通過研究單LED系統(tǒng)的中心用戶速率與邊緣用戶速率差別，優(yōu)化LED的半功率角以提升單位面積接入用戶的可達(dá)速率，并保證系統(tǒng)中用戶的速率體驗(yàn)效果。

由于用戶QoE缺乏有效的量化方式，多數(shù)文獻(xiàn)通過評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Serves, QoS)指標(biāo)反映用戶體驗(yàn)的性能，即網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)高時(shí)默認(rèn)用戶QoE較好。文獻(xiàn)[10]研究了統(tǒng)計(jì)排隊(duì)約束下混合VLC-RF系統(tǒng)的鏈路選擇策略，以發(fā)射器緩沖區(qū)的最大數(shù)據(jù)到達(dá)速率與非漸進(jìn)緩沖延遲邊界為主要性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)鏈路選擇策略以保證網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸滿足QoS要求。文獻(xiàn)[11]將有效帶寬和有效容量理論引入室內(nèi)VLC網(wǎng)絡(luò)用以解決多用戶調(diào)度問題，保證用戶的統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS性能。文獻(xiàn)[12]通過建立3維動(dòng)態(tài)用戶優(yōu)先級(jí)測(cè)量模型，基于業(yè)務(wù)流量、用戶位置、鏈路狀況信息，借助模糊邏輯方法評(píng)估用戶優(yōu)先級(jí)，進(jìn)而提出基于優(yōu)先級(jí)約束的吞吐量最大化資源分配方案。

文獻(xiàn)[13]從媒體訪問控制(Media Access Control,MAC)協(xié)議設(shè)計(jì)的角度解決混合VLC-WiFi網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題，該文建議在當(dāng)前MAC(Media Access Control)協(xié)議的基礎(chǔ)上新添加一個(gè)子層，該子層通過信道感知和流量感知做出動(dòng)態(tài)信道選擇的智能控制決策。進(jìn)而，文獻(xiàn)[14]提出VLC網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源管理的跨層設(shè)計(jì)，考慮用戶數(shù)據(jù)包隨機(jī)到達(dá)的情況，MAC層提供數(shù)據(jù)包所在的隊(duì)列狀態(tài)信息，物理層提供用戶的信道狀態(tài)信息，由中心控制器在隊(duì)列穩(wěn)定性與功率約束的條件優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的分配。跨層資源分配對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)期網(wǎng)絡(luò)性能的提升至關(guān)重要，文獻(xiàn)[10—14]均從物理層與MAC層的跨層角度設(shè)計(jì)VLC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源分配策略，上述研究表明：跨層資源分配策略能夠有效地保證用戶QoS需求和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期性能。

因此，為了滿足室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)支持多媒體業(yè)務(wù)的QoS需求，基于用戶感知的系統(tǒng)跨層QoS評(píng)估模型[15]，本文設(shè)計(jì)一種QoS感知的跨層動(dòng)態(tài)資源分配(QoS-aware Cross-Layer Dynamic Resource Allocation, QoS-CLDRA)方法，通過在應(yīng)用層和數(shù)據(jù)傳輸層之間的信息交互，QoS-CLDRA方法可以感知傳輸鏈路的QoS，并依據(jù)QoS感知級(jí)別調(diào)整系統(tǒng)的資源分配，以改善系統(tǒng)性能；當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)整用戶傳輸鏈路及帶寬時(shí)，本文引入非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)用戶匹配與功率分配策略，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的容量。

2 VLC-WiFi網(wǎng)絡(luò)和跨層資源分配模型

室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，16個(gè)VLC AP的LED以陣列形式部署在天花板上，負(fù)責(zé)下行數(shù)據(jù)傳輸；WiFi AP位于天花板中央，負(fù)責(zé)上行數(shù)據(jù)傳輸以及部分下行數(shù)據(jù)傳輸，接收端配有光電探測(cè)器(Photoelectric Detector, PD)用于接收用戶信息。VLC AP與WiFi AP通過電力線接入VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的控制器[16]，通過控制器連接室外的光網(wǎng)絡(luò)或基站。

用戶數(shù)據(jù)包經(jīng)過光互聯(lián)網(wǎng)或者3G/4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸，到達(dá)室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的控制器，控制器根據(jù)用戶數(shù)據(jù)包請(qǐng)求信息進(jìn)行VLC-WiFi網(wǎng)絡(luò)的跨層資源分配，如圖2所示，這里，控制器由緩沖區(qū)、QoS需求級(jí)別判定模塊、QoS感知級(jí)別評(píng)估模塊、跨層資源分配模塊等構(gòu)成。在圖2中，到達(dá)控制器的用戶數(shù)據(jù)包一方面被存儲(chǔ)在達(dá)緩沖區(qū)中，另一方面，其包頭部分的MAC信息被QoS需求級(jí)別判定模塊讀取和識(shí)別，并由用戶簽約信息確定數(shù)據(jù)包的QoS需求級(jí)別。對(duì)于與新到達(dá)數(shù)據(jù)包目的MAC地址相同的數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，由QoS感知級(jí)別評(píng)估模塊結(jié)合物理層信道狀態(tài)信息與MAC層隊(duì)列狀態(tài)信息評(píng)估該緩沖隊(duì)列數(shù)據(jù)的QoS感知級(jí)別?？刂破鲃t需要為每個(gè)緩沖隊(duì)列選擇傳輸鏈路類型以及分配信道傳輸帶寬。數(shù)據(jù)包進(jìn)入控制器的緩沖隊(duì)列之后，排隊(duì)等待AP發(fā)送給接收用戶。

在圖2中，跨層資源分配模塊依據(jù)用戶數(shù)據(jù)包的QoS需求級(jí)別與緩沖區(qū)隊(duì)列的鏈路QoS評(píng)估級(jí)別，結(jié)合系統(tǒng)感知的用戶位置信息，為數(shù)據(jù)包選擇傳輸鏈路類型和傳輸帶寬及服務(wù)AP的信息，并標(biāo)志在緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包上。用戶設(shè)備需要將用戶位置信息與接收到的信干噪比(Signal Interference Noise Ratio, SINR)等信息反饋給控制器，以便控制器調(diào)整系統(tǒng)的資源分配方案。用戶在接收來自VLC AP或WiFi AP的數(shù)據(jù)包之前，需要與AP進(jìn)行傳輸協(xié)議的協(xié)商，用戶也有可能主動(dòng)要求切換AP，這兩項(xiàng)內(nèi)容不在本文的研究范圍以內(nèi)。在單位調(diào)度周期內(nèi)，當(dāng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包通過所標(biāo)志的AP、傳輸鏈路和帶寬到達(dá)用戶端時(shí)，更新緩沖區(qū)隊(duì)列的未發(fā)送數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息，并更新VLC與WiFi系統(tǒng)的剩余帶寬資源值。

在圖2中，緩沖區(qū)存儲(chǔ)著VLC-WiFi系統(tǒng)所有待發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)包，緩沖區(qū)的一個(gè)緩沖隊(duì)列對(duì)應(yīng)一個(gè)AP到接收端的連接請(qǐng)求，設(shè)隊(duì)列中待發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)目為n，當(dāng)數(shù)據(jù)包標(biāo)志了資源分配的傳輸鏈路、傳輸帶寬和服務(wù)AP信息時(shí)，數(shù)據(jù)包在服務(wù)周期內(nèi)就可以通過AP發(fā)送給接收用戶。緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包遵循先到先服務(wù)原則，若單位調(diào)度周期內(nèi)緩沖隊(duì)列的數(shù)據(jù)包到達(dá)數(shù)目為λ，單位調(diào)度周期內(nèi)緩沖隊(duì)列的數(shù)據(jù)包離開數(shù)目為μ，μ值與鏈路的傳輸速率相關(guān)，其計(jì)算方法為[17]

其中，R為當(dāng)前調(diào)度周期內(nèi)下行傳輸鏈路的傳輸速率，T為調(diào)度周期，單位s；S為數(shù)據(jù)包大小，單位bit。

3 QoS感知的跨層動(dòng)態(tài)資源分配

3.1 QoS感知級(jí)別評(píng)估

系統(tǒng)的QoS感知級(jí)別評(píng)估由數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)延遲性能與鏈路傳輸性能共同決定，其中，鏈路傳輸性能可由鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[18]給出了無線通信鏈路在給定時(shí)刻t的通用鏈路傳輸性能評(píng)價(jià)為其中，P(t)為t時(shí)刻的鏈路性能指標(biāo)，PM為該性能指標(biāo)的最低要求值，整形參數(shù)ζ= 5[18]。

評(píng)價(jià)VLC-WiFi鏈路傳輸性能可參考鏈路的傳輸帶寬和傳輸SINR指標(biāo)，當(dāng)鏈路帶寬與SINR指標(biāo)同時(shí)高時(shí)，認(rèn)為該鏈路通信速率較高，使用通信速率衡量指標(biāo)U(R(t))評(píng)價(jià)鏈路傳輸速率的性能好壞[18]。

其中，U(B(t))代表鏈路的傳輸帶寬性能，U(P(t))代表鏈路的SINR性能，由式(3)計(jì)算，它與信號(hào)傳輸功率密和信道質(zhì)量相關(guān)。

則系統(tǒng)的QoS感知級(jí)別評(píng)估為

其中，ω為緩沖隊(duì)列的延遲性能在QoS級(jí)別評(píng)估中所占的比重，稱為緩沖延遲權(quán)重，0 ≤ ω ≤ 1；D(t)表示緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包的緩存時(shí)延，單位為s，時(shí)延閾值用Dth表示

其中，Q(t)表示當(dāng)前緩沖隊(duì)列的長(zhǎng)度，即當(dāng)前緩存隊(duì)列中數(shù)據(jù)包的數(shù)目，S為數(shù)據(jù)包大小，R(t)表示當(dāng)前緩沖隊(duì)列對(duì)應(yīng)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率。

由于室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)擁有VLC與WiFi兩種不同類型的傳輸鏈路，當(dāng)使用WiFi傳輸鏈路時(shí)，則評(píng)估QoS感知級(jí)別的WiFi SINR經(jīng)過式(7)等效為VLC SINR

其中，ГW= 3 dB和ГV= 5.4 dB分別代表WiFi與VLC網(wǎng)絡(luò)的信道編碼損耗因子，U(P(t))代表WiFi鏈路傳輸SINR，由式(3)計(jì)算，BV代表VLC子信道帶寬，BW代表WiFi子信道帶寬。

3.2 QoS需求級(jí)別判定

圖2所示的QoS需求級(jí)別判定模塊在讀取新到達(dá)數(shù)據(jù)包包頭的目的MAC地址之后，查詢?cè)摂?shù)據(jù)包的目的MAC地址所屬用戶的簽約信息，根據(jù)5G系統(tǒng)中用戶的簽約信息包含3GPP TS 23。501 version 16.6.0 Release 16協(xié)議規(guī)定的5G QoS標(biāo)識(shí)(5G QoS Identify, 5QI)，當(dāng)用戶簽約信息的5QI ≤30時(shí)，判定該用戶數(shù)據(jù)包的QoS需求級(jí)別為高；當(dāng)用戶簽約信息的60 ≥ 5QI ＞ 30時(shí)，判定該用戶數(shù)據(jù)包的QoS需求級(jí)別為中；當(dāng)用戶簽約信息的90 ≥5QI ＞ 60時(shí)，判定該用戶數(shù)據(jù)包的QoS需求級(jí)別為低。室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過QoS標(biāo)識(shí)識(shí)別后，數(shù)據(jù)包被標(biāo)記為高、中、低3種QoS需求級(jí)別，并依據(jù)QoS需求級(jí)別為數(shù)據(jù)包分配合適的下行傳輸鏈路類型、傳輸帶寬、傳輸功率等通信資源。

3.3 QoS-CLDRA方法步驟

根據(jù)室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的數(shù)據(jù)包的QoS需求級(jí)別，結(jié)合系統(tǒng)服務(wù)的QoS感知級(jí)別評(píng)估，本文設(shè)計(jì)QoS感知的跨層動(dòng)態(tài)資源分配(QoSCLDRA)方法，QoS-CLDRA方法的具體步驟如表1。

表1 QoS-CLDRA算法

3.4 NOMA用戶匹配與功率分配策略

由于VLC和WiFi系統(tǒng)的通信帶寬是有限的，當(dāng)室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)包的到達(dá)速率大于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)速率時(shí)，系統(tǒng)的帶寬資源難以滿足用戶需求，用戶數(shù)據(jù)包大量堆積在緩沖區(qū)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和排隊(duì)時(shí)延增加，進(jìn)而影響用戶體驗(yàn)的QoS性能。針對(duì)上述問題，本文引入采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)技術(shù)的NOMA用戶匹配與功率分配策略，提高帶寬資源的利用率和系統(tǒng)的服務(wù)性能，具體思想為：當(dāng)VLC或WiFi系統(tǒng)剩余帶寬資源不能滿足數(shù)據(jù)包需求的帶寬時(shí)，判斷用戶數(shù)據(jù)包所在的緩沖隊(duì)列能否與相同系統(tǒng)的其他用戶的數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列進(jìn)行NOMA匹配，使同一系統(tǒng)的不同用戶的緩沖隊(duì)列以不同的傳輸功率共享相同的傳輸帶寬。

采用參考文獻(xiàn)[19]所提的功率分配策略為匹配成功的NOMA用戶數(shù)據(jù)包分配功率，即NOMA用戶組中待匹配用戶k的功率分配系數(shù)αk為

其中，K表示緩沖區(qū)中用戶數(shù)目，表示NOMA用戶組中的用戶數(shù)目，H1, H2和H3分別表示緩沖區(qū)中的弱、普通和強(qiáng)信道增益用戶集合，h1＜h2＜...＜hK。

當(dāng)數(shù)據(jù)包感知到系統(tǒng)提供的QoS級(jí)別低于數(shù)據(jù)包需求的QoS級(jí)別時(shí)，控制器啟動(dòng)NOMA用戶匹配與功率分配策略流程，該策略的具體步驟如表2。

表2 NOMA用戶匹配與功率分配策略

4 仿真性能與分析

4.1 仿真環(huán)境及評(píng)價(jià)指標(biāo)

室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)仿真參數(shù)如表3所示，布局有16個(gè)VLC AP和1個(gè)WiFi AP，室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)用戶數(shù)據(jù)包大小為1000 bit，每個(gè)緩沖隊(duì)列的數(shù)據(jù)包到達(dá)過程服從指數(shù)為 λ 的泊松分布。用戶數(shù)據(jù)包的QoS需求有高、中、低3個(gè)級(jí)別。用于評(píng)估QoS感知級(jí)別的下行傳輸鏈路帶寬閾值為2 MHz，數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列延遲閾值為2 s，用戶接收SINR的功率閾值為10 dB。VLC鏈路子信道帶寬為4 MHz，WiFi鏈路子信道帶寬為1 MHz。系統(tǒng)的資源調(diào)度周期為1 s，總共設(shè)置600個(gè)調(diào)度周期。在QoS-CLDRA中，設(shè)置上行傳輸鏈路QoS感知的各路信息的報(bào)告周期為30 ms。

表3 默認(rèn)仿真參數(shù)

本文所提QoS-CLDRA方法和對(duì)比算法在Visual studio2013平臺(tái)上驗(yàn)證的性能指標(biāo)為：系統(tǒng)吞吐量與緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度。系統(tǒng)吞吐量為每分鐘經(jīng)由VLC和WiFi鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總量，緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度代表著數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)的排隊(duì)時(shí)延，也代表著VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度水平和下行鏈路傳輸能力。緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度越短表示數(shù)據(jù)包的緩沖時(shí)延越小，QoSCLDRA方法的性能越好。

本文首次提出VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)QoS感知的跨層動(dòng)態(tài)資源分配方法，尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此方向進(jìn)行研究，因此不設(shè)置其他對(duì)比算法。同時(shí)，為了本文驗(yàn)證NOMA用戶匹配與功率分配策略對(duì)于系統(tǒng)性能的提升有幫助，將采用NOMA用戶匹配與功率分配策略的QoS-CLDRA方法(QoS-CLDRA使用NOMA)和不采用NOMA用戶匹配與功率分配策略的QoS-CLDRA方法(QoS-CLDRA未使用NOMA)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖3展示了當(dāng)用戶數(shù)目K=20時(shí)，VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量隨緩沖延遲權(quán)重的變化情況，分別對(duì)比QoS-CLDRA使用 NOMA與QoS-CLDRA未使用NOMA的系統(tǒng)吞吐量性能。當(dāng) ω = 0時(shí)，由式(5)知，系統(tǒng)的QoS感知級(jí)別評(píng)估僅受到鏈路傳輸速率的影響，緩沖隊(duì)列的時(shí)延對(duì)服務(wù)性能沒有影響，因此，為新到達(dá)數(shù)據(jù)包選擇傳輸鏈路時(shí)只考慮鏈路傳輸帶寬與接收SINR，為數(shù)據(jù)包隊(duì)列選擇大于或等于數(shù)據(jù)包需求QoS級(jí)別的系統(tǒng)QoS級(jí)別對(duì)應(yīng)的鏈路，忽略數(shù)據(jù)包在獲得該鏈路服務(wù)之前在緩沖區(qū)排隊(duì)等待的時(shí)延。當(dāng) ω 增大時(shí)，系統(tǒng)的QoS級(jí)別評(píng)估需要考慮系統(tǒng)當(dāng)前鏈路的傳輸能力以及該數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)的排隊(duì)等待時(shí)延，同樣的鏈路傳輸速率條件下，數(shù)據(jù)包會(huì)選擇排隊(duì)時(shí)間短的空閑鏈路，而不執(zhí)著于選擇排隊(duì)時(shí)間長(zhǎng)的繁忙高傳輸速率鏈路，因此，系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包總量增加。當(dāng) ω 進(jìn)一步增大至0.6及以上時(shí)，系統(tǒng)的QoS感知級(jí)別評(píng)估對(duì)于隊(duì)列的緩沖延遲比較倚重，新到達(dá)數(shù)據(jù)包側(cè)重緩沖延遲小的鏈路，鏈路傳輸速率和能力的影響因素減小，使寬帶寬鏈路的傳輸能力沒有得到充分利用，因此，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總量開始下降。

在圖3中，當(dāng)λ = 20 包/s，K=20時(shí)，采用NOMA匹配和功率分配策略比沒有NOMA策略的QoS-CLDRA的系統(tǒng)吞吐量高，這是因?yàn)楫?dāng)緩沖區(qū)排隊(duì)的數(shù)據(jù)包較多、VLC與WiFi鏈路均長(zhǎng)時(shí)間處于工作繁忙狀態(tài)、系統(tǒng)帶寬緊缺之時(shí)，引入NOMA用戶匹配與功率分配策略可以為緩沖區(qū)的用戶數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列選擇QoS需求級(jí)別相同的其他用戶數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列，形成NOMA用戶組，組內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)包隊(duì)列被分配不同的發(fā)射功率，且共享組內(nèi)所有用戶的傳輸帶寬。因此，QoS-CLDRA使用NOMA的系統(tǒng)吞吐量相較于QoS-CLDRA未使用NOMA更高。

圖4和圖5分別展示了當(dāng)λ = 20 包/s，K=20時(shí)，VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的VLC和WiFi緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度隨緩沖延遲權(quán)重ω的變化情況，其中，圖4展示VLC系統(tǒng)的鏈路緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度隨ω變化性能，圖5展示W(wǎng)iFi系統(tǒng)的鏈路緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度隨ω變化性能。當(dāng)權(quán)重系數(shù)ω = 0時(shí)，系統(tǒng)的鏈路QoS感知級(jí)別評(píng)估僅受到鏈路傳輸速率的影響，新到達(dá)數(shù)據(jù)包僅考慮傳輸速率高的鏈路，不考慮數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)的排隊(duì)等待時(shí)延，致使數(shù)據(jù)包寧可選擇傳輸速率高但排隊(duì)延遲大的鏈路，而不選擇排隊(duì)延遲小的鏈路，大量數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)排隊(duì)等待調(diào)度，而部分低傳輸速率的鏈路卻處于空閑狀態(tài)，造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。當(dāng)ω增大時(shí)，系統(tǒng)的鏈路QoS感知級(jí)別評(píng)估將綜合考慮系統(tǒng)當(dāng)前鏈路的傳輸能力以及該數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)的排隊(duì)等待時(shí)延，低傳輸速率的鏈路也得到了充分利用，這促使鏈路的傳輸速率增加，減少了數(shù)據(jù)包總排隊(duì)等待時(shí)延，平均緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度迅速降低。當(dāng)ω進(jìn)一步增大至0.8時(shí)，鏈路QoS感知級(jí)別評(píng)估對(duì)于緩沖延遲過于倚重，新到達(dá)數(shù)據(jù)包過于依賴緩沖排隊(duì)延遲更小的鏈路，致使緩沖延遲大但傳輸速率高的鏈路資源利用率出現(xiàn)折損，緩沖延遲小且傳輸速率低的鏈路更易得到利用，使系統(tǒng)的鏈路傳輸總速率降低，因此滯留在緩沖區(qū)的排隊(duì)數(shù)據(jù)包數(shù)量增多。

引入NOMA用戶匹配與功率分配策略使得系統(tǒng)資源的利用率得到極大提升，帶寬資源復(fù)用帶來傳輸能力的極大提升，使得緩沖數(shù)據(jù)包的排隊(duì)等待時(shí)延大幅降低，即QoS-CLDRA使用NOMA的緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度相較于QoS-CLDRA未使用NOMA有明顯改善。對(duì)比圖4和圖5的縱坐標(biāo)軸發(fā)現(xiàn)，VLC鏈路的緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度明顯低于WiFi鏈路的緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度，且NOMA技術(shù)對(duì)于VLC網(wǎng)絡(luò)的性能提升比WiFi網(wǎng)絡(luò)性能提升的幅度大。這是因?yàn)閂LC鏈路的傳輸損耗較小，參與VLC鏈路QoS感知級(jí)別評(píng)估的用戶信道狀態(tài)信息更加準(zhǔn)確，使VLC鏈路能夠及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的資源分配并適時(shí)地啟用NOMA用戶匹配與功率分配策略，有效疏導(dǎo)緩沖區(qū)內(nèi)的VLC數(shù)據(jù)包隊(duì)列。由于WiFi系統(tǒng)的QoS感知級(jí)別一直偏低，即使啟用NOMA用戶匹配與功率分配策略或者為新到達(dá)的數(shù)據(jù)包開辟新隊(duì)列，該用戶數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列能夠使用的傳輸帶寬有限，存在于緩沖隊(duì)列的大量數(shù)據(jù)包不易得到快速疏導(dǎo)和傳輸。

圖6展示了VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量隨著用戶數(shù)目變化的情況。隨著用戶數(shù)目的逐漸增多，系統(tǒng)吞吐量逐漸上升，然而上升速率逐漸變緩。當(dāng)數(shù)據(jù)包的到達(dá)率不變時(shí)，用戶數(shù)目的增多意味著緩沖隊(duì)列數(shù)目的增多，即下行傳輸鏈路數(shù)目增加，因此，系統(tǒng)吞吐量迅速增加；當(dāng)用戶數(shù)目少于18時(shí)，緩沖區(qū)的用戶數(shù)據(jù)包隊(duì)列偏少，系統(tǒng)剩余帶寬充足，系統(tǒng)吞吐量較小。隨著用戶數(shù)目增加，下行傳輸鏈路帶寬持續(xù)增加，系統(tǒng)吞吐量也迅速增加，當(dāng)用戶數(shù)目增加至18以上的時(shí)候，系統(tǒng)剩余帶寬緊缺，下行鏈路傳輸?shù)目値挷辉贌o條件擴(kuò)大，吞吐量的增加速度減緩。QoS-CLDRA使用NOMA對(duì)VLC-WiFi系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)了帶寬復(fù)用，提高了資源利用率，其系統(tǒng)吞吐量相較于QoS-CLDRA未使用 NOMA更高，當(dāng)用戶數(shù)目為24時(shí)，QoS-CLDRA使用NOMA的系統(tǒng)吞吐量比QoS-CLDRA未使用NOMA系統(tǒng)吞吐量高約13.47%。

圖7展示了VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量隨著數(shù)據(jù)包到達(dá)率變化的情況。隨著數(shù)據(jù)包到達(dá)率逐漸增加，系統(tǒng)吞吐量先迅速上升，后逐漸趨于平緩。VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源有限，致使下行鏈路傳輸?shù)目偹俾适芟?，?dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)速率上升至每秒24個(gè)之后，下行鏈路的總傳輸速率不及數(shù)據(jù)包的到達(dá)速率，大量數(shù)據(jù)包積壓在緩沖區(qū)內(nèi)部排隊(duì)等待，因此系統(tǒng)吞吐量無法繼續(xù)大幅度上升。QoSCLDRA使用NOMA的系統(tǒng)吞吐量始終隨著數(shù)據(jù)包到達(dá)率的增加而快速上升，盡管數(shù)據(jù)包到達(dá)率增加至每秒40個(gè)時(shí)，系統(tǒng)的傳輸帶寬受到限制，但NOMA技術(shù)的引入使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于帶寬的利用率增大，系統(tǒng)吞吐量不再受到系統(tǒng)帶寬的限制，網(wǎng)絡(luò)容量可以得到大幅度擴(kuò)展。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)速率為40個(gè)/秒時(shí)，QoS-CLDRA使用NOMA的系統(tǒng)吞吐量比QoS-CLDRA未使用NOMA系統(tǒng)吞吐量高約33.05%。

5 結(jié)束語

本文主要針對(duì)業(yè)務(wù)類型多樣化以及用戶需求差異化現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)資源調(diào)度的靈活性不高、系統(tǒng)資源利用率低的問題，提出室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)QoS感知的跨層動(dòng)態(tài)資源分配(QoS-CLDRA)方法，當(dāng)系統(tǒng)帶寬資源不足時(shí)，引入NOMA用戶匹配與功率分配策略進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬資源的利用率。隨著萬物互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，接入網(wǎng)面臨大量數(shù)據(jù)接入和QoS需求差異要求，網(wǎng)絡(luò)的QoS差異服務(wù)和有限帶寬資源利用率將制約互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展，有效的資源調(diào)度算法是促進(jìn)應(yīng)用發(fā)展和提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能的有效手段。