ارتباط کاملا دورشته ای برای شبکه های بی سیم آتی: رویکرد تخصیص بلوک منابع پویا

چکیده

1. مقدمه

شکل 1. مدل سیستم کاملا دورشتهای چند کاربری

شکل 2. ساختار دریافتکننده برای معماری UE پیشنهادی

شکل 3. ساختار دریافتکننده برای معماری UE پیشنهادی

2. مدل سیستم

شکل 4. ساختار واحد پرتوتابی برای معماری UE پیشنهادی و شکلگیری پرتو به سمت eNB

شکل 5. فلوچارت نشان دهنده رویه واگذاری RB (گامهای 1 تا 4)

3. تخصیص بلوک منابع پوی

الگوریتم 1: الگوریتم DRBA برای کاهش CCI

شکل 6. بازدهی کلی طیف به ازای سلول در دانلینک برای ارتباط کاملا دو رشتهای

4. نتایج شبیه سازی

شکل 7. UE1 و UE2 در ناحیه پوشش eNB

شکل 8. عملکرد BER در UE1 و UE2 به ازای

شکل 9. عملکرد BER در UE1 و UE2برای رویکرد ساده و پویا به ازای

5. نتیجه گیری

در این مقاله، یک سناریو ارتباط کاملا دوبلکس (FD) را بررسی می-کنیم، که در آن تجهیزات کاربری FD چندگانه (UE) منابع طیف یکسان (یا بلوک های منابع) را به شکل همزمان به اشتراک می-گذارند. FD eNodeB از پیش کدگذاری دیجیتال و لغو تداخل متوالی با الگوریتم ترتیب بهینه تا هم زیستی UEهای چندگانه در ارتباط رفت و برگشت برای ماهواره ها را فراهم می سازد. به اشتراک گذاری بلوک های منابع یکسان منجر به تداخل کانال های مشترک در ارتباط با زمین یک UE از سیگنال های آپ لینک از UEهای دیگر می شود. برای کاهش این تداخل از رویکرد آنتن هوشمند استفاده شده است. این رویکرد شامل استفاده از چندین آنتن در UEها برای تشکیل اشعه های هدایت شده به سمت eNodeB و نول ها به سمت UEهای دیگر است. با این حال، این رویکرد زمانیکه UEها به دلیل حرکت خود را در یک راستا با eNodeB(eNB) قرار می دهند با شکست روبرو می-شود. در این مقاله یک الگوریتم تخصیص بلوک منابع پویا برای جلوگیری از CCI به دلیل حرکت UEها پیشنهاد شده است که منابع طیف را در یک سناریو ارتباطاتی FD به اشتراک می گذارد. الگوریتم پیشنهادی ارتقای چشمگیری بر روی کیفیت سرویس (QoS) پیوندهای ارتباطاتی نشان می¬دهد.

انجمن تحقیقات جهان بی سیم (WWRF) پیش بینی کرد که 7 تریلیون دستگاه بی سیم تا سال 2017 در اختیار 7 میلیارد انسان جهان خواهد بود. این افزایش شدید در تعداد کاربران موبایل منجر به اتمام منابع طیفی شده است. با پایه ریزی 4G در بسیاری از کشورهای جهان، این مسئله بحران طیف می تواند یک گلوگاه به حساب آید. برای رسیدگی به این مسئله، محققان در حال مطالعه بر روی 5G هستند که انتظار می رود پس از سال 2020 پیاده سازی شود. یکی از تحول های عمده در شبکه های بی سیم آینده می تواند معرفی eNodeB(eNB) کاملا دورشته ای (FD) و تجهیزات کاربری (UE) باشد. عملیات FD این ظرفیت را دارد که الزامات طیف را تا نصف کاهش دهد. در سال های اخیر، فعالیت زیادی در ناحیه طراحی لغو خود-تداخلی (SIC) برای یونیت های دریافت آنت تکی و چندگانه انجام شده است. اکثر مطالعات اخیر بر روی ارتباط FD، یک FD eNB و چندین UE نیم دورشته ای (HD) را در نظر می گیرند. پیچیدگی محاسباتی مداری SIC استفاده از FD UEها را محدود می کند. با این حال، طراحی های SIC پیشنهاد شده در مقاله های دیگر ظرفیت حذف این محدودیت را دارند. با استفاده از این تکنیک ها SIC، ارسال و دریافت همزمان بر روی یک منبع طیف با استفاده از یک آنتن (در مقابل دو آنتن) میسر است. این طراحی برای پهنای باند بزرگ و نرخ های داده بالا کار می کند. در مقاله (8-10)، یک تکنیک لغو دیجیتال و آنالوگ جدید خود-تداخلی را لغو می کند و آن را پایین تز از کف نویز دریافت-کننده می برد و در نتیجه تضمین می کند که سیگنال دریافتی با افت کیفیت مواجه نمی شود. طراحی SIC با موفقیت با استفاده از WiFi آنتن چندگانه با توان ارسالی در بازه ی 16 dBm تا 20 dBm و پهنای باند 20 MHz آزمایش شده است. در مقاله (14)، دو طراحی SIC پیشنهاد شده است که امکان ادغام آن به رادیوهای کوچک را فراهم می سازد. طراحی اول یک آنتن دوقطبی را مدار لغو هوشمند ترکیب می کند و دستگاه هایی همچون ایستگاه های پایه کوچک و کامپیوترهای تبلت را هدف می گیرد. در طراحی دوم، یک جداساز / دوپلکسر با یک آنتن مینیاتور تک پورتی ترکیب می شود. مدار تعادل را می توان در فناوری CMOS پیاده سازی کرد و امکان یکپارچه سازی متراکم و هزینه پایین را فراهم ساخت. در نتیجه، این مدار را می توان در گره های سنسور گوشی های هوشمند ادغام کرد. این دو طراحی می توانند به ترتیب جداسازی 75 dB و 50 dB در 2.45 GHz بر روی پهنای باند واحد 10 Mhz .و 6 MHz از خود ارائه دهند. این عملکرد را می توان با الحاق لغو دیجیتال افزایش نیز داد. در اینجا، FD eNB و چندین FD UE را لحاظ می کیم و لغو خود-تداخلی کامل در مدارهای دریافتی را فرض می کنیم. در حالیکه این رویکرد برای امروز کاربرد ندارد، پیشرفت چشمگیری در این جهت در حال انجام است تا بتوان این مدل و پیامدهای آن را مد نظر قرار دارد، به خصوص در مورد سلول های کوچک، که قدرت ارسال و بازه به قدرتی کم هستند که می توانند مدارهای SIC نوین در دریافت کننده را پیاده سازی کنند. این حقیقت برای آینده ی FD در شبکه های سلولی نویدبخش است. برنامه ریزی وضعیت کانال به UEها تخصیص می یابند. اخیرا، تحقیقات زیادی برای الگوریتم های تخصیص توان و طیف برای سیستم های FD انجام شده است. در این کارها، eNB ظرفیت عملیات در حالت FD را دارد. در (16)، یک برنامه ریز معرفی شده است که با هدف بیشینه کردن جمع لگاریتمی نرخ های میانگین تمام HD UEها در آپ لینک و دان لینک طراحی شده است. بسته به شرایط عملیاتی، UEها یا در حالت HD کار می کنند یا به شکل جفت، هر کدام در جهت های آپ لینک و دان لینک. در (17)، جفت های HD UE برای عملیات FD شکل می گیرند و منابع طیف به گونه ای تخصیص می یابند که نرخ-مجموع سیستم بیشینه شود. هر زیرحامل تنها به یک دریافت کننده تخصیص می یابد. این مسئله با استفاده نظریه تطابق حل می شود. در (18)، نویسندگان تخصیص توان و زیرحامل مشترک را به مجموعه ای از UEهای دان لینک و آپ لینک HD را با استفاده یک الگوریتم تکراری زیربهینه بر اساس رویکرد Frank-Wolfe تخصیص می دهند. در (22)، تخصیص منابع برای سیستم متشکل از FD eNB در ارتباط با FD UEها لحاظ شده است. مسئله تخصیص منابع رادیویی مشترک برای کانال های آپ لینک و دان لینک با هدف بیشینه کردن نرخ-جمع انجام می شود. به این منظور، یک الگوریتم بازگشت مبتنی بر نظریه بازی با مدل سازی مسئله به عنوان یک بازی غیر مشارکتی بین کانال های آپ لینک و دانلینک ارائه می شود. در کار ما، FD UEهایی لحاظ شده است که مشابه سیستم بررسی شده در مقاله (22) از منابع طیف یکسان برای آپ لینک و دان لینک به شکل همزمان استفاده می کند. با این حال، بر خلاف (22)ريال زیرحامل-های یکسان در میان UEهای غیر همبسته ی فضایی چندگانه به اشتراک گذاشته شده است. استفاده از منابع طیقی یکسان منجر به تداخل کانال مشترک (CCI) در دان لینک UEها از آپ لینک دیگر UEها می شود. برای از بین بردن CCI، یک رویکرد آنتن هوشمند با استفاده از چندین آنت در UEها برای ایجاد اشعه مستقیم به سمت eNB و نول به سمت UEهای تداخلی در (23) پیاده سازی کرده ایم. استفاده از تکنیک آنتن هوشمند برای حذف CCI امکان تخصیص بلوک-های منابع (RB) موجود به تمام UEهای غیرهمبسته فضایی را فراهم می سازد. از این رو، این کار باعث ساده شدن پیاده سازی الگوریتم بررسی شده در (22) ، در کنار ارتقای چشمگیر بازدهی طیف می شود. همچنین، در سناریوی عملی، زمانیکه UEها پویا هستند، استفاده از آنتن های هوشمند امکان تطابق مداوم الگوی پرتوی آنها با استفاده از الگوریتم هدایت پرتو مشابه الگوریتم حداقل مربعات میانگین را فراهم می سازد (24-30). با این حال، این رویکرد زمانیکه UEها به دلیل حرکت خود را در یک راستا با eNodeB قرار می دهند با شکست روبرو می شود. برای رسیدگی به این مشکل، یک الگوریتم مبتنی بر فناوری رادیو ارائه شده است: تخصیص بلوک منابع پویا (DRBA) کار ارائه شده در اینجا به ارتباط کاملا دورشته ای در یک سلول کوچک از دیدگاه عمومی می پردازد. در کارهای آتی، فناوری کاملا دو رشته ای در سلول های کوچک که از موج میلیمتری (mmW) برای ارتباطات استفاده می کنند مطالعه می شوند. سیستم های سلولی کوچک از آن جهت مناسب در نظر گرفته می شوند که توان ارسال پایین، فاصله های کوتاه و حرکت کمی دارند. در مقاله (33)، جذب برای ارسال FD سلول کوچک در مقایسه با سیستم HD رایج در سناریوی سلول کوچک تحلیل شده است. mmW امکان پیاده سازی آسان آنتن های چندگانه در eNB و حتی در UE را به دلیل الزامات اندازه ی کوچک آنتن فراهم می کند. همچنین استفاده از بسته های عظیم از طیف استفاده نشده در باند های mmW جذابیت زیادی در برآورده کردن الزامات ظرفیتی شبکه های سلولی آینده پیدا کرده است. به طور خاص، مقاله (33) باندهای 28 GHz و 73 GHz را به عنوان فرکانس های اولیه ای در نظر می گیرد که سیستم های mmW در آنها فعالیت می کنند. در بسیاری از ناحیه های متراکم شهری، اندازه های سلول معمولا شعاعی کمتر از 100 متر یا 200 متر دارند، که در محدوده ی سیگنال های mmW مبتنی بر اندازه گیری های (32، 33) قرار می¬گیرد. این مقاله به پنج قسمت تقسیم شده است. مدل سیستم eNB و طراحی دریافت کننده UE برای روش پیشنهادی در بخش 2 تحلیل شده است. الگوریتم DRBA برای کاهش CCI احتمالی به دلیل حرکت UEها در بخش 3 تشریح شده است. نتایج شبیه سازی نشان دهنده ی کارایی الگوریتم DRBA در بخش 4 بررسی شده است. در نهایت، بخش 5 به ارائه خلاصه مطالب می پردازد.