مدیریت منابع رادیویی برای شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر OFDMA با رله(تقویت‌)از طریق کاربر(رله-کاربر)

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

2. مدل سیستم

شکل 1. توپولوژی شبکه OFDMA رله کاربری

3.  ساختار فریم پیشنهادی و RRM برای شبکه‌های رله کاربری

شکل 2 ساختار فریم پیشنهادی.

الگوریتم A1: انتخاب رله و RA برای زیرفریم 1

الگوریتم A2: RA برای زیرفریم 2 و 3

شکل 3 تصویری از الگوریتم‌های RRM برای ساختار فریم پیشنهادی.

4 . ارزیابی عملکرد

جدول 1 شبیه سازی پارامتر

شکل 4. کاربر - رله از توپولوژی شبکه پشتیبانی می‌کند.

شکل 5. ساختار فریم عمومی.

شکل 6. رله ثابت با کمک توپولوژی شبکه. 

شکل 7. اثر مدت‌زمان‌های زیرفریم به درصد کاربران راضی به ازای Rk = 168 kbps.

شکل 8. اثر مدت‌زمان‌های زیرفریم به درصد کاربران راضی به ازای Rk = 336 kbps.

شکل 9. تعداد کاندیداهای رله-کاربر به ازای Rk = 168 کیلوبیت بر ثانیه.

شکل 10. تعداد کاندیداهای رله-کاربر به ازای Rk = 336 کیلوبیت بر ثانیه. 

شکل 11 مقایسه درصد کاربر راضی  پاسخ دهندگان به ازای مقادیر مختلف dth. 

شکل 12. میانگین تعداد کاندیداهای رله به ازای هر کاربر برای شعاع منطقه پوشش دهی مختلف.  

شکل 13 درصد کاربران راضی به ازای Rk = 168 کیلوبیت بر ثانیه.

شکل 14 درصد کاربران راضی به ازای Rk = 336 کیلوبیت بر ثانیه.

جدول 2. میانگین زمان اجرا به ازای K = 100.  

5 . نتیجه‌گیری

شکل 15. عملکرد نرخ مجموع به ازای Rk = 168 kbps.

شبکه‌های مبتنی بر دسترسي چندگانه با تقسیم فرکانس متعامد (OFDMA) رله‌ای، برای شبکه‌های بی‌سیم فعلی و نسل آینده مهم هستند. زیرا پتانسیل بالایی برای ارائه نرخ داده بالا به کاربران در هر زمان و هر مکانی دارند. در این راستا، شبکه‌های OFDMA رله‌ای ثابت معمولاً توسط اپراتورها بکار گرفته می‌شوند. بااین‌حال، آن‌ها مستلزم زیرساخت‌های پرهزینه‌ی مکمل هستند. شبکه‌های مبتنی بر OFDMA رله-کاربر، کاندیداهای نویدبخشی برای برآوردن‌ نیازمندی‌های تقاضای پوشش دهی و ظرفیت شبکه‌های بی‌سیم آینده به شیوه‌ای مقرون‌به‌صرفه هستند. بنابراین، آن‌ها به‌عنوان راه‌حل مکمل همراه با شبکه‌های رله ثابت، رایج شده‌اند. ساختار فریم عمومی که تخصیص منابع را به دو زیرفریم تقسیم می‌کند، غالباً در متون علمی برای شبکه‌های ثابت و رله کاربری استفاده می‌شود که در آن فرض می‌شود که کاربر می‌تواند هم‌زمان به‌عنوان مقصد و رله عمل کند. بااین‌وجود، ممکن است به دلیل محدودیت‌های طراحی فرستنده گیرنده فعلی، دشوار باشد که این فرض را به سیستم در عمل اعمال کنیم. بنابراین، ما پیشنهاد ایجاد یک ساختار فریم جدید برای شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر OFDMA رله کاربری را برای فائق آمدن با این معایب پیشنهاد می‌کنیم. الگوریتم‌های کارآمد مدیریت منابع رادیویی، شامل انتخاب رله و تخصیص منابع، به‌منظور بهره‌برداری از فرصت‌های در رابطه با ساختار فریم پیشنهادی، توسعه داده شده اند.

یکی از انتظارات نسل بعدی شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم، تأمین پوشش دهی فراگیر نرخ داده بالا ‌ است. OFDMA یکی از فن‌آوری‌های کلیدی برای دستیابی به این هدف به علت ثبات ذاتی آن در برابر محوشدگی انتخابی فرکانس و ظرفیت آن برای دستیابی به کارایی طیفی بالا است [1]. شبکه‌های سلولی سنتی در پوشش دهی و ظرفیتشان محدود هستند. یکی از راه‌حل‌ها، استقرار بیشتر ایستگاه‌های پایه (BS) به‌منظور غلبه بر این محدودیت‌ها است. بااین‌حال، این راه‌حل برای ارائه‌دهندگان خدمات مقرون‌به‌صرفه نیست. یک‌راه حل مقرون‌به‌صرفه، استفاده از ایستگاه رله (RS) به‌عنوان نوع سوم ایستگاه‌ها در شبکه سلولی برای ساخت شبکه رله متشکل از BS ها، RS ها و ایستگاه‌های موبایل (MS) است. ترکیبی از OFDMA و رله (تقويت) کردن یکی از فن‌آوری‌های کلیدی برای ارائه پوشش دهی قابل‌اعتماد و با نرخ داده بالا به شیوه‌ای مقرون‌به‌صرفه تر است. استراتژی‌های رله کردن عمدتاً برای دو مقصود مختلف در سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم مطالعه می‌شوند. یکی از آن‌ها، چندگانی (دایورسیتی) مشارکتی نامیده می‌شود که نوسانات توان سیگنال کاهش‌یافته را به علت محو شدن چندمسیره [2-6] تقویت می‌کند و دیگری چند گام (چندمرحله‌ای) نامیده می‌شود که تضعیف توان سیگنال کاهش‌یافته را به علت افت مسیر [7-10] تقویت می‌کند. معماری‌های شبکه رله کاربری را می‌توان به‌صورت شبکه‌های رله ثابت و شبکه‌های رله سیار مطابق حرکت رله‌ها دسته‌بندی کرد [8-13]. در شبکه‌های رله ثابت، ایستگاه‌های رله بخشی از زیرساخت شبکه هستند، بنابراین استقرار آن‌ها بخش جدایی‌ناپذیر از فرآیند برنامه‌ریزی، طراحی و استقرار شبکه خواهد بود. شبکه‌های رله ثابت به‌طور گسترده در متون علمی مطالعه شده‌اند و در استاندارد نسل چهار سیستم با تکامل طولانی‌مدت (LTE) -پیشرفته گنجانده‌شده‌اند [14]. در شبکه‌های رله سیار، ایستگاه‌های رله بخشی از زیرساخت بی‌سیم ثابت نیستند و مکان‌های آن‌ها قطعی نیست. استفاده از شبکه‌های رله سیار پوشش دهی را افزایش می‌دهد و باعث افزایش توان عملیاتی (گذردهی) می‌شود [10،15،16]. انواع مختلف رله‌های سیار می‌توانند به‌عنوان رله‌های سیار اختصاصی خطاب شوند که در وسایل نقلیه متحرک و پایانه‌های کاربر به‌عنوان رله‌های سیار عمل می‌کنند که به‌عنوان رله‌های کاربر نیز نامیده می‌شوند. رله کردن کاربر به‌عنوان یکی از فن‌آوری‌های نوظهور است که تعریف استاندارد نسل پنجم مخابرات (5G) [17،18] را تغییر می‌دهد. ازآنجاکه تعداد RS های ثابت در شبکه محدود است، کاربردپذیری رله در شبکه نیز محدود می‌شود. ازآنجاکه تعداد رله‌های کاربر با تعداد کاربران سیار سنجش می‌شود، رله‌های کاربر دارای درجه‌ی آزادی بیشتر در مقایسه با RS های ثابت است. 644 هزینه استقرار پایین‌تر مزیت اصلی رله‌های کاربر است، ازآنجاکه لازم نیست که هیچ زیرساخت پرهزینه‌ای برای رله کردن اضافه شود. تراکم کاربران که یک پارامتر حیاتی برای مواقع رله کردن و عمر باتری است، چالش‌هایی از شبکه‌های رله کاربری هستند. به‌منظور تحقق کامل از مزایای ظرفیت و پوشش دهی در شبکه‌های رله کاربری، مدیریت منابع رادیویی EFM (RRM) شامل انتخاب رله و تخصیص منابع (RA) حیاتی است. فرمول‌بندی مسئله‌ می‌تواند به‌طور زیادی در اهداف بهینه‌سازی (حداکثر سازی نرخ داده، حداقل سازی توان)، محدودیت‌های بهینه‌سازی (مساوات، توازن بار)، پروتکل‌های رله کردن تقویت و ارسال (AF)، رمزگشایی و ارسال (DF)، حالت‌های رله کردن (کامل دوطرفه، نیمه دوطرفه)، انواع رله (ثابت، سیار)، تعداد آنتن مبدأ، مقصد و رله (آنتن واحد / آنتن چندگانه) و معماری‌های سیستم فروسو (در جهت کاربر) / فراسو (در جهت شبکه)، تک‌سلولی / چند سلولی) متفاوت باشد. مسئله RRM در تحقیقات متعددی برای شبکه‌های رله ثابت مبتنی بر OFDMA بررسی‌شده است [19-29]. فرصت‌ها و چالش‌های شبکه‌های رله ثابت مبتنی بر OFDMA با جزئیات در مراجع [19،20] بحث شده‌اند. در مرجع [21]، مسئله RRM برای به حداکثر رساندن نرخ مجموع برای یک سیستم OFDMA با سلول واحد بررسی‌شده است. ازآنجایی‌که حل آسان مسئله وابسته به رده برنامه‌نویسی صحیح به اشکال مستقیم بسیار دشوار است، مسئله با استفاده از آرام‌سازی پیوسته به‌طور بهینه حل‌شده است. در [22] یک راه‌حل اکتشافی (هیوریستیک، ابتکاری) با پیچیدگی کم برای یک مسئله مشابه RRM ارائه‌شده است. مسئله مساوات‌ (در تخصیص منابع و غیره) در [23-25] برخلاف مطالعات ارائه‌شده پیشین بررسی‌شده است و الگوریتم‌های RRM اکتشافی ارائه‌شده‌اند. در [26،27]، انتخاب رله و مسئله RA برای سیستم مبتنی بر OFDMA تک‌سلولی فراسو تواما بررسی‌شده‌اند. در [28،29]، مسئله RRM برای سناریو چند سلولی اقتباس (سازگار) شده است. علاوه بر این، چندین آنتن در مبدأها، رله‌ها و مقصدها در [30،31] به‌منظور افزایش ظرفیت سیستم راه‌اندازی می‌شوند. الگوریتم‌های کارآمد انتخاب رله و آنتن در این محیط چند رله‌ای و چند آنتنی توسعه داده می‌شوند تا به‌طور کامل از مزایای ترکیب فن‌آوری رله کردن ثابت و چند آنتنی بهره‌مند شوند. تحقیقات در [32-38]، مسئله RRM را برای شبکه‌های رله سیار مبتنی بر OFDMA بررسی کرده‌اند که در آن کاربران به‌عنوان رله‌ها عمل می‌کنند. در [32]، استراتژی RA در سیستم‌های OFDMA با استفاده از طرح (روش) AF بررسی‌شده است، راه‌حل‌های بهینه و زیر بهینه برای حداقل سازی توان ارائه‌شده‌اند. مسئله مساوات به‌وسیله‌ طرح‌های تخصیص زیر حامل و توان برای OFDMA در جهت فراسو در [33] به‌حساب آورده شده است. در [34] بهینه‌سازی انتخاب رله، انتخاب استراتژی-رله مانند AF یا DF و RA برای به حداکثر رساندن توابع مطلوبیت (سودمند) برای شبکه‌های سلولی تواما درنظرگرفته شده‌اند. در [35]، استراتژی همکاری بهینه برای سیستم‌های OFDMA دو کاربرِه در جهت فراسو توسعه داده‌شده است که منطقه‌ی ظرفیت كران‌ بالا (حداکثری) را برای طرح DF به دست آورده‌اند. در [34،35] فرض شده است که گره‌ها قادر به ارسال و دریافت هم‌زمان در زیر حامل‌های مجاور هم (هم‌جوار) هستند. امکان‌پذیری این فرضیه در [36] بررسی‌شده است و تنزل عملکرد مشاهده‌شده است زیرا در عمل تعامد در بین زیر حامل‌های مختلف در سیستم‌های ارتباطی از بین رفته است. در مرجع [37،38]، راه‌حل‌های RRM عملی زیر بهینه را برای شبکه‌های OFDMA رله-کاربری پیشنهاد کرده‌ایم. در [37]، شبکه‌های ناهمگون که دارای هر دو BS های ماکرو و نقاط دسترسی هستند با فنّاوری رله کردن موبایل ترکیب‌شده‌اند و انتخاب رله کارآمد و انتخاب رابط شبکه برای چنین محیط پیچیده‌ای ارائه‌شده‌اند. در [38]، انتخاب رله و الگوریتم RA با در نظر گرفتن اطلاعات صف برای هر کاربر تواما بررسی‌شده است. تمام این مطالعات برای شبکه‌های رله ثابت و سیار از ساختار فریم عمومی استفاده می‌کنند که در آن فریم در جهت فروسو به دو زیرفریم متوالی تقسیم می‌شود. در این مقاله، ما بر روی شبکه‌های OFDMA رله-کاربر تمرکز می‌کنیم، زیرا رله کردن از طریق پایانه کاربر، انعطاف‌پذیری بیشتری را برای شبکه سلولی با افزایش تعداد کاندیداهای رله و کاهش هزینه‌های زیرساخت فراهم می‌کند. درحالی‌که رله کردن پایانه ثابت بهبود در سیستم‌های سلولی حاصل می‌آورد، پیاده‌سازی رله کردن کاربر، بهره‌ی قابل‌توجهی به شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر نسل پنجم که از سناریوهای مختلف استفاده می‌کنند، حاصل می‌آورد [17]. یکی از سناریوهای بررسی‌شده در سیستم‌های مبتنی بر نسل پنجم، رله کردن دستگاه به‌وسیله‌ی برقراری لینک با کنترل اپراتور مطابق‌ به چارچوبی است که در این مقاله درنظرگرفته شده است. ما ساختار فریم جدید را با انتخاب رله و تخصیص منابع مؤثر برای شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر OFDMA رله-کاربر، پیشنهاد می‌کنیم. دستاورد و ویژگی‌های طرح پیشنهادی به شرح زیر خلاصه می‌شوند: • درصورتی‌که زمان انتقال یکسان را ثابت نگه‌داریم، پیشنهاد می‌کنیم که مدت‌زمان کل فریم را به‌جای دو زیرفریم به سه زیرفریم تقسیم کنیم تا کاربران را پس از یک جلسه انتقال مستقیم اولیه، به‌صورت کاربران راضی و ناراضی طبقه‌بندی کنیم. • به کاربران راضی اجازه داده می‌شود که به‌عنوان یک رله عمل کنند و آن‌ها به‌عنوان کاندیداهای رله-کاربر کاربران ناراضی نسبت (تخصیص) داده می‌شوند. • کاربران برخلاف [34،35] مجاز به ایفای نقش به‌عنوان مقصد و رله به‌طور هم‌زمان نیستند. این فرضیه که در آن کاربران می‌توانند هم‌زمان از طریق زیر حامل‌های هم‌جوار، ارسال و دریافت کنند، ممکن است محدودیت‌هایی را در عمل با طراحی فرستنده‌ی فعلی داشته باشند. [36] بقیه این مقاله به‌صورت زیر سازمان‌دهی شده است. در بخش 2 مدل و فرضیه‌های سیستم را ارائه می‌دهیم. در بخش 3، استراتژی RRM برای شبکه‌های OFDMA رله-کاربر را با ساختار فریم پیشنهادی بررسی می‌کنیم. ارزیابی عملکرد گسترده در بخش 4 ارائه‌شده‌اند. درنهایت، نتیجه‌گیری در بخش 5 ارائه‌شده است.