Cooperative Communication Aware Link Scheduling for Cognitive Vehicular Ad-hoc Networks(一)

本文是這篇《移動邊緣計算的分工協作》的譯文,參雜着我自己的一些理解
文章背景
吞吐量最大化是認知車輛自組織網絡(cvanet)中無線應用面臨的一個關鍵挑戰。協同通信作爲一種潛在的解決方案,通過利用空間的多樣性來提高鏈路容量,近年來受到了廣泛的關注。但是,如果考慮鏈路調度,這種傳輸模式在端到端吞吐量方面可能比直接傳輸性能差。
開始正文
本文提出了一種協同通信感知鏈路調度方案,研究了C-VANETs中的吞吐量最大化問題。
針對協同通信的特點和授權頻譜的可用性,我們將鏈路擴展爲協同鏈路/通用鏈路,定義擴展的鏈路頻帶對,形成一個三維(3-D)協同衝突圖來表徵這些鏈路對之間的衝突關係。
考慮到圖中所有的合作獨立集,我們用數學方法建立了一個端到端的吞吐量最大化問題,並通過線性規劃近似最優地解決了這個問題。
由於發現所有獨立集的np完備性,我們還提出了一種用於合作通信感知鏈路調度的啓發式剪枝算法。仿真結果表明,該方案是一種有效的增加端到端通入量的方法。隨着道路基礎設施的成熟和駕車者數量的增加,公路旅行已經成爲美國和許多其他國家人們生活的一部分。
在車載自組網(VANETs)中,各種寬帶車載通信應用將在不久的將來廣泛應用,這些應用可以爲乘客提供娛樂,使長途旅行更加愉快。
然而,汽車應用的擴散超出了安全需要額外的無線電資源來支持,這使得已經擁擠的許可頻譜更加糟糕。
與此同時,對於這些passengeroriented應用[1][3],無論vehicle-to-vehicle (V2V)基於通信的應用程序(例如,網絡遊戲在不同的汽車乘客,文件傳輸,同事之間虛擬會議,等等)或者vehicle-to-roadside (V2R)通信基礎的(如網頁瀏覽、合作下載,在線視頻,等等),最關鍵和基本要求是高的數據傳輸端到端吞吐量。
在VANETs中,哪一項任務同樣具有挑戰性鑑於VANETs對無線電頻譜的需求,聯邦通信委員會(FCC)開放了未被充分利用的授權電視頻譜。超高頻電視頻率跨越470- 806mhz)[4],允許無牌用戶的機會訪問。
利用認知無線電(CR)技術,車輛/節點(話說車輛/節點將在本文中使用互換)以及路邊單元(RSU) VANETs可以伺機空譜和使用這些許可樂隊暫時/地理位置,何時/何地主要服務並不活躍。我們稱這種具有CR能力的VANET爲[3],[5]爲認知VANET (C-VANET)。另一方面,通過採用多天線,如多輸入多輸出(MIMO),空間分集已被證明在降低誤碼率、提高功率效率和提高VANETs的吞吐量方面是有效的。然而,爲無線節點配備多個天線並不總是可行的。
爲了在不需要多臺收發天線的情況下實現空間多樣性,我們可以在[6]、[7]中引入所謂的協作通信。圖1(a)中所示的[6]、[7]三節點示例可以很好地說明協作通信的思想。在這個子圖中,節點i通過一跳的方式傳遞給節點j,節點r作爲協同中繼節點。從i到j的協同傳輸是在逐幀的基礎上完成的。在每一幀中,有兩個時間段[1],[6],[8]-[10]。在第一次槽(實線),我讓一個傳輸到目的地j。由於無線傳輸的廣播性質,我也聽到了中繼節點傳輸r。在第二時間段(虛線),r轉發數據在第一次聽到槽j。因此,在合作交流,每個節點只配備了一個天線和依賴鄰國合作節點的天線實現空間的多樣性。如果選擇合適的合作中繼節點,合作通信可以有效提高鏈路容量[8]、[11]。然而,如果我們考慮基於時間框架的鏈路調度,協作通信並不一定有助於提高端到端吞吐量。以圖1(b)中的玩具拓撲爲例。如果節點i直接向節點j發送數據包,那麼鏈路(i,j)將不會與鏈路(u,v)產生干擾,因此可以安排它們同時發送。相反,如果(i,j) 採用r進行協作通信,(i,j)將與(u,v)產生衝突,因爲協作中繼r的傳輸對(u,v)的節點v造成干擾。Asaresult (i,j)和(u,v)不能同時發送,這可能會降低端到端吞吐量從sr到dt。在吞吐量方面,合作通信帶來的好處可能會被抵消,甚至被同時調度更多鏈路的機會的損失所淹沒。基於上述觀察,C-VANETs中的吞吐量最大化問題出現了幾個有趣的問題:當考慮鏈路調度時,是否存在一種最優方法來最大化協作通信在端到端吞吐量方面帶來的好處?是否許可波段的可用性對傳輸模式的選擇有任何影響(即,直接傳輸或合作通信)以及吞吐量?我們能否在實踐中找到一個簡單可行的方法來解決這個問題?
爲了解決這些問題,本文提出了一種協同通信感知鏈路調度方案,其目標是在C-VANETs中最大限度地提高會話的吞吐量。我們讓RSU通過發送小型控制消息來調度高速公路上車輛之間的多跳數據傳輸。綜合考慮許可頻譜的可用性、傳輸模式和鏈路調度等因素,建立了吞吐量最大化問題的數學模型,並通過線性規劃近似最優地求解,給出了一種簡單的啓發式算法。我們的突出貢獻概括如下。
•針對合作通信的特點,我們新奇地將使用合作通信的鏈路擴展爲合作鏈路。爲了保持符號的一致性,我們利用一個虛擬的合作中繼,並使用直接傳輸將一個鏈路擴展爲一個通用鏈路。
•受之前的工作[12]-[16]中鏈接衝突圖的啓發,我們提出了一個三維(3-D)合作衝突圖來描述C-VANETs中擴展鏈接之間的干擾關係。與[14]-[16]中使用的方法類似,我們將圖中的每個頂點解釋爲調度的基本資源點,並使用擴展的鏈路帶對錶示每個資源點。基於這些擴展的鏈路帶對,我們建立了三維合作衝突圖,重新定義了合作獨立集和衝突簇。
•藉助3-D協同衝突圖,RSU可以在多個約束條件下(即、頻帶的可用性、傳輸方式的選擇和鏈路調度)。給出C-VANETs中所有的合作獨立集,RSU可以對公式中的整數變量進行鬆弛,通過線性規劃求解優化問題,得到源節點和目標節點之間的最優端到端吞吐量。
•由於在C-VANETs[13] -[17]中找到所有的合作獨立集是np完全的,所以我們使用了大量的最大合作衝突cliques,並開發了一種啓發式剪枝算法來近似最優的端到端吞吐量。我們讓RSU選擇擴展鏈路對的帶寬和傳輸方式,對未選擇的鏈路對進行修剪並更新鏈路傳輸時間,直到不能進一步減少所有鏈路中最大的鏈路傳輸時間。吞吐量估計爲最大集羣傳輸時間的倒數。
•通過數值模擬,我們展示了可用頻帶數量和源節點與目標節點之間的距離對C-VANETs吞吐量性能的影響。
我們還表明
i) CR能力爲使用合作通信創造了更多的機會;
ii) 協同通信感知鏈路調度的性能優於單純依賴一種傳輸方式的調度;、
iii) 所提出的修剪算法在c - vanet端到端吞吐量方面接近最優。
論文的其餘部分組織如下。我們在第二節中回顧了有關吞吐量最大化的相關工作。在第三節中,我們將介紹C-VANETs的設置和相關模型。第四部分描述了三維合作衝突圖,提出了合作獨立集和衝突團的概念。在第五節中,我們用數學方法描述了CVANETs中的吞吐量最大化問題,並用線性規劃方法近似最優地求解。在第六章中,我們提出了一種合作通信感知鏈路調度的啓發式剪枝算法。最後,我們對第七部分的性能結果進行了仿真分析,得出第八部分的結論。
第二部分:跨層約束(如流路由、鏈路調度等)下的相關工作吞吐量最大化問題在已有文獻中得到了廣泛的研究。Jain等人在[18]中基於np完全優化問題研究了干擾對多跳無線網絡性能的影響。[13]中的翟和方研究了考慮鏈路調度的給定路徑的路徑容量,並利用干擾簇傳輸時間設計了用於單無線電單信道(SR-SC)網絡中高吞吐量路徑選擇的路由度量。對於多無線電多信道(multi-radio multi-channel, MR-MC)網絡,Li等人在[14]中提出了一個多維度(multi-dimensional,即並利用該算法求解最優路徑容量問題。不同的移動設備與一個無線電SR-SC網絡或在mc與多個無線電網絡,CR設備只有一個無線電但無線電是軟件定義一個[4],[19],[20],這應該是開關頻率範圍很廣範圍[21]- [23]。在CR研究界,也有人致力於跨層優化。Tang等人在[16]中研究了多跳C 出R網絡中以吞吐量最大化和達到一定公平性爲目標的聯合頻譜分配和鏈路調度問題。Hou等人在[24]中研究了以最小化網絡範圍頻譜資源爲目標的聯合頻率調度和路由問題,提出了集中式算法。
用於多跳CR網絡中的頻譜共享。考慮頻譜供應的不確定性,鍋等人在[25]提出模型的空置許可樂隊爲一系列的隨機變量,是種CR網絡與一對(α,β)參數和最小化的使用授權頻譜支持CR率要求在一定的信心水平。遺憾的是,目前還缺乏跨層的吞吐量最大化設計,不能有效地統一無線設備的CR能力和設備之間的協作通信。在合作通信方面,研究主要集中在信息論和通信理論問題上。Liu等人在[26]和Laneman在[7]對相關主題的主要結果進行了很好的調查。這一領域的大多數研究的共同主題是優化物理層性能度量(即從一般系統的角度,不太關心協作通信對網絡性能的影響。例如,[27]中的Host-Madsen和Zhang以及[28]中的Kramer等人研究了具有給定源和目標對的幾種合作方案的可達速率和多樣性增益。基於cascaded Nakagami衰落[29],它提供了對車輛間信道的現實描述,Ilhan等人在[1]中研究了VANETs中的協作分集,並提出了一種中繼輔助方案來優化車輛間通信的功率分配。在協作通信的組網和跨層設計方面的一些開創性工作包括利用協作[30]的媒體訪問控制協議、協作路由[10]、[11]、[31]、全網範圍內的最優協作中繼選擇[8]、網絡編碼協作通信[32]、[33]和VANETs[9]中使用協作通信的跨層路由。然而,在VANETs中聯合考慮協作通信和機會頻譜訪問的鏈路調度是一個基本未開發的領域。Pagadarai等人在[34]中定量和定性地測量並表徵了馬薩諸塞州州際公路(I-90)沿線的空閒電視頻譜(470806 MHz),這進一步爲C-VANETs的研究鋪平了道路。在這項工作中,我們試圖對C-VANETs端到端的吞吐量最大化進行全面的研究,其中傳輸模式的選擇、頻譜的可用性和鏈路調度都被考慮在內。
第三部:
A、C-VANETs的網絡設置
B、傳輸模型
1、放大轉發
2、解碼轉發
3、直接傳輸
我們考慮一種C-VANETs[3],[5]組成的多個車輛操作在不同的空授權頻帶和RSU(例如,一個基站(BS),網關,一個接入點(AP),等等)是這一組的節點N = {1, 2,···N···, N}(一)高速公路,如圖2所示。讓sr/dt表示c - vanet中會話的源/目標節點。我們的目標是最大化此會話的端到端吞吐量。通過與車輛交換小型控制消息,RSU1可以爲多跳V2V通信或V2R通信[5]調度大型數據包的傳輸。考慮到車輛調度週期設置爲τ合併進入/退出高速公路以及許可樂隊的可用性。假設許可的頻譜帶sb ={1,2,···,b,···,b}具有相同的帶寬,帶寬大小爲w。
爲了區分c - vanet中的兩種中繼節點[11],我們將用於協作通信的中繼節點稱爲協作中繼,將傳統意義上用於多跳中繼的中繼節點稱爲多跳中繼2。考慮到協作通信的概念以及CR設備固有的硬件限制,我們還假設每個節點只有一個無線電,但是無線電可以調到任何可用的頻段進行分組傳輸。每個節點i∈N採用一定的頻譜感知技術(如[35]、[36])來識別一組可用的、未被主要業務佔用的許可頻帶。根據節點的地理位置,在C-VANETs中,一個節點的可用頻帶可能與另一個不同,如圖2所示。用數學的方式,讓Bi⊆我representthesetofavailablelicensedbandsatCRnode∈N。Bi可以不同於Bj,其中j不等於i,且j∈N,即,可能是Bi̸= Bj。對於使用協作繼電器r的鏈路(i,j),我們假設從i到j的傳輸和從r到j的傳輸使用相同的樂隊。因此,我們有B(i,r,j) = B(i,j) = Bi Bj。此外,由thersul分配的分時段3將在時間框架內進行計算,如果採用合作通信,每個時間框架將被平均劃分爲從i到j的傳輸和從r到j的傳輸兩個時間段。在本節中,我們給出了不同傳輸模式下的可達數據速率的表達式。
基於以上結果,我們有兩個觀察結果。首先,將CAF(或CDF)與CDTx相比較,很難說合作傳播總是優於直接傳播。事實上,較差的中繼節點選擇可以使協同通信下的可達數據速率低於直接傳輸[8]下的可達數據速率。第二,雖然AF和DF是不同的機制,但兩者的能力具有相同的形式,即, SNRij、SNRir和SNRrj的函數。因此,一種基於AF的協同通信感知鏈路調度算法可以很好地推廣到DF。
因此,只關注其中一個就足夠了,我們在本文中選擇AF。
C、傳輸和干擾等級
無線網絡中的干擾可以根據協議模型或物理模型[37]來定義。在協議模型[13]、[37]中,存在固定的傳輸範圍和固定的干擾範圍,干擾範圍一般爲傳輸範圍的1.5 ~ 3倍。這兩個範圍可能隨頻帶的不同而不同。設T b i表示在授權頻帶b (接聽頻帶)Bi上,節點i的傳輸範圍內相鄰節點的集合。對於使用r在b波段上進行協作通信的鏈路(i,j),我們有r = j和r T b (i,j) = T b i T b j。另一方面,同一頻段上的兩個鏈路之間的衝突關係可以通過指定的干擾範圍來確定。現有的工作大多采用協議模型[13]、[14]、[16]、[24]、[25],將網絡上的干擾抽象爲衝突圖。利用協議模型刻畫了c - vanet中各鏈路之間的干擾關係,並根據協同通信的特點將衝突圖擴展爲三維協同衝突圖。細節將在下一節中介紹。
第四節、c - vanet中的合作衝突圖、衝突團和獨立集
在本節中,我們首先將C-VANETs中的鏈接擴展爲與(w.r.t.)合作通信的特殊特性相關的合作鏈接/通用鏈接。然後,我們建立了一個三維協同衝突圖來描述這些擴展鏈接之間的干擾關係。此外,我們還重新定義了獨立集和衝突團[12]、[13],以說明當c - vanet中涉及到協作通信時,哪些鏈路可以同時激活,哪些鏈路不能。
A、 將鏈接擴展爲合作/通用鏈接

對於一個鏈路(i,j),如果節點r是它的最佳合作中繼,我們計算合作通信的可達數據速率(即如果CAF(i,r,j) > CDTx(i,j),則我們可以將link (i,j)擴展爲(i,r,j),並將(i,r,j)定義爲一個協作鏈接。保持鏈接符號一致,我們利用(i,ϕ,j)來表示一個鏈接使用直接傳輸,ϕ是一個虛擬的合作繼電器,並定義(iϕj)一般鏈接。可以對C-VANET中的每個鏈接執行相同的過程。定義Rb (i, j) ={ϕ}T b (i, j)。然後,我們可以將每個連桿(i,j)擴展成(i,r,j)在b波段上的形式,其中r Rb (i,j)請注意,當RSU考慮到不同鏈路之間的干擾關係並在這些鏈路上調度傳輸時,對於符合合作鏈路條件的鏈路,RSU可以選擇將其用作合作鏈路或通用鏈路。
B.建立了基於許可頻帶可用性和協同通信特性的三維協同衝突圖
引入了一個三維協同衝突圖來表徵C-VANETs中多個鏈路之間的干擾關係。具體來說,在三維協同衝突圖G(V,E)中,每個頂點對應一個擴展的鏈路帶對,其中擴展的鏈路帶對定義爲((i,r,j),b)。linkband對錶明擴展的鏈接(i,r, j)作用於操作的頻帶b。注意,它包括普通鏈接合作繼電器r =ϕ時,當合作,包括合作聯繫繼電器r =ϕ。它還包括作爲特殊情況下的合作通信在單無線電單通道網絡中可用的許可頻帶|B| = 1。如果下列條件之一爲真,則定義兩個擴展鏈路帶對相互干擾:
條件1:兩個不同的擴展鏈路帶對具有相同的節點。
條件2:如果兩個擴展的鏈路帶對使用同一頻段,則當接收節點或其中一方的合作中繼節點與發射節點或另一方的合作中繼節點發生干擾時,它們的傳輸將互相干擾。
根據這些條件,我們將V中的兩個頂點與G(V,E)中的無向邊連接,如果它們對應的鏈路帶對相互干擾。爲了便於說明,我們舉了一個簡單的例子來說明如何構造一個三維合作衝突圖。如圖3(a)所示的C-VANET玩具,我們假設有6輛裝有CR收發器的車輛,即, A、B、C、D、E及F,以及兩個持牌樂隊,即, 1級和2級。有一個以節點a爲源,節點E爲目標的路徑。對於鏈路(A,B),我們假設CAF(A,F,B) > CDTx(A,B)。因此,RSU可以使用節點F作爲合作中繼,形成合作鏈路(a,F,B)。對於鏈路(B,C),我們假設CAF(B,F,C) < CDTx(B,C),這意味着(B,C)不能擴展到(B,F,C)。對於其他鏈接,他們可以擴展到一般的鏈接,例如,(C, D) (CϕD)。根據地理位置的不同,一個擴展鏈路上當前可用的頻帶可能與第三- a節中提到的另一個擴展鏈路上的頻帶不同。例如,可用的許可樂隊組(ϕ,B) / (A、F B){1},樂隊集(A,ϕ,B, C) {1,2}。此外,我們用d(·)來表示歐幾里德距離。
因爲任何節點只有一個無線電,並且一次只能在一個波段上工作。
頂點之間存在一條邊((A,ϕ,B), 1)和((A,F, B), 1),因爲它們與相同的發送節點和接收節點(也滿足條件1)但具有不同傳輸模式。RSU時間表傳輸時,可以選擇使用((A,ϕ,B), 1)或((A,F, B), 1)。
注意,協同通信可能會增加鏈路的可達數據速率,但也會帶來額外的干擾。如圖3所示(b),如果合作linkband一對((A,F, b), 1) RSU被選中,將衝突((A,ϕ,b, C), 1),((A,ϕ,b, C), 2), ((1 C,ϕ,D))和((DϕE), 1)。相比之下,如果一般link-band對((ϕ,B), 1)被採用,將衝突((ϕB, C), 1),((ϕB, C), 2)和((1 C,ϕ,D))。這是因爲,當這個合作鏈路頻帶對計劃進行傳輸時,我們必須同時考慮發射節點A的干擾範圍內的節點和合作中繼節點F的干擾範圍內的節點。
C.合作的獨立集和衝突派系
給出一個表示c - vanet的三維協同衝突圖G = (V,E),我們將頂點u V對頂點V V的影響描述如下

其中兩個頂點對應兩個鏈路帶對。如果有一個頂點/擴展link-band setI V和延長link-band u我滿足我,u = V wuv < 1,傳輸link-band雙u會成功,即使其他link-band對屬於集我是同時傳輸。如果任何u I滿足上述條件,我們可以在I中所有這些擴展的鏈路帶對上調度傳輸,使其同時處於活動狀態。這樣一個頂點/擴展的鏈路頻帶對集I稱爲合作獨立集。如果在一個合作獨立的setI中再增加一個擴展的鏈路頻帶對,就會產生一個非獨立的setI, I被定義爲一個最大的合作集

此外,如果在Z中存在一個頂點/擴展的鏈路帶對V和任意兩個擴展的鏈路帶對u和V滿足wuv = 0(即,頂點u和v不能同時發送),Z稱爲合作衝突集團。如果Z在添加任何一個擴展的鏈路帶對後不再是一個合作衝突集團,則Z被定義爲一個最大的合作衝突集團。
五、實現高端到端吞吐量的協作通信感知鏈路優化調度
在構建了三維協同衝突圖之後,本節首先討論了C-VANETs中中繼選擇w.r.t.鏈路調度的可能衝突。然後,我們討論如何計算路徑容量和描述基於單無線電的節點的流路由約束。根據跨層約束條件,建立了c - vanet的吞吐量最大化問題的數學模型,並採用線性規劃方法進行了近似最優解。
在討論協同通信感知鏈路調度之前,我們需要澄清與中繼選擇wr.t鏈路調度衝突相關的兩個問題。在[11]中引入了兩種中繼選擇衝突,將協同通信引入多跳無線網絡中。第一個是協同選擇和多跳選擇之間的衝突。(選擇一個節點作爲合作中繼和多跳中繼),如圖4中的情形1和情形2所示;二是協同選擇中繼的不同鏈路之間的衝突。(不同鏈路選擇相同的節點作爲協同中繼),如圖4中的情形3所示。如果網絡中只有一個頻段可用,很容易證明中繼選擇衝突永遠不會發生w.r.t.鏈路調度。
然而,如果有網絡中可用的多個頻段(例如C-VANETs)的話,兩種碰撞都存在,如圖4所示。幸運的是,三維協同衝突圖可以很好的描述C-VANETs中所有的中繼選擇衝突(例如,圖4中的三種情況都滿足干擾條件1),使得RSU可以利用它進行協同通信感知鏈路調度。
注意,C-VANETs中的一個節點可以在不同的時間共享情況下,在協作節點和多跳中繼之間進行切換,這與[11]中節點的固定角色不同。
。。。
。。。
其中(16)、(17)、(18)和(19)規定每個節點最多有一個非零流的傳出鏈路,並且在源和目標之間有RSU選擇的路徑;(20)和(21)表明(i,r,j)上的流量流量不能超過該擴展鏈路的容量,該容量由V-B節中所示的協作通信感知鏈路調度獲得。注意,我在C-VANETs中包含了所有獨立的集合。Givenallindependentsets6 inthenetwork wefindthattheformulated優化是一個混合整數線性規劃問題因爲δij只有二進制值。它可以用一些典型的算法(如[24]、[25]、分支和約束[39]等)或軟件(如CPLEX[13]、[40]、LINDO等)在多項式時間內近似最優地求解,只要所有的合作獨立集都能在G(V,E)中找到。
六、合作通信感知調度的啓發式剪枝算法
一個迭代的鏈路帶對剪枝算法

1、 建立三維協同衝突圖
2、 尋找最大的衝突派系
3、 計算衝突集團傳輸時間
4、 對最大的合作衝突派系進行排序
5、 爲高吞吐量選擇最佳帶寬
6、 修剪合作/通用鏈路帶對
7、 迭代過程並估計吞吐量

吞吐量計算公式
結束語:
本文研究了多約束條件下C-VANETs的吞吐量最大化問題。(CR設備固有的單無線電約束,許可頻譜的可用性,傳輸模式的選擇和鏈路調度)。考慮到協同通信的特殊性,首先對鏈路進行擴展,將其劃分爲協同鏈路/通用鏈路。然後,根據不同擴展鏈路上的可用頻帶,定義了擴展鏈路頻帶對,並構造了一個三維合作衝突圖來描述這些擴展鏈路頻帶對之間的衝突關係。在此基礎上,我們建立了端到端吞吐量最大化問題的數學模型。對於C-VANETs中所有的合作獨立集,我們可以對所提出的優化問題進行鬆弛,並通過線性規劃近似最優地求解。針對發現所有獨立集的np完備性,提出了一種用於合作通信感知鏈路調度的啓發式剪枝算法。通過數值模擬,我們證明
:i) CR能力爲使用協同通信創造了更多的機會
ii)選擇適當的傳輸模式的鏈路調度性能優於單純依賴一種傳輸模式(合作通信或直接傳輸)的鏈路調度性能。

D .多個約束條件下最大化吞吐量最大化 端到端吞吐量在源節點和目的節點之間,RSU需要找到一個可行的解決方案,共同分配可用的頻段,開展合作交流意識到聯繫安排信道,和路由傳輸和接收的交通種C-VANETs。
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