I detta dokument anser vi att ett bortom 5G scenario, där två typer av användare, betecknas som schemalagda och okoordinerade noder, samexisterar på samma uppsättning radioresurser för att skicka data till en basstation. Schemalagda noder förlitar sig enbart på en centraliserad schemaläggare inom basstationen för tilldelning av resurser, medan okoordinerade noder använder en osloterad Carrier Sense Multiple Access (CSMA) protokoll för kanalåtkomst. Vi föreslår och utvärderar genom simuleringar: a) en ny centraliserad resursplaneringsalgoritm, kallad Neighbors-Aware Proportional Fair (N-PF) och b) en ny paketlängdsanpassningsalgoritm, kallad Channel-Aware (CA) Packet Length Adaptation Algoritm för de schemalagda noderna. N-PF-algoritmen beaktar upplänkkanalens tillståndsvillkor och antalet okoordinerade noder som omger varje planerad nod i den aggregerade schemaläggningen, för att maximera sannolikheten för paketöverföring. Den CA algoritm ger en ytterligare grad av frihet för att förbättra prestanda, tack vare det faktum att schemalagda noder med lägre antal dolda terminaler, d.v.s., med högre sannolikhet paket fånga, tilldelas längre paket överföringsmöjligheter. Vi överväger två referenssystem: Proportionell Fair (PF) algoritm, som en resurs schemaläggning algoritm, och en diskret enhetlig distribution (DUD) system för paketlängd distribution. Simuleringsresultat visar att de föreslagna systemen kan leda till betydande vinster i form av nätverksresultat, utan att äventyra rättvisa, när det gäller två referenslösningar som hämtats från litteraturen. Nyckelord: Proportionell Fair, Neighbors-Aware, Scheduling, Unsloted CSMA, Packet leveranshastighet, Fairness, Packet längd anpassning I framtida trådlösa system, såsom 5G och därefter, kommer den nuvarande dominerande mänskliga-centriska kommunikationssystem att kompletteras med en enorm ökning av antalet smarta enheter, dvs. saker, utrustade med radioenheter, eventuellt sensorer, och unikt adresserbara [1]. Detta kommer att resultera i en explosion av trådlös trafikvolym [2] och därmed en exponentiell ökning av efterfrågan på radiospektrum. Radiospektrumresursen kommer dock att förbli begränsad, och därför kommer effektiva tekniker för användning av radioresurser, såsom avancerade system för kontroll av medeltillgång (MAC) att vara av största betydelse. *Korrespondens: charlesjumaa.katila@unibo.it Electrical, Electronics and Information Engineering Department, University of Bologna, Bologna, Italien Baserat på ovanstående motivation, vi föreställa oss ett nytt scenario, där vissa användare (nedan kallade schemalagda noder), synkroniseras och samordnas av en basstation (BS), samexistera på samma uppsättning av radioresurser med vissa andra användare (nedan kallade okoordinerade noder), asynkroniseras med BS och bland dem. Som visas i bild. 1, schemalagda noder kan vara användarutrustning (dvs cellulära användare), medan okoordinerade noder kan vara saker av Internet of Things (IoT) paradigm, dvs. bilar, maskiner, byggnader [3]. I trådlösa nätverk delas MAC-protokoll in i två huvudgrupper: innehållsbaserad och innehållsfri. Innehållsbaserade protokoll distribueras till sin natur och drabbas av paketkollisioner. Noder vars paket kolliderar kunde utföra en slumpmässig backoff innan du försöker komma åt kanalen igen för vidaresändning av. Å andra sidan är tvistefria protokoll främst samordnade till sin natur med en centraliserad huvudenhet som allokerar ortogonala eller icke-ortogonala resurser till nätverksanvändare, med hjälp av vissa policyer som definieras av schemaläggningsalgoritmen. Radioresurser som tilldelas användare kan antingen vara i tid, frekvens, utrymme, kod eller kombination av mer än en resursdimension. De konventionella schemaläggningsalgoritmerna inkluderar RoundRobin (RR), Earliest Deadline First (EDF) [7], Maximum Throughput (MT) och Proportional Fair (PF) [8]. Varje schemaläggningsalgoritm syftar till att maximera/minimera vissa nätprestandamått såsom rättvisa, summa genomströmning, strömförbrukning, latens, etc., med vissa begränsningar. I detta dokument tar vi hänsyn till det upplänksscenario som illustreras i bild. 2, där schemalagda noder och okoordinerade noder överför till en gemensam basstation med hjälp av olika MAC-protokoll. Okoordinerade noder använder ett osloterat CSMA/CA-protokoll, medan schemalagda noder förlitar sig på en centraliserad schemaläggningsalgoritm som körs på BS. Huvudsyftet med vårt dokument är att ta itu med problemet med centraliserad resursplaneringsalgoritm för schemalagda noder som delar samma kanal med de okoordinerade noderna. För att tillåta samexistens mellan schemalagda och okoordinerade noder, kräver vi att schemalagda noder endast upptar en bråkdel av de ankomst- och avgångstider som tilldelats av basstationen, vilket lämnar delar av en ram tillgänglig för möjlig åtkomst av okoordinerade noder (se avsnitt 3.1 för detaljer). Med denna samexistensmekanism kan kollisioner mellan de schemalagda och de okoordinerade noderna inträffa när okoordinerade noder (i) misslyckas med att "höra" planerad överföring som pågår på grund av det dolda terminalproblemet och starta samtidiga sändningar och (ii) överföra (s) långa paket som överlappar den del av slot som tilldelats schemalagda noder. För att minska dessa kollisioner föreslår och utvärderar vi genom simuleringar en ny schemaläggningsalgoritm, kallad Neighbor-Aware Proportional Fair (N-PF), som tar hänsyn till både kanaltillståndsförhållanden och antalet okoordinerade noder som omger varje planerad nod i den aggregerade schemaläggningen metrisk. För att maximera paketleveranshastigheten för de schemalagda noderna prioriterar N-PF användare med större undergrupper av okoordinerade grannar och goda kanalförhållanden. I själva verket, goda upplänk kanalförhållanden resulterar i högre sannolikhet paket fånga, tack vare större värden av signal-till-interference förhållandet. På liknande sätt, en stor delmängd av grannar för en given schemalagd nod resulterar i hög överföring framgång sannolikhet, eftersom alla okoordinerade noder i undergruppen kan känna de schemalagda överföringar som pågår och avstå från att komma åt kanalen. Dessutom föreslår vi en ny Channel-Aware (CA) Packet Length Adaptation algoritm för de schemalagda noderna, som fungerar som en ytterligare grad av frihet för att förbättra nätverksprestanda. CA-algoritmen baseras på följande observation: Det finns ett cirkulärt område som är centrerat vid BS och som har en radie som är lika med hälften av mätområdet (se gråområdet i bild). 2), Där de okoordinerade noderna kan känna någon planerad överföring från området och avstå från att komma åt kanalen. Detta område betecknas nedan som Hidden Grannfri (HNF), och noder inom det tilldelas en möjlighet att överföra längre paket, eftersom de kan uppleva lägre störningar. Därför delar CA algoritm logiskt in de schemalagda noderna i två uppsättningar: de som lider av det dolda terminalproblemet (dvs. noder utanför HNF-regionen), med hjälp av ett diskret enhetligt fördelningssystem (DUD) för paketlängder och noder som inte har dolda terminaler (dvs. noder i HNF-regionen) som tillåts överföra längre paket. Detta dokument är en förlängning av vårt tidigare arbete rapporterat [9]. Som huvudsakliga skillnader w.r.t. [9], understryker vi följande: (1) Vi föreslår här en ny paketlängd anpassningsalgoritm, dvs. CA algoritm som inte ingår [9]; (2) vi gjorde några ändringar i resursen Katila et al. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking (2017) schemaläggningsalgoritm, N-PF; och (3) vi anser här mer olika prestandamått, utvärdera i detaljer N-PF med olika paketlängd anpassningssystem, och olika systemparametrar. Sammanfattningsvis innehåller dokumentet följande: • Vi studerar ett nytt problem där schemalagda noder samexisterar på samma pool av radioresurser med okoordinerade noder. • Vi föreslår en ny centraliserad resurs schemaläggning algoritm, kallas N-PF, som tar hänsyn till den relativa kanalkvalitet metrisk, och den relativa grannskapet metrisk redovisning för förekomsten av okoordinerade noder i cellen. • Vi föreslår en ny paketlängdsanpassningsalgoritm, kallad CA-algoritm. N-PF:s och CA:s prestanda utvärderas genom simuleringar och jämförs med referenslösningar, baserat på Proportionellt rättvist och diskret enhetligt fördelningssystem för paketlängder. Effekterna av CSMA parametrar (t.ex., Clear Channel Assessment (CCA) tröskel och backoff exponent (BE)) på protokollen, utvärderas också. Resten av tidningen är organiserad enligt följande: Avsnitt 2 diskuterar relaterad litteratur, Avsnitt 3 beskriver systemmodellen, Avsnitt 4 beskriver riktmärket och de föreslagna schemaläggningsalgoritmer, Avsnitt 5 beskriver paketlängd anpassningsscheman, Avsnitt 6 rapporterar numeriska resultat och, slutligen, Avsnitt 7 ger slutsatsen. Relaterade arbeten Tidigare har en hel del forskningsstudier gjorts om samexistensen av heterogena tillträdessystem. Detta ämne fortsätter dock att dra till sig allt större intressen från de vetenskapliga och industriella samhällena på grund av dess lovande potential inom sakernas internet och bortom 5G-nätverk. Upphovsmän i [10] klassificerar samexistensprogrammen i två huvudklasser: medierad och autonom samexistens. I medieklass finns det en nätverksenhet som fungerar som medlare mellan de samexisterande nätverken för att underlätta en rättvis samexistens och minska kollisioner. Medlaren bidrar också till att säkerställa strikt synkronisering och samordning av de berörda nätverken. Denna typ av samexistens är tillämplig när två eller flera multiplexing-system (TDM) delar en gemensam kanal. Å andra sidan behöver den autonoma samexistensen inte någon samordning av de berörda nätverken. I denna klass har vi TDM vs. CSMA och CSMA vs. CSMA nätverk. I vår tidning är vi intresserade av TDM vs. CSMA samexistens. I det tredje generationspartnerskapsprojektet (3GPP) föreslås två huvudmekanismer för att säkerställa en rättvis samexistens mellan LTE och WiFi och annan teknik i det olicensierade spektrumet: Lyssna innan samtal (LBT) och Carrier Sensing and Adaptive Transmission (CSAT) [11]. LBT är ett slumpmässigt tillträdessystem baserat på operatörsavkänning och backoff-regler som liknar WiFi. Å andra sidan är CSAT ett TDM-baserat schema som används av LTE-U-småcelliga celler när ingen klar kanal hittas efter långtidsbäraren Page 4 av 12 sensation. Systemet definierar en tids- (plikts-)cykel där BS sänder i en bråkdel av cykeln och förblir tyst under den återstående varaktigheten. Därför, när CSAT används, TDM-baserade noder (LTE-nätverk) samexistera med slumpmässiga åtkomst-baserade noder (WiFi eller annan teknik) på samma kanal. Omfattningen av dessa verk skiljer sig från vårt arbete eftersom (1) CSAT behandlar samexistens i nedlänk LTE-U liten cell, medan vårt arbete fokuserar på en upplänk scenario som är mer utmanande på grund av effekter av dolda terminal problem och särskilt när nätverket måste hantera höga trafikkrav och (2) vårt arbete fokuserar på utformningen av en schemaläggning algoritm för de schemalagda noderna, medan i 3GPP standarder, detaljer om schemaläggning algoritmer inte tillhandahålls eftersom det är ett leverantörsspecifikt problem [12]. Dessutom kan det hända att de befintliga traditionella schemaläggningsalgoritmerna för radionät inte är lämpliga att tillämpa direkt i scenariot, eftersom de aldrig har utformats med tanke på samexistensproblem. En annan metod som är allmänt studerad i litteratur för att ta itu med spektrumdelning och samexistens är den kognitiva radion [13]. Med kognitiva radionät (CRN), noder klassificeras i två kategorier: primära (licensierade) användare och sekundära (kognitiva) användare. De sekundära användarna har opportunistiskt tillgång till underutnyttjat spektrum som är licensierat till etablerade system [14]. Författare under [10] studerar problemet med heterogen samexistens mellan TDM- och CSMA-nät i TV White Space-spektrum (TVWS) och tar upp dolda terminalproblem med en överföringsmekanism för radiosändare. Centraliserad schemaläggning i kognitiva radionät studeras i [15, 16]. Vårt arbete är annorlunda eftersom varken de schemalagda eller de okoordinerade noderna i vårt scenario förlitar sig på kognitiva radioprinciper för att förbättra samexistensen. IEEE 802.15.4 MAC erbjuder ett alternativ för ett TDMA-läge som fungerar utan bäraravkänning. Författare i [17] studerar problemet med samexistens mellan ZigBee och TDMA MAC och WiFi. I arbetet föreslås ett nytt paradigm som bygger på hektiska tonsignaler för att öka den ömsesidiga observabiliteten mellan ZigBee och WiFi för att förbättra samexistensen. Protokollet TimeSloted Channel Hopping (TSCH) som föreslås i IEEE802.15.4e-standarden förväntas samexistera med system för slumpmässig åtkomst som används av annan teknik i de olicensierade banden [18]. TSCH-baserade enheter kan minska störningar och blekning genom kanalhoppningsteknik. Trafik Aware Scheduling algoritm för tillförlitlig låg effekt multi-hop IEEE 802.15.4e nätverk studeras i [19]. Författarna föreslår ett nytt schema baserat på grafteorimetoden för matchning och färgläggning. De probabilistiska TDMA-protokollen [20] och Z-MAC [21] är hybridaccesssystem som kombinerar funktioner hos både TDMA och CSMA. De är utformade med flexibilitet att växla mellan CSMA och TDMA baserat på tvisteläget i nätverket. Enligt dessa system tilldelas varje nod i nätverket en tidsrymd att överföra, men den kan fånga kanalen på vilken annan plats som helst efter att ha utfört CSMA-förfarandet. På samma sätt föreslår författarna i [22] ett hybrid-MAC-protokoll för heterogena maskin-till-maskin-nätverk (M2M) som kombinerar funktioner i tvistebaserade och TDMA-system. Ett spektrummedvetet klusterbaserat energieffektivt routinghybridsystem diskuteras i [23]. I detta system är TDMA och CSMA verksamma på olika kanaler. Sammanfattningsvis är N-PF enligt författarnas bästa kännedom den första centraliserade uplink-algoritmen för att ta itu med problemet med att schemalägga konkurrerande schemalagda användare som redovisar effekterna av de icke samordnade användarna i den aggregerade schemaläggningen. Litteraturen om anpassningsprogram för paketlängder är omfattande, särskilt i 802.11 WLAN [24, 25]. Mycket få verk utnyttjar dock paketstorleksanpassningen i en heterogen samexistens mellan schemalagda och okoordinerade användare på samma kanal för att förbättra prestandan för en eller båda av de berörda användargrupperna. Dessutom står de flesta av de befintliga verken endast för kanalfel som uppstår på grund av tidsvariationen SNR på länkar och försummar effekterna av dolda terminaler. I [26, 27], författare föreslår en förlustbaserad paketlängd anpassning algoritm för IEEE.802.11 WLANs med dolda terminaler som arbetar i en tidsvarierande trådlös kanal. Författarna har visat att redovisning av effekten av dolda terminaler i paket förlust modeller kan förbättra genomströmningen avsevärt. I [28], författare anser IEEE.802.11b WLAN under störningar från IEEE 802.15.4 nätverk. Författarna visar att optimering av paketlängden kan resultera i förbättrad genomströmning i närvaro av störningar. Dynamisk paketstorlek optimering och kanalval för kognitiva radiosensornätverk studeras i [29]. Slutligen, [30] studier rama aggregeringsscheman i 802.11n WLAN med kanalfel och föreslår optimal ram storlek anpassning algoritm. I vårt arbete föreslår vi ett nytt paketlängd anpassningssystem, betecknat som CA, för de schemalagda noder som drar nytta av fånga effekt fenomen för att förbättra på goodput av de schemalagda noderna. Enligt algoritmens funktion tilldelas schemalagda noder inom HNF-regionen den största möjliga paketstorleken, medan de utanför HNF-regionen tilldelas paketlängder enligt diskret enhetlig fördelning av paketstorlekar med ett mål att maximera goodput genom att minimera kollisionsförluster. Därför, med detta system, i varje ankomst- och avgångstider, den del av tiden för exklusiva Katila et al. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking (2017) 2017:93 Sida 5 av 12 sändningar av okoordinerade noder påverkas och varierar i själva verket beroende på vilken planerad nod som sänder. Systemmodellen Vi anser att en upplänk scenario i en enda fyrkantig cell av sidan S, bestående av K schemalagda noder, M okoordinerade noder, och en enda BS placeras i mitten av cellen. Alla noder är slumpmässigt och jämnt fördelade i cellen som visas i bild. 2............................................................... Radioresurser är i form av tidsdelning flera åtkomsttider (TDMA) (nedan kallade ankomst- och avgångstider). I synnerhet är tiden uppdelad i ramar, som består av T-slots, var och en indelad i t lika stora delpartier (se bild). Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. När en planerad nod tilldelas en TDMA-slot att överföra, börjar dess sändningar vid gränsen för denna slot och upptar kanalen endast för en bråkdel av sloten, vilket lämnar den återstående fraktionen för eventuella okoordinerade nodöverföringar. Med detta paradigm kan därför en planerad nod endast komma åt kanalen i den första delen av spelautomaten, medan en okoordinerad nod inte är begränsad och kommer åt kanalen beroende på CSMA/CA-protokollet. Alla noder genererar paket enligt en Poisson ankomstprocess med ankomsthastighet λ [bytes/frame]. När det gäller paketlängden sänder okoordinerade noder lika långa paket med L-byte, medan schemalagda noder får överföra paketstorlekar som fastställs enligt de system för anpassning av paketlängden som beskrivs i avsnitt 5. Låt P T och P R beteckna överföringen och mottagna befogenheter, respektive, sedan P R ges av: där P L är den väg-förlust mellan sändaren och mottagaren. Om vi låter mig vara en nätverksnod ansluten till basstationen, då påverkas jag av vägförlusten, P L i, enligt följande modell där k 0 är vägförlusten vid 1 m ges av 20 log 10 4π λ, där λ är våglängden och k 1 = 10·η, är η spridningsväg-förlust exponenten beroende på miljön, och d(i, BS) är avståndet mellan användaren i och basstationen. I linjär skala är γ i en exponentiellt distribuerad komponent med enhetsmedelvärde som svarar för Rayleighs blekningseffekt på länken. Vi antar att ett paket tas emot korrekt om villkoren nedan är uppfyllda: 1) Inga fysiska lager (PHY) frågor är närvarande. För ett givet räntepaket beräknar vi först felsannolikheten för paketet, p e, på grund av PHY-skiktet, förutsatt att ingen felkorrigering görs framåt, vilket anges av var l är antalet överförda bitar (dvs. l = L * 8) och BER är felprocenten bit, som beror på det modulationssystem som används. I vår modell, antar vi en Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) modulering, och därmed, där erfc är den kompletterande felfunktion och SNR är signal-till-brus förhållandet i linjära enheter, ges av där P n är bullereffekten. PHY-lagret problem händer med sannolikhet p e. 2) Om inga PHY-lager problem är närvarande, då vi kontrollera om SIR ≥ α för hela varaktigheten av paketöverföring, där α är skyddsförhållandet (också betecknat som fångsttröskel) och SIR är signal-till-interferens förhållandet metrisk.
Katila m.fl. REF föreslog en ny centraliserad resursplaneringsalgoritm som kallas grannen uppfattad proportionell rättvisa (N-PF) och en ny paketlängd adaptiv algoritm som kallas kanalen uppfattad (CA) paketlängd adaptiv algoritm.
Neighbors-Aware Proportional Fair scheduling for future wireless networks with mixed MAC protocols
{'venue': None, 'journal': 'EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking', 'mag_field_of_study': ['Computer Science']}