Volymen av mobil trafik exploderar, drivs av en mångfald av anslutna enheter. Den höga bandbredd som multimediatillämpningar kräver sträcker sig kraftigt över det tillgängliga trådlösa spektrumet. Konsumenterna påverkas av fast tillgång bredbandstjänster förväntar sig nästan omedelbar filuppladdning/nedladdningar och överföringar mellan terminaler (laptops, surfplattor och smarta TV-apparater), IPTV och HD-video. Utmaningen för tjänsteleverantörerna är därför att utöka kapaciteten för trådlös åtkomst för att bibehålla prestandaegenskaperna vid övergången till huvudsakligen trådlösa tjänster. Nöjesindustrin kommer bara att vara den första att driva och inspirera andra futuristiska scenarier i sammankopplad hälsa, social och samhällelig interaktion, och utbildning. 60 GHz-bandet, med upp till fyra 2,16 GHz-kanaler, stöder snabba kortdistanssändningar (LOS) med hög datahastighet. Millimetervåg (mmWave) kommunikationsteknik som IEEE 802.15.3c-2009 [1] och IEEE 802.11ad [2] är unikt placerade på grund av deras förmåga att leverera den gigabit per sekund som planeras för den femte generationen (5G). Trots de negativa spridningsegenskaperna hos mmWave-teknik (ett resultat av hög spridningsförlust på grund av syreabsorption och atmosfärisk dämpning), gör det faktum att vågorna är instängda i väggar det idealiska för personlig kommunikation: att främja säkerhet och integritet. Detta främjar också effektivare frekvensåteranvändning, vilket skapar mycket hög bandbredd nav som är idealiska för leverans av gigabitper-second applikationer. En viktig fråga är dock hur man kan bekämpa effekterna av blockeringen av LOS-länken genom mänsklig skuggning eller hinder, som allvarligt påverkar överföringen. För att stödja den höga volymen tjänster av hög kvalitet krävs en optimerad resursfördelning. Att optimera resurstilldelningen i ett multianvändarscenario för multimedia gigabit innebär intressanta utmaningar. De flesta traditionella optimeringstekniker har använts för att lösa problem med konvex optimering. Multimediaapplikationer i realtid introducerar dock icke-konvexa allmännyttiga funktioner där den kvalitet som användaren upplever inte ökar graciöst med en ökning av genomströmningen. I detta sammanhang är det nödvändigt med en ny syn på tekniker för resursfördelningsoptimering. Relativt nya metoder, såsom partikel svärm optimering (PSO), är idealiska kandidater för att lösa icke-konvexa problem. Vårt förslag jämför PSO med andra tekniker och presenterar kanaltidstilldelning PSO (CTA-PSO) som en lösning för att optimera kanaltidstilldelning (resurs) även när blockering sker i mmWave-nätverket. IEEE 802.15.3c [1] och IEEE 802.11ad [2] tillhandahåller mekanismer för att tilldela flera användare resurser (i form av kanalåtkomsttid). En tvisteperiod gör det möjligt för olika terminaler att begära åtkomsttid medan tilldelade kanaltider ger särskild dataöverföringstid. Fördelen med planerad tillgång är att tillhandahålla en särskild tid för kommunikation, vilket stöder garanterad kvalitet på tjänsten (QoS) för en ansökan. Denna garanti är inte möjlig när alla nätverksenheter konkurrerar om bandbredd med hjälp av slumpmässiga åtkomsttekniker. Tilldelningsprocessen beskrivs här och illustreras i bild. 1................................................................ ENABLING MMWAVE TEKNIK 5G-nätinfrastrukturen drivs av utvecklingen av dagens mest krävande applikationer. Multimedia applikationer som on-demand HD-video och IPTV kräver redan gigabit per sekund genomströmning och låg fördröjning, medan framtida teknik inkluderar ultra HDTV och maskin-till-maskin kommunikation. Mm-Wave-teknik som IEEE 802.15.3c och IEEE 802.11ad är idealiska kandidater för att leverera hög genomströmning till flera användare som kräver differentierad QoS. Optimering används ofta som en metod för att möta genomströmnings- och fördröjningsbegränsningar. Traditionella optimeringsmetoder är dock inte lämpade för en blandad uppsättning multimediatillämpningar. Partikelsvärmoptimering (PSO) visas som en lovande teknik i detta sammanhang. Kanaltidstilldelning PSO (CTA-PSO) visas här med framgång för att fördela resurser även i scenarier där blockering av 60 GHz-signalen innebär betydande utmaningar. Ett 802.15.3c-nätverk, eller piconet, är ett trådlöst ad hoc-datakommunikationssystem där ett antal oberoende enheter kommunicerar med varandra på ett peer-to-peer-sätt [1]. I 802.15.3c-protokollet styrs medelåtkomsten av en piconet-regulator (PNC). Denna roll innehas vanligtvis av den första medlemmen i nätverket. Superdatorn initieras av en fyr från PNC. För att uppnå det önskade signalområdet vid 60 GHz används en riktningssignal, men för att nå alla potentiella grannar måste signalen sändas i alla riktningar. En kvasi-omni-fyr används därför. Området runt PNC är indelat i sektorer, och PNC sänder en riktningsstrålkastare sektor för sektor tills alla sektorer har täckts. En tvistegångsperiod (CAP) följer beacon-fasen. S-CAP är sektorsvis, så i föreningen S-CAP, alla enheter i en sektor har möjlighet att kämpa för att skicka föreningsförfrågan kommandon och för PNC att skicka omedelbara erkännanden. Den vanliga S-CAP och CAP är sedan tillgängliga för kommando- och datautbyte. Den gemensamma jordbrukspolitiken är en transportörs sense multiple access med kollisionsundvikande fas (CSMA/CA). I CSMA/CA känner en enhet först av kanalen före överföringen. Om kanalen är fri, överför enheten sin ram. Annars, om kanalen är upptaget, genererar enheten en slumpmässig backoff räknare och skjuter upp sin överföring tills backoff räknaren löper ut. I 802.15.3c konkurrerar enheter under den gemensamma jordbrukspolitiken om att skicka en begäran om särskild kanaltid under vilken applikationsdata kan överföras. Enhetens tidstilldelning kallas en kanaltidstilldelning (CTA) och sker under kanaltidstilldelningsperioden (CTAP), som följer den gemensamma jordbrukspolitiken. CTAP fungerar med tidsdelning av flera åtkomster (TDMA). I denna fas tilldelas en tidsslot/CTA till alla enheter som har begärt en tillträdesperiod, förutsatt att tiden är tillgänglig. För att förbättra MAC-effektiviteten stöds ramaggregation och blockackreditering av standarden. Dessa tekniker illustreras också i bild. 1................................................................ Frame aggregering innebär att mappa MAC-tjänstedataenheter (MSDU) till flera delframe nyttolaster. Detta ökar förhållandet mellan data och rubrik i ramen vilket ökar genomströmningen. En blockbekräftelse (Blk-Ack) skickas för den aggregerade ramen. Fördelarna med dessa mekanismer är förbättrad effektivitet genom att minska ram/Ack overhead. Att anpassa begränsningarna för mmWave-frekvensbandet och stödja kraven för applikationer med hög datahastighet, IEEE 802.11ad-tillägg och utökar tidigare versioner av IEEE 802.11 MAC. Den fungerar på ett liknande sätt som 802.15.3c med perioder av tvistebaserad och schemalagd tillgång. Fördelningen av dessa överföringsperioder skiljer sig dock från 802.15.3c-metoden, som illustreras i figuren. 1................................................................ Kanalens åtkomsttid i IEEE 802.11ad är uppdelad i fyra intervaller (BI). Varje BI består av signalöverföringsintervallet (BTI), utbildning i föreningsstråleformning (A-BFT), utropsöverföringsintervallet (ATI) och dataöverföringsintervallet (DTI). Under BTI överför styr-/accesspunkten riktningssignaler till varje sektor av det sektorsbaserade nätet. Begäran-respons-baserad överföringstilldelning av reguljära tjänstgöringsperioder (SP) och tvistebaserade tillträdesperioder (CBAP) äger rum i ATI. Slutligen består DTI av en serie SPs och CBAPs under vilka program dataöverföringar sker. Betydelsen av förenligheten mellan IEEE 802.11ad och äldre 802.11 standarder är tydlig. En övergång kommer att vara möjlig mellan det lägre frekvensbandet (2,4/5 GHz) för långdistanskommunikation och det högre frekvensbandet (60 GHz) för kortdistanskommunikation [3]. Det är denna heterogena nätverksstil som kommer att ligga till grund för 5G-infrastrukturen. Båda protokollen som beskrivs här kombinerar CSMA/CA för innehållsbaserad mediumåtkomst och TDMA för regelbunden tjänst, men de skiljer sig åt i fördelningsordningen. I IEEE 802.15.3c skickas CTA-förfrågningarna under en inledande tvistebaserad period (CAP), och CTAP konsumerar merparten av superdatorn med individuella tidsluckor (CTA) som tilldelas för överföring av applikationsdata. Däremot är innehållsbaserade tillträdesperioder (CBAP) och reguljära tjänstgöringsperioder (SP) alternerade i IEEE 802.11ad för att stödja kompatibilitet med äldre 802.11 standarder. Målet med båda metoderna är att maximera nätverksgenomströmningen. Optimering av resursallokering är nyckeln till att maximera nätverksgenomströmningen. En metod för resurstilldelning för flera program är tilldelning av paket till köer, där varje kö har en prioritetsnivå för åtkomst till det trådlösa mediet. Till exempel skulle paketen med en ansökan i realtid med låg latens få högsta prioritet när det gäller att få tillgång till den tillgängliga bandbredden. Dock, även om detta uppnår prioritering mellan programtyper, det tar inte hänsyn till de specifika (och rörliga) kraven för enskilda enheter inom en applikationstyp och hur throughput/QoS kan optimeras genom lämplig schemaläggning av dessa sändningar. Vi anser att både ansökans typ och de specifika individuella tillämpningskraven måste beaktas för optimal resursfördelning. I vårt övervägande av problemet med kanaltidstilldelningsoptimering utnyttjar vi MAC-lagrets struktur av IEEE 802.15.3c och IEEE 802.11ad. Tvisteperioderna används för utbyte av meddelanden om begäran om ankomst- och avgångstider. De tvistfria/planerade serviceperioderna är avsedda för överföring av applikationsdata med definierad QoS. Optimering innebär att hitta den bästa lösningen på ett problem. Matematiskt innebär detta maximering/minimering av en objektiv/nyttofunktion, som kan vara okonstruerad eller underkastad vissa begränsningar på funktionens variabel(er). Typen av nyttofunktionen för multimediaapplikationer bestämmer typen av optimeringsproblem [4]. Klassiskt, resurshanteringslösningar hanterar video som en isolerad applikation i nätverket, vilket löser ett konvext optimeringsproblem. Till exempel, ju högre datahastighet med vilken videon kan överföras, desto bättre kvalitet uppfattas av användaren och därmed högre nytta för användaren. I ett praktiskt nätverk måste dock blandade multimedietillämpningar (t.ex. IPTV, VoIP) serveras tillsammans med video. Verktygsfunktionerna för att beskriva sådana tillämpningar är inte konvexa. Den icke-konvexitet uppstår från oelasticitet i realtid tillämpningar, vilket innebär att ansökan inte förbättrar eller försämrar graciöst som svar på en ökning eller en minskning av tilldelade överföringshastighet [5]. En minskning av datahastigheten under ett visst tröskelvärde leder snarare till en betydande minskning av QoS. Utmaningen för 5G är därför en kombination av att lösa problemet med icke-konvex optimering (från flera applikationer) inom ramen för mmWave-nätverkets begränsningar. Detta inkluderar den praktiska bedömningen av algoritmens utförandetid. Framing resursallokering som ett nätverk verktyg maximization (NUM) problem, implementationen av fyra populära optimeringstekniker jämförs här för deras lösningspotential. Tekniker som lämpar sig för konvexa optimeringsproblem ingår endast för att illustrera skillnaden i attribut för varje teknik, särskilt med avseende på hastigheten för genomförandet av algoritmen. Problemet definieras i Eq. 1. Vad är det för fel på dig? 1 )............................................................................................................
En korrekt beskrivning och jämförande analys av båda protokollen finns i REF.
Multimedia resource allocation in mmwave 5G networks
{'venue': 'IEEE Communications Magazine', 'journal': 'IEEE Communications Magazine', 'mag_field_of_study': ['Computer Science']}