[論文レビュー] Resource Allocation for Mixed RF and Hybrid RF/FSO Relaying

Vahid Jamali, Diomidis S. Michalopoulos+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ユーザーがリレ一にRFを介して通信し、リレ一がハイブリッドRF/FSOリンクを通じて宛先にデータを転送する、混合RFおよびハイブリッドRF/FSOバックホールネットワークにおける最適リソース割り当て戦略を提案する。CSIに基づいてユーザー-リレ一およびリレ一-宛先リンク間のRF帯域幅を動的に割り当てることで、スペクトル効率を最大化し、信頼性の高い接続性を確保し、純粋なRFまたはFSOバックホールを使用するシステムを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper, we consider a mixed RF and hybrid RF/FSO system where several mobile users transmit their data over an RF link to a relay node (e.g. a small cell base station) and the relay forwards the information to a destination (e.g. a macro cell base station) over a hybrid RF/FSO backhaul link. The relay and the destination employ multiple antennas for transmission and reception over the RF links while each mobile user has a single antenna. The RF links are full-duplex with respect to the FSO link and half-duplex with respect to each other, i.e., either the user-relay RF link or the relay-destination RF link is active. For this communication setup, we derive the optimal resource allocation policy for sharing the RF bandwidth resource between the RF links. Our numerical results show the effectiveness of the proposed communication architecture and resource allocation policy, and their superiority compared to existing schemes which employ only one type of backhaul link.

研究の動機と目的

• 純粋なFSOバックホールが大気の fading および遮断の影響を受けることによるモバイルネットワークにおける信頼性および容量の制限を是正すること。
• RFおよびFSOリンクの劣化特性のダイバーシティを活用するハイブリッドRF/FSOバックホールシステムを設計すること。
• リアルタイムのCSIに基づいてユーザー-リレ一およびリレ一-宛先RFリンク間で動的にRF帯域幅を共有する最適リソース割り当てポリシーを開発すること。
• リレ一にバッファを設けることで、RFリンクにおける半二重モード動作を維持しつつ、信頼性の高いデータ転送を保証すること。

提案手法

• 複数アンテナを備えたリレ一および宛先、単一アンテナを備えたユーザーを有する、二ホップの混合RFおよびハイブリッドRF/FSOリレ一システムを定式化する。
• ユーザー-リレ一リンクをフルデュプレックスRFリンク、リレ一-宛先リンクをハーフデュプレックスハイブリッドRF/FSOリンクとしてモデル化する。
• 二つのRFリンク間のRF帯域幅割り当てを通じてスペクトル効率を同時に最大化する目的で、デュアル分解に基づく最適化フレームワークを導出する。
• 勾配ベースのアルゴリズムを用いて双対問題を解き、最適な帯域幅分割を特定する。小ステップサイズのもとで収束が保証される。
• キューイング理論的上限を用いて、バッファ制約および変動するチャネル状態を考慮したリレ一における有効データレートをモデル化する。
• CSIに基づいてRFアップリンクおよびダウンリンクモードを動的に切り替えるハイブリッド伝送プロトコルを導入し、継続的なデータ転送を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合RF／ハイブリッドRF／FSOリレ一ネットワークにおいて、ユーザー-リレ一およびリレ一-宛先RFリンク間のRF帯域幅を最適にどのように共有できるか。
• RQ2 複数アンテナを備えたリレ一および宛先を有するハイブリッドRF/FSOバックホールシステムにおいて、チャネル状態情報（CSI）の性能に及ぼす影響は何か。
• RQ3 提案されたリソース割り当てポリシーは、純粋なRFまたはFSOバックホールを使用するシステムと比較して、スペクトル効率および信頼性をどのように向上させるか。
• RQ4 変動する大気および伝搬条件のもとで、RFおよびFSOリンクの利用の最適なトレードオフは何か。
• RQ5 リレ一におけるバッファ支援型ハーフデュプレックス動作は、エンドツーエンドスループットおよびシステム安定性にどのように影響するか。

主な発見

• 提案されたリソース割り当てポリシーは、純粋なRFまたはFSOバックホールを使用するシステムよりも高いスペクトル効率を達成し、特に深刻なフェーディング条件下で顕著である。
• 期待されるRF容量がFSO容量を上回る場合、最適な帯域幅割り当てはλ* = 1となり、リレ一-宛先ホップにおけるRFリンクを優先する。
• 期待されるRF容量がFSO容量を下回る場合、最適なλ*は(0,1)の範囲に位置し、両方のRFリンクをバランスさせることでスループットを最大化する。
• システムはスループットの上限τ^upp = N × min{C̄₁^RF, C̄₂^RF + C̄^FSO}を達成する。ここで、C̄₁^RFはλに従って増加し、C̄₂^RFはλに従って減少する。
• 数値結果により、ハイブリッドアーキテクチャが深刻な大気のフェーディング下でも接続性を維持し、純粋なFSOまたはRFバックホールシステムを上回ることが確認された。
• 勾配ベースの双対最適化は最適解に収束し、保証された性能を備えた実装が可能であることが示された。