[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种混合射频（RF）与混合射频/自由空间光（FSO）回传网络的最优资源分配策略，其中用户通过射频链路与中继通信，中继再通过混合射频/FSO链路将数据转发至目的地。通过根据信道状态信息（CSI）自适应地在用户-中继与中继-destination链路之间分配射频带宽，该方案最大化频谱效率并确保可靠连接，优于仅使用射频或FSO回传的系统。

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.

研究动机与目标

• 为解决纯FSO回传在移动网络中因大气衰落和遮挡导致的可靠性和容量限制问题。
• 设计一种混合RF/FSO回传系统，利用RF与FSO链路损伤的多样性以改善连接性。
• 开发一种最优资源分配策略，根据实时CSI在用户-中继与中继-目的地RF链路之间动态共享RF带宽。
• 通过中继处的缓冲机制确保可靠的数据转发，实现RF链路的半双工操作，同时保持吞吐量。

提出的方法

• 构建一个双跳混合RF与混合RF/FSO中继系统，采用多天线中继与目的地，单天线用户。
• 将用户-中继链路建模为全双工RF链路，中继-目的地链路建模为半双工混合RF/FSO链路。
• 提出基于对偶分解的优化框架，通过在两条RF链路之间分配RF带宽，联合最大化频谱效率。
• 采用基于梯度的算法求解对偶问题，找到最优带宽分配，且在小步长条件下保证收敛。
• 应用排队论上界模型来表征中继处的有效数据速率，考虑缓冲区约束与可变信道条件。
• 提出一种混合传输协议，根据CSI自适应地在RF上行链路与下行链路模式之间切换，确保持续的数据转发。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合RF/混合RF/FSO中继系统中，如何最优地在用户-中继与中继-目的地RF链路之间共享RF带宽？
• RQ2 信道状态信息（CSI）对采用多天线中继与目的地的混合RF/FSO回传系统性能有何影响？
• RQ3 所提出的资源分配策略相较于仅使用RF或FSO回传的系统，如何提升频谱效率与可靠性？
• RQ4 在不同大气与传播条件下，RF与FSO链路利用之间的最优权衡是什么？
• RQ5 中继处采用缓冲辅助的半双工操作如何影响端到端吞吐量与系统稳定性？

主要发现

• 所提出的资源分配策略在频谱效率方面优于仅使用RF或FSO回传的系统，尤其在深衰落条件下表现更优。
• 当预期RF容量超过FSO容量时，最优带宽分配为λ* = 1，优先使用RF链路进行中继-目的地传输。
• 当预期RF容量低于FSO容量时，最优λ*位于(0,1)区间，通过平衡两条RF链路以最大化吞吐量。
• 系统吞吐量上界为τ^upp = N × min{C̄₁^RF, C̄₂^RF + C̄^FSO}，其中C̄₁^RF随λ增加而上升，C̄₂^RF随λ增加而下降。
• 数值结果表明，该混合架构在严重大气衰落条件下仍能保持连接性，优于纯FSO或RF回传系统。
• 基于梯度的对偶优化算法可收敛至最优解，确保实际部署中的性能保障。