[论文解读] Statistical Delay Control and QoS-Driven Power Allocation Over Two-Hop Wireless Relay Links

Qinghe Du, Yi Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种面向两跳解码转发中继链路的QoS驱动功率分配方案，利用有效容量和有效带宽理论，对端到端延迟违规概率进行统计约束。关键贡献在于表明：通过偏向中继到目的地链路的非对称功率分配，可在满足严格延迟QoS要求的同时最小化平均功率，仿真结果证实最优中继位置更靠近目的地。

ABSTRACT

The time-varying feature of wireless channels usually makes the hard delay bound for data transmissions unrealistic to guarantee. In contrast, the statistically-bounded delay with a small violation probability has been widely used for delay quality-of-service (QoS) characterization and evaluation. While existing research mainly focused on the statistical-delay control in single-hop links, in this paper we propose the QoS-driven power-allocation scheme over two-hop wireless relay links to statistically upper-bound the end-to-end delay under the decodeand- forward (DF) relay transmissions. Specifically, by applying the effective capacity and effective bandwidth theories, we first analyze the delay-bound violation probability over two tops each with independent service processes. Then, we show that an efficient approach for statistical-delay guarantees is to make the delay distributions of both hops identical, which, however, needs to be obtained through asymmetric resource allocations over the two hops. Motivated by this fact, we formulate and solve an optimization problem aiming at minimizing the average power consumptions to satisfy the specified end-to-end delay-bound violation probability over two-hop relay links. Also conducted is a set of simulations results to show the impact of the QoS requirements, traffic load, and position of the relay node on the power allocation under our proposed optimal scheme.

研究动机与目标

• 解决在时变无线信道中保证延迟QoS的挑战，其中硬延迟边界不切实际。
• 将单跳网络中的统计延迟-QoS保障扩展至采用解码转发机制的两跳中继网络。
• 在满足指定端到端延迟边界违规概率的前提下，最小化平均发射功率。
• 研究QoS要求、业务负载和中继位置对最优功率分配的影响。

提出的方法

• 将有效容量和有效带宽理论应用于两跳中继系统中两个独立服务过程的统计延迟边界建模。
• 推导每跳的延迟边界违规概率，并将端到端违规概率表示为与各跳参数相关的函数。
• 识别出使延迟分布均匀化可实现最优统计延迟保障，这需要非对称资源分配。
• 建立凸优化问题，以在QoS约束下最小化平均功率消耗。
• 通过迭代搜索求解最优拉格朗日乘子θ*和κ*，实现数值求解。
• 在不同延迟QoS、业务负载和中继位置条件下，通过仿真验证该方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在 fading 信道的两跳无线中继网络中，如何对端到端延迟违规概率进行统计约束？
• RQ2 在满足给定延迟QoS要求的前提下，最小化平均功率的最优功率分配策略是什么？
• RQ3 即使两跳之间的信道条件对称，为何仍需非对称功率分配？
• RQ4 QoS约束（延迟边界和违规概率）如何影响所需发射功率？
• RQ5 为实现给定QoS目标下的总功率消耗最小化，中继节点应置于何处？

主要发现

• 即使两跳路径损耗相同，RD链路（中继到目的地）所需功率远高于SR链路（源到中继），这是由于资源需求不对称所致。
• 最优中继位置并非在中点（d1 = 50 m），而是更靠近目的地节点，从而最小化总功率消耗。
• 随着延迟QoS要求变得更严格（Dth或ξ更小），所需发射功率急剧上升，且RD链路的功率消耗更高。
• 在高业务负载下，RD链路的功率增长速度快于SR链路，证实了非对称分配的必要性。
• 当中继位于距离源节点约60–70 m处时，总功率最小化，而非位于中心，这凸显了非对称分配的优势。
• 与对称分配相比，所提出的方案能以显著更低的平均功率实现目标延迟边界违规概率。