韋世紅，蔣文科，易印雪，張祖凡

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

分層異構(gòu)移動云中最重要的關(guān)注點之一［1］，就是如何有效地管理移動節(jié)點的功率消耗問題。許多關(guān)于功率分配的算法都是應(yīng)用在具有固定中繼的多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)中［2－4］，尤其是最小化源節(jié)點與多中繼節(jié)點的總傳輸功率的優(yōu)化問題［5］，都是在源節(jié)點與目的節(jié)點間僅傳輸單個信息的基礎(chǔ)上建立的。此外，網(wǎng)絡(luò)使用期的最大化問題是在目的節(jié)點的誤符號率有約束的條件下，通過最小化中繼節(jié)點的總傳輸功率來實現(xiàn)的。但是，并沒有很多關(guān)于根據(jù)協(xié)作組中每個用戶的轉(zhuǎn)發(fā)能力來控制蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸給每個移動節(jié)點數(shù)據(jù)流的研究，NodeB有可能發(fā)送大量的數(shù)據(jù)給信道條件極其不好的移動節(jié)點，這樣，移動節(jié)點就需要額外消耗大量的功率將接收到的數(shù)據(jù)分配給其他移動節(jié)點。為了解決蜂窩移動通信系統(tǒng)中的能耗問題，同時，考慮到短距離通信中的移動節(jié)點可以傳輸數(shù)據(jù)流給附近的節(jié)點，很多研究已經(jīng)開始關(guān)注結(jié)合蜂窩移動通信和短距離通信這2種通信方式的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)［6－9］，而且能量消耗作為有效評估數(shù)據(jù)傳輸方案一個重要性能指標(biāo)，得到了學(xué)界的廣泛關(guān)注［10－13］。

因此，本文基于已提出的分層異構(gòu)移動云架構(gòu)，聯(lián)合考慮數(shù)據(jù)速率，分析研究動態(tài)移動云協(xié)作傳輸算法。分層異構(gòu)移動云中的協(xié)作傳輸算法，有效地融合了蜂窩與短距離通信，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸算法相比，動態(tài)移動云協(xié)作傳輸算法節(jié)省了更多的能量，同時減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。仿真表明，基于分層異構(gòu)移動云架構(gòu)的協(xié)作傳輸能改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃逝c能量消耗增益。

1 系統(tǒng)模型

為了便于分析，結(jié)合文獻(xiàn)［1］的分層異構(gòu)移動云架構(gòu)，如圖1所示。分層異構(gòu)移動云以異構(gòu)間網(wǎng)絡(luò)垂直分層、同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)水平形成移動云為核心思想。從接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上看，本架構(gòu)本質(zhì)是將通常異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，同時考慮同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作。從技術(shù)層面上看，本架構(gòu)以可擴(kuò)展的分層異構(gòu)移動云接入網(wǎng)架構(gòu)體系替代現(xiàn)有眾多分離研究的接入網(wǎng)架構(gòu)，支持不同普適業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合。為了分析方便，我們首先對分層異構(gòu)移動云接入架構(gòu)做一個簡單的說明。

從圖1可以看到，提出的分層異構(gòu)移動云架構(gòu)包含2層含意:1)處于不同層的用戶形成分層移動云;2)處于同一分組中的用戶形成分組動態(tài)移動云，即異構(gòu)移動云。分層異構(gòu)移動云內(nèi)的所有移動節(jié)點都可工作在蜂窩移動通信網(wǎng)，并且還可工作在它們自己的本地網(wǎng)絡(luò)—短距離通信網(wǎng)。系統(tǒng)中的一部分用戶能夠接收并緩存來自NodeB的數(shù)據(jù)流，然后通過短距離通信網(wǎng)跟同一個分組云中的其他用戶共享。因此，從接入的角度看，系統(tǒng)將呈現(xiàn)的是一個兩層通信網(wǎng)絡(luò)，即蜂窩和短距離通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 分層異構(gòu)移動云系統(tǒng)示意圖Fig.1 Network architecture of layered heterogeneous mobile clouds

分層異構(gòu)移動云架構(gòu)中，每個移動節(jié)點只能屬于一個分組移動云，同時，每個分組移動云中只存在一個云頭 (cloud header，CH)，是該分組云中的所有移動節(jié)點根據(jù)某一規(guī)則共同選出的，云頭是整個分組移動云中性能最好的節(jié)點。所有分層云級別的任務(wù)由CH負(fù)責(zé)完成，同時云頭還要負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為實現(xiàn)資源共享，找出合適的分組用戶，移動云中的數(shù)據(jù)傳輸對節(jié)點的移動性沒有限制，即系統(tǒng)中存在的所有移動節(jié)點(包括CH)都能夠隨時加入或者退出分組移動云網(wǎng)絡(luò)，形成一組動態(tài)移動云。

移動云中，首先，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡?步就是分組移動云中的所有移動節(jié)點通過短距離鏈路接收云頭共享的分組后的數(shù)據(jù)塊，接下來，云中的各個移動節(jié)點就利用短距離鏈路相互協(xié)作，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)塊的接收。因此，同一分組移動云中的每個非云頭節(jié)點都可以通過短距離鏈路完成數(shù)據(jù)塊的共享。移動節(jié)點在可靠的短距離無線鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，僅需很低的接收功率就可以獲得其余的數(shù)據(jù)塊。

假設(shè)協(xié)作移動云網(wǎng)絡(luò)是移動節(jié)點間通過短距離無線鏈路建立的，這里僅對分層異構(gòu)移動云架構(gòu)體系中的一個動態(tài)分組云進(jìn)行分析，如圖1所示。協(xié)作傳輸算法中，首先，每個云頭通過蜂窩鏈路接收來自NodeB的數(shù)據(jù)流，CH間數(shù)據(jù)的可靠傳輸通過云頭間的協(xié)作重傳算法來實現(xiàn)，CH則通過短距離鏈路給同一分組移動云中的其他移動節(jié)點共享。假設(shè)每個分組移動云中，除云頭CH外，還有n個移動節(jié)點MN。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的組播通信NodeB需要以同樣的速率編碼傳輸數(shù)據(jù)，以使得同一分組中的用戶都能接收到組播數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)組播相比，移動云中提供的協(xié)作傳輸服務(wù)則不同:首先，一定時間內(nèi)傳輸給同一分組移動云內(nèi)n個節(jié)點的數(shù)據(jù)總長度表示為NL。然后，數(shù)據(jù)總長度NL被分為一系列的數(shù)據(jù)段{NL1，…，NLi，…，NLn}，CH 將數(shù)據(jù)段分別傳輸給對應(yīng)的MNi。此外，當(dāng)j≠i時，MNi對應(yīng)的數(shù)據(jù)NLi傳輸不會對MNj對應(yīng)的數(shù)據(jù)NLj傳輸造成干擾，這是因為分配給傳輸數(shù)據(jù)NL的信道能被分為更小的子信道，然后每個子信道被分給分組移動云中對應(yīng)的移動節(jié)點。

因此，協(xié)作傳輸?shù)牡?步中，CH通過短距離鏈路將數(shù)據(jù)NLi傳輸給同一分組云中對應(yīng)的MNi。然后，為完成移動云中用戶間的數(shù)據(jù)共享，每個移動節(jié)點MNi廣播已接收到的數(shù)據(jù)塊NLi。為便于分析討論，假定傳輸數(shù)據(jù)NLi的廣播信道分別被分配給每個移動節(jié)點MNi。在第2步的協(xié)作傳輸以后，移動云中的所有 MNi都能收到數(shù)據(jù)塊集合{NL1，…，NLi，…，NLn}，最后重建總的數(shù)據(jù)NL。第2步數(shù)據(jù)共享可通過移動云中用戶間的協(xié)作來實現(xiàn)。因此，我們定義的協(xié)作傳輸算法如圖2所示。

圖2 動態(tài)移動云協(xié)作傳輸系統(tǒng)模型Fig.2 Dynamic mobile system model of cooperative transmission

動態(tài)移動云內(nèi)的協(xié)作傳輸算法利用的是同一動態(tài)分組云節(jié)點間的可靠資源，這將成為一種建立高能效通信路徑的方案。協(xié)作傳輸算法中，移動節(jié)點將在短距離鏈路中通過共享自己接收到的數(shù)據(jù)給同一動態(tài)移動云內(nèi)的云成員，實現(xiàn)云頭與云成員間數(shù)據(jù)的協(xié)作傳輸。

與傳統(tǒng)的協(xié)作傳輸相比，移動云中的協(xié)作傳輸不僅能高效完成數(shù)據(jù)協(xié)作傳輸，同時還能最大化利用蜂窩資源。如前提及，常見的組播通信中，所有的數(shù)據(jù)傳輸編碼速率需相等，且編碼速率必須根據(jù)信道條件最差的干擾用戶來確定，這樣就會導(dǎo)致不能給信道條件好的用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。動態(tài)移動云協(xié)作傳輸算法使上述問題得到了有效地解決，主要通過引入2步連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸:1)CH間的數(shù)據(jù)接收;2)MN間的數(shù)據(jù)共享。但是，與傳統(tǒng)的組播傳輸結(jié)構(gòu)相比，第2)步數(shù)據(jù)共享需要額外的傳輸開銷，所以并不能直接看出協(xié)作傳輸是否可以實現(xiàn)能量的節(jié)省。因此，接下來的研究將對移動云中的協(xié)作傳輸算法進(jìn)行定量分析。

2 云內(nèi)協(xié)作傳輸?shù)哪芰肯姆治?/h2>

為了便于比較分析，這里將一般的非協(xié)作場景與分析的協(xié)作傳輸場景進(jìn)行比較。通過2種方案間的性能比較，得出使用協(xié)作獲得性能提升的結(jié)論。因為這2種情況下，CH都需要從NodeB接收同樣的數(shù)據(jù)，而且在前期的研究工作中已經(jīng)對CH間的通信能量消耗進(jìn)行了分析，所以，這2種場景中僅考慮移動終端的能量消耗。

傳統(tǒng)的非協(xié)作場景中，MN直接接收來自NodeB的數(shù)據(jù)，本文考慮的非協(xié)作場景如圖3所示。

圖3 非協(xié)作傳輸場景Fig.3 System of non－cooperative transmission

針對云內(nèi)非協(xié)作傳輸?shù)臄?shù)據(jù)未進(jìn)行數(shù)據(jù)分組，由CH直接向分組云中的成員共享，分組云中的每個成員都僅從CH接收全部的數(shù)據(jù)。所有的傳輸都

屬于短距離傳輸，整個傳輸期間，傳輸數(shù)據(jù)時只有一個接口處于激活狀態(tài)，假設(shè)其他接口處于睡眠模式?；谏厦娴姆治?，非協(xié)作場景中數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯目梢员硎緸?/p>

(1)式中:n是每個分組云中的成員數(shù)，不包括CH，即每個分組云中一共有n+1個移動節(jié)點;PTxSR，PRxSR，PSISR分別代表移動節(jié)點在短距離通信時處于傳輸、接收和閑置狀態(tài)時對應(yīng)的功率消耗;NL是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度;RSR代表短距離鏈路上可獲得的數(shù)據(jù)速率，此步驟中的任何一次傳輸中，只有1個云成員處于接收模式，其他云成員都處于閑置狀態(tài);(n－1)PSISR代表其中1個云成員處于接收狀態(tài)時，其他處于閑置狀態(tài)的云成員的能量消耗。

短距離協(xié)作場景如圖4所示。

圖4 移動云內(nèi)協(xié)作場景Fig.4 System of inside cooperative transmission

能量消耗分2步計算，傳輸長度為NL的數(shù)據(jù)給所有云成員的總能量消耗是這2步的能量消耗總和。第1步，計算CH向每個云成員傳輸數(shù)據(jù)分段所需的能量。為了便于理解，我們將做如下假設(shè):假設(shè)CH向分組云中的每個云成員傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度都一樣，且數(shù)據(jù)的分段數(shù)與云成員數(shù)相等;同時，假設(shè)所有云成員與CH間的信道都足夠好。CH將數(shù)據(jù)分段傳輸給分組云內(nèi)的各個云成員，這個過程的能量消耗可表達(dá)為

第2步，各個云成員間進(jìn)行協(xié)作，將各自接收到的數(shù)據(jù)分段共享給其他成員。當(dāng)其中1個云成員給其他云成員傳輸數(shù)據(jù)時，剩下的n－1個云成員處于接收狀態(tài)，CH處于閑置模式。云成員間的數(shù)據(jù)共享所需的能量消耗可表示為

根據(jù)上面的分析，要傳輸長度為NL的數(shù)據(jù)給所有分組云中的終端成員，使得分組云中的所有終端成員都擁有全部的數(shù)據(jù)，整個協(xié)作的過程所需的總能量消耗可以表示為

從(4)式可以看出，能量消耗主要受數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)速率以及處于激活狀態(tài)的云成員功率消耗的影響。本文的協(xié)作傳輸思想主要是通過短距離鏈路對分組后的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)作傳輸來節(jié)省功率。通過這樣的協(xié)作傳輸，總的傳輸時間得到減少，從而增加了移動節(jié)點的閑置狀態(tài)，減少了相應(yīng)的能量消耗。

3 數(shù)值仿真與分析

為便于更好地理解理論分析，我們對移動終端在短距離鏈路上協(xié)作傳輸與非協(xié)作傳輸?shù)哪芰肯倪M(jìn)行了仿真比較，具體參數(shù)設(shè)置如下:PTxSR=1 W，PRxSR=0.4 W，PSlSR=0.04 W。每種場景中的能量消耗主要依賴于移動節(jié)點處于各個狀態(tài)(傳輸、接收或者閑置)的功率消耗以及移動節(jié)點在每個狀態(tài)的持續(xù)時間。

圖5給出了一般情況(非協(xié)作場景)下的每比特能量消耗仿真結(jié)果。從圖5可以看出，可獲得的數(shù)據(jù)速率對能量消耗的影響。當(dāng)可獲得的數(shù)據(jù)速率越高時，對應(yīng)的每比特能量消耗越低。這種結(jié)果同樣適用于協(xié)作場景，而且協(xié)作傳輸時的功耗更低，可獲得的數(shù)據(jù)速率更高。

圖5 非協(xié)作場景能量消耗Fig.5 Energy consumption of non－cooperative transmission

圖6給出了協(xié)作與非協(xié)作場景相比較時，獲得的能量消耗提高。不同的情況分別代表了短距離鏈路上、不同場景下、不同的數(shù)據(jù)速率對應(yīng)的仿真。仿真結(jié)果表明，分組中的移動節(jié)點數(shù)和可獲得的數(shù)據(jù)速率都對能量消耗有很大影響。同時可以看出，當(dāng)動態(tài)移動云中的移動節(jié)點增加到一定數(shù)量時，即使可獲得的數(shù)據(jù)速率不高，協(xié)作傳輸消耗的能量也比高數(shù)據(jù)速率情況下的非協(xié)作傳輸?shù)汀＿@是因為移動節(jié)點數(shù)越多，非協(xié)作傳輸消耗的能量越多，則協(xié)作傳輸通過數(shù)據(jù)分組獲得的能量增益越大。由此可以得出，數(shù)據(jù)分組傳送減少了數(shù)據(jù)的傳輸時間，進(jìn)而降低能量消耗，而且移動節(jié)點間的協(xié)作傳輸也為能量節(jié)省做出了貢獻(xiàn)。

圖6 協(xié)作與非協(xié)作場景能量消耗Fig.6 Energy consumption of non－cooperative and cooperative transmission

從這些結(jié)果可以看到，基于分層異構(gòu)移動云的數(shù)據(jù)協(xié)作傳輸算法有效地減少了移動節(jié)點的能量消耗。仿真結(jié)果表明，高的能量增益是可以獲得的，但是可獲得的能量增益主要依賴于可獲得的數(shù)據(jù)速率。只要協(xié)作情況下可獲得數(shù)據(jù)速率足夠高，就能實現(xiàn)低能耗通信，而短距離鏈路間的高速數(shù)據(jù)傳輸為實現(xiàn)低能耗通信奠定了基礎(chǔ)。然而，上述的結(jié)果都是假設(shè)協(xié)作算法是在足夠理想的信道條件下得到的，由于開銷和信道條件的不理想，實際可獲得的能量節(jié)省可能比得到的仿真結(jié)果要低。

4 總結(jié)

本文基于已提出的分層異構(gòu)移動云接入架構(gòu)，結(jié)合短距離通信系統(tǒng)的特點，針對動態(tài)分組移動云研究了一種基于數(shù)據(jù)分組的云內(nèi)協(xié)作傳輸算法。本文的協(xié)作傳輸算法以有效減少能量消耗以及保證服務(wù)質(zhì)量為目標(biāo)，該協(xié)作傳輸算法充分利用了短距離鏈路的良好信道條件，因此，可以獲得更高的數(shù)據(jù)速率。研究表明，基于分層異構(gòu)移動云架構(gòu)的協(xié)作傳輸能改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃逝c能量消耗增益，為更好地實現(xiàn)分層異構(gòu)移動云中的數(shù)據(jù)共享提供了理論保障。

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(編輯:王敏琦)