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多AP 60 GHz WLAN中的AP分配与传输调度研究

期刊:2017 IEEE 14th International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor SystemsDOI:10.1109/MASS.2017.49

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:

作者与机构
本文的主要作者包括Xiaoqi Qin、Xu Yuan、Zhi Zhang、Feng Tian、Y. Thomas Hou和Wenjing Lou。他们分别来自美国弗吉尼亚理工学院暨州立大学(Virginia Polytechnic Institute and State University)和中国北京邮电大学(Beijing University of Posts and Telecommunications)。该研究发表于2017年IEEE第14届移动自组织和传感器系统国际会议(IEEE 14th International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems)。

学术背景
研究的主要科学领域是无线局域网(WLAN)中的毫米波通信,特别是60 GHz频段的通信技术。随着Wi-Fi网络的广泛部署和流量需求的激增,传统的2.4 GHz和5 GHz频段已经过载。60 GHz频段提供了7 GHz的未授权频谱,能够有效解决频谱短缺问题。然而,60 GHz信号的传播特性使其容易受到遮挡(如家具、墙壁和人体)的影响。为了解决这一问题,研究提出了在多接入点(AP)环境中进行AP分配和传输调度的优化方法,旨在最大化用户吞吐量。

研究流程
研究主要包括以下几个步骤:
1. 问题定义与模型构建
研究首先定义了在多AP 60 GHz WLAN环境中的AP分配和传输调度问题。提出了两种AP分配方案:每时隙AP分配(per-time slot AP assignment)和一次性AP分配(one-shot AP assignment)。研究的目标是通过联合优化AP分配和传输调度,最大化所有用户的最小吞吐量。
研究采用集中式控制架构,所有AP通过高速有线连接与中央控制器相连。中央控制器根据网络中的活跃用户信息,做出最优的AP分配和传输调度决策。

  1. 数学模型与优化问题
    研究为每时隙AP分配和一次性AP分配分别构建了数学模型。每时隙AP分配允许用户在每时隙选择不同的AP进行通信,而一次性AP分配则在整个通信会话期间固定用户与AP的匹配。
    优化问题的约束条件包括AP选择约束、传输调度约束、干扰约束和数据速率约束。研究通过混合整数线性规划(MILP)求解优化问题。

  2. 性能评估与算法设计
    研究通过仿真比较了两种AP分配方案的性能,并与基于最强信号的AP分配方案进行了对比。结果显示,每时隙AP分配方案的性能略优于一次性AP分配方案,但后者在实现复杂度上更具优势。
    针对实时在线流量和人体遮挡问题,研究设计了一种在线算法,能够在不对现有用户的AP分配进行修改的情况下,优化新用户或受遮挡用户的AP分配。

  3. 在线算法实现与评估
    在线算法针对三种事件进行优化:新用户到达、现有用户离开以及人体遮挡。研究通过仿真评估了在线算法的性能,结果显示其与离线算法的性能相当。

主要结果
1. 每时隙AP分配与一次性AP分配的性能比较
仿真结果表明,每时隙AP分配方案在吞吐量性能上仅略优于一次性AP分配方案。然而,由于每时隙AP分配方案对波束控制的要求极高,实际应用中更倾向于使用一次性AP分配方案。

  1. 在线算法的性能评估
    在线算法在新用户到达率为10/小时和30/小时的情况下,分别达到了88.54%和84.71%的离线算法性能。这表明在线算法在实际应用中具有竞争力。

结论
研究的主要结论是,在多AP 60 GHz WLAN环境中,一次性AP分配方案因其低复杂度和接近最优的性能,是实际应用中的理想选择。此外,设计的在线算法能够有效应对用户到达、离开和人体遮挡等动态变化,为实时网络管理提供了可行的解决方案。

研究亮点
1. 创新性AP分配方案
研究提出了两种AP分配方案,并通过数学建模和优化,展示了其在吞吐量性能上的差异。
2. 在线算法的设计与实现
研究设计的在线算法能够在动态网络环境中高效运行,为实际网络管理提供了重要参考。
3. 性能评估的全面性
研究通过大量仿真实验,验证了所提算法的性能,并提供了详细的数据支持。

其他有价值的内容
研究还探讨了60 GHz信号的传播特性及其对网络性能的影响,为未来毫米波通信网络的设计提供了理论基础。此外,研究提出的集中式控制架构为多AP网络的协调管理提供了新的思路。

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