22247

تخصيص منابع در ارتباطات دستگاه به دستگاه سلولي با اطلاعات وضعيت كانال نامعلوم

كارشناسي ارشد

شبكه هاي كامپيوتري

1395

1398/4/26

دكتر وصال حكمي

كامپيوتر

پيشرفت روز افزون ارتباطات بي¬سيم و مخصوصا مخابرات سلولي، گسترش دستگاه¬هاي همراه كاربران، بلوغ سرويس¬هاي مبتني بر داده و ايجاد نيازمندي¬هاي جديد در حوزه¬هاي اينترنت اشيا، ارتباطات خودرويي، صنايع هوشمند و ... سيستم¬هاي فعلي را به سرحد توانايي¬هاي خود رسانده و روند افزايش انتظارات و تقاضاها، نيازمند تدابير نويني در طراحي سيستم¬هاي مخابراتي خواهد بود. در طراحي سيستم¬هاي آينده يكي از فناوري¬هاي منتخب براي افزايش كارايي سيستم¬ها و افزايش ظرفيت آن¬ها، ارتباطات دستگاه به دستگاه (D2D) و همزيستي آنها با ارتباطات سلولي مجوزدار خواهد بود. اين نوع ارتباط اجازه تبادل داده ميان دو كاربر به صورت مستقيم و بدون نياز به ايستگاه پايه را فراهم مي¬آورد. اگرچه اين نوع ارتباط مزاياي زيادي چون افزايش ظرفيت براي ما خواهد داشت ولي مشكلاتي چون افزايش تداخل براي كاربران سلولي را نيز در پي دارد. بهره¬وري مناسب از اين فناوري، نيازمند طراحي روش¬هاي جديدي براي تخصيص صحيح منابع موجود در شبكه به گره¬ها و ارتباطات است. در اين پايان¬نامه، مسأله تخصيص منابع براي پيكربندي ارتباطات D2D-سلولي را براي شرايطي بررسي نموده¬ايم كه اطلاعات وضعيت كانال (CSI) براي ما نامعلوم باشد. اين كار بدين جهت مهم است كه داشتن CSI لحظه¬اي به صورت دقيق تقريبا براي ما غير ممكن است و بنابراين نيازمند روش¬هايي هستيم تا اتكاي خود به CSI را كاهش دهيم. با مرور كارهاي پيشين، به اين جمع¬بندي مي¬رسيم كه طيف گسترده¬اي از مسائل تخصيص منابع را مي¬توان به صورت مسأله «انتساب كامل بهينه» در نظريه گراف نگاشت كرده و از الگوريتم¬¬هاي زمان-چندجمله¬اي موجود براي حل آنها بهره برد. نوآوري اصلي پايان¬نامه، بهره¬گيري از راهكارهاي مبتني بر يادگيري ماشين و به طور خاص، مسأله «راهزن چندبازويي تركيبياتي» (CMAB) براي تعميم «چارچوب تخصيص منابع مبتني بر انتساب كامل» به شرايطي است كه CSI در دسترس نيست. ما دو نمونه-مسئله را نيز در اين چارچوب پيشنهادي جديد فرمول¬بندي مي¬نماييم: نمونه مسأله (1): «تخصيص توأم رله و مُد عملياتي» و نمونه مسأله (2): تخصيص توأم كانال و مُد عملياتي. از طريق شبيه¬سازي، كارايي روش پيشنهادي با روش-هاي مبتني بر CSI كامل لحظه¬اي، آماري، CSI ايستا و خطادار مورد مقايسه و ارزيابي قرار مي¬گيرد.

1399/05/22

Resource Allocation in Cellular Device-to-Device Communications with Unknown Channel State Information

8/12/2020 12:00:00 AM

Abstract Device-to-device (D2D) communication is a dramatic departure from the conventional cellular architecture as it allows for user equipment (UE) in a cellular network to act as transmission relays for each other without the involvement of network infrastructures, realizing a co-existing massive ad-hoc network. While a hybrid D2D-cellular architecture can enhance the spectral efficiency, resource allocation in such a two-tier system is faced with unique challenges to ensure minimal impact on the performance of existing cellular users. In this paper, we address the D2D resource allocation problem under unknown channel state information (CSI). CSI-free schemes are important as certain practical limitations (e.g., finite CSI feedback delay) make the knowledge of instantaneous CSI impossible in systems with fading channels. Our proposal for extending the D2D resource optimization to unknown CSI settings is applicable only to a subset of scenarios that can be formulated as an equivalent graph-theoretic weighted bipartite matching problem. While at first sight, this may appear rather restrictive, we argue that still a fairly rich set of scenarios fall within this category, a claim also supported by citing numerous prior works. Without CSI, matching will pose as a combinatorial problem with unknown random edge weights and generally unknown distributions. To compensate for this lack of knowledge, we resort to the formalism of combinatorial multi-armed bandit (CMAB) from machine learning theory. A CMAB-based network controller can converge to the optimal matching configuration by following rules which can strike a proper balance between exploring alternative D2D configurations and exploiting the gradually accumulated knowledge. We formulate and numerically experiment with two problems as “proof of concept”, namely: (i) joint mode selection and relay assignment, and (ii) joint mode selection and channel allocation. We also compare with existing/baseline schemes with various flavors of CSI availability assumptions, including: perfect instantaneous CSI, perfect statistical CSI, erroneous CSI, as well as static CSI.