CN105848207A - 一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，包括(1)初始化能量矩阵以及蜂窝用户和终端节点的信噪比门限；(2)对于每对终端节点，第m‑1次传输时，将小区内的蜂窝用户的信道状态进行一次降序排列；(3)对于每对终端节点都分配最优的信道；对于发生拥堵的情况，计算每对终端节点的效用函数，选择效用函数最大的终端节点去复用有最优信道状态的蜂窝用户的信道资源，以此类推并更新能量矩阵；(4)判定传输结束后，剩余能量最少的终端节点能量是否耗尽；若耗尽，结束，若未耗尽，返回步骤(3)。本发明通过将终端节点的剩余能量作为分配信道资源时考虑的因素之一，延长了即将耗光寿命的终端节点的存活时间，提高了系统的能量效率。

Description

一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法

【技术领域】

本发明涉及通信领域，具体涉及一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法。

【背景技术】

物联网泛指终端节点之间不经基站转发而直接进行通信的技术。终端节点可以是手机，电脑等，也可以是传感器等。例如常见的终端节点直通网络(D2D：Device-to-Device)以及蜂窝网络中的机器对机器通信(M2M：Machine-to-Machine)。距离较近的终端节点直接进行通信，可以通过复用同小区内的蜂窝用户的频谱资源。由于可以不占用其他频谱资源，很大程度上提高了系统的频谱效率，因此也被视作5G的几个关键技术之一。

考虑到实际场景中，终端节点往往是能量受限的，所以近年来，这种异构网络中的能量问题也逐步成为人们关注的焦点，人们关注如何提高终端节点的存活时间。

终端节点一般会复用蜂窝用户的上行链路资源，这样在蜂窝用户与基站进行通信时，基站作为接收端，可以更有效的处理由于终端节点复用蜂窝用户资源进行直接通信而产生的干扰，如图1所示。对于同一对终端节点，选择复用不同蜂窝用户的资源进行通信，对于整个系统性能的影响是不同的。因此，资源复用问题也是该场景下的一类很重要的问题。

如参考文献M.Zulhasnine,C.Huang,and A.Srinivasan,“Efficient resource allocation fordevice-to-device communication underlaying LTE network,”in Proc.IEEE WiMob,2010,pp.368–375.中，先将蜂窝用户的信道状态由好到差进行降序排列，再选择终端节点之间增益最小的终端节点去复用信道状态最优的蜂窝用户的资源。然而在实际场景中，终端节点电池容量都是有限的，所以现有技术中不考虑终端节点的电池剩余能量的资源分配方案不利于延长剩余能量不足的节点的存活时间。

这是由于在实际通信场景中，当一对终端节点剩余能量较少但链路增益较大，按照现有资源分配方法，该对终端节点会被调度去复用信道状态较差的蜂窝用户。在这样的资源复用方案中，该终端节点在下一次传输时，为了达到最低的接收端信噪比门限，将会消耗更多的能量。可见，现有的资源分配方案不利于延长剩余能量不足的节点的存活时间。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，通过将终端节点的剩余能量作为分配信道资源时考虑的因素之一，延长终端节点的存活时间。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括以下步骤：

(1)初始化能量矩阵以及蜂窝用户的信噪比门限和终端节点的信噪比门限其中N代表蜂窝用户的数量；

(2)对于每对终端节点，第m-1次传输时，将小区内的蜂窝用户的信道状态G_ij进行一次降序排列；

(3)对于每对终端节点都分配最优的信道；对于发生拥堵的情况，计算每对终端节点的效用函数选择效用函数最大的终端节点去复用有最优信道状态的蜂窝用户的信道资源，以此类推并更新能量矩阵：代表第i对终端节点第m-1次传输时的剩余能量，代表第i对终端节点第m-1次传输时所消耗的能量；

(4)判定：m-1次传输结束后，剩余能量最少的终端节点若其剩余能量则判定该终端节点能量耗尽；

(5)若步骤(4)成立，则系统有终端节点耗尽能量，结束，终端节点的网络寿命L＝m；若步骤(4)不成立，则m＝m+1，返回步骤(3)。

进一步地，步骤(1)中蜂窝用户的信噪比门限和终端节点的信噪比门限计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_c^{req}=\frac{\hat{p}{g}_{cb}}{\hat{q}{g}_{dc}+n_0}$

${\mathrm{\β}}_d^{req}=\frac{\hat{q}{g}_{dd}}{\hat{p}{g}_{cd}+n_0}$

其中：

表示蜂窝用户单位时间内传输所消耗的最低能量；

表示终端节点单位时间内传输所消耗的最低能量；

g_cb表示基站与蜂窝用户之间的链路增益；

g_dc和g_cd均表示终端节点与蜂窝用户之间的链路增益；

g_dd表示终端节点之间的链路增益。

进一步地，步骤(2)中，蜂窝用户的信道状态其中表示基站与第j个蜂窝用户之间的链路增益；表示第i对终端节点与第j个蜂窝用户之间的链路增益。

进一步地，步骤(3)中，效用函数最大的终端节点是指第i对终端节点，D表示所有终端节点的集合。

进一步地，步骤(3)中信道状态最优的蜂窝用户是指第j个蜂窝用户，C表示所有蜂窝用户的集合。

进一步地，步骤(3)中，效用函数

其中：

表示第i对终端节点第m次传输后的效用函数；

表示第i对终端节点第m次传输后的剩余能量；

表示第i对终端节点之间的链路增益。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在考虑终端节点能量受限的情况下，提出了一种延长终端节点直接通信网络寿命的信道资源分配的方案，在提高整个系统的网络寿命方面有很大的优势。本发明针对节点对节点直接通信，终端节点通过复用传统蜂窝用户的频谱资源进行传输而不经由基站进行转发的通信场景，通过将终端节点的剩余能量作为分配信道资源时考虑的因素之一，以效用函数作为分配信道资源的衡量指标，从而延长了即将耗光寿命的终端节点的存活时间，一定程度上也提高了系统的能量效率。从仿真结果可知，本发明能够有效延长终端节点的网络寿命。

进一步地，本发明中效用函数为终端节点剩余能量与终端节点之间链路增益之积的倒数，能够有效衡量信道资源，从而延长终端节点的存活时间。

【附图说明】

图1是现有的终端节点复用上行资源的干扰场景。

图2是本发明与现有方案的仿真效果对比图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一、为了较好的阐述发明内容，本发明有如下几个说明：

(1)终端节点网络寿命：当终端节点由于剩余能量不足，在复用小区内任意蜂窝用户资源时都不能达到信噪比门限时的传输次数；

(2)异构网的网络寿命L：本发明中用最短的终端节点的网络寿命代表整个网络的网络寿命，即：其中表示第i对终端节点第m次传输时的剩余能量，表示第i对终端节点复用第j对蜂窝用户的频谱资源时所需要的最小发送功率，D表示所有终端节点的集合，C表示所有蜂窝用户的集合；

(3)蜂窝用户信道状态G：该蜂窝用户到基站的链路增益与该蜂窝用户到终端节点的链路增益的比值，即其中g_cb表示基站与蜂窝用户之间的链路增益，g_cd表示终端节点与蜂窝用户之间的链路增益。

(4)由于一般情况下，终端节点之间的距离相对于小区半径很小，所以在接下来的说明中计算蜂窝用户到终端节点之间距离时，对于终端节点的接收端和发送端不作区分；

(5)本发明规定，每个蜂窝用户资源只能被一对终端节点复用，每一对终端节点每次传输时也只能复用一个蜂窝用户资源。

二、本发明主要的步骤包括：

(1)初始化能量矩阵其中N代表蜂窝用户的数量，以及蜂窝用户与终端节点各自的信噪比门限

(2)对于每对终端节点，第m-1次传输时，将小区内的蜂窝用户的信道状态G_ij进行一次降序排列；

(3)对于每对终端节点都分配最优的信道；对于发生拥堵的情况，计算每对终端节点的效用函数选择第i对终端节点复用有最优信道状态的第j个蜂窝用户的信道资源，其中，以此类推并更新能量矩阵：代表第i对终端节点第m-1次传输时的剩余能量，代表第i对终端节点第m-1次传输时所消耗的能量；

(4)判定：m-1次传输结束后，剩余能量最少的终端节点若其剩余能量则判定该终端节点能量耗尽；

(5)若步骤(4)成立，则系统有节点耗尽能量，算法结束；异构网的网络寿命即是终端节点的网络寿命，因此，终端节点的网络寿命L＝m；

若步骤(4)不成立，则m＝m+1；返回步骤(3)；

在本发明中，将终端节点之间的链路增益和剩余能量进行联合考虑，给出了较为合理的资源复用方案。下面结合具体的场景进行说明：

在半径为R的小区内均匀分布着m个蜂窝用户和n对终端节点。蜂窝用户及终端节点进行通信时接收端信噪比门限分别为分别由下面的式子给出：

${\mathrm{\α}}_c^{req}=\frac{\hat{p}{g}_{cb}}{\hat{q}{g}_{dc}+n_0}$

${\mathrm{\β}}_d^{req}=\frac{\hat{q}{g}_{dd}}{\hat{p}{g}_{cd}+n_0}$

其中：

表示蜂窝用户单位时间内传输所消耗的最低能量；

表示终端节点单位时间内传输所消耗的最低能量；

g_cb表示基站与蜂窝用户之间的链路增益；

g_dc、g_cd均表示终端节点与蜂窝用户之间的链路增益；其中，g_dc是终端节点到蜂窝用户的链路增益，g_cd是蜂窝用户到终端节点的链路增益，两者相等。

g_dd表示终端节点之间的链路增益；

当第i对终端节点复用第j个蜂窝用户资源时，可以由信噪比门限的等式分别得到单位时间内所消耗的最低能量为：

${\hat{p}}_j=\frac{{\mathrm{\α}}_c^{req}{n}_0(g_{dd}^{ii}+{\mathrm{\β}}_d{g}_{dc}^{ij})}{g_{cb}^j{g}_{dd}^{ii}-{\mathrm{\α}}_c{\mathrm{\β}}_d{g}_{cd}^{ij}{g}_{dc}^{ij}}$

${\hat{q}}_i=\frac{{\mathrm{\β}}_d^{req}{n}_0(g_{cb}^j+{\mathrm{\α}}_c{g}_{cd}^{ij})}{g_{cb}^j{g}_{dd}^{ii}-{\mathrm{\α}}_c{\mathrm{\β}}_d{g}_{cd}^{ij}{g}_{dc}^{ij}}$

表示第j个蜂窝用户单位时间内传输所消耗的最低能量；

表示第i对终端节点单位时间内传输所消耗的最低能量；

表示第j个蜂窝用户到基站之间的链路增益；

表示第i对终端节点到第j个蜂窝用户之间的链路增益；表示第j个蜂窝用户与第i个终端节点之间的链路增益；

表示第i对终端节点之间的链路增益；

对第i对终端节点，每次传输前，将终端节点与每个蜂窝用户j之间的信道状态G_ij进行降序排列，其中第i对终端节点和第j个蜂窝用户之间的信道状态即在下次传输的时候选取拥有最优信道状态，即(C表示所有蜂窝用户的集合)的蜂窝用户进行传输。

这样的方案可能会造成资源竞争的情况如下：会有多对终端节点在一次传输前遍历了所有蜂窝用户以后选择了同一个蜂窝用户。为了给这些竞争资源的终端节点合理分配资源，本发明进一步定义了一个效用函数每次传输前，选取效用函数最大的终端节点去复用信道状态最优的蜂窝用户的资源，给效用函数次之的终端节点分配信道状态次优的蜂窝用户的资源，以此类推。

效用函数的需要满足的条件如下；

(1)信道增益最小的终端节点应该被调度去复用信道状态最优蜂窝用户资源；

(2)剩余能量最小的终端节点应该被调度去复用信道状态最优蜂窝用户资源；

因此，该效用函数可以表示为终端节点之间的信道增益与终端节点剩余能量之积的倒数，即：

$U_i^m=\frac{1}{e_i^m{g}_{dd}^{ii}}$

其中：

表示第i对终端节点第m次传输后的效用函数；

表示第i对终端节点第m次传输后的剩余能量；

表示第i对终端节点之间的链路增益；

效用函数的存在可以有效地防止剩余能量不充足的终端节点由于自身链路状况好而在下一次传输过程中进一步消耗更多的能量，因此考虑终端节点剩余能量的分配方案更有利于延长剩余能量不足的终端节点的网络存活时间。

三、实施例

终端节点通信场景如下：在一定小区半径500m的单小区内，基站处于小区中间，该小区随机分布着10个蜂窝用户以及10对终端节点，蜂窝用户随机分布。所有无线信道衰落仅考虑路径损耗。终端节点能量初始值用一般的手机进行设置：若电池电压为3.7V，电池容量为1200mAh，即相当于15984J。因此仿真时本发明设置每对终端节点的初始能量不同，最大的初始能量为15000J～20000J之间，其余终端节点的初始能量分别为最大初始能量的9/10，8/10，7/10，···，1/10。

仿真过程中添加对比方案，其中随机方案是指给终端节点分配的蜂窝用户的序号是随机的；文献方案是在每次传输前，先将蜂窝用户的信道状态由好到差进行降序排列，再选择终端节点之间增益最小的终端节点去复用信道状态最优的蜂窝用户的资源。

仿真结果如图2所示，其中横坐标是指该次仿真时最大的初始能量值。对于纵坐标：由于容量为连续值，因此为了便于分析比较，本发明假定每次传输需要耗时1s，并且在该次传输中终端节点发送功率保持不变。用1s内消耗的能量代表该次传输所消耗的能量。可以看到，对于初始能量不同的终端节点，所提方案在延长剩余能量不足的终端节点的存活时间方面相对于文献方案以及随机方案有很明显的优势。

从仿真结果可以看到，本发明所提方案和文献方案以及随机方案之间的性能优劣。仿真结果如图2所示，初始能量相同，本发明在延长终端节点的网络寿命方面优于文献方案，随机方案最差。本发明考虑了剩余能量的资源分配方案更为合理，能尽可能的延长剩余能量不足的终端节点的存活时间，一定程度上也提高了系统的性能。

在实际场景中，终端节点都存在电池容量受限问题，本发明针对现有技术中不考虑终端节点(蜂窝用户及终端节点)的电池剩余能量这一不合理的资源分配方案，在电池容量受限的异构网络中，提出了一种考虑终端节点电池剩余能量的信道资源分配方案，是一种启发式信道选择方法。当进行一次资源分配时，若小区内的终端节点剩余能量各不相同，剩余能量较少的终端节点也应该像信道状态较差的终端节点一样，有更高的优先级，在分配通信资源时应该被优先考虑，使该分配方案达到最优。

Claims (6)

1.一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化能量矩阵以及蜂窝用户的信噪比门限和终端节点的信噪比门限其中N代表蜂窝用户的数量；

(2)对于每对终端节点，第m-1次传输时，将小区内的蜂窝用户的信道状态G_ij进行一次降序排列；

(3)对于每对终端节点都分配最优的信道；对于发生拥堵的情况，计算每对终端节点的效用函数选择效用函数最大的终端节点去复用有最优信道状态的蜂窝用户的信道资源，以此类推并更新能量矩阵： 代表第i对终端节点第m-1次传输时的剩余能量，代表第i对终端节点第m-1次传输时所消耗的能量；

(4)判定：m-1次传输结束后，剩余能量最少的终端节点i^*，若其剩余能量则判定该终端节点能量耗尽；

(5)若步骤(4)成立，则系统有终端节点耗尽能量，结束，终端节点的网络寿命L＝m；若步骤(4)不成立，则m＝m+1，返回步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，其特征在于，步骤(1)中蜂窝用户的信噪比门限和终端节点的信噪比门限计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_c^{req}=\frac{\hat{p}{g}_{cb}}{\hat{q}{g}_{dc}+n_0}$

${\mathrm{\β}}_d^{req}=\frac{\hat{q}{g}_{dd}}{\hat{p}{g}_{cd}+n_0}$

其中：

表示蜂窝用户单位时间内传输所消耗的最低能量；

表示终端节点单位时间内传输所消耗的最低能量；

g_cb表示基站与蜂窝用户之间的链路增益；

g_dc和g_cd均表示终端节点与蜂窝用户之间的链路增益；

g_dd表示终端节点之间的链路增益。

3.根据权利要求1所述的一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，其特征在于，步骤(2)中，蜂窝用户的信道状态其中表示基站与第j个蜂窝用户之间的链路增益；表示第i对终端节点与第j个蜂窝用户之间的链路增益。

4.根据权利要求1所述的一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，其特征在于，步骤(3)中，效用函数最大的终端节点是指第i对终端节点，D表示所有终端节点的集合。

5.根据权利要求1所述的一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，其特征在于，步骤(3)中信道状态最优的蜂窝用户是指第j个蜂窝用户，C表示所有蜂窝用户的集合。

6.根据权利要求1所述的一种延长终端节点直接通信网络寿命的方法，其特征在于，步骤(3)中，效用函数

其中：

表示第i对终端节点第m次传输后的效用函数；

表示第i对终端节点第m次传输后的剩余能量；

表示第i对终端节点之间的链路增益。