CN108769958B - 基于能耗优化的m2m通信联合成簇及资源分配方法 - Google Patents

基于能耗优化的m2m通信联合成簇及资源分配方法 Download PDF

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CN108769958B CN201810614771.8A CN201810614771A CN108769958B CN 108769958 B CN108769958 B CN 108769958B CN 201810614771 A CN201810614771 A CN 201810614771A CN 108769958 B CN108769958 B CN 108769958B
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Abstract

本发明涉及一种基于能耗优化的M2M通信联合成簇及资源分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建模簇头选择变量；S2：建模机器间M2M设备与簇头关联变量；S3：建模M2M设备总能耗；S4：建模簇内通信模式总能耗；S5：建模蜂窝通信模式总能耗；S6：建模M2M设备成簇及资源分配需求限制条件；S7：基于M2M设备总能耗最小化确定联合成簇及资源分配策略。本发明可以有效保障M2M设备接入网络的情况下，通过优化设计设备关联及资源分配策略，实现设备能耗最小化。

Description

基于能耗优化的M2M通信联合成簇及资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及M2M资源管理技术领域，尤其涉及一种基于能耗优化的M2M通信联合成簇及资源分配方法。
背景技术
机器间(Machine-to-Machine,M2M)通信是指在没有人为干预情况下，实现机器对机器之间的通信过程。M2M通信方式应用范围机器广泛，已经被大量应用于智能电网、智能设备、远程监控、智能医疗、智能交通、智能城市、智能家居等领域。通常M2M设备体积较小，对电池的大小与电量均有一定的限制。此外，M2M设备数量多，范围广，通常部署在某些情况相对恶劣的场景中，电池难以更换。因此，如何尽可能减小M2M设备的能耗，是M2M通信系统的重要课题。
近年来，已有文献研究M2M通信能耗优化问题。文献Park I,Kim D,Har D.MACAchieving Low Latency and Energy Efficiency in Hierarchical M2M Networks WithClustered Nodes[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(3):1657-1661，针对M2M通信系统，提出了一种分层介质访问控制(MAC)协议，以实现节点平均延迟及能耗降低。文献Arouk O,Ksentini A,Taleb T.Group.Paging-Based Energy Saving for Massive MTC Accessesin LTE and Beyond Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,2016,34(5):1086-1102中针对M2M通信系统大量用户接入问题，提出了一种流量分散的方法，通过对M2M设备分组，各组设备在不同时间接入信道，可实现信道高接入率，降低信道的接入时延与功耗。
现有研究主要通过采用路由、MAC协议及随机接入、能量收集等机制设计实现M2M设备能耗降低，未能综合考虑用户随机接入、设备成簇及资源分配策略对设备能耗的影响问题，难以实现网络性能优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于能耗优化的M2M通信联合成簇及资源分配方法。在该方法中，M2M设备可采用簇内通信模式与簇头关联或采用蜂窝通信模式直接与蜂窝基站进行通信；建模M2M设备总能耗优化目标，实现簇头选择、资源分配及M2M设备通信模式关联策略的联合优化。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于能耗优化的M2M通信联合成簇及资源分配方法，包括以下步骤：
S1：建模簇头选择变量；
S2：建模M2M设备与簇头关联变量；
S3：建模M2M设备总能耗；
S4：建模簇内通信模式总能耗；
S5：建模蜂窝通信模式总能耗；
S6：建模M2M设备成簇及资源分配需求限制条件；
S7：基于M2M设备总能耗最小化确定联合成簇及资源分配策略。
进一步，在步骤S1中，所述建模簇头选择变量包括：令网络内具有接入请求的M2M设备数为M，记αj∈{0,1}表示簇头选择变量，若αj＝1，表示将M2M设备j选择为簇头，记为CHj，反之，αj＝0，1≤j≤M。
进一步，在步骤S2中，所述建模M2M设备与簇头关联变量包括：令δi,j∈{0,1}表示M2M设备i与簇头CHj的关联变量，若δi,j＝1，表示M2M设备i与簇头CHj建立关联，反之，δi,j＝0。
进一步，在步骤S3中，所述M2M设备总能耗为：
ETotal＝ECH+ECM+Eb
其中，ECH表示网络中簇头向基站传输数据时对应的总能耗，ECM表示网络中M2M设备向关联簇头传输数据时对应的簇内通信模式总能耗，Eb表示网络中M2M设备向基站传输数据时对应的蜂窝通信模式总能耗。
进一步，所述网络中簇头向基站传输数据时对应的总能耗
Figure BDA0001696621410000021
具体包括：根据公式
Figure BDA0001696621410000022
计算簇头CHj向基站传输数据时对应的能耗，其中，
Figure BDA0001696621410000023
表示簇头CHj的发送功率，
Figure BDA0001696621410000024
表示簇头CHj向基站传输数据的发送时长；根据公式
Figure BDA0001696621410000025
建模
Figure BDA0001696621410000026
其中，
Figure BDA0001696621410000027
表示簇头CHj向基站传输的数据量，
Figure BDA0001696621410000028
表示簇头CHj向基站传输数据时对应的传输数据速率；根据公式
Figure BDA0001696621410000029
建模
Figure BDA00016966214100000210
其中B为基站的可用带宽，
Figure BDA00016966214100000211
表示簇头CHj与基站之间的链路信道增益，N0表示噪声功率谱密度。
进一步，在步骤S4中，所述建模簇内通信模式总能耗ECM为：
Figure BDA0001696621410000031
具体包括：根据公式
Figure BDA0001696621410000032
计算M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的能耗，其中，
Figure BDA0001696621410000033
表示簇内通信模式下M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时的发送功率，
Figure BDA0001696621410000034
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据的发送时长；根据公式
Figure BDA0001696621410000035
建模
Figure BDA0001696621410000036
其中，Si表示M2M设备i向关联簇头CHj传输的数据量，
Figure BDA0001696621410000037
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的传输数据速率；根据公式
Figure BDA0001696621410000038
建模
Figure BDA0001696621410000039
其中，
Figure BDA00016966214100000310
表示簇头CHj进行簇内通信时的可用带宽，
Figure BDA00016966214100000311
表示M2M设备i与簇头CHj之间的链路信道增益，N0表示噪声功率谱密度。
进一步，在步骤S5中，所述建模蜂窝通信模式总能耗Eb为：
Figure BDA00016966214100000312
具体包括：根据公式
Figure BDA00016966214100000313
计算蜂窝通信模式下M2M设备i向基站传输数据时对应的能耗，其中，
Figure BDA00016966214100000314
表示M2M设备i向基站传输数据时的发送功率，
Figure BDA00016966214100000315
表示M2M设备i向基站传输数据的发送时长；根据公式
Figure BDA00016966214100000316
建模
Figure BDA00016966214100000317
其中，Si表示M2M设备i向基站传输的数据量，
Figure BDA00016966214100000318
表示M2M设备i向基站传输数据时对应的传输数据速率；根据公式
Figure BDA00016966214100000319
建模
Figure BDA00016966214100000320
其中，
Figure BDA00016966214100000321
表示M2M设备i与基站之间的链路信道增益，B为基站的可用带宽，N0表示噪声功率谱密度。
进一步，在步骤S6中，所述建模M2M设备成簇及资源分配需求限制条件，具体包括：
1)簇头数目限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000322
其中，N表示网络内最大簇头数目；
2)簇内成员数量限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000323
其中，K表示簇头CHj可以关联的最多用户数目；
3)用户关联与簇头选择限制条件建模为δi,j≤αj，即仅当M2M设备j被选为簇头CHj时，M2M设备i可与簇头CHj建立关联；
4)用户关联簇头限制条件建模为
Figure BDA0001696621410000041
即M2M设备i最多可关联一个簇头；
5)发送功率限制条件建模为
Figure BDA0001696621410000049
即每一个M2M设备的发送功率pi低于其最大发送功率，
Figure BDA00016966214100000410
表示第i个设备的最大发送功率；
6)传输数据速率限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000411
其中，
Figure BDA00016966214100000412
表示M2M设备i的最低业务传输数据速率，Ri表示M2M设备i的传输数据速率，建模为
Figure BDA0001696621410000042
其中，
Figure BDA0001696621410000043
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的传输数据速率，
Figure BDA00016966214100000413
表示M2M设备i向基站传输数据时对应的传输数据速率。
进一步，在步骤S7中，在满足所述M2M设备成簇及资源分配需求限制条件下，以M2M设备总能耗ETotal最小化为目标，优化确定M2M设备联合成簇及资源分配策略，即
Figure BDA0001696621410000044
其中，
Figure BDA0001696621410000045
表示簇头CHj的最优选择策略，
Figure BDA0001696621410000046
表示M2M设备i与簇头CHj的最优关联策略，
Figure BDA0001696621410000047
表示M2M设备i的最优发送功率策略，ETotal表示M2M设备总能耗，
Figure BDA0001696621410000048
Figure BDA00016966214100000414
表示簇头CHj的发送功率，
Figure BDA00016966214100000415
表示簇内通信模式下M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时的发送功率，
Figure BDA00016966214100000416
表示M2M设备i向基站传输数据时的发送功率。
本发明的有益效果在于：本发明所述方法可以有效保障M2M设备接入网络的情况下，通过优化设计设备关联及资源分配策略，实现设备能耗最小化。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为蜂窝网络场景示意图；
图2为本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明所述的一种基于能耗优化的M2M通信联合成簇及资源分配方法，假设在簇内通信模式和蜂窝通信模式共存的蜂窝网络中，两种不同的接入模式之间，以及同一接入模式内均采用正交多址接入方式，因而信息传输无干扰；该网络中存在多个M2M设备，且M2M设备可采用簇内通信模式与簇头关联或采用蜂窝通信模式直接与蜂窝基站进行通信；建模M2M设备总能耗为所有接入网络的M2M设备的能耗之和，基于M2M设备联合能耗优化实现簇头选择、资源分配及M2M设备通信模式关联。
图1为蜂窝网络场景图，如图1所示，蜂窝网络中存在多个接入请求的M2M设备，M2M设备通过簇头选择或连接基站进行通信，通过优化簇头选择、资源分配以及通信模式关联策略实现网络总能耗最小化。
图2为本发明所述方法的流程示意图，如图2所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：
1)建模簇头选择变量
建模簇头选择变量，具体为，令网络内具有接入请求的M2M设备数为M，记αj∈{0,1}表示簇头选择变量，若αj＝1，表示将M2M设备j选择为簇头，记为CHj，反之，αj＝0，1≤j≤M。
2)建模M2M设备与簇头关联变量
建模M2M设备与簇头关联变量，令δi,j∈{0,1}表示M2M设备i与簇头CHj的关联变量，若δi,j＝1，表示M2M设备i与簇头CHj建立关联，反之，δi,j＝0。
3)建模M2M设备总能耗
建模M2M设备总能耗，ETotal＝ECH+ECM+Eb，其中，ECH表示网络中簇头向基站传输数据时对应的总能耗，ECM表示网络中M2M设备向关联簇头传输数据时对应的簇内通信模式总能耗，Eb表示网络中M2M设备向基站传输数据时对应的蜂窝通信模式总能耗。建模ECH为
Figure BDA0001696621410000051
具体地，根据公式
Figure BDA0001696621410000056
计算簇头CHj向基站传输数据时对应的能耗，其中，
Figure BDA0001696621410000057
表示簇头CHj的发送功率，
Figure BDA0001696621410000058
表示簇头CHj向基站传输数据的发送时长。根据公式
Figure BDA0001696621410000052
建模
Figure BDA0001696621410000059
其中，
Figure BDA00016966214100000510
表示簇头CHj向基站传输的数据量，
Figure BDA00016966214100000511
表示簇头CHj向基站传输数据时对应的传输数据速率，根据公式
Figure BDA0001696621410000053
建模
Figure BDA00016966214100000512
其中，B为基站的可用带宽，
Figure BDA00016966214100000513
表示簇头CHj与基站之间的链路信道增益，N0表示噪声功率谱密度。
4)建模簇内通信模式总能耗
建模簇内通信模式总能耗ECM，
Figure BDA0001696621410000054
具体地：根据公式
Figure BDA0001696621410000055
计算M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的能耗，其中，
Figure BDA0001696621410000061
表示簇内通信模式下M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时的发送功率，
Figure BDA0001696621410000062
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据的发送时长，根据公式
Figure BDA0001696621410000063
建模
Figure BDA0001696621410000064
其中，Si表示M2M设备i向关联簇头CHj传输的数据量，
Figure BDA0001696621410000065
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的传输数据速率，根据公式
Figure BDA0001696621410000066
建模
Figure BDA0001696621410000067
其中，
Figure BDA0001696621410000068
表示簇头CHj进行簇内通信时的可用带宽，
Figure BDA0001696621410000069
表示M2M设备i与簇头CHj之间的链路信道增益。
5)建模蜂窝通信模式总能耗
建模蜂窝通信模式总能耗Eb为
Figure BDA00016966214100000610
具体地，根据公式
Figure BDA00016966214100000611
计算蜂窝通信模式下M2M设备i向基站传输数据时对应的能耗，其中，
Figure BDA00016966214100000612
表示M2M设备i向基站传输数据时的发送功率，
Figure BDA00016966214100000613
表示M2M设备i向基站传输数据的发送时长，根据公式
Figure BDA00016966214100000614
建模
Figure BDA00016966214100000615
其中，Si表示M2M设备i向基站传输的数据量，
Figure BDA00016966214100000616
表示M2M设备i向基站传输数据时对应的传输数据速率，根据公式
Figure BDA00016966214100000617
建模
Figure BDA00016966214100000618
其中，
Figure BDA00016966214100000619
表示M2M设备i与基站之间的链路信道增益。
6)建模M2M设备成簇及资源分配限制条件
建模M2M设备成簇及资源分配限制条件，具体地，簇头数目限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000620
其中，N表示网络内最大簇头数目；簇内成员数量限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000621
其中，K表示簇头CHj可以关联的最多用户数目；用户关联与簇头选择限制条件建模为δi,j≤αj，即仅当M2M设备j被选为簇头CHj时，M2M设备i可与簇头CHj建立关联；用户关联簇头限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000622
即M2M设备i最多可关联一个簇头；发送功率限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000623
即每一个M2M设备的发送功率低于其最大发送功率，
Figure BDA00016966214100000624
表示第i个设备的最大发送功率；传输数据速率限制条件建模为
Figure BDA00016966214100000625
其中，Ri表示M2M设备i的传输数据速率，
Figure BDA0001696621410000071
Figure BDA0001696621410000072
表示M2M设备i的最低业务传输数据速率。
7)基于M2M设备总能耗最小化确定联合成簇及资源分配策略
在满足M2M设备成簇及资源分配需求限制条件下，以M2M设备总能耗最小化为目标，优化确定M2M设备联合成簇及资源分配策略，即
Figure BDA0001696621410000073
其中，
Figure BDA0001696621410000074
Figure BDA0001696621410000075
分别表示簇头CHj的最优选择策略、M2M设备i与簇头CHj的最优关联策略以及M2M设备i的最优发送功率策略。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种基于能耗优化的M2M通信联合成簇及资源分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建模簇头选择变量，包括：令网络内具有接入请求的M2M设备数为M，1≤j≤M，记αj∈{0,1}表示簇头选择变量，若αj＝1，表示将M2M设备j选择为簇头，记为CHj，反之，αj＝0；
S2：建模机器间(Machine-to-Machine,M2M)设备与簇头关联变量，包括：令δi,j∈{0,1}表示M2M设备i与簇头CHj的关联变量，若δi,j＝1，表示M2M设备i与簇头CHj建立关联，反之，δi,j＝0；
S3：建模M2M设备总能耗为：
ETotal＝ECH+ECM+Eb
其中，ECH表示网络中簇头向基站传输数据时对应的总能耗，ECM表示网络中M2M设备向关联簇头传输数据时对应的簇内通信模式总能耗，Eb表示网络中M2M设备向基站传输数据时对应的蜂窝通信模式总能耗；
所述网络中簇头向基站传输数据时对应的总能耗
Figure FDA0002669333470000011
具体包括：根据公式
Figure FDA0002669333470000012
计算簇头CHj向基站传输数据时对应的能耗，其中，
Figure FDA0002669333470000013
表示簇头CHj的发送功率，
Figure FDA0002669333470000014
表示簇头CHj向基站传输数据的发送时长；根据公式
Figure FDA0002669333470000015
建模
Figure FDA0002669333470000016
其中，
Figure FDA0002669333470000017
表示簇头CHj向基站传输的数据量，
Figure FDA0002669333470000018
表示簇头CHj向基站传输数据时对应的传输数据速率；根据公式
Figure FDA0002669333470000019
建模
Figure FDA00026693334700000110
其中B为基站的可用带宽，
Figure FDA00026693334700000111
表示簇头CHj与基站之间的链路信道增益，N0表示噪声功率谱密度；
S4：建模簇内通信模式总能耗ECM为：
Figure FDA00026693334700000112
具体包括：根据公式
Figure FDA00026693334700000113
计算M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的能耗，其中，
Figure FDA00026693334700000114
表示簇内通信模式下M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时的发送功率，
Figure FDA00026693334700000115
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据的发送时长；根据公式
Figure FDA00026693334700000116
建模
Figure FDA00026693334700000117
其中，Si表示M2M设备i向关联簇头CHj传输的数据量，
Figure FDA0002669333470000021
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的传输数据速率；根据公式
Figure FDA0002669333470000022
建模
Figure FDA0002669333470000023
其中，
Figure FDA0002669333470000024
表示簇头CHj进行簇内通信时的可用带宽，
Figure FDA0002669333470000025
表示M2M设备i与簇头CHj之间的链路信道增益，N0表示噪声功率谱密度；
S5：建模蜂窝通信模式总能耗Eb为：
Figure FDA0002669333470000026
具体包括：根据公式
Figure FDA0002669333470000027
计算蜂窝通信模式下M2M设备i向基站传输数据时对应的能耗，其中，
Figure FDA0002669333470000028
表示M2M设备i向基站传输数据时的发送功率，
Figure FDA0002669333470000029
表示M2M设备i向基站传输数据的发送时长；根据公式
Figure FDA00026693334700000210
建模
Figure FDA00026693334700000211
其中，Si表示M2M设备i向基站传输的数据量，
Figure FDA00026693334700000212
表示M2M设备i向基站传输数据时对应的传输数据速率；根据公式
Figure FDA00026693334700000213
建模
Figure FDA00026693334700000214
其中，
Figure FDA00026693334700000215
表示M2M设备i与基站之间的链路信道增益，B为基站的可用带宽，N0表示噪声功率谱密度；
S6：建模M2M设备成簇及资源分配需求限制条件，具体包括：
1)簇头数目限制条件建模为
Figure FDA00026693334700000216
其中，N表示网络内最大簇头数目；
2)簇内成员数量限制条件建模为
Figure FDA00026693334700000217
其中，K表示簇头CHj可以关联的最多用户数目；
3)用户关联与簇头选择限制条件建模为δi,j≤αj，即仅当M2M设备j被选为簇头CHj时，M2M设备i可与簇头CHj建立关联；
4)用户关联簇头限制条件建模为
Figure FDA00026693334700000218
即M2M设备i最多可关联一个簇头；
5)发送功率限制条件建模为
Figure FDA00026693334700000219
即每一个M2M设备的发送功率pi低于其最大发送功率，
Figure FDA00026693334700000220
表示第i个设备的最大发送功率；
6)传输数据速率限制条件建模为
Figure FDA00026693334700000221
其中，
Figure FDA00026693334700000222
表示M2M设备i的最低业务传输数据速率，Ri表示M2M设备i的传输数据速率，建模为
Figure FDA00026693334700000223
其中，
Figure FDA0002669333470000031
表示M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时对应的传输数据速率，
Figure FDA0002669333470000032
表示M2M设备i向基站传输数据时对应的传输数据速率；
S7：基于M2M设备总能耗最小化确定联合成簇及资源分配策略；
在满足所述M2M设备成簇及资源分配需求限制条件下，以M2M设备总能耗ETotal最小化为目标，优化确定M2M设备联合成簇及资源分配策略，即
Figure FDA0002669333470000033
其中，
Figure FDA0002669333470000034
表示簇头CHj的最优选择策略，
Figure FDA0002669333470000035
表示M2M设备i与簇头CHj的最优关联策略，
Figure FDA0002669333470000036
表示M2M设备i的最优发送功率策略，ETotal表示M2M设备总能耗，
Figure FDA0002669333470000037
Figure FDA0002669333470000038
表示簇头CHj的发送功率，
Figure FDA0002669333470000039
表示簇内通信模式下M2M设备i向关联簇头CHj传输数据时的发送功率，
Figure FDA00026693334700000310
表示M2M设备i向基站传输数据时的发送功率。
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