CN110290508B - 一种基于非正交多址接入技术的m2m通信网络联合成簇及功率分配方法 - Google Patents

一种基于非正交多址接入技术的m2m通信网络联合成簇及功率分配方法 Download PDF

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CN110290508B CN201910599952.2A CN201910599952A CN110290508B CN 110290508 B CN110290508 B CN 110290508B CN 201910599952 A CN201910599952 A CN 201910599952A CN 110290508 B CN110290508 B CN 110290508B
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Abstract

本发明涉及一种基于非正交多址接入技术的M2M通信网络联合成簇及功率分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建模M2M设备与基站间信道增益；S2：建模M2M设备间信道增益；S3：确定簇头选择策略；S4：对簇成员进行配对，确定所有组合方式；S5：针对各种簇成员组合方式，优化确定簇头关联策略；S6：基于簇内能效优化准则，确定簇成员功率分配策略；S7：比较所有簇成员组合，确定全局最优成簇及功率分配策略。本发明可以通过优化设计M2M设备关联及资源分配策略，实现设备能效最大化。

Description

一种基于非正交多址接入技术的M2M通信网络联合成簇及功 率分配方法
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，尤其涉及一种基于非正交多址接入技术的M2M通信网络联合成簇及功率分配方法。
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通信方式应用范围及其广泛，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。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，如何提高M2M设备的能效，是M2M通信系统的重要课题。
近年来，已有文献研究M2M通信能效优化问题。文献Miao G,Azari A,Hwang T.E2-MAC:Energy Efficient Medium Access for Massive M2M Communications针对大规模M2M通信系统，研究了能效成簇和介质访问控制，通过将M2M设备分组，各组设备在不同时间接入信道，可提高网络生存时间，降低设备能耗并延长电池寿命。文献Yang Z,Xu W,Pan C,Chen M.Energy Efficient Resource Allocation in Machine-to-MachineCommunications with Multiple Access and Energy Harvesting for IoT针对M2M通信系统，提出了一种非线性能量收集方法，结合非正交多址技术，可提高资源利用率，实现网络总能耗降低。
综上可知，现有研究主要通过采用路由策略、随机接入、能量收集等机制设计实现M2M设备能耗降低，以提高能效，但未能综合考虑设备随机接入、设备成簇及资源分配策略对设备能效的影响问题，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非正交多址接入技术的M2M通信网络联合成簇及功率分配方法，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设备总能效优化目标，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：
一种基于非正交多址接入技术的M2M通信网络联合成簇及功率分配方法，具体包括以下步骤：
S1：建模M2M设备与基站间信道增益；
S2：建模M2M设备间信道增益；
S3：确定簇头选择策略；
S4：对簇成员进行配对，确定所有组合方式；
S5：针对各种簇成员组合方式，优化确定簇头关联策略；
S6：基于簇内能效优化准则，确定簇成员功率分配策略；
S7：比较所有簇成员组合，确定全局最优成簇及功率分配策略。
进一步，所述步骤S1中，建模M2M设备与基站间信道增益，具体为：令网络内具有接入请求的M2M设备数为N，令Mi表示第i个M2M设备，
Figure BDA0002118949290000021
表示所有的M2M设备集合，hi表示Mi与基站间链路的信道增益，1≤i≤N。
进一步，所述步骤S2中，建模M2M设备间信道增益，令hi，j表示Mi与Mj间链路的信道增益，1≤i≠j≤N。
进一步，所述步骤S3中，确定簇头选择策略，具体为：令L表示网络中簇的数目，对M2M设备与基站之间链路的信道增益进行排序，假设信道增益满足h1≥h2≥...≥hα＞＞hα+1≥hα+2≥...≥hN，若α＜N/3，则L＝α；若α≥N/3，则
Figure BDA0002118949290000022
选择具有较高信道增益的L个M2M设备作为簇头，即Ml为簇头，1≤l≤L，令φCM＝{Mi，L+1≤i≤N}表示所有簇成员设备集合。
进一步，所述步骤S4中，对簇成员进行配对，确定所有组合方式，具体为：将N-L个设备进行配对，确定所有匹配的设备组合，令总组合数为K。
进一步，所述步骤S5中，针对各种簇成员组合方式，优化确定簇头关联策略，具体为：对于组合1≤k≤K，将各簇头与簇成员对进行关联，得到组合k对应的簇头关联策略。
进一步，所述步骤S6中，基于簇内能效优化准则，确定簇成员功率分配策略，具体包括：对于第l个簇，建模簇内总能效为所有簇成员能效与簇头能效之和，即：
Figure BDA0002118949290000023
其中，
Figure BDA0002118949290000024
为设备和簇头关联标识，
Figure BDA0002118949290000025
表示M2M设备
Figure BDA0002118949290000026
与簇头Ml关联，否则，
Figure BDA0002118949290000027
Figure BDA0002118949290000031
表示M2M设备
Figure BDA0002118949290000032
与
Figure BDA0002118949290000033
关联簇头Ml时，
Figure BDA0002118949290000034
的能效，定义为：
Figure BDA0002118949290000035
其中，
Figure BDA0002118949290000036
表示
Figure BDA0002118949290000037
与
Figure BDA0002118949290000038
关联簇头Ml时，
Figure BDA0002118949290000039
的能效，建模为
Figure BDA00021189492900000310
其中，
Figure BDA00021189492900000311
分别表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000312
与
Figure BDA00021189492900000313
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000314
的传输数据速率和发送功率，pcir表示电路消耗功率；
Figure BDA00021189492900000315
表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000316
与
Figure BDA00021189492900000317
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000318
的能效，建模为
Figure BDA00021189492900000319
其中，
Figure BDA00021189492900000320
分别表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000321
与
Figure BDA00021189492900000322
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000323
的传输数据速率和发送功率；
ηl表示Ml发送数据至基站时，Ml的能效，建模为
Figure BDA00021189492900000324
其中，Rl、pl分别表示Ml向基站传输数据时对应的传输数据速率和发送功率；
Figure BDA00021189492900000325
其中，hl表示Ml与基站之间的链路信道增益，B为基站的可用带宽，σ2表示噪声功率。
第l个簇内两个M2M设备采用非正交多址技术传输数据至簇头，簇头采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术实现信息解码，即簇头的SIC接收机将不同M2M设备信道增益进行顺序排序，首先对信道增益大的设备进行判决，得到对应信号后，将该设备信号从接收信号中减除，继而对另一设备执行信息解码。
进一步，建模
Figure BDA00021189492900000340
传输速率
Figure BDA00021189492900000326
和
Figure BDA00021189492900000327
传输速率
Figure BDA00021189492900000328
具体为：令
Figure BDA00021189492900000329
分别表示
Figure BDA00021189492900000330
Figure BDA00021189492900000331
与簇头Ml之间链路的信道增益，根据SIC机制，假设
Figure BDA00021189492900000332
可得
Figure BDA00021189492900000333
进一步，簇成员功率分配需满足一定限制条件，具体包括：
1)设备关联簇头限制条件，建模为
Figure BDA00021189492900000334
即簇成员
Figure BDA00021189492900000335
和
Figure BDA00021189492900000336
最多可关联一个簇头；
2)簇成员数目限制条件，建模为
Figure BDA00021189492900000337
即簇头Ml最多关联两个M2M设备；
3)发送功率限制条件，建模为
Figure BDA00021189492900000338
即Mi的发送功率pi低于其最大发送功率，
Figure BDA00021189492900000339
表示Mi的最大发送功率；
4)传输数据速率限制条件，建模为
Figure BDA0002118949290000041
其中，
Figure BDA0002118949290000042
分别表示
Figure BDA0002118949290000043
Figure BDA0002118949290000044
和Ml的最低传输数据速率；
在满足M2M设备成簇与资源分配需求限制条件下，以簇内总能效
Figure BDA0002118949290000045
最大化为目标，确定基于簇内能效优化的功率分配策略，即
Figure BDA0002118949290000046
其中，
Figure BDA0002118949290000047
表示
Figure BDA0002118949290000048
与簇头Ml的局部最优关联策略，
Figure BDA0002118949290000049
表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000410
与
Figure BDA00021189492900000411
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000412
的局部最优发送功率，
Figure BDA00021189492900000413
分别表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000414
与
Figure BDA00021189492900000415
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000416
的局部最优发送功率及Ml的局部最优发送功率，
Figure BDA00021189492900000417
表示Ml为簇头的簇内总能耗。
进一步，所述步骤S7中，比较所有簇成员组合，确定全局最优成簇及功率分配策略，具体为：选择K种组合最大能效对应的联合成簇及功率分配策略，即：
Figure BDA00021189492900000418
其中，η为M2M通信网络的总能效，即
Figure BDA00021189492900000419
本发明的有益效果在于：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，实现设备能效最大化。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为蜂窝网络场景示意图；
图2为本发明所述功率分配方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图2，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效最大化。
图2为一种基于非正交多址接入技术的M2M通信网络联合成簇及功率分配方法，如图2所示，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，以及簇内模式内均采用非正交多址接入方式；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设备总能效为所有接入网络的M2M设备的能效之和，基于M2M设备联合能效优化实现簇头选择、资源分配及M2M设备通信模式关联。该方法具体包括以下步骤：
1)建模M2M设备与基站间信道增益，具体为：令网络内具有接入请求的M2M设备数为N，令Mi表示第i个M2M设备，
Figure BDA0002118949290000051
表示所有的M2M设备集合，hi表示Mi与基站间链路的信道增益，1≤i≤N。
2)建模M2M设备间信道增益，具体为：令hi，j表示Mi与Mj间链路的信道增益，1≤i≠j≤N。
3)确定簇头选择策略，具体为：令L表示网络中簇的数目，对M2M设备与基站之间链路的信道增益进行排序，假设信道增益满足h1≥h2≥...≥hα＞＞hα+1≥hα+2≥...≥hN，若α＜N/3，则L＝α；若α≥N/3，则
Figure BDA0002118949290000052
选择具有较高信道增益的L个M2M设备作为簇头，即Ml为簇头，1≤l≤L，令φCM＝{Mi，L+1≤i≤N}表示所有簇成员设备集合。
4)对簇成员进行配对，确定所有组合方式，具体为：对簇成员进行配对，确定所有组合方式，具体为：将N-L个设备进行配对，确定所有匹配的设备组合，令总组合数为K。
5)针对各种簇成员组合方式，优化确定簇头关联策略，具体为：对于组合1≤k≤K，将各簇头与簇成员对进行关联，得到组合k对应的簇头关联策略。
6)基于簇内能效优化准则，确定簇成员功率分配策略，具体为：
基于簇内能效优化准则，确定簇成员功率分配策略，具体包括：对于第l个簇，建模簇内总能效为所有簇成员能效与簇头能效之和，即：
Figure BDA0002118949290000061
其中，
Figure BDA0002118949290000062
为设备和簇头关联标识，
Figure BDA0002118949290000063
表示M2M设备
Figure BDA0002118949290000064
与簇头Ml关联，否则，
Figure BDA0002118949290000065
Figure BDA0002118949290000066
表示M2M设备
Figure BDA0002118949290000067
与
Figure BDA0002118949290000068
关联簇头Ml时，
Figure BDA0002118949290000069
的能效，定义为：
Figure BDA00021189492900000610
其中，
Figure BDA00021189492900000611
表示
Figure BDA00021189492900000612
与
Figure BDA00021189492900000613
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000614
的能效，建模为
Figure BDA00021189492900000615
其中，
Figure BDA00021189492900000616
分别表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000617
与
Figure BDA00021189492900000618
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000619
的传输数据速率和发送功率，pcir表示电路消耗功率；
Figure BDA00021189492900000620
表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000621
与
Figure BDA00021189492900000622
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000623
的能效，建模为
Figure BDA00021189492900000624
其中，
Figure BDA00021189492900000625
分别表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000626
与
Figure BDA00021189492900000627
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000628
的传输数据速率和发送功率；
ηl表示Ml发送数据至基站时，Ml的能效，建模为
Figure BDA00021189492900000629
其中，Rl、pl分别表示Ml向基站传输数据时对应的传输数据速率和发送功率；
Figure BDA00021189492900000630
其中，hl表示Ml与基站之间的链路信道增益，B为基站的可用带宽，σ2表示噪声功率。
第l个簇内两个M2M设备采用非正交多址技术传输数据至簇头，簇头采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术实现信息解码，即簇头的SIC接收机将不同M2M设备信道增益进行顺序排序，首先对信道增益大的设备进行判决，得到对应信号后，将该设备信号从接收信号中减除，继而对另一设备执行信息解码。
建模
Figure BDA00021189492900000631
传输速率
Figure BDA00021189492900000632
和
Figure BDA00021189492900000633
传输速率
Figure BDA00021189492900000634
具体为：令
Figure BDA00021189492900000635
分别表示
Figure BDA00021189492900000636
与簇头Ml之间链路的信道增益，根据SIC机制，假设
Figure BDA00021189492900000637
可得
Figure BDA00021189492900000638
簇成员功率分配需满足一定限制条件，具体包括：
1)设备关联簇头限制条件，建模为
Figure BDA00021189492900000639
即簇成员
Figure BDA00021189492900000640
和
Figure BDA00021189492900000641
最多可关联一个簇头；
2)簇成员数目限制条件，建模为
Figure BDA0002118949290000071
即簇头Ml最多关联两个M2M设备；
3)发送功率限制条件，建模为
Figure BDA0002118949290000072
即Mi的发送功率pi低于其最大发送功率，
Figure BDA0002118949290000073
表示Mi的最大发送功率；
4)传输数据速率限制条件，建模为
Figure BDA0002118949290000074
其中，
Figure BDA0002118949290000075
分别表示
Figure BDA0002118949290000076
Figure BDA0002118949290000077
和Ml的最低传输数据速率；
在满足M2M设备成簇与资源分配需求限制条件下，以簇内总能效
Figure BDA0002118949290000078
最大化为目标，确定基于簇内能效优化的功率分配策略，即
Figure BDA0002118949290000079
其中，
Figure BDA00021189492900000710
表示
Figure BDA00021189492900000711
与簇头Ml的局部最优关联策略，
Figure BDA00021189492900000712
表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000713
与
Figure BDA00021189492900000714
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000715
的局部最优发送功率，
Figure BDA00021189492900000716
分别表示M2M设备
Figure BDA00021189492900000717
与
Figure BDA00021189492900000718
关联簇头Ml时，
Figure BDA00021189492900000719
的局部最优发送功率及Ml的局部最优发送功率，
Figure BDA00021189492900000720
表示Ml为簇头的簇内总能耗。
7)比较所有簇成员组合，确定全局最优成簇及功率分配策略，具体为：选择K种组合最大能效对应的联合成簇及功率分配策略，即：
Figure BDA00021189492900000721
其中，η为M2M通信网络的总能效，即
Figure BDA00021189492900000722
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于非正交多址接入技术的M2M通信网络联合成簇及功率分配方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：建模M2M设备与基站间信道增益；
S2：建模M2M设备间信道增益；
S3：确定簇头选择策略；
S4：对簇成员进行配对，确定所有组合方式；
S5：针对各种簇成员组合方式，优化确定簇头关联策略；
S6：基于簇内能效优化准则，确定簇成员功率分配策略；
S7：比较所有簇成员组合，确定全局最优成簇及功率分配策略；
步骤S1中，建模M2M设备与基站间信道增益，具体为：令网络内具有接入请求的M2M设备数为N，令Mi表示第i个M2M设备，
Figure FDA0003515524770000011
表示所有的M2M设备集合，hi表示Mi与基站间链路的信道增益，1≤i≤N；
步骤S2中，建模M2M设备间信道增益，令hi，j表示Mi与Mj间链路的信道增益，1≤i≠j≤N；
步骤S3中，确定簇头选择策略，具体为：令L表示网络中簇的数目，对M2M设备与基站之间链路的信道增益进行排序，假设信道增益满足h1≥h2≥…≥hα＞＞hα+1≥hα+2≥…≥hN，若α＜N/3，则L＝α；若α≥N/3，则
Figure FDA0003515524770000012
选择具有较高信道增益的L个M2M设备作为簇头，即Ml为簇头，1≤l≤L，令φCM＝{Mi，L+1≤i≤N}表示所有簇成员设备集合；
步骤S4中，对簇成员进行配对，确定所有组合方式，具体为：将N-L个设备进行配对，确定所有匹配的设备组合，令总组合数为K；
步骤S5中，针对各种簇成员组合方式，优化确定簇头关联策略，具体为：对于组合1≤k≤K，将各簇头与簇成员对进行关联，得到组合k对应的簇头关联策略；
步骤S6中，基于簇内能效优化准则，确定簇成员功率分配策略，具体包括：对于第l个簇，建模簇内总能效为所有簇成员能效与簇头能效之和，即：
Figure FDA0003515524770000013
其中，
Figure FDA0003515524770000014
为设备和簇头关联标识，
Figure FDA0003515524770000015
表示M2M设备
Figure FDA0003515524770000016
与簇头Ml关联，否则，
Figure FDA0003515524770000017
Figure FDA0003515524770000021
表示M2M设备
Figure FDA0003515524770000022
与
Figure FDA0003515524770000023
关联簇头Ml时，
Figure FDA0003515524770000024
的能效，定义为：
Figure FDA0003515524770000025
其中，
Figure FDA0003515524770000026
表示
Figure FDA0003515524770000027
与
Figure FDA0003515524770000028
关联簇头Ml时，
Figure FDA0003515524770000029
的能效，建模为
Figure FDA00035155247700000210
其中，
Figure FDA00035155247700000211
分别表示M2M设备
Figure FDA00035155247700000212
与
Figure FDA00035155247700000213
关联簇头Ml时，
Figure FDA00035155247700000214
的传输数据速率和发送功率，pcir表示电路消耗功率；
Figure FDA00035155247700000215
表示M2M设备
Figure FDA00035155247700000216
与
Figure FDA00035155247700000217
关联簇头Ml时，
Figure FDA00035155247700000218
的能效，建模为
Figure FDA00035155247700000219
其中，
Figure FDA00035155247700000220
分别表示M2M设备
Figure FDA00035155247700000221
与
Figure FDA00035155247700000222
关联簇头Ml时，
Figure FDA00035155247700000223
的传输数据速率和发送功率；
ηl表示Ml发送数据至基站时，Ml的能效，建模为
Figure FDA00035155247700000224
其中，Rl、pl分别表示Ml向基站传输数据时对应的传输数据速率和发送功率；
Figure FDA00035155247700000225
其中，hl表示Ml与基站之间的链路信道增益，B为基站的可用带宽，σ2表示噪声功率；
建模
Figure FDA00035155247700000226
传输速率
Figure FDA00035155247700000227
和
Figure FDA00035155247700000228
传输速率
Figure FDA00035155247700000229
具体为：令
Figure FDA00035155247700000230
分别表示
Figure FDA00035155247700000231
与簇头Ml之间链路的信道增益，根据SIC机制，当
Figure FDA00035155247700000232
得到
Figure FDA00035155247700000233
簇成员功率分配需满足一定限制条件，具体包括：
1)设备关联簇头限制条件，建模为
Figure FDA00035155247700000234
即簇成员
Figure FDA00035155247700000235
和
Figure FDA00035155247700000236
最多可关联一个簇头；
2)簇成员数目限制条件，建模为
Figure FDA00035155247700000237
即簇头Ml最多关联两个M2M设备；
3)发送功率限制条件，建模为
Figure FDA00035155247700000238
即Mi的发送功率pi低于其最大发送功率，
Figure FDA00035155247700000239
表示Mi的最大发送功率；
4)传输数据速率限制条件，建模为
Figure FDA00035155247700000240
其中，
Figure FDA0003515524770000031
分别表示
Figure FDA0003515524770000032
Figure FDA0003515524770000033
和Ml的最低传输数据速率；
在满足M2M设备成簇与资源分配需求限制条件下，以簇内总能效
Figure FDA0003515524770000034
最大化为目标，确定基于簇内能效优化的功率分配策略，即
Figure FDA0003515524770000035
其中，
Figure FDA0003515524770000036
表示
Figure FDA0003515524770000037
与簇头Ml的局部最优关联策略，
Figure FDA0003515524770000038
表示M2M设备
Figure FDA0003515524770000039
与
Figure FDA00035155247700000310
关联簇头Ml时，
Figure FDA00035155247700000311
的局部最优发送功率，
Figure FDA00035155247700000312
分别表示M2M设备
Figure FDA00035155247700000313
与
Figure FDA00035155247700000314
关联簇头Ml时，
Figure FDA00035155247700000315
的局部最优发送功率及Ml的局部最优发送功率，
Figure FDA00035155247700000316
表示Ml为簇头的簇内总能耗；
步骤S7中，比较所有簇成员组合，确定全局最优成簇及功率分配策略，具体为：选择K种组合最大能效对应的联合成簇及功率分配策略，即：
Figure FDA00035155247700000317
其中，η为M2M通信网络的总能效，即
Figure FDA00035155247700000318
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