CN115604841A - 一种基于分布式noma技术的异构物联网信息传输方法 - Google Patents

一种基于分布式noma技术的异构物联网信息传输方法 Download PDF

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Abstract

一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，首先对蜂窝用户功率及带宽资源初始化；再对物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源分配；对蜂窝用户子信道资源分配；对蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调；最后蜂窝用户与物联网D2D设备迭代接入控制。本发明提高了物联网D2D设备和蜂窝用户的信息传输速率、频谱效率及接入概率，并有效降低了网络整体发送功率和传输时延，具有成本低、部署灵活等优点，达到增加网络覆盖范围与连通性，实现高效灵活的数据传输的目的。

Description

一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法
技术领域
本发明关于一种物联网信息传输方法，特别是有关于一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法。
背景技术
近年来，随着智慧交通、智能家居、智慧医疗的快速发展，物联网在5G和未来6G通信中发挥着不可替代的作用。然而，传统物联网有两个主要问题亟待解决。首先是，物联网中将会有越来越多的异构用户及设备请求接入物联网实现无线通信，传统地面网络技术由于信道衰减严重，将会严重制约可同时接入的用户及设备数量，造成无线频谱的进一步紧缺、网络通信功率消耗、用户间同频干扰及传输时延的显著升高。其次是，异构网络中各个请求接入的用户及设备往往有各自不同的业务质量（QoS）需求,传统地面接入技术难以面向用户及设备实现无线资源灵活最优的按需分配。
为了解决上述的接入率、功率消耗、传输时延等问题，引入了无人机辅助的天地一体化网络架构及分布式非正交多址技术（Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA）。NOMA是一种新型的无线接入方案，通过连续干扰消除技术可以在同一频谱上容纳多个用户的通信信号，达到提高物联网设备的频谱效率，同时，无人机辅助天地一体化网络下的通信具有成本低、部署灵活等优点，可以解决地面通信功率消耗及产生的同频干扰较高问题，达到增加网络覆盖范围与连通性，实现高效灵活的数据传输的目的。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，包括以下步骤：
S1：蜂窝用户功率及带宽资源初始化；
S2：物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源分配；
S3：蜂窝用户子信道资源分配；
S4：蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调；
S5：蜂窝用户与物联网D2D设备迭代接入控制。
进一步地，步骤S1包含如下步骤：
S11：设定所有蜂窝用户的传输时间相等；
S12：计算任意蜂窝用户m所需的子信道数；
S13：计算蜂窝用户m在子信道的初始化功率；
S14：判断蜂窝用户资源分配的信干燥比和数据速率是否满足最低QoS要求，若否，则进行S15，若是，则对物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源进行分配；
S15：按照优先级高到低在所有蜂窝用户中选取前1/N的蜂窝用户优先服务，返回步骤S14，其中N依次取2,3,4……，N最大取值为所有蜂窝用户数量。
进一步地，步骤S2包含以下步骤：
S21：假设所有物联网D2D设备都受到来自无人机对蜂窝用户通信的最大干扰功率；
S22：计算每个子信道上物联网D2D设备所需的最小通信功率；
S23：计算每个设备所需要的子信道数量；
S24：通过重加权消息传递算法得到每个物联网D2D设备的子信道分配结果；
进一步地，步骤S3中，优先服务的1/N的蜂窝用户所受干扰功率的ψ次方之和最小化作为优化目标，将所有蜂窝用户所需要的最少子信道数量作为约束条件，通过重加权消息传递算法解得各用户的子信道分配结果，其中ψ为预设参数，根据Jain公平性指数, ψ取值为2。
进一步地，步骤S4中，蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调根据蜂窝用户和物联网D2D设备间相互干扰功率及QoS需求进行微调。
进一步地，步骤S5包含以下步骤：
S51：判断每个物联网D2D设备的发送功率是否超过预算功率，若是则进行步骤S52,若否，则对物联网D2D设备接入无人机；
S52：判断物联网D2D设备是否能够以低于其QoS需求进行通信，若是，则进行步骤S53，若否，则跳至步骤S54；
S53：将分配给该物联网D2D设备的发送功率按照从大到小的顺序，依次从对应的每个子信道中消除，返回步骤S51；
S54：拒绝本次接入请求；
物联网D2D设备接入控制之后，再次执行步骤S4进行功率微调，步骤S4、S5迭代进行直至物联网D2D设备接入控制的结果不再发生变化。
本发明提供了一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，蜂窝用户功率及带宽资源初始化；物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源分配；蜂窝用户子信道资源分配；蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调；蜂窝用户与物联网D2D设备迭代接入控制。本发明提高了物联网D2D设备和蜂窝用户的信息传输速率、频谱效率及接入概率，并有效降低了网络整体发送功率和传输时延，具有成本低、部署灵活等优点，达到增加网络覆盖范围与连通性，实现高效灵活的数据传输的目的。
附图说明
图1为本发明导一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法流程图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
无人机辅助天地一体化网络的覆盖范围内，所有地面的蜂窝用户和物联网D2D设备原本都使用有线或电池工作并通过正交频分多址进行通信。当请求接入的用户及设备数量较多且QoS需求较高时，单纯只靠传统地面基站通信方式难以支持系统性能需求。拟考虑部署面向天地一体化的空中自组织网络，利用无人机作为中继节点实现密集异构物联网以外的地面基站与密集区域蜂窝用户及物联网D2D设备的信息传输，用于补偿传统地面物联网的性能不足。天地一体化异构物联网范围外的无人机首先将消息中继到范围内的无人机，范围内的无人机再将消息发送给用户及其LoS径覆盖的物联网D2D设备。然后，这些设备可以进一步将数据信息通过多跳D2D形式转发到无人机LoS径覆盖不到的边缘设备。
无人机辅助的分布式NOMA通信方法考虑了同时优化无人机用于传输信息的悬停时间和物联网D2D设备的通信功耗，考虑到用户的信息更加重要且紧急，需要更高的数据速率。
针对现有问题，本发明提供一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，包括以下步骤：
S1：蜂窝用户功率及带宽资源初始化；
S2：物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源分配；
S3：蜂窝用户子信道资源分配；
S4：蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调；
S5：蜂窝用户与物联网D2D设备迭代接入控制。
其中，D2D为Device to Device，是两个对等用户节点之间直接进行通信的一种通信方式。
进一步地，步骤S1中，假设每个子信道具有相同的频谱带宽，并将蜂窝用户的信道分配简化为带宽分配，即确定系统中每个蜂窝用户所需的子信道数量，步骤S1包含如下步骤：
S11：设定所有蜂窝用户的传输时间相等，即蜂窝用户数据量除以蜂窝用户传输速率相等，可以公平地提高所有蜂窝用户的数据速率；
S12：计算任意蜂窝用户m所需的子信道数，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
S13：计算蜂窝用户m在子信道的初始化功率，计算公式为：
Figure 379193DEST_PATH_IMAGE002
；
在蜂窝用户功率初始化之后，需要进一步考虑蜂窝用户的性能需求，即蜂窝用户资源分配所达到的信干噪比和数据速率必须满足最低的业务质量（QoS）要求；
S14：判断蜂窝用户资源分配的信干燥比和数据速率是否满足最低QoS要求，若否，则进行S15，若是，则对物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源进行分配；
如果所有蜂窝用户的最低QoS要求不能同时被满足，则表明无人机UAV在有限的频谱和发射功率下无法同时完成所有蜂窝用户的数据传输，则需要先服务其中一部分用户后再为剩下的用户服务。
S15：按照优先级高到低在所有蜂窝用户中选取前1/N的蜂窝用户优先服务，返回步骤S14，其中N依次取2,3,4……，N最大取值为所有蜂窝用户数量，为了公平，可以依照蜂窝用户业务的紧急程度确定优先级。
进一步地，步骤S2包含以下步骤：
S21：假设所有物联网D2D设备都受到来自无人机对蜂窝用户通信的最大干扰功率；可以保证物联网D2D设备QoS的信干燥比SINR需求。
S22：计算每个子信道上物联网D2D设备所需的最小通信功率；在最大接收干扰的假设条件下，为了满足所有D2D物联网D2D设备信干噪比需求的情况下，通过香农公式计算在每个子信道上物联网D2D设备所需要的最小通信功率
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，公式为：
Figure 358650DEST_PATH_IMAGE004
。
S23：计算每个设备所需要的子信道数量；根据物联网D2D设备的传输速率和SINR速率需求，根据香农公式得到每个设备所需要的子信道数量，公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
S24：通过重加权消息传递算法得到每个物联网D2D设备的子信道分配结果；此时，所有的物联网D2D设备通信总功率消耗最小，重加权消息传递算法的伪代码为：
1) 输入：设备的初始化功率
Figure DEST_PATH_IMAGE007
2) 初始化：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
3) 当
Figure DEST_PATH_IMAGE011
i.每个在子信道z上的设备n发送消息给汇节点，消息为
Figure 168081DEST_PATH_IMAGE012
ii.汇节点发送消息给设备n，消息为
Figure 422344DEST_PATH_IMAGE014
iii.每个设备发送器n计算边际
Figure 954826DEST_PATH_IMAGE016
和分配因子
Figure 370764DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
iv.算法迭代直至两次迭代的分配因子计算结果相等；
4)输出：分配因子
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
进一步地，步骤S3中，优先服务的1/N的蜂窝用户所受干扰功率的ψ次方之和最小化作为优化目标，将所有蜂窝用户所需要的最少子信道数量作为约束条件，通过重加权消息传递算法解得各用户的子信道分配结果，其中ψ为预设参数，根据Jain公平性指数,ψ取值为2，有效降低物联网D2D设备与蜂窝用户间相互的信号功率干扰，并尽量保证蜂窝用户功率初始化的性能。
进一步地，步骤S4中，蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调根据蜂窝用户和物联网D2D设备间相互干扰功率及QoS需求进行微调,从而达到最优分配结果。
进一步地，步骤S5包含以下步骤：
S51：判断每个物联网D2D设备的发送功率是否超过预算功率，若是则进行步骤S52,若否，则对物联网D2D设备接入无人机；预算功率为物联网D2D设备可发送功率上限；
S52：判断物联网D2D设备是否能够以低于其QoS需求进行通信，若是，则进行步骤S53，若否，则跳至步骤S54；
S53：将分配给该物联网D2D设备的发送功率按照从大到小的顺序，依次从对应的每个子信道中消除，返回步骤S51；如果物联网D2D设备能够以低于其需求的速率成功通信，则可以将分配给该设备的发送功率按照从大到小的顺序，依次从对应的每个子信道中消除，直至该设备的功率分配结果不超过其功率预算。
S54：拒绝本次接入请求；如果物联网D2D设备最低只能以其请求的QoS需求进行通信，则物联网D2D设备的发送功率分配结果由于超过其预算导致无法满足其QoS需求，因此拒绝其本次接入请求，下次需求时再重新进行资源分配，实现高效灵活的数据传输；
物联网D2D设备接入控制之后，再次执行步骤S4进行功率微调，步骤S4、S5迭代进行直至物联网D2D设备接入控制的结果不再发生变化。
本发明提供了一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，蜂窝用户功率及带宽资源初始化；物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源分配；蜂窝用户子信道资源分配；蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调；蜂窝用户与物联网D2D设备迭代接入控制。本发明提高了物联网D2D设备和蜂窝用户的信息传输速率、频谱效率及接入概率，并有效降低了网络整体发送功率和传输时延，具有成本低、部署灵活等优点，达到增加网络覆盖范围与连通性，实现高效灵活的数据传输的目的。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：蜂窝用户功率及带宽资源初始化；
S2：物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源分配；
S3：蜂窝用户子信道资源分配；
S4：蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调；
S5：蜂窝用户与物联网D2D设备迭代接入控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，其特征在于，步骤S1包含如下步骤：
S11：设定所有蜂窝用户的传输时间相等；
S12：计算任意蜂窝用户m所需的子信道数；
S13：计算蜂窝用户m在子信道的初始化功率；
S14：判断蜂窝用户资源分配的信干燥比和数据速率是否满足最低QoS要求，若否，则进行S15，若是，则对物联网D2D设备功率、带宽及子信道资源进行分配；
S15：按照优先级高到低在所有蜂窝用户中选取前1/N的蜂窝用户优先服务，返回步骤S14；其中N依次取2,3,4……，N最大取值为所有蜂窝用户数量。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，其特征在于，步骤S2包含以下步骤：
S21：假设所有物联网D2D设备都受到来自无人机对蜂窝用户通信的最大干扰功率；
S22：计算每个子信道上物联网D2D设备所需的最小通信功率；
S23：计算每个设备所需要的子信道数量；
S24：通过重加权消息传递算法得到每个物联网D2D设备的子信道分配结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，其特征在于，步骤S3中，优先服务的1/N的蜂窝用户所受干扰功率的ψ次方之和最小化作为优化目标，将所有蜂窝用户所需要的最少子信道数量作为约束条件，通过重加权消息传递算法解得各用户的子信道分配结果，其中ψ为预设参数，根据Jain公平性指数, ψ取值为2。
5.根据权利要求4所述的一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，其特征在于，步骤S4中，蜂窝用户及物联网D2D设备功率微调根据蜂窝用户和物联网D2D设备间相互干扰功率及QoS需求进行微调。
6.根据权利要求5所述的一种基于分布式NOMA技术的异构物联网信息传输方法，其特征在于，步骤S5包含以下步骤：
S51：判断每个物联网D2D设备的发送功率是否超过预算功率，若是则进行步骤S52,若否，则对物联网D2D设备接入无人机；
S52：判断物联网D2D设备是否能够以低于其QoS需求进行通信，若是，则进行步骤S53，若否，则跳至步骤S54；
S53：将分配给该物联网D2D设备的发送功率按照从大到小的顺序，依次从对应的每个子信道中消除，返回步骤S51；
S54：拒绝本次接入请求；
物联网D2D设备接入控制之后，再次执行步骤S4进行功率微调，步骤S4、S5迭代进行直至物联网D2D设备接入控制的结果不再发生变化。
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