基于節(jié)點機會角色轉(zhuǎn)換的M2M上行通信策略*

林啟中，許 魁，謝 威，張冬梅

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

基于節(jié)點機會角色轉(zhuǎn)換的M2M上行通信策略*

林啟中，許 魁，謝 威，張冬梅

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

針對M2M(Machine-to-Machine,機器通信)網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點上行通信過程中多網(wǎng)關(guān)節(jié)點并存的場景，研究了該場景下的一個簡化模型：一個終端節(jié)點為信源，兩個網(wǎng)關(guān)節(jié)點競爭成為信宿，把接收到信源發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站。利用角色轉(zhuǎn)換思想，提出了基于本地信道狀態(tài)信息的節(jié)點機會角色轉(zhuǎn)換策略(ORT-L， Opportunistic Role Transition Protocol based on Local Channel State Information)，并研究了該場景下協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的中斷概率和能量效率性能。從蒙特卡羅仿真中，證明了ORT-L角色轉(zhuǎn)換策略僅僅依靠本地信道狀態(tài)信息的可行性，并在性能相比于傳統(tǒng)協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)在可靠性和能量效率上有很大改善。其理論分析值與仿真結(jié)果相吻合。

M2M；角色轉(zhuǎn)換；中斷概率；能量效率；協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

M2M通信是未來物聯(lián)網(wǎng)通信的主要方式之一，其顯著特點就是網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模的智能終端節(jié)點自適應地將監(jiān)測數(shù)據(jù)自下而上傳送至基站[1]。然而，考慮到終端節(jié)點自身性能的局限性，以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多樣性、復雜性。如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院透吣苄允荕2M通信面對的重要挑戰(zhàn)之一[2]。而協(xié)同網(wǎng)絡(luò)利用虛擬MIMO[3]技術(shù)，通過將其他節(jié)點的電線和自身天線構(gòu)成多發(fā)射天線，使系統(tǒng)得到分級增益，可以有效地抵抗多徑衰落及提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能，為M2M通信提供可靠技術(shù)保障。

隨著協(xié)同通信理論的不斷成熟發(fā)展，將協(xié)同網(wǎng)絡(luò)與M2M通信技術(shù)相結(jié)合正成為現(xiàn)在M2M領(lǐng)域中的一個新的研究熱點。通過多節(jié)點的相互協(xié)作，M2M網(wǎng)絡(luò)在能量效率[4]、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃陨隙嫉玫搅嗣黠@改善[5-6]。

在同一類型的多節(jié)點協(xié)同通信中，選擇具有最優(yōu)信噪比(SNR, Signal-to-Noise-Ratio)的節(jié)點可以顯著提高傳輸?shù)聂敯粜訹7-8]。然而在多目的節(jié)點并存的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中[9]，在選擇最佳目的節(jié)點時，空閑的節(jié)點沒有得到利用，造成通信資源浪費。此外，在通信過程中，節(jié)點的角色一直固定，沒有根據(jù)信道狀態(tài)的變化而改變傳輸路徑以提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

文獻[10]在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中提出了角色轉(zhuǎn)換方案，計算了單中繼、多對信源-信宿模型中相應的中斷概率，卻沒有深入研究節(jié)點間信道狀態(tài)(CSI， Channel State Information)對系統(tǒng)中斷概率的影響。文獻[11]首次提出了中心角色轉(zhuǎn)換機制，研究了不同信道狀態(tài)對系統(tǒng)中斷概率的影響。然而，獲取網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的信道信息可能會帶來額外時延和開銷，而且提出的方案沒有與傳統(tǒng)的固定角色協(xié)同網(wǎng)絡(luò)對比，其性能的改進程度仍然未知。

另一方面，在M2M通信中如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs，Wireless Sensor Networks)[12]，節(jié)點通常由電池供電，部署地區(qū)環(huán)境惡劣，補充能量極為不便。所以，系統(tǒng)的能量效率也是協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中重要參考因素之一[13]。根據(jù)文獻[14-17]的研究，在不同的傳輸策略下可以通過調(diào)節(jié)功率大小，使數(shù)據(jù)包的中斷概率維持在一定值附近。然而，在能量效率上角色轉(zhuǎn)換的機制沒有得到深入研究，如果根據(jù)能耗選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸路徑，可使M2M通信在通信質(zhì)量不下降的情況下更加節(jié)能。

本文詳細描述了基于即時本地信道狀態(tài)(即終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點間的信道狀態(tài)的ORT-L策略。在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型中，兩個網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過相互競爭與唯一的信源通信。競爭的規(guī)則為：具有較大的組合信噪比的網(wǎng)關(guān)節(jié)點當選為信宿，負責接收信源和中繼的消息，然后轉(zhuǎn)發(fā)至上層基站；同時另一個較小組合信噪比的網(wǎng)關(guān)節(jié)點則成為放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼，構(gòu)成三節(jié)點的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。文章分別針對功率固定信噪比變化和中斷概率固定節(jié)點間距離變化兩種情況分別探究了ORT-L的中斷概率性能和能量效率性能，終端節(jié)點只需比較本地信道增益，向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送角色轉(zhuǎn)換信息，就可實現(xiàn)最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)傳輸。其中斷概率性能和能量效率都比傳統(tǒng)固定角色的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)有了明顯提升。

1 系統(tǒng)模型和策略描述

1.1 系統(tǒng)模型

文章以M2M網(wǎng)絡(luò)上行通信為背景。M2M終端節(jié)點由于有限的通信范圍無法將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)直接發(fā)向基站，只能將數(shù)據(jù)交給上層網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責對數(shù)據(jù)進行處理再發(fā)往基站。模型對網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)量進行了簡化，如圖1所示，S要將數(shù)據(jù)上傳至D1或D2中的任意一個目的節(jié)點?？紤]到發(fā)往不同網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)的差異性，兩個上層網(wǎng)關(guān)節(jié)點無法同時與終端節(jié)點通信。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點間存在競爭關(guān)系來取得與終端節(jié)點通信的機會，即只有一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以繼續(xù)作為信宿，另一個則要轉(zhuǎn)變?yōu)橹欣^接收并放大轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。文中假設(shè)節(jié)點都是單天線，半雙工模式。信道相互對稱，服從Rayleigh平坦衰落。

圖1 M2M上行通信模型

(1)

角色轉(zhuǎn)換形成了協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)關(guān)節(jié)點能夠獲得分集增益。若D1成為信宿，則經(jīng)過最大比值組合(MRC，Maximal Ratio Combing)后[18]接收的信噪比如下式所示:

(2)

同理，γ2表示D1為中繼，D2為信宿的即時接收信噪比:

(3)

1.2 角色轉(zhuǎn)換策略描述

在傳輸數(shù)據(jù)之前，應獲取各個網(wǎng)關(guān)節(jié)點的最大組合信噪比。因此，M2M終端節(jié)點應知道包括S?D1,S?D2和D1?D2在內(nèi)的所有即時信道狀態(tài)。對于S?D1,S?D2而言，S通過接收來自D1和D2的測試信號估計信道增益。然而，對于D1?D2之間的實時監(jiān)測信道狀態(tài)的反饋會消耗大量系統(tǒng)資源[19]，另外由于反饋延遲和信道估計量化誤差會導致傳輸分集度降低[20-21]，所以在實際中實時獲取γD1D2很難達到理想效果。

因此，ORT-L中終端能獲取確切變量的只有hSD1,hSD2和ΩD1D2，其中ΩD1D2為D1D2間距離的變量。其基本思想就是，在節(jié)點相對位置不變的前提下。終端節(jié)點只需通過實時監(jiān)測本地信道增益，即可根據(jù)中斷概率能耗最優(yōu)的準則選擇最佳路徑傳送，并通知某一網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)角色轉(zhuǎn)換，成為放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼構(gòu)造協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。

2 ORT-L的中斷概率分析

中斷概率是衡量協(xié)同網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的重要指標之一[7]。終端節(jié)點根據(jù)實時本地信道狀態(tài)實現(xiàn)角色轉(zhuǎn)換，使得系統(tǒng)中斷概率最小化。本節(jié)首先推導了ORT-L中斷概率的下界理論值，在不同的鏈路狀態(tài)下研究系統(tǒng)內(nèi)在性能。ORT-L策略中以D1和D2為信源的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為R1和R2，其表達式如式(4)、式(5)所示:

(4)

(5)

由于ORT-L策略使用兩個時隙完成數(shù)據(jù)傳送，所以式(4)、式(5)中前置系數(shù)取1/2[22]。由于兩個數(shù)據(jù)流機會交替，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率定義為

(6)

根據(jù)式(2)、式(3)，利用文獻[18]的不等式推導出各自的下界中斷概率:

(7)

(8)

根據(jù)信道增益變化，列舉了4種情況：

(9)

(10)

(11)

(12)

根據(jù)定義：當系統(tǒng)的最大平均互信息量小于已設(shè)定的端到端頻譜利用率R0bit/s/Hz時，系統(tǒng)中斷數(shù)據(jù)傳送。因此，在ORT-L策略中，中斷概率表達式如下式所示:

(13)

情況1：γSD1>γSD2

(14)

式(14)中變量φ展開如下：

(15)

當y+z≤τ時，可求得:

φ=FγD1D2(z)+(1-FγD1D2(z))=1

(16)

當y+z>τ時，得到:

(17)

同理，情況2：γSD2>γSD1

(18)

(19)

(20)

將式(19)和式(20)合并，得到：

(21)

首先計算A1+A3

(22)

將式(22)泰勒級數(shù)展開，舍棄高階項。得到的數(shù)值結(jié)果將證明式(22)非常逼近系統(tǒng)實際中斷概率，特別是在高信噪比條件下曲線接近重合。

(23)

同理根據(jù)泰勒展開，得到A2和A4

(24)

(25)

3 ORT-L的能量效率分析

上一節(jié)中，終端節(jié)點在功率固定情況下通過角色轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)傳輸可靠性最大化傳輸。本節(jié)中，假定系統(tǒng)有一中斷概率目標，節(jié)點功率可調(diào)，在達到相同系統(tǒng)目標中斷概率的情況下，終端節(jié)點選擇傳輸功率最小的作為數(shù)據(jù)傳輸方向。

例如當D2為中繼，D1為信宿時，設(shè)定三個節(jié)點傳輸功率相等都為P1，系統(tǒng)中斷概率如下式所示：

(26)

由于終端節(jié)點S在發(fā)送數(shù)據(jù)前已知hSD1,hSD2和ΩD1D2,的具體數(shù)值，所以式(26)改寫成：

(27)

根據(jù)參數(shù)間相互關(guān)系，考慮傳輸功率P1的三個可能存在的范圍：

(28)

(29)

由于中斷概率Pout∈(0,1)，所以P1也不在此范圍。

(30)

對于固定中斷概率，終端節(jié)點只有算出必要的最小傳輸功率，這里定義：

A=-log(1-Pout)×ΩD1D2

(31)

則可以算出P1的表達式如下：

(32)

根據(jù)上式可算出P1的理論結(jié)果：

(33)

(34)

(35)

將式(33)簡化如下[24]：

(36)

同理，D1為中繼，D2為信宿時，節(jié)點傳輸功率都為P2用同樣方法推導。

(37)

(38)

設(shè)定B為數(shù)據(jù)傳輸帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率Rb=R0×B，平均每比特能量消耗定義如下：

(39)

(40)

4 仿真結(jié)果

圖2描繪了ORT-L中斷概率隨著信噪比變化的曲線。從圖2中可看出理論下界中斷概率值逼近仿真結(jié)果。另外，在高信噪比區(qū)域，系統(tǒng)的中斷概率取決于終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的信道狀態(tài)，和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的信道狀態(tài)關(guān)系不大。這說明了監(jiān)測本地信道狀態(tài)實現(xiàn)最優(yōu)路徑選擇的可行性。

圖2 ORT-L中斷概率變化曲線

圖3對比了ORT-L和“Centralized Role Selection”[4]的中斷概率性能。從圖3中可發(fā)現(xiàn)ORT-L僅依據(jù)本地信道狀態(tài)檢測，避免了復雜的計算和多余的信號開銷，在中斷概率性能上幾乎可以達到相同的效果。

圖3 ORT-L與Centralized Role Selection的中斷概率對比

圖4對比了ORT-L與傳統(tǒng)固定角色協(xié)同網(wǎng)絡(luò)[11]的中斷概率性能。根據(jù)節(jié)點不同距離考慮兩種情況1)D1D2=0.7,SD1=0.3,SD2=0.8；2)D1D2=0.8,SD1=0.7,SD2=0.3。S-D1-D2代表D1固定作為中繼，D2為信宿；同理，S-D2-D1代表D2固定作為中繼，D1為信宿?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論節(jié)點間距離變化，ORT-L策略始終能保證中斷概率性能最優(yōu)。

圖4 ORT-L與固定角色中斷概率對比

圖5描繪了ORT-L與傳統(tǒng)固定協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率對比圖，設(shè)定的目標中斷概率為10-3。為了研究距離與能耗的關(guān)系，文章簡化模型，3個節(jié)點S,D1,D2在一條直線上。D1在另外兩節(jié)點之間，將SD2之間的距離歸一化。從圖5中可看到隨著距離的改變，理論值逼近仿真結(jié)果，特別是在兩個網(wǎng)關(guān)節(jié)點靠近時，理論值和仿真結(jié)果幾乎完全吻合。顯然，ORT-L利用角色轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了最優(yōu)功率傳輸數(shù)據(jù)。此外，還能發(fā)現(xiàn)不僅在中斷概率上，在能量效率上，系統(tǒng)受到終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的鏈路狀態(tài)的影響比網(wǎng)關(guān)節(jié)點間更大。

圖5 ORT-L與固定角色傳輸功率對比

(41)

實現(xiàn)節(jié)點的角色轉(zhuǎn)換，信號開銷不可避免。圖6仿真過程中假設(shè)信號開銷占總能耗的10%(當然實際中，信號開銷不需要如此多的能量，這里做充分估計)，根據(jù)式(41)對比了傳送單位比各節(jié)點特總能量。從圖6中可看出盡管需要測試信號來完成角色轉(zhuǎn)換的判斷，但是ORT-L仍然顯示了其在能量上的最優(yōu)性，可以證明ORT-L將成為M2M通信中一種重要的綠色通信方式之一。

圖6 ORT-L與固定角色每比特傳輸能量對比

在圖7和圖8中設(shè)定Prelay=aPsource，考慮到網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點的異構(gòu)性，即傳輸功率不在相等而是構(gòu)成比例。

圖7 終端節(jié)點傳輸功率變化曲線

當參數(shù)“a”變大時，即網(wǎng)關(guān)節(jié)點占有系統(tǒng)總功率比例增加是，達到相同的目標中斷概率10-3時，終端節(jié)點的傳輸功率和系統(tǒng)平均每比特所需能耗都能降低，可以延長節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)壽命，提高能量效率。

圖8 網(wǎng)絡(luò)平均每比特傳輸能量變化曲線

5 結(jié) 語

文章針對M2M網(wǎng)絡(luò)的某一特定上行通信模型，提出了ORT-L策略，通過角色轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自適應最優(yōu)傳輸。取決于終端節(jié)點-網(wǎng)關(guān)節(jié)點的信道狀態(tài)(本地通信鏈路狀態(tài))，任一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點可轉(zhuǎn)換為中繼，另一個繼續(xù)充當信宿，構(gòu)成動態(tài)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。在功率固定的條件下，只需根據(jù)本地信態(tài)，終端節(jié)點即可告知網(wǎng)關(guān)節(jié)點角色轉(zhuǎn)換信息，實現(xiàn)可靠傳輸。另外，在高信噪比條件下，證明了系統(tǒng)的中斷概率主要取決于本地信道狀態(tài)。在中斷概率固定，功率可調(diào)的條件下，終端節(jié)點根據(jù)本地信道狀態(tài)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點間距離亦能實現(xiàn)能耗最低路徑傳輸。當終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸功率構(gòu)成比例時，提高網(wǎng)關(guān)節(jié)點所占總功率比，可顯著減少能耗，達到延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

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National Natural Science Foundation of China(No.61371123)

M2M Uplink Communication Strategy based on Opportunistic Role Transition

LIN Qi-zhong, XU Kui, XIE Wei, ZHANG Dong-mei

(College of Communications Engineering, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007, China)

For M2M (Machine-to-Machine) uplink communication network where multiple gateway nodes coexist with only one terminal node, a simplified model of this scenario is studied: a terminal node as the source, two gateway nodes competing to be the sink which transmits the data to the base station after receiving message. By considering the idea of role transition, an ORT-L protocol(Opportunistic Role Transition Protocol based on Local Channel State Information) is proposed, and outage probability and energy efficiency performance of the proposed ORT-L protocol also studied. Monte Carlo simulations indicate the feasibility of ORT-L solely with local channel state information. In addition, this ORT-L protocol enjoys a better performance of reliability and energy efficiency as compared with the traditional cooperative communication network. Theoretical analyses are fairly identical with simulation results.

M2M; role transition; outage probability; energy efficiency; cooperative network

date:2014-11-01；Revised date：2015-02-10

2014年國家自然科學基金面上項目(No.61371123)

TN925

A

1002-0802(2015)04-0414-09

林啟中(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為協(xié)同通信、計算機網(wǎng)絡(luò)；

許 魁(1982—)，男，講師，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)編碼；

謝 威(1977—)，男，講師，主要研究方向為認知無線電；

張冬梅(1972—)，女，博士，副教授，主要研究方向為新一代無線通信系統(tǒng)。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.008

2014-11-01；

2015-02-10