基于蜂窩窄帶的物聯(lián)網(wǎng)資源管理關(guān)鍵技術(shù)研究

宋 揚(yáng)

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230001)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念以及技術(shù)的發(fā)展，它改變了人們的生活方式，并且被認(rèn)為是信息化進(jìn)程的里程碑.通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)，其中NBIOT作為當(dāng)前蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)中前沿的技術(shù)，在廣域網(wǎng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，它支持低功耗設(shè)備的數(shù)據(jù)連接，由此也被稱之為低功耗廣域網(wǎng)，具備覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn).物聯(lián)網(wǎng)作為新型的智能技術(shù)受到了國(guó)家和各大企業(yè)的廣泛關(guān)注，蜂窩NB-IOT技術(shù)也隨之得到了高度的重視.工信部也在逐步的標(biāo)準(zhǔn)化NB-IOT技術(shù)以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求，例NB-IOT模塊大小、封裝等.隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中資源的管理以及安全問(wèn)題研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是新型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其具備以下特點(diǎn)：

(1)功耗低：NB-IOT設(shè)備采用了AA(5 000 mAh)電池，同時(shí)也支持拓展不連續(xù)接技術(shù)以及節(jié)能模式，它的使用時(shí)限可達(dá)10年之久；

(2)覆蓋廣：NB-IOT在技術(shù)方面相比傳統(tǒng)的GSM模式，在功率譜密度、幀發(fā)送數(shù)量、低階調(diào)制等各個(gè)方面的性能都更高；

(3)成本低：NB-IOT降低了元件的復(fù)雜程度，并對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，由此大幅的降低了整體的硬件設(shè)備成本；

(4)連接多：應(yīng)用3GPP的容量模型進(jìn)行理論計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，NB-IOT在小區(qū)內(nèi)的容量可以達(dá)到50 K以上.

1.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是基于4 G LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上根據(jù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的總體架構(gòu).

(1)系統(tǒng)組網(wǎng)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)接入到無(wú)線通信中信息流的過(guò)程，系統(tǒng)組網(wǎng)框架如圖1所示.圖1中窄帶物聯(lián)網(wǎng)中終端連接不同行業(yè)各個(gè)終端機(jī)的數(shù)據(jù)采集，且在未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)中，通過(guò)芯片就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接；在采集到終端機(jī)數(shù)據(jù)后，通過(guò)基站來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)前窄帶物聯(lián)網(wǎng)基本使用三大運(yùn)行商建設(shè)的LTE基站，頻帶部署方式大部分都采用獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署等；窄帶物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)的主要目的為連接云平臺(tái)和基站之間的數(shù)據(jù)連接；云平臺(tái)可充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等關(guān)鍵對(duì)不同通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理好的結(jié)果反饋給相關(guān)的終端設(shè)備；業(yè)務(wù)層則會(huì)收集終端設(shè)備信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制管理.

圖1 架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram

1.3 物理層關(guān)鍵技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信過(guò)程較為復(fù)雜，且NB-IoT物理層結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)LTE資源塊，由此為了節(jié)約成本，可以直接將其部署在GSM或TLE頻譜上，主要部署方式有以下方式：

(1)帶內(nèi)模式：該種模式LTE頻帶會(huì)內(nèi)嵌NB-IoT頻段，如圖2中的(a)，兩者都共用一個(gè)基站，共享下行發(fā)射功率，必須協(xié)同調(diào)度處理無(wú)線資源.

(2)帶間模式：在LTE頻帶保護(hù)區(qū)間內(nèi)會(huì)存在NB-IoT頻段，如圖2中(b)，該種方式仍然共享基站的發(fā)射功率，但在基站調(diào)度過(guò)程中LTE和NB-IoT要使用不同的協(xié)同方式，由此該種模式相對(duì)來(lái)說(shuō)更為簡(jiǎn)單.

(3)單獨(dú)模式：NB-IoT頻段直接應(yīng)用GSM中專屬頻段，如圖2中(c).該種方式LTE、NB-IoT都有各自的基站，由此可以獨(dú)占該基站下的發(fā)射功率，由此覆蓋范圍更大.

圖2 NB-IoT頻帶分布圖Fig.2 NB-IoT frequency band distribution map

窄帶物聯(lián)網(wǎng)下行物理層應(yīng)用正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)技術(shù)，它的幀結(jié)構(gòu)和LTE幀結(jié)構(gòu)保持了一致性.在頻域上，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的帶寬均為15 KHz子載波，每個(gè)時(shí)隙均為0.5 ms，每個(gè)子幀均為1ms，一個(gè)幀結(jié)構(gòu)為10 ms.而在上行信道的窄帶物聯(lián)網(wǎng)幀與LTE幀結(jié)構(gòu)有很大的不同，它支持兩種不同上行傳輸模式：?jiǎn)巫虞d波傳輸，在該傳輸模式下數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中只用一個(gè)子載波實(shí)現(xiàn)；多子載波傳輸，在該傳輸模式下數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可采用多個(gè)子載波實(shí)現(xiàn).

在資源單元(Resource Unit，RU)是在上行共享信道上可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸最小窄帶物理可調(diào)度單元，具體的RU如圖3，它應(yīng)用單載波頻分多址技術(shù)，每個(gè)時(shí)隙為0.5 ms，每個(gè)子幀為1 ms.在信道傳輸過(guò)程中，一次性用戶的數(shù)據(jù)都會(huì)有確定傳輸次數(shù)的數(shù)據(jù)信道、控制信道，這就可以顯著的提高解碼的精確性.

圖3 NB-IoT上行資源單元示意圖Fig.3 Schematic diagram of NB-IoT uplink resource unit

2 上行資源調(diào)度算法

在窄帶物聯(lián)網(wǎng)上行資源調(diào)度過(guò)程中，應(yīng)用單子載波模式下對(duì)資源進(jìn)行分配時(shí)，資源單位必須是連續(xù)的.在實(shí)際的窄帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中劃分以下兩類：正常業(yè)務(wù)報(bào)告、異常業(yè)務(wù)報(bào)告.正常業(yè)務(wù)報(bào)告包含了基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)指令、軟件更新等；異常業(yè)務(wù)報(bào)告包含異常類型業(yè)務(wù).根據(jù)兩者業(yè)務(wù)存在的差異，本文采用不同的方式來(lái)解決.

2.1 異常業(yè)務(wù)報(bào)告

窄帶物聯(lián)網(wǎng)中，通常都會(huì)包含多個(gè)蜂窩小區(qū)，由此假設(shè)每個(gè)小區(qū)有N個(gè)用戶，每個(gè)用戶都是激活狀態(tài)，基站在資源調(diào)度過(guò)程會(huì)給每個(gè)用戶都分配資源，由此在每個(gè)TTI中，必須要滿足同一個(gè)用戶的RU單元都是連續(xù)的，且每個(gè)RU也必然只能分配給一個(gè)用戶.

在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻率變化會(huì)導(dǎo)致用戶網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的下降以及RU值衰落，根據(jù)3GPP協(xié)議中規(guī)定的信道衰落模型如式(1)表示TTI中用戶i的平均頻率效率：

(1)

上式中，IRU,i則是窄帶物理網(wǎng)中用戶i在某個(gè)時(shí)刻分配的RU集合，X表示帶寬的RU個(gè)數(shù)，Isub,i則表示用戶i分配到的子載波結(jié)合，γk,i表示信噪比SINR.

γk,i的計(jì)算方式如下式2：

(2)

由此可以獲取得到用戶i在t時(shí)刻分配到RU上的速率如下式：

(3)

當(dāng)前運(yùn)用較為廣泛的正比公平算法調(diào)度原則為滿足度量值最大的用戶，其中度量值λi的計(jì)算方式如下：

雖然該種方式可以在一定程度上滿足用戶調(diào)度資源的公平性，但在資源調(diào)度過(guò)程中，由于必須滿足“RU連續(xù)性”需求，由此無(wú)法將獨(dú)立的單個(gè)RU按照比例公平度量值將資源分配給各個(gè)用戶，這就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)法滿足所有用戶對(duì)于資源的請(qǐng)求現(xiàn)象.

針對(duì)上述現(xiàn)象，本文改進(jìn)了RU度量值的計(jì)算方式，忽略了業(yè)務(wù)過(guò)程中時(shí)延、優(yōu)先級(jí)等要求，具體如下：

(4)

優(yōu)化后的度量值就可以被快速的分配給相關(guān)需求用戶i.

此外還針對(duì)RU來(lái)連續(xù)性優(yōu)化子載波個(gè)數(shù)，根據(jù)載波寬度以及覆蓋面積的不同，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)選擇適合的傳輸模式來(lái)完成資源的調(diào)度，由此構(gòu)造相對(duì)應(yīng)的UE-RU矩陣，其中X表示RU個(gè)數(shù)，Y表示一個(gè)RU中的子載波個(gè)數(shù).具體的矩陣如表1.

2.2 正常業(yè)務(wù)報(bào)告

在窄帶物聯(lián)網(wǎng)資源調(diào)度管理中，正常業(yè)務(wù)報(bào)告業(yè)務(wù)劃分為以下幾種類型：

(1)軟件的更新等這類業(yè)務(wù)在常規(guī)應(yīng)用頻率較低，因此在資源調(diào)度過(guò)程中要優(yōu)先保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，并優(yōu)先資源調(diào)度級(jí)別；

(2)物聯(lián)網(wǎng)終端資源請(qǐng)求數(shù)量非常大，在調(diào)度資源時(shí)若每次都遍歷所有用戶，必然會(huì)增加調(diào)度時(shí)間成本；

(3)終端請(qǐng)求業(yè)務(wù)中數(shù)據(jù)量較小，頻率高，由此對(duì)于速率要求并沒(méi)有太大的要求，同時(shí)這些業(yè)務(wù)量對(duì)于時(shí)延也并沒(méi)有太大的要求，由此在正常業(yè)務(wù)報(bào)告會(huì)重點(diǎn)關(guān)注用戶信道質(zhì)量對(duì)資源分配，但為了防止出現(xiàn)用戶“餓死”現(xiàn)象，調(diào)用周期后期會(huì)出現(xiàn)限制時(shí)限.

通過(guò)分析正常業(yè)務(wù)報(bào)告特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)了分階段調(diào)度算法來(lái)優(yōu)化資源調(diào)度，基本流程為：均分窄帶物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間軸，并確定每個(gè)周期數(shù)值，并將周期內(nèi)的調(diào)度劃分為兩種，輪詢調(diào)度、最高效調(diào)度，具體如圖4.

圖4 正常業(yè)務(wù)報(bào)告改進(jìn)算法Fig.4 Improved algorithm for normal business reporting

在每個(gè)周期T內(nèi)調(diào)度資源前都會(huì)直接進(jìn)入到最高效調(diào)度階段，在該階段內(nèi)每個(gè)RU中資源調(diào)度基于用戶信道質(zhì)量，優(yōu)先被調(diào)度到的用戶量表明RU中可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最多，由此可知最高效調(diào)度階段內(nèi)，用戶被調(diào)用的順序是由信道質(zhì)量和用戶傳輸數(shù)據(jù)量多少?zèng)Q定的，通過(guò)以上改進(jìn)算法可以高效的提升系統(tǒng)吞吐量.但若一直應(yīng)用該種方式則會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量較差的信道用戶無(wú)法被調(diào)用，由此在每個(gè)周期T結(jié)束后，窄帶物聯(lián)網(wǎng)會(huì)遍歷用戶隊(duì)列，并采用輪詢調(diào)度算法直至隊(duì)列中所有用戶數(shù)據(jù)都已經(jīng)發(fā)送完成.

3 物理層安全策略

在通信網(wǎng)絡(luò)中，通信數(shù)據(jù)的安全性至關(guān)重要，很多竊聽者只要破譯加密算法就可以獲取得到通信網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù).而傳統(tǒng)的加密安全方案采用網(wǎng)絡(luò)層加密算法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸，但該種方式是以高復(fù)雜性來(lái)實(shí)現(xiàn).物理層安全相比網(wǎng)絡(luò)層加密方式，它充分了利用無(wú)線信道的特性來(lái)確保傳輸數(shù)據(jù)的安全性，且上層結(jié)構(gòu)中無(wú)需進(jìn)行安全設(shè)置，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)安全傳輸.協(xié)作通信是指網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)輔助節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，輔助節(jié)點(diǎn)生成的分集增益可以顯著優(yōu)化信道質(zhì)量.

本文充分結(jié)合物理層和協(xié)作通信的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了防竊聽網(wǎng)絡(luò)信道模型，在模型中包含了四種不同類型的節(jié)點(diǎn)方式：源節(jié)點(diǎn)(S)、中繼節(jié)點(diǎn)(RF)、竊聽節(jié)點(diǎn)(Eva)、目的節(jié)點(diǎn)(D).當(dāng)S給D發(fā)送了信號(hào)x時(shí)，RI同時(shí)會(huì)發(fā)射一個(gè)帶波束賦形因子是獨(dú)立于x的干擾信號(hào)z，該信號(hào)可以給Eva造成干擾.因此安全通信容量的提升則可以通過(guò)調(diào)節(jié)波束賦行因子實(shí)現(xiàn)，計(jì)算過(guò)程如下：

式中，w表示波束賦行因子，PS表示S的發(fā)射功率，nD表示D處的高斯白噪聲，hSD表示S和D之間的信道增益矩陣，hRFD表示RF和D之間的信道增益矩陣.

E(Eva節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)稱)的接收信號(hào)為：

式中，nE表示E處的高斯白噪聲，hSE表示S和E之間的信道增益矩陣，hRFE表示RF和E之間的信道增益矩陣.

根據(jù)香農(nóng)定理計(jì)算得到D、E的信道容量公式分別為：

式中b表示系統(tǒng)帶寬.

物理層安全模型下的安全容量為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次仿真實(shí)驗(yàn)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃平臺(tái)，通過(guò)在該平臺(tái)上加載窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊后實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度資源的仿真實(shí)驗(yàn).仿真環(huán)境設(shè)置為：電子地圖面積為10 km，精度為20 m，部署了一個(gè)LTE基站.

仿真參數(shù)：系統(tǒng)帶寬(200 KHz)、頻段(900 MHz)、網(wǎng)絡(luò)制式(HD-FDD)、基站數(shù)(1)、小區(qū)數(shù)量(1)、最大發(fā)射功率(23)、天線功率(15 dBi)、接收天線(2)、發(fā)送天線(1)、終端高度(1.5 m)、基站高度(30 m).

在異常業(yè)務(wù)報(bào)告資源調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)中，采用正比公平算法作為本文的對(duì)比算法，結(jié)果對(duì)比如圖5.根據(jù)結(jié)果分布圖可知：在進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)，本文異常業(yè)務(wù)報(bào)告的系統(tǒng)吞吐量為112 kbps～208 kbps；正比公平算法的吞吐量為104 kbps～184 kbps，可知系統(tǒng)吞吐量明顯由提升.

圖5 異常業(yè)務(wù)報(bào)告吞吐量概率分布Fig.5 Probability distribution of abnormal business report throughput

兩個(gè)算法的平均吞吐量以及吞吐均方差如表2，本文算法相比正比公平算法的平均吞吐量、均方差都稍微大一點(diǎn).出現(xiàn)上述原因的根本原因在于本文算法在進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)，每次都是通過(guò)拓展資源來(lái)確保“RU連續(xù)性”，正比公平算法則每次都調(diào)度最大度量值的RU資源，并沒(méi)有考慮“RU”連續(xù)性.

在正常業(yè)務(wù)報(bào)告資源調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)中，采用輪詢公平算法作為本文的對(duì)比算法，結(jié)果對(duì)比如圖6.根據(jù)結(jié)果分布圖可知：在進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)，本文正常業(yè)務(wù)報(bào)告的系統(tǒng)吞吐量為123 kbps～201 kbps；輪詢公平算法的吞吐量為90 kbps～142 bps，可知系統(tǒng)吞吐量明顯由提升.

圖6 正常業(yè)務(wù)報(bào)告吞吐量概率分布Fig.6 Probability distribution of normal business report throughput

5 結(jié)論

蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的NBIoT技術(shù)憑借多種優(yōu)勢(shì)而受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，本文在介紹了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和架構(gòu)的同時(shí)，對(duì)上行資源調(diào)度算法進(jìn)行了詳細(xì)了分析.對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中正常業(yè)務(wù)報(bào)告和異常業(yè)務(wù)報(bào)告分別進(jìn)行了資源調(diào)度優(yōu)化，在正常業(yè)務(wù)報(bào)告中應(yīng)用分階段調(diào)度算法；在異常業(yè)務(wù)報(bào)告中通過(guò)改進(jìn)了RU度量值的計(jì)算方式、基于“RU連續(xù)性”優(yōu)化子載波個(gè)數(shù)來(lái)優(yōu)化，并且通常仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)為本文所提出的算法可以有效的提升系統(tǒng)的吞吐量.希望本文可以通過(guò)調(diào)度算法的優(yōu)化，為物聯(lián)網(wǎng)這種新興智能技術(shù)的發(fā)展提供一些技術(shù)參考.