基于成簇傳輸?shù)腗2M網(wǎng)絡(luò)資源分配策略

欒 西，劉學(xué)建，吳建軍，程宇新，項(xiàng)海格

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代通信研究所，北京 100871)

基于成簇傳輸?shù)腗2M網(wǎng)絡(luò)資源分配策略

欒 西，劉學(xué)建，吳建軍，程宇新，項(xiàng)海格

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代通信研究所，北京 100871)

針對(duì)機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模增加將帶來(lái)信令擁塞及調(diào)度復(fù)雜等問(wèn)題，提出了適用于大規(guī)模機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)的成簇傳輸策略，并基于聯(lián)盟形成博弈，提出與成簇傳輸相適應(yīng)的可以分布式實(shí)現(xiàn)的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成及資源分配策略，以同時(shí)兼顧機(jī)器網(wǎng)絡(luò)中的通信性能及調(diào)度性能。通過(guò)Matlab工具對(duì)其性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明相比于獨(dú)立傳輸策略，該策略可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)延性能及網(wǎng)絡(luò)調(diào)度性能的靈活折中。

機(jī)器通信；成簇傳輸；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；分布式

0 引言

隨著車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能家居及遠(yuǎn)程醫(yī)療等諸多新型網(wǎng)絡(luò)的不斷興起，機(jī)器類型通信網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)的設(shè)備海量化已成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特征和挑戰(zhàn)。在上述網(wǎng)絡(luò)中，高效的信息傳輸策略能夠保證網(wǎng)絡(luò)功能得以實(shí)現(xiàn)。因此，近年來(lái)機(jī)器類型通信(Machine Type Communications，MTC)，或又稱機(jī)器通信(Machine-to-Machine Communications，M2M[1])，已成為無(wú)線通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，機(jī)器設(shè)備的海量化將對(duì)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度與管理造成極大的挑戰(zhàn)。若采用傳統(tǒng)的獨(dú)立調(diào)度方式，將會(huì)造成基站側(cè)的信令擁塞以及調(diào)度復(fù)雜等問(wèn)題[2]，甚至造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為解決這一問(wèn)題，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要考慮通過(guò)對(duì)隨機(jī)接入環(huán)節(jié)進(jìn)行控制以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)擁塞率，典型策略包括接入分類阻止機(jī)制等[3]。然而，此類策略卻難以為機(jī)器節(jié)點(diǎn)提供有效的接入保證，可能造成QoS波動(dòng)問(wèn)題。

近年來(lái)，諸多學(xué)者認(rèn)為將D2D技術(shù)用于機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)中，可在有效提高功率效率的同時(shí)，充分進(jìn)行主干網(wǎng)流量卸載。其中，由于帶內(nèi)D2D的方式涉及到復(fù)雜的干擾協(xié)調(diào)策略，因此僅適用于小規(guī)模低速率網(wǎng)絡(luò)[4]，因此，利用帶外D2D實(shí)現(xiàn)成簇傳輸，則是現(xiàn)階段一個(gè)有前景的研究方向。文獻(xiàn)[5-6]分別提出在機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)中利用成簇策略可以有效降低網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題，然而，其均為給出具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成策略。文獻(xiàn)[7]對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的成簇策略進(jìn)行了綜述，可以看出，由于負(fù)載類型、優(yōu)化目標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面的不同，其成簇策略并不直接適用于其他類型的機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)中。文獻(xiàn)[8]基于博弈理論提出了可以分布式實(shí)現(xiàn)的成簇策略，然而其并未考慮機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)的QoS需求，同時(shí)，也并未考慮網(wǎng)絡(luò)中的資源分配等問(wèn)題。

基于上述背景，本文提出一種適用于大規(guī)模機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)中的分布式成簇傳輸策略。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)首先按照一定的準(zhǔn)則成簇，將各自負(fù)載信息向事先選擇的簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚，并由簇頭節(jié)點(diǎn)向基站進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。為降低網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度開(kāi)銷，提出一種基于可分布式實(shí)現(xiàn)的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成及資源分配策略。此外，由于在該網(wǎng)絡(luò)中需要同時(shí)兼顧節(jié)點(diǎn)的通信性能以及網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度性能，本文采用最短可達(dá)時(shí)延作為節(jié)點(diǎn)的通信性能衡量指標(biāo)。

1 系統(tǒng)模型

考慮圖1所示的機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。假設(shè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)總共存在N個(gè)機(jī)器節(jié)點(diǎn)，其周期性產(chǎn)生負(fù)載信息并需要通過(guò)無(wú)線方式向基站上報(bào)。基站收到上報(bào)信息后則將其轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)中心以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控等目的。不同類型的M2M網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的作用也不盡相同，例如，在智能電網(wǎng)[9]中，機(jī)器節(jié)點(diǎn)主要由智能電表構(gòu)成，負(fù)責(zé)收集用電信息。

圖1 基于簇頭選擇的雙跳成簇傳輸策略示意圖

為了防止基站對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度所帶來(lái)的信令擁塞等問(wèn)題，可采用成簇的方式進(jìn)行傳輸：假設(shè)各節(jié)點(diǎn)已按照某種方式實(shí)現(xiàn)形成了若干大小不同的簇，則對(duì)于某個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)而言，其首先通過(guò)短程通信的方式將負(fù)載匯聚給簇頭，而簇頭節(jié)點(diǎn)則將會(huì)把簇內(nèi)總的負(fù)載信息向基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。為衡量各節(jié)點(diǎn)的通信QoS性能，本文采用最短可達(dá)時(shí)延作為性能衡量指標(biāo)。因此，在簇內(nèi)信息匯總階段，第m個(gè)簇內(nèi)第i個(gè)用戶的通信時(shí)延為：

(1)

式中，Li,m為負(fù)載長(zhǎng)度，分母則是簇內(nèi)通信的可達(dá)容量。假設(shè)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)信息匯聚采用TDMA的方式，則第m個(gè)簇第一階段通信的總時(shí)延可以表示為：

(2)

為與現(xiàn)有LTE系統(tǒng)相兼容，第二階段各簇頭的信息發(fā)送則采用OFDMA的方式進(jìn)行。假設(shè)基站的可用頻率資源可被分為K個(gè)子信道，并將分配給M個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，則第m個(gè)簇頭與基站之間的通信時(shí)延可以表示為：

(3)

式中，分子為該簇內(nèi)的總負(fù)載，分母部分則表示當(dāng)其可以占用Km個(gè)子信道時(shí)總的可達(dá)速率。因此，在成簇傳輸過(guò)程中，第m個(gè)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的總時(shí)延開(kāi)銷均為：

(4)

2 分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成及資源分配

通過(guò)上述建模及分析可以看出，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和資源分配將是決定該系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。為便于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)，本文將基于聯(lián)盟形成博弈理論，對(duì)聯(lián)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成及資源分配問(wèn)題進(jìn)行分布式求解[10]。

在本系統(tǒng)中，所有機(jī)器節(jié)點(diǎn)即構(gòu)成博弈者集合。定義第m個(gè)簇Sm的效用函數(shù)為：

(5)

由式(2)可以看出，由于存在著資源分配的問(wèn)題，則單個(gè)簇內(nèi)的效用函數(shù)vSm將不僅由簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)所決定，同時(shí)也會(huì)受此外所有N≠Nm中用戶行為決策的影響。此時(shí)，該博弈則具有分割形式。而在實(shí)際系統(tǒng)中，具有分割形式的聯(lián)盟形成博弈問(wèn)題通常十分難以求解和實(shí)現(xiàn)。因此，為使問(wèn)題變得可以分布式實(shí)現(xiàn)，首先需要將該博弈轉(zhuǎn)化為具有特征形式的博弈問(wèn)題。

為解決這一問(wèn)題，本文提出一種虛擬資源預(yù)分配的方法。該策略的描述如下：

① 將第二階段可帶寬平均拆分為相等的N段，即wv=W/N(N為網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)數(shù))；

② 將每一段帶寬wv虛擬化地綁定到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)機(jī)器節(jié)點(diǎn)上；

③ 綁定式虛擬帶寬分配：當(dāng)?shù)趇個(gè)節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，簇頭wm的虛擬帶寬即可增加wv；

④ 實(shí)際帶寬分配：當(dāng)節(jié)點(diǎn)成簇過(guò)程完成后，各簇頭即可向基站上報(bào)各自虛擬帶寬結(jié)果，基站據(jù)此進(jìn)行為實(shí)際子信道分配，Km=?Wv,m/ws」，其中Wv,m=Nm·wv是簇內(nèi)總的虛擬帶寬，ws為系統(tǒng)平均子信道帶寬。

此時(shí)，簇頭vm所被分配的子信道資源僅決定于簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)Nm，而與其他節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)，此時(shí)該簇的效用vSm將不受其他簇節(jié)點(diǎn)的干擾，因此原問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為具有特征形式的博弈問(wèn)題。此外，節(jié)點(diǎn)行為將直接影響其效用，因此為不可轉(zhuǎn)移效用的博弈，無(wú)需進(jìn)一步研究簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的效用分配問(wèn)題。

本文采用的博弈準(zhǔn)則為Utilitarian 準(zhǔn)則，其定義如下[11]：假設(shè)節(jié)點(diǎn)集合N可被分割為兩種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即S=S1，…,Sm和R=R1，…,Rm,若下述關(guān)系式成立，則表示S以Utilitarian 準(zhǔn)則優(yōu)于R，

(6)

該式表明，若N形成S所指示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，則各聯(lián)盟的總收益大于以R所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即能夠帶來(lái)更多的社會(huì)福利(Social Welfare)。

本文采用聯(lián)盟形成博弈中經(jīng)典的拆分-合并算法使得成簇傳輸過(guò)程可以分布式地實(shí)現(xiàn)[7]?；诓鸱趾喜⑺惴ǖ姆植际铰?lián)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成及資源分配過(guò)程如下所示。

步驟1：初始化

初始簇及綁定資源的初始化，S=N=S1，…SN，Wv,m=wv,?m=1,…,N。

步驟2：聯(lián)合成簇及資源分配

while

①Sm=MergeSm1,…,Smk，即若合并滿足Utilitarian準(zhǔn)則即進(jìn)行多個(gè)聯(lián)盟的合并；

until迭代過(guò)程收斂或達(dá)到停止條件。

步驟3：結(jié)果輸出

① 各簇頭υm向基站上報(bào)算法結(jié)果：Sm，Wm,v，v(Sm)；

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證所提出策略的性能，本節(jié)將設(shè)置一個(gè)半徑1 000 m的小區(qū)，其中隨機(jī)均勻分布著100～200個(gè)機(jī)器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)機(jī)器節(jié)點(diǎn)的平均負(fù)載為0.1 MB，最大發(fā)送功率為24 dBm，簇內(nèi)通信采用2.4 GHz的WiFi頻段，而簇頭通信則采用2 GHz頻段。

圖2(a)給出了成簇傳輸策略的時(shí)延性能與獨(dú)立傳輸策略時(shí)延性能的對(duì)比關(guān)系。由于成簇傳輸存在著簇內(nèi)信息交互過(guò)程，因此總體而言時(shí)延性能將差于獨(dú)立傳輸策略。然而，獨(dú)立傳輸策略將造成信令擁塞的問(wèn)題，而成簇傳輸將能夠在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能與調(diào)度性能之間達(dá)到靈活的折中關(guān)系，如圖2(b)所示。即當(dāng)兼顧時(shí)延與調(diào)度性能時(shí)，所提出的成簇傳輸策略將優(yōu)于獨(dú)立傳輸策略，并能夠靈活調(diào)整權(quán)重系數(shù)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)類型之間的靈活切換，如在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中可使得成簇規(guī)模擴(kuò)大。此外，通過(guò)圖2(b)還可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模由100增加至200時(shí)，獨(dú)立傳輸策略相比于成簇傳輸而言，其綜合性能將顯著下降。

圖2 成簇傳輸策略的時(shí)延性能及網(wǎng)絡(luò)綜合性能

4 結(jié)束語(yǔ)

在大規(guī)模機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)規(guī)模增加所帶來(lái)的信令擁塞及調(diào)度復(fù)雜等問(wèn)題，已成為網(wǎng)絡(luò)功能能否得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。為解決這一問(wèn)題，本文提出適用于大規(guī)模機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)中的成簇傳輸策略，基于聯(lián)盟形成博弈理論，對(duì)聯(lián)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成及資源分配問(wèn)題進(jìn)行分布式求解。為驗(yàn)證所提出策略的性能，對(duì)成簇傳輸策略的時(shí)延性能及網(wǎng)絡(luò)綜合性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模增加時(shí)，成簇傳輸策略相比獨(dú)立傳輸策略綜合性能顯著提升。通過(guò)利用該策略，可以實(shí)現(xiàn)各類機(jī)器業(yè)務(wù)類型下的通信時(shí)延性能及網(wǎng)絡(luò)調(diào)度性能的折中。

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M2MNetworkResourceAllocationStrategyBasedon
ClusteringTransmission

LUAN Xi,LIU Xue-jian,WU Jian-jun,CHENG Yu-xin,XIANG Hai-ge

(Modern Communications Research Institute,School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University,Beijing 100871,China)

To address the problem of signaling congestion and scheduling complexity due to the increase of node size in machine communication network,a clustering transmission strategy suitable for large-scale machine communication network is proposed.A distributed realization of joint network structure adapted to clustered transmission as well as the resource allocation strategy are proposed on the basis of game formation,so that the machine network communication performance and scheduling performance are both taken into account.The simulation results with Matlab tool show that this strategy can realize the flexible compromise between node delay performance and network scheduling performance as compared with the independent transmission strategy.

machine communications;clustering transmission;network structure;distributed.

TN915

A

1003-3114(2017)06-08-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.02

欒西,劉學(xué)建,吳建軍,等.基于成簇傳輸?shù)腗2M網(wǎng)絡(luò)資源分配策略[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6):08-11.

[LUAN Xi,LIU Xuejian,WU Jianjun,et al.M2M Network Resource Allocation Strategy Based on Clustering Transmission[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):08-11.]

2017-07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371073)

欒 西(1987―)，男，博士，主要研究方向：衛(wèi)星通信、無(wú)線通信、優(yōu)化理論。吳建軍(1968―)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和技術(shù)、同軸寬帶有線接入技術(shù)、3G/4G移動(dòng)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超寬帶通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)軟硬件技術(shù)。