一種高效的機(jī)器類通信資源分配方法

王一然 孫萌

摘? 要：機(jī)器類通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與4G、5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無縫集成、短分組接入和不連續(xù)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)控能量的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和消耗情況，因此機(jī)器類通信對智能電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性起著重要作用。由于頻譜資源的稀缺性，我們允許大量的機(jī)器類型設(shè)備及時(shí)地復(fù)用分配給蜂窩用戶的頻譜資源。但是信道復(fù)用引起的能效問題使得資源分配面臨新的問題。文章提出的算法將基于一對一匹配，最大限度地提高能效。仿真結(jié)果表明，與其他算法相比，該算法能以較低的復(fù)雜度更好地逼近窮舉算法的最優(yōu)性能。

關(guān)鍵詞：機(jī)器類通信;能量效率;匹配算法

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）06-0071-03

Abstract：Machine communication technology can realize seamless integration，short packet access and discontinuous transmission with 4G and 5G cellular networks，and monitor the generation，transmission，conversion and consumption of energy in real time. Therefore，machine communication plays an important role in the stability of smart grid operation. Due to the scarcity of spectrum resources，we allow a large number of machine type devices to reuse spectrum resources allocated to cellular users in time. But the energy efficiency problem caused by channel multiplexing makes resource allocation face new problems. The algorithm proposed in this paper will be based on one-to-one matching to maximize energy efficiency. The simulation results show that compared with other algorithms，this algorithm can better approximate the optimal performance of the exhaustive algorithm with lower complexity.

Keywords：machine class communication;energy efficiency;matching algorithm

0? 引? 言

由于機(jī)器類通信可實(shí)現(xiàn)無需人工干預(yù)的設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸，其在建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)方面具有極大的研究價(jià)值[1]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)一直是本校的重點(diǎn)研究方向之一，本校為此成立了多個(gè)相關(guān)項(xiàng)目，以研究機(jī)器類通信如何在智能電力系統(tǒng)中更好地應(yīng)用[2]。之前的研究大多是從能源效率角度通過中斷資源分配決策來實(shí)現(xiàn)高利用率的資源分配，本文認(rèn)為匹配理論是此類問題的有效、靈活和低復(fù)雜度的解決方案[3]?；谄ヅ淅碚摰臋C(jī)器類型通信能效算法，將聯(lián)合功率優(yōu)化和子信道選擇問題描述為二維組合問題[4]。

華北電力大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)著眼于電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，申請了“5G配用電電力物聯(lián)網(wǎng)低功耗大連接技術(shù)研究”及“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)5G無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究”等多個(gè)項(xiàng)目，致力于研究從無線傳輸技術(shù)和硬件水平方面提高移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的穿透能力和覆蓋能力，通過深入挖掘海量終端接入場景下的機(jī)器類通信業(yè)務(wù)需求和特征規(guī)律，建立低功耗、低時(shí)延、高可靠的無線資源高效利用方案。

1? 背景介紹

機(jī)器類通信技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電網(wǎng)能量的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和消耗情況。但還應(yīng)考慮能效問題和干擾問題。機(jī)器類型設(shè)備通常使用低容量電池。故應(yīng)通過功率控制保證機(jī)器類通信的可靠，使其能夠有效覆蓋通信范圍。機(jī)器類通信間歇地使用上行鏈路資源，使蜂窩用戶受到同信道干擾。

2? 系統(tǒng)模型

本文模擬了單個(gè)蜂窩的機(jī)器類型通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中心為具有全向天線的基站，機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶隨機(jī)分布在網(wǎng)絡(luò)中。機(jī)器類型設(shè)備數(shù)為n，蜂窩用戶數(shù)為m，機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶的集合為MTDn={M1，…，Mn}和CUm={C1，…，Cm}，資源塊的集合為RBm={R1，…，Rm}。規(guī)定上行鏈路信道復(fù)用的性能增益大于下行鏈路信道共享的性能增益。給定時(shí)間塊的信道狀態(tài)固定，不同時(shí)間塊的信道狀態(tài)獨(dú)立變化，不受其他時(shí)間塊的影響。每個(gè)蜂窩用戶在單個(gè)子信道上傳輸，使得蜂窩用戶之間沒有同信道干擾。在復(fù)用上行鏈路頻譜時(shí)，機(jī)器類型設(shè)備通過多路復(fù)用將資源塊分配給蜂窩用戶，然后通過資源塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。多個(gè)機(jī)器類型設(shè)備可以分配給同一個(gè)蜂窩用戶的相同資源塊，以提高頻譜效率，但蜂窩用戶和機(jī)器類型設(shè)備會(huì)受到同信道干擾。

2.1? 數(shù)據(jù)傳輸模型

假設(shè)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，可得理想的信道狀態(tài)信息，信道模型考慮陰影、多徑傳播和路徑損耗引起的快衰落效應(yīng)和慢衰落效應(yīng)。α和β代表路徑損耗常數(shù)和路徑損耗指數(shù)。Fm和Sm代表遵循指數(shù)分布的快速衰落增益和遵循長正態(tài)分布的慢衰落增益。Dm代表從蜂窩用戶Ck到基站的傳輸距離。從Ck到基站的鏈路的信道增益為：

Pn代表機(jī)器類型設(shè)備Mn的傳輸功率，Pm代表蜂窩用戶Cm的傳輸功率。當(dāng)機(jī)器類型設(shè)備Mn復(fù)用資源塊Rk向基站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，機(jī)器類型設(shè)備Mn的接收信噪比為：

Bm代表資源塊Rm的信道帶寬，從機(jī)器類型設(shè)備Mn到基站鏈路的信道傳輸速率為：

2.2? 能耗模型

電路功耗（Cn）和傳輸功率（Pn）構(gòu)成機(jī)器類型設(shè)備Mn的總功耗，假設(shè)所有Mn的電路功耗恒定，則機(jī)器類型設(shè)備Mn的總功耗為：

機(jī)器類型設(shè)備Mn的能效為每焦耳傳輸?shù)目偽粩?shù)，T為數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間，Mn的能效公式如下：

3? 問題表述

最大化能效、優(yōu)化各機(jī)器類型設(shè)備的信道選擇和功率控制是機(jī)器類通信網(wǎng)絡(luò)的研究關(guān)鍵。N={1，…，n，…，N}，M={1，…，m，…，M}為機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶的集合，優(yōu)化變量集合為{SN，M，PN}，其中PN={PMn|n∈N}。式（7）為所述聯(lián)合信道選擇和功率控制問題。其中C1和C2分別表示蜂窩用戶和機(jī)器類型設(shè)備的QoS需求;C3規(guī)定信道選擇決策的指示符為二進(jìn)制;C4保證任何機(jī)器類型設(shè)備只能復(fù)用一個(gè)資源塊;C5規(guī)定同一時(shí)間復(fù)用同一資源塊機(jī)器類型設(shè)備不超過一個(gè)。

4? 匹配理論

匹配理論是描述隨著時(shí)間的推移形成互惠關(guān)系的數(shù)學(xué)框架。匹配時(shí)，每個(gè)元素會(huì)自發(fā)地對另一組元素進(jìn)行排序。因此，基于匹配理論的協(xié)議一般無需集中式協(xié)調(diào)器，且具有良好的可擴(kuò)展性。本文將機(jī)器類通信中信道、機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶的選擇問題表示為一個(gè)匹配博弈。匹配函數(shù)如式（8）所示。

條件（1）：每個(gè)機(jī)器類型設(shè)備最多可以復(fù)用一個(gè)資源塊;條件（2）：每個(gè)資源塊最多可以接受一個(gè)機(jī)器類型設(shè)備;條件（3）：如果Mn與Rm匹配，則Rm也與Mn匹配。

Sn，m用來表示Mn是否與Rm匹配。Sn，m=1表示Mn與Rm匹配，而Sn，m=0表示Mn與Rm不匹配。

5? 基于匹配理論的P1解決方案及穩(wěn)定性分析

5.1? 初始化

假設(shè)起始時(shí)所有機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶都未匹配，并構(gòu)建未匹配的機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶的集合Munmatch和Cunmatch，匹配的機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶的集合Mmatch和Cmatch，以及機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶的偏好列表。

5.2? 迭代

（1）Munmatch中每個(gè)機(jī)器類型設(shè)備Mn發(fā)布通信要求，并向在其最為偏好的蜂窩用戶Cm發(fā)送請求。如果Cm未匹配且滿足Mn的通信要求，則接受Mn的匹配請求，并將Mn從Munmatch中刪除，添加到Mmatch中。否則，Mn的請求將被拒絕;（2）如果Cm已與Mn匹配，但Cm更能滿足Mn的通信要求，則接受Mn。并將Mn從Mmatch中移除，添加到Munmatch，將Mn從Munmatch中移除，添加到Mmatch中。否則，Mn的請求將被拒絕;（3）如果Mn不與任何Cm匹配，則表示沒有Cm能夠滿足Mn的通信要求，則將Mn從Munmatch中刪除。直至Munmatch為空集。

5.3? 穩(wěn)定性分析

由于系統(tǒng)中的匹配穩(wěn)定性偏差是固定的，Mn和Cm在一個(gè)穩(wěn)定的匹配系統(tǒng)中時(shí)，任何匹配對都不會(huì)偏好先前的匹配結(jié)果。引理1：當(dāng)該算法結(jié)束時(shí)，Mn和Cm的匹配穩(wěn)定。證明參見文獻(xiàn)[5]。

6? 仿真結(jié)果

仿真參數(shù)如下：（1）網(wǎng)絡(luò)半徑r=50 m;（2）路徑損耗常數(shù)α=0.01;（3）快衰落增益F=1 dB;（4）慢衰落增益S=8 dB;（5）機(jī)器類型設(shè)備和蜂窩用戶之間的最大距離Dmax=35;（6）加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度N0=-114;

（7）傳輸功率Pn，min=0 dBm，Pn，max=23 dBm;（8）電路功耗CPMn|=20 dBm。

圖1表明該算法的效果更接近窮舉算法的最優(yōu)性能。當(dāng)機(jī)器類型設(shè)備數(shù)為10時(shí)，該算法的性能比隨機(jī)算法提高了62.1%。當(dāng)機(jī)器類型設(shè)備沒有充分利用蜂窩用戶時(shí)，隨著機(jī)器類型設(shè)備增加，能效顯著提高。當(dāng)所有蜂窩用戶被最大程度地復(fù)用，機(jī)器類型設(shè)備繼續(xù)增加，總能效也不會(huì)明顯增加。圖2表明該算法能夠更好地逼近窮舉算法的最優(yōu)性能。當(dāng)蜂窩用戶數(shù)為10時(shí)，該算法的性能比隨機(jī)算法高39.4%。隨著蜂窩用戶數(shù)量的增加，機(jī)器類型設(shè)備將更有可能匹配到更為偏好的蜂窩用戶，當(dāng)所有機(jī)器類型設(shè)備都匹配時(shí)，蜂窩用戶增加不會(huì)使總能效顯著提高。

7? 結(jié)? 論

本文提出了一種能效優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，該算法能以較低的復(fù)雜度更好地接近最優(yōu)性能。當(dāng)m=10，n=6時(shí)，該算法的性能比隨機(jī)算法高39.4%。今后我們還將研究多對多的匹配場景，其中每個(gè)機(jī)器類型設(shè)備可以復(fù)用多個(gè)資源塊，同一資源塊可以被多個(gè)機(jī)器類型設(shè)備復(fù)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宮詩尋，陶小峰.5G大規(guī)模機(jī)器類通信中的傳輸技術(shù) [J].中興通訊技術(shù)，2017，23（3）：20-23.

[2] ZHANG K，MAO Y M，LENG S P，et al. Mobile-Edge Computing for Vehicular Networks：A Promising Network Paradigm with Predictive Off-Loading [J].IEEE Vehicular Technology Magazine，2017，12（2）：36-44.

[3] ZHOU Z Y，GAO C X，XU C，et al. Social Big-Data-Based Content Dissemination in Internet of Vehicles [J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2018，14（2）：768-777.

[4] YIN J J，CHEN Y P，SANG G，et al. QoE-Oriented Rate Control and Resource Allocation for Cognitive M2M Communication in Spectrum-Sharing OFDM Networks [J].IEEE Access，2019（7）：43318-43330.

[5] GU B，CHEN Y P，LIAO H J，et al. A Distributed and Context-Aware Task Assignment Mechanism for Collaborative Mobile Edge Computing [J].Sensors，2018，18（8）：2423.

作者簡介：王一然（1998.11-），男，漢族，天津人，本科，研究方向：通信工程;孫萌（1996.08-），男，漢族，山東費(fèi)縣人，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)中的資源分配、干擾控制、能量控制和機(jī)器學(xué)習(xí)等。