NB-IoT网络中面向能效与覆盖增强的资源分配机制

发布时间：2020-10-12 02:49

　　 窄带物联网(Narrow-Band Internet of Things,NB-IoT)技术作为一种新兴的低功耗广域网技术(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)目前已经被广泛的应用在各种物联网场景下以满足物联网终端的通信需求。然而随着物联网设备进入各行各业,海量的设备需要接入到蜂窝物联网中进行数据通信,对网络有限能量以及频率的高利用提出了挑战。此外,由于大量的物联网设备部署在通信环境比较恶劣的地方,对于NB-IoT的覆盖能力也提出了更高的要求。本文基于这些问题,在NB-IoT海量设备接入的场景下,提出了一种基于分簇的能效最优的功率控制和资源分配方法,增强系统的能效,提高设备接入率,并针对于NB-IoT小区覆盖能力不足的场景,引入设备到设备(Device-to-Device,D2D)簇通信,提出了一种基于D2D簇通信的NB-IoT网络覆盖增强机制,提升系统整体的边缘速率,增强系统的覆盖能力。具体来讲,1)基于分簇的能效最优的功率控制和资源分配方法研究,首先,本文采用了一种基于高密度聚类中心进行快速聚类的算法将设备聚类成簇,并通过设备终端复用信道来充分利用有限的频谱资源。其次,由于物联网设备能耗敏感,本文提出在分簇内基于剩余电量最优的策略进行簇头选择。再次,针对这种分簇的NB-IoT网络,本文提出了系统能效最优模型,然后采用非合作博弈论理论考虑分簇内设备和非分簇内设备之间所有可行的信道复用方案,并通过求解纳什均衡点来获得NB-IoT设备的最佳发射功率。最后,通过使用匈牙利方法从这些可行的信道分配中获得完美匹配。2)对于基于D2D簇通信的NB-IoT网络覆盖增强机制研究,首先,本文提出了基于匈牙利算法的D2D成簇算法,通过该算法求得系统中断概率最低的D2D成簇方案。其次,本文提出了在蜂窝设备和D2D设备相互复用信道资源情况下的边缘速率最大的系统优化模型。最后,本文将该模型分解为2个子问题求解:功率控制和信道分配子问题,对于第一个子问题,本文通过博弈论求得在最大化系统边缘速率的情况下所有设备的最佳发射功率,之后利用匈牙利算法来获得第二个子问题的最优信道分配策略。总之,本文针对海量物联网设备接入NB-IoT网络的能耗和覆盖需求,分别提出了基于分簇的NB-IoT网络下能效最优的功率控制和资源分配方法和基于D2D簇通信的NB-IoT网络覆盖增强机制来分别提升NB-IoT网络中的能量效率和覆盖能力,从而保障海量物联网的连接能力。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.44;TN929.5
【部分图文】：

Ｉｎｔｅｒｎｅｔ?ｏｆ?Ｔｈｉｎｇｓ）通俗理解是物与物之间的互联网络，网的一个延伸，其核心和基础仍然是互联网。我们可以从以下两个网进行理解。一方面物联网的发展依然是以互联网为核心，依赖于发展，另一方面物联网技术将互联网中作为用户主体的人扩展到了信的方式也由之前的人与人，人与物之间的通信拓展到了物与物之。??联网关键技术??的物联网通信技术从传输距离上区分为两类：短距离通信技术和低信技术。短距离通信技术的代表是蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）、ＷｉＦｉ?（Ｗｉｒ等技术；对于低功耗广域网通信技术，其又可以分为两类：一类权频段的技术，如Ｌｏｒａ?（Ｌｏｎｇ?Ｒａｎｇｅ）、Ｓｉｇｆｏｘ等，这类技术大多；另一类是工作在授权频谱的技术，如ＧＳＭ?（Ｇｌｏｂａｌ?Ｓｙｓｔｅｍ?ｆｏｒ?Ｍｃａｔｉｏｎ），ｅＭＴＣ?（ｅｎｈａｎｃｅｄ?Ｍａｃｈｉｎｅ?Ｔｙｐｅ?ｏｆ?Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ），?ＮＢ－ｌｏＴ?－１为物联网技术的对比。??Ｔ速率??

方法能够显著提升系统整体的能效，同时提高了系统终端设备接入率。??３．２基于分簇的ＮＢ－ＩｏＴ网络中的资源分配机制??本章节考虑如图３－１所示的场景，每个蜂窝网络包含一个ＮＢ－ＩｏＴ宏基站以??及大量的ＮＢ－ＩｏＴ终端设备。为了达到本文提升ＮＢ－ＩｏＴ网络能效的目标，我们??将采用聚类的方法来对同一时刻并发活跃的ＮＢ－ＩｏＴ设备终端进行分簇，从而形??成基于分簇的两跳ＮＢ－ＩｏＴ蜂窝网络，然后在每个分簇内选择一个簇头节点作为??中继，与基站进行通信。由于簇内普通用户设备可以复用蜂窝用户设备的信道资??源，在复用的信道中进行数据通信时，簇内普通用户设备会对蜂窝用户设备产生??干扰，蜂窝用户设备也会对簇内普通用户设备产生干扰。所以在整个系统中将存??在三类活跃ＮＢ－ＩｏＴ终端：未分入分簇内的普通设备分簇内的簇头设备，??以及分簇内的普通设备乃＂

?ｉｗｅｒｉｅｒｅｎｅ？?Ｕｂｉｃｉｓ？＜｜??图３－１基于分簇的ＮＢ－ｌｏＴ系统模型图??本文所提出的基于分簇的ＮＢ－ＩｏＴ网络下面向能效的资源管理整体机制如图??３－２所示，其由聚类过程，簇头选取，功率控制，信道分配及数据传输过程５部??分构成。接下来，本章将简单介绍下这５部分。??１８??
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本文编号：2837520