文摘

物联网是一个系统,人与物具有独特的标识符连接,能够通过网络相互作用没有外部干预。连接东西,网络可靠性的一个主要对物联网的需求,在连续服务可以提供给节点甚至在发生突发性网络故障。为节点提供一致的服务质量在任何情况下,我们提出一个无线电资源共享(R²S)方法包括使用一个优化调度和功率分配方法。通过评估表现对平均电池容量和中断概率模拟,我们表明,R²年代算法可以解决物联网覆盖漏洞问题有效。

1。介绍

物联网(物联网)本质上是一个系统的连接情况配备数据收集和数据处理技术,使这些事情可以完成他们之间的沟通和互动与环境(1,2]。在物联网,人们和事物(如射频识别标签,传感器、执行器、机器对机器设备和移动电话)可能随时连接,任何地方,任何事情和任何人。有几个应用程序域将影响新兴的物联网等城市管理、教育、医疗、公共安全、房地产和交通运输。

在新兴的物联网在接下来的十年,一个新的范式转变需要应对挑战在日新月异的需求移动数据流量体积(1000 x),数量的连接设备(10 ~ 100 x),典型的最终用户数据速率(10 ~ 100 x),设备/网络生命周期(10倍),并降低端到端延迟(5倍)3]。为了适应这些要求,新一代5 g移动和无线通信系统需要进一步发展基础和创新的反思的基础上传统的移动和无线通信系统。尽管当前4 g系统已经成功地进化来满足当前的要求,满足所有的新需求仍然超出了他们的能力,例如严格的延迟,交通体积密度和可靠性。因此,我们关注这个新的5 g的要求,可靠性摘要。

在3 gpp长期演进,自组织网络(儿子)是一种很有前途的技术,可以提供一套自动化的机制,包括自我配置、自我优化、自我修复(4,5]。在动态的情况下移除和安装室内基站(IBS)或其失败,节点可以不连续在服务经验。因此,自愈是自动处理网络故障的一个重要问题,从而为客户提供可靠的通信服务在3代通讯系统。网络故障管理流程可以分为三个阶段,即故障检测、诊断和恢复(6]。然而,以往的研究往往集中在故障检测和诊断的准确性(6- - - - - -8),而不是修复失败的方法。

为了为所有用户提供可靠的通信服务,(9提出了一种基于协作波束形成的自愈算法。这种集中式算法可以有效地解决网络故障。然而不切实际的完美同步,传递大量的信息,和高计算复杂度在基站必须运行该算法。在[10),新定义的治疗通道和启发式资源分配算法基于一个投机取巧的基站选择提出了解决突发网络故障。由于该算法利用同等功率分配,网络吞吐量退化明显是网络故障维修的价格虽然可能有操作简单。此外,苏格拉底项目根据第七框架计划(FP7)之下提出了集中式电池故障管理框架(11,12]。它由细胞与连续和事件驱动的测量和故障检测细胞中断补偿(COC)基于调整控制参数如下行功率、上行干扰水平,天线倾斜。然而,COC基本上是提出了macrocell-type环境,因此很难直接适用于室内通信系统。

对于古典回归算法利用在当前无线通信系统中,节点在错误的室内细胞(节点)的SINR值小于交接阈值不能访问其他正常肠易激综合症了,因为正常肠易激综合症不利用任何算法服务尤其是节点。结果,节点在接收连续服务有困难。这激励我们调查研究无线网络的可靠性。

在本文中,我们提出一个方法,保持服务质量(QoS)节点的事件突然网络故障,通过无线电资源共享(R²S)算法在OFDMA-based(正交频分多路访问)室内通信系统。R²由调度和功率分配算法,这是发现使用一个优化技术:(i)在调度中,每个IBS分配子信道的节点,节点可以达到最大的率不能满足QoS优先。由于肠易激综合症考虑节点以及自己的节点调度,节点也可以由一个正常肠易激综合症,也就是一个慷慨的IBS (G-IBS)。(ii)在功率分配,每个IBS考虑的干扰导致别人依照系统吞吐量的最大化。同时,ibs调整分配权力通过控制拉格朗日乘数为节点保证QoS。

我们的主要贡献可以概括如下:(我)服务是很重要的节点在错误的细胞没有退化节点的服务质量包括在正常细胞中。因此,我们提出一个实用的自愈算法对提高无线网络的可靠性考虑满足室内无线通信系统中的所有节点。(2)用最初的问题,混合二进制整数,和非凸问题,作为一个容易处理的形式,并找到调度和功率分配的次优的解决方案通过使用优化技术。根据获得的解决方案,我们提出了R²算法基于迭代方法。(3)我们证明了R²年代算法可靠地支持节点在错误的细胞以及正常细胞通过强化模拟,从而提高平均电池容量,同时降低中断概率。

本文的其余部分组织如下。节2,我们描述OFDMA-based室内物联网系统。节3,我们提出一个无线电资源共享算法。节4,该算法的性能评估。最后,我们的结论部分5。

2。系统模型

我们认为OFDMA-based室内物联网系统中某些节点不能由于IBS的失败,如图1。如果没有突然IBS的操作,节点由IBS不能再给他。IBS是禁用的,一个集中的云运营商(CCO)成为意识到简单的故障信号基于简单网络管理协议(SNMP),因为残疾人IBS不能发送任何消息或报告其状态。节点的连接终止异常可以找到附近的ibs的序言或试验。根据检测到的信号正常肠易激综合症,节点可以访问的一个正常的肠易激综合症。

我们假设以下。(我)子信道在每一个细胞,每一个都使用一个节点。因此,存在注液电池干扰。(2)瞬时信道质量信息可以获得完全在肠易激综合症。(3)节点在室内细胞静止或缓慢移动(13];因此信道质量不会改变在一个数据包的传输。(iv)干扰macrobase站(MBS)是由路径损耗,所以子信道快衰落影响可以忽略不计。因此,MBS的干扰被认为是加性高斯白噪声(AWGN)。我们使用以下参数来描述系统模型。(我) ,,是一组,正常的,和有缺陷的细胞,分别。考虑。让,,。(2) 是一组子信道。让。(3) ,,总节点,是一组一组节点在一个细胞在错误的细胞,和一组节点。考虑和。让,,。(iv) 需要率为节点,以满足服务质量。(v) 和信道分配指标是否有肠易激综合症吗分配一个辅助通道一个节点和的集合为。(vi) 和子通道分配权力吗在一个单元中和组为。(七) 是最大的权力分配给肠易激综合症。(八) 子通道的通道增益一个节点之间和肠易激综合症。

当节点有肠易激综合症通过子通道,其数据率是写成 另外,信号干扰噪声比(SINR),可以表示为 在这里,是总干扰子通道节点所经历的由肠易激综合症和包含了MBS的干扰的影响以及情况。然后,优化问题的目标是最大化系统吞吐量可以制定如下: 在这里,意味着所有的元素大于或等于什么。在(3),节点和普通节点被认为是维护可靠性时ibs执行资源配置。约束C1确保包括所有节点节点至少需要提供所需的数据率。在约束C2,如果肠易激综合症分配子通道到节点,。否则,。约束C3表明,分配给每个子通道只有一个节点。约束C4 ibs的可用传输能力的限制。

3所示。R²S:无线电资源共享无线网络的可靠性

我们放松约束C2通过允许是一个真正的价值,例如,因为(3)是一个混合二进制整数和非凸问题。然而,不确定性多项式时间(NP)很难找到全局最优解,因为它nonconvexity。因此,我们提出一个迭代的资源分配算法,可以实现在一个集中的方式来有效地找到理想的解决方案。为了找到调度和功率分配策略,我们考虑的拉格朗日函数(3),在 在这里,,,是负的拉格朗日因子的集合。我们可以找到通过的导数(4)对: 在这里,边际效益,显示多少可以增加肠易激综合症吗分配子通道到节点。因此,它是最好的方法来分配子通道节点边际效益最大。调度策略可以表示为 我们可以表示肠易激综合症的节点计划为子通道和的设置为。调度策略有以下解释。在(5),成正比和。这意味着子通道是分配给该节点,可以实现大优先。此外,如果节点的数据率增加了吗小于自可以更新根据梯度算法。因此,节点的数据率小于可以预定ibs有高概率的保证吗。简而言之,肠易激综合症考虑数据速率和速率要求同时调度。

在的情况下节点,这样,多个正常肠易激综合症可以分配子通道相同的- node在同一时间。在这种情况下,- node G-IBS应该选择最好的发送信号最强的子通道,根据

接下来,每个IBS执行计划节点的功率分配。通过的导数(4)对,我们可以获得从Karush-Kuhn-Tucker(马)条件 在这里,和税务被定义为 同时,让的设置为。

在(8),肠易激综合症作为其他ibs的干扰噪声;因此,可以很容易地测量一个逆SINR的价值。基于这种价值,肠易激综合症分配更多的权力具有良好的SINR的子通道值。此外,有关保证的吗为节点。如果节点的速率低于,肠易激综合症子通道分配更多的权力通过增加根据梯度算法,为了增加节点的速率为确保率要求。此外,税收术语可以解释为干扰之和,肠易激综合症原因为子通道节点覆盖的其他肠易激综合症(14]。在视图最大化和利率,每个IBS减少开机子通道的数量增加减少干扰,引起其他肠易激综合症。因此,可以保证系统吞吐量大的价值。

基于获得的和,可以更新拉格朗日因子由二分算法或梯度算法。在使用梯度算法的情况下,和可以更新为 在这里,和是足够小的步骤大小保证收敛。和调整以保证约束C1和C4。然而,对应约束C2不需要更新,因为放松的真正价值返回整数价值(6)。的整体过程²算法描述算法1。

4所示。仿真结果和讨论

模拟,我们认为有四个室内细胞,每一个都有一个半径为10米。我们设置,,,GHz,比特/秒/ Hz。我们还定义随着节点密度比正常和故障室内细胞为了评估表现在各种环境中。当在室内细胞中,节点是均匀分布的。当节点生成的两倍,错误的室内细胞不对称。10 MHz带宽和热噪声密度174−dBm / Hz。肠易激综合症和MBS的传播力量15 dBm和43 dBm,分别。对于无线信道,我们利用频率选择性瑞利衰落的厕所衰落模型,并且每个子通道频率平坦衰落。宏单元是一个修改的pathloss模型Okumura-Hata模型(15)和室内的pathloss模型细胞是一个修改成本- 231多层模型(16]。电池容量和中断概率,平均作为性能指标。

我们比较的性能如下算法:(我)R²S是算法。(2)R²挪威标准(nonsharing):正常肠易激综合症不采取任何行动节点,但他们使用提出的调度和功率分配来支持自己的节点。(3)环保局:正常肠易激综合症的节点和服务节点通过拟议中的调度和相等的权力分配。这是修改后的版本的EPA-OIS算法(10)考虑约束C1的要求确保最低数据速率。(iv)EPA-NS:正常肠易激综合症不采取任何行动节点,但他们使用提出的调度和相等的权力分配来支持自己的节点。

R²年代和EPA算法利用相同的调度,但不同的功率分配。因此,我们展示了性能通过功率分配进行比较²本文算法与EPA算法。数据2和3显示平均电池容量和故障概率对节点的总数,分别。在所有算法,的增加,由于多用户多样性增加。这多用户分集可以通过使用机会用户调度和功率分配考虑到多节点系统的瞬时信道状态信息的节点。同时,通过减少每个节点为子信道是由多个节点共享;结果是,增加。正常ibs试图保证最低数据率()的节点有坏渠道收益而分配剩余的资源集中的节点具有良好的通道在R²年代的算法。因此,可以提高系统吞吐量和更多的节点可以与数据速率大于服务在R²S算法,相比之下,美国环保署的算法。特别是,在对称节点分布,使用R²年代算法改进20%,减少0.1相比,美国环保署的算法。功率控制增益的R²年代算法更有效的在节点分布不对称;因此,R的性能收益²年代算法在这两方面都大大增加和。此外,R²年代算法和EPA算法好表演的节目服务节点网络可靠性的缺陷细胞,尽管这些算法实现相对较小比R²挪威标准算法和EPA-NS算法,分别。R²年代算法特别是改善0.3与退化不到5%,与R²挪威标准算法。

数据4和5显示平均电池容量和故障概率与肠易激综合症和节点之间的距离当,分别。在所有算法,的增加,减少由于节点经验严重干扰邻居的细胞。此外,肠易激综合症和节点之间的信道质量退化,因为高路径损耗;作为一个结果,增加。这种趋势越来越严重不对称节点分布。与其他算法,正常肠易激综合症考虑所需的数据率的约束以及干扰条件时执行调度和权力分配的R²年代的算法。因此,R²年代算法获得更高的增益从其资源分配节点位于细胞的边缘。在结果中,R²年代算法取得了良好的表现和作为增加。特别是,R²年代算法实现几乎一样的R²挪威标准算法在边缘的细胞。另一方面,的区别R之间的²算法和R²挪威标准算法变得更大的时候增加。

5。结论

在本文中,我们专注于网络可靠性作为一种管理的手段突然OFDMA-based室内物联网系统网络故障。实现可靠的支持节点故障以及正常室内细胞,我们提出了一个R²算法使用一个联合优化问题。在R²S算法,每个IBS分配子信道和权力节点通过考虑利率最大化和最低利率要求所有节点在同一时间。因此,可以最大化系统吞吐量保证所需的节点。在仿真结果中,我们可以表明,R²年代的改进算法能有效解决网络故障平均电池容量和中断概率。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会资助的科学,ICT和未来规划在2014年授予r1a1a1008705。