基于LTE/LTE- advanced网络的物联网节能调度方案

摘要

事物互联网（物联网）的设备将在不久的将来迅速增长，功耗和无线电频谱管理将成为物联网网络中最关键的问题。由于其平面架构，全IP网络和更高的频谱效率，长期演进（LTE）技术将成为IOT网络中使用的有希望的技术。第三代伙伴关系项目（3GPP）指定了不连续的接收（DRX），以降低设备的功耗。然而，由于睡眠模式中的物理下行链路控制信道（PDCCH）信息丢失，DRX可能会出现意外的通信延迟。最近的研究主要集中在优化DRX参数来管理能源消耗与通信延迟之间的权衡。在本文中，我们提出了一种用于LTE / LTE-Advanced网络的IOT的基于模糊的省电调度方案，以处理来自调度和资源分配视角的无线电资源管理和功耗的问题。该方案不仅考虑单位设备的实时需求，还考虑整体网络性能。仿真结果表明，我们所提出的方案可以满足DRX周期和调度延迟的要求，并且与传统方法相比，可以节省大约一半的能耗。

1.介绍

Internet Internet（物联网）的概念使设备能够连接到因特网来感测数据并相互交互。不同类型的IOT设备，如健身，娱乐，位置和跟踪和监视，可能对不同的目的具有不同的实时要求。可以预测，IOT设备还称为IOT用户设备（UE）件将迅速增长，并且功耗和无线电频谱管理将成为物联网网络中的关键问题。此外，无线连接是对Internet设备的有希望的方式。现在，长期演进（LTE），如今，无线通信中的主要技术使其成为IOT应用的理想，因为它的平面架构，全IP网络以及比2G或3G更大的频谱效率[1］．

在LTE网络中，第三代伙伴关系项目（3GPP）指定了不连续的接收/传输（DRX / DTX）机制，以缓解可能严重影响物联网电池寿命的功耗问题。DRX机制允许UE停止监视物理下行链路控制信道（PDCCH）并进入低功耗消耗模式以扩展其电池寿命。如果没有DRX机制，LTE UE必须在每个子帧中连续地监视PDCCH，以检查诸如下行链路（DL）资源分配，上行链路（UL）授权和PRACH（物理随机接入信道）响应的UE特定调度分配。不仅是UE还是进化节点B（eNodeB）也可以受益于DRX机制，以降低其功率和信号消耗，例如信道状态信息（CSI）或发出声音参考信号（SRS），并改善其资源利用率。然而，DRX机制的主要问题是，如果UE在调度信息到达时，如果UE处于睡眠模式，则可能会出现意外延迟。特别地，应该注意，PDCCH携带调度信息而不是服务数据，并且调度信息在PDCCH中交错，以减少UE的盲解码的碰撞。这意味着扩展DRX机制的持续时间可能不有助克服此问题。不幸的是，规范对DRX参数配置的手段毫无说。此外，与通用移动电信系统（UMTS）中的单个DRX周期不同，LTE网络引入了两种类型的DRX循环，短路和长DRX周期，使DRX参数配置复杂化。

在满足通信延迟和系统吞吐量的约束条件下，必须配置DRX参数以最大限度地节省功耗。DRX周期允许UE暂时关闭其无线电接口，并进入几个传输时间间隔(TTIs)的睡眠模式。一方面，DRX周期过短会导致节电效率低下。另一方面，过长的DRX周期会导致较长的通信延迟，降低系统吞吐量。因此，物联网网络的调度程序必须在功耗、通信延迟和系统吞吐量之间进行权衡。

在本文中,我们设计了一个fuzzy-based节能调度方案对物联网在LTE / LTE-Advanced网络处理问题的无线电频谱管理和能耗以及意想不到的延迟问题的调度和资源分配的角度,而不是复杂的DRX参数调整。不仅考虑了单个物联网终端的实时性要求，还考虑了整体网络性能。DRX参数调整的主要问题是会引起参数间的相互作用。虽然可以通过动态调整DRX参数来实现节能，但也引入了更高的信令开销[2］．由于UE的DRX参数是由eNodeB semstatic配置的，这些参数只能在信令过程中进行调整[3.］．另外，由于终端会自动进入休眠模式，eNodeB不知道DRX参数的变化，因此动态调整DRX参数比较困难。此外，由于无线网络和业务流量的不确定性，优化DRX参数具有挑战性[2］．相比之下，从UE调度和资源分配的角度处理这些问题更适合于实践中实现。拟议计划背后的主要思想是安排在持续时间内的UE，以防止意外延迟。为了成功接收调度信息，降低功耗，并满足IOT应用程序的实时要求，所提出的方案考虑在分配无线电资源时的UE的DRX周期和调度等待时间。此外，除了满足各个UE的要求外，还需要保持整体系统吞吐量。

本文的主要贡献是,本文是第一篇论文这两个重要问题,功耗和无线电频谱管理,考虑物联网在LTE / LTE-Advanced网络,和我们建议的方案,受益于低复杂性的特点,模糊理论在实践中可以实现。特别地，与以往的工作不同，我们的设计考虑了LTE/LTE- advanced网络的关键方面。此外，我们基于LTE网络的概念，提出了一个系统的仿真模型来研究DRX的性能。仿真结果表明，与传统方法相比，我们提出的方案可以提供近似的决策，以满足DRX周期和调度延迟的要求，并为物联网终端节省约一半的能耗。

本文的其余部分组织如下。部分2提供相关工作的概述。部分3.介绍了LTE/LTE- advanced网络中使用的不连续接收机制。部分4提出无线电资源的最大利用问题。部分5描述了所提出的基于模糊的节电调度方案。部分6给出了仿真模型。仿真结果和讨论将在本节中给出7。最后,部分8本文总结道。

2.相关工作

最近的研究[2- - - - - -9研究集中于对3GPP LTE/LTE- advanced网络的DRX机制进行建模、研究或分析，这些研究表明，DRX机制具有节约终端功耗的能力。然而，这项研究[3.]指出，许多研究忽略了LTE的关键方面。在[4，5，7]，采用半马尔可夫链对DRX机制的唤醒延迟和省电因素进行建模和分析。在[10.］．从硬件的角度来看，轻睡眠模式允许UE在满足服务质量(QoS)延迟要求的同时，只需关闭功率放大器即可降低能耗。

在[2[作者，提出了一种基于突发的调度方案的概念，用于推动LTE网络，以提高省效，而UE的期望QoS满足。本文的主要思想是防止UE通过使用前向和后向策略调整调度优先级来进入DRX的机会的时间。然而，本文仅考虑固定的非活动定时器，并且尚未考虑LTE网络的多DRX周期场景和多访问方案。

保证服务质量用于优化[中的DRX参数1，11.］．在[1[作者提出了两个方案，三阶段方案和分组调度方案，用于UE和eNodeB分别彼此协作。通过减少其唤醒期限来保存UE的电源。为了实现这一目标，这些算法必须提前确定UE的DRX参数，例如短期和长DRX周期，以及在活动定时器中。然而，在分组调度方案中可能存在饥饿问题，因为本文仅考虑将从缓冲区交换出的更高的信道速率和严格数据。

在[11.]，作者主要提出了两种决策算法:DRX参数决策算法和调度-启动偏移决策算法。前者用于确定终端的持续时间，后者用于分散终端的持续时间。本文的主要思想是为了充分利用网络资源，防止用户上网时间的重叠。然而，由于UE的DRX参数是由eNodeB而非UE进行sem静态配置的，且参数只能在信令过程中进行调整，因此该算法可能难以在实际应用中部署[3.］．此外，作者还忽略了LTE网络多址接入方案的关键方面。

然而，从我们的理解来看，LTE网络的以下两个关键方面通常被最近的研究所忽略。由于终端查看的是PDCCH调度信息，而不是PDCCH上的业务数据，并且调度信息在PDCCH中是交错的，以减少盲译码的冲突，因此延长开机时间不利于提高业务流量的QoS。UE的DRX参数由eNodeB而不是UES字体方式配置;只能在信令过程中调整参数[3.］．此外，他们中的大多数在模拟工作中没有考虑多蜂窝网络。

3.LTE中的不连续接收

DRX机制被称为休眠模式，在此模式下，终端可以停止监控PDCCH，并进入低功耗状态，以延长其电池寿命。如本节所述1，PDCCH携带调度信息，例如用于下行链路（DL）资源分配，上行链路（UL）授权和PRACH（物理随机接入信道）响应的UE特定调度分配，而不是用于UE的服务数据，以及scheduling information is interleaved in the PDCCH in order to reduce the collision of the UE’s blind decoding. Depending on UEs in active or idle mode, two mobile’s Radio Resource Control (RRC) states, RRC_IDLE and RRC_CONNECTED, are used in the DRX mechanism. When a UE in RRC_IDLE state, the eNodeB will free up its resources for other users to maximize the UE’s battery life and will know nothing about this UE. After that, the procedure of paging request will be typically used if the eNodeB wishes to contact this UE, and procedure will take more time to establish the connection between them. The eNodeB can negotiate the DRX parameters with UE through the RRC configuration procedure. In this paper, we concentrated on dealing with the DRX issues in the RRC_CONNECTED state since the state enabling data transmission and reception is important.

在LTE网络中，不同于UMTS的单DRX周期，引入了短DRX周期和长DRX周期两种DRX周期。与较短的DRX周期相比，较长的DRX周期提供了更大的机会实现更好的省电。短DRX周期是可选的。如果两者都由eNobeB配置，则终端在PDCCH上不接收任何调度信息，先输入16个短DRX周期(2 ~ 640子帧)，再输入10 ~ 2560子帧长的DRX周期(10 ~ 2560子帧)。

DRX参数通常由三个定时器，不活动定时器，持续时间计时器以及DRX计时器的机会组成，如图所示1。UE应该在满足以下条件的子帧中启动开机持续时间定时器(1)和(2)分别用于长DRX周期和短DRX周期[12.- - - - - -14.]： 其中，由10个子帧组成的系统帧数(SFN)将被重置为零，如果它大于1023,DRX的开始偏移表示on duration定时器的开始。

三个定时器，持续时间计时器和DRX计时器的机会的定时器是有助于DRX机制。首先，当接收到每个PDCCH信息时，UE在接收到的时间，1至2560个子帧，UE保持唤醒。如果不活动定时器到期，则UE在持续时间内监视PDCCH，持续时间为1到200个子帧，然后它可能会定期为DRX时间的机会睡眠。但是，应该注意的是，DRX到连接的延迟为LTE网络指定为小于50毫秒，对于3GPP规范中的LTE-Advanced网络小于紧密10 ms [15.］．这意味着对于LTE网络，最大DRX周期必须是32个传输时间间隔(TTI)或32个一毫秒子帧。另外，为了保持DRX周期的周期性，将DRX周期表示为2的幂，并且所有的DRX周期都是最大DRX周期的倍数。因此，在LTE DRX机制中有6个DRX循环组合和6个DRX循环粒度，即32、16、8、4、2个子帧和1个子帧，如图所示2。

DRX组合的选择是基于PDCCH的控制通道元素(Control Channel Elements, CCEs)聚合级别，该级别表示在控制区域交错的连续CCEs的数量。根据终端的通道条件设置CCE聚合级别。CCE携带下行控制信息(DCI)，其中包含每个终端的资源分配和控制信息。例如，对于信道条件良好的终端，一个CCE可能就足够了，而对于信道条件较差的终端，可能需要8个CCE。因此，在调度决策中需要考虑终端上报的信道质量指标(Channel Quality Indicator, CQI)，以保证系统的整体性能。

4.问题制定

该方案考虑了LTE网络的下行传输。在本节中，基于模糊理论，将LTE网络的UE调度和无线电资源分配问题表述为无线电资源最大利用率问题。我们的目标是找到具有较高调度优先级的终端，然后为其分配无线电资源。给定一个eNodeB和一组ue及其相应的信道质量指标(CQI)，涉及确切的DRX时间，CQI和调度延迟的调度效率 在哪里准确的DRX定时器是多少问题,和表示的CQI索引和调度延迟,分别。CQI索引0表示由于信号质量差或DTX而超出范围。因此，无线电资源的最大利用率可以定义为 在哪里表示下行链路传输中资源块的数量表示eNodeB可使用的终端总数。RBs的数量与eNodeB的系统带宽有关。的限制需要每个资源块只能分配给UE。特别是，这是提出的方案是模糊集而不是模糊集，以便于决策。资源块是频域内能够调度到终端的最小实体。…的主要目的4)是通过调整模糊集使系统带宽的调度效率最大化。适当的模糊集可以通过使用三个模糊隶属函数和下一节描述的低复杂度交集函数来计算。

5.提出一种基于模糊的节能调度方案

在本节中，我们介绍了一种基于模糊的省电调度方案，以处理无线电频谱管理的问题和功耗以及IOT在LTE网络上的意外延迟。拟议的计划不仅考虑了个人IOT UE的实时需求，还考虑了整体系统性能。我们打算将RBS分配给具有严格实时需求，精确的DRX周期和更高CQI的那些具有严格的UE。应该决定他们之间的权衡来实现这一目标。幸运的是，模糊理论提供了尤其是在多目标问题中进行近似决策的手段。即使在不同结果空间中的数据也可以通过模糊设置操作相互组合，例如联合，交叉点和补充操作。通常根据模糊操作相交的最高员工值确定近似判定。

图中示出了设计的基于模糊的方法的框图3.。所提出的方案主要由两个模糊功能，模糊会员函数和低复杂性模糊交叉点功能组成。IOT UE的CQI，精确的DRX周期和保证调度延迟被视为调度度量。根据低复杂性交叉路口函数的结果，并由LTE / LTE-Advanced网络中的无线电资源管理（RRM）的调度器和资源分配器执行近似调度决定。在LTE网络中，RRM包括调度程序和资源分配器，其分别负责UE选择和无线电资源分配[16.］．保证的调度延迟和精确的DRX周期用于确保单个物联网终端的节能和实时需求等需求。此外，我们根据CQI维护系统的整体性能。详细的三个度量以及模糊隶属函数、低复杂度模糊交集函数和自适应功率控制函数描述如下。

5.1。确切的DRX周期

在该方案中，采用精确的DRX周期定时器来防止睡眠模式引起的意外延迟。为了实现这一目标，eNodeB必须在设置的持续时间内对终端进行调度，才能成功接收调度信息。由于DRX参数是由eNodeB配置的，所以eNodeB有能力处理UE的精确DRX周期。最长DRX周期被认为是短、长DRX周期组合的定时器，如图所示4。由于50子帧DRX到连接延迟的约束，最大DRX周期必须在其中米s andms用于LTE网络。确切的DRX周期必须是女士,- DRX时间的机会在提议的方案中，如果准确的DRX周期到期，当eNodeB再次安排和分配RBs时，将重新启动IoT ue。由12个15khz的子载波组成的RB和由两个RBs组成的1ms子帧分别是在频域和时域上可以调度到终端的最小实体。此外，网络运营商可以调整最大DRX周期的长度，以适用于LTE-Advanced网络。

5.2。保证调度延迟

在所提出的方案中，IOT制造配置配置的保证调度延迟用于指定和确保IOT UE的实时要求。调度延迟，一个实时指示器，是最后一个RB结束和下一个RB的开始之间的非培养时间，如图所示5。调度延迟通常由上下文切换时间和调度决策时间组成。在该方案中，每个IoT终端都有一个保证调度时延的定时器，以保证调度时延。如果保证的调度延迟到期，当eNodeB再次调度终端并分配RBs时，定时器将重新启动。

5.3。渠道质量指标

4位信道质量指标取值范围为0 ~ 15，如表所示1，表示UE可支持的最高调制编码方案(MCS)和小于10%块错误率的最大数据率。终端的CQI是根据终端的信干扰加噪声比(SINR)计算出来的，终端定期向eNodeB报告CQI。CQI的报告间隔为2至160毫秒[13.］．较高的CQI值将导致更高的数据速率和使用更高的MCS配置文件。在提出的方案中，我们尽可能地保持基于CQI的系统整体性能。由于eNodeB使用了相对充足的缓冲区，因此蜂窝网络的QoS主要取决于信道质量而不是业务流量。

5.4。模糊隶属函数

在提出的方案中，成员函数的目标是将UE的精确DRX周期、调度延迟和CQI三个指标转换为成员级别。回想一下，在问题公式化中，我们试图通过调整模糊集来最大化调度效率。由于这种模糊集与这三个指标相关，因此我们将它们模糊到成员资格，以通过交叉函数弄清楚三个度量的交叉点。该方案中使用的三个模糊会员资格函数是给出的 的符号表示模糊隶属度，但不失一般性。的，,是精确的DRX周期，保证调度延迟以及CQI分别为IoT UE。的哪个等于15是最大CQI指数。

5.5。低复杂度模糊交函数

为了降低调度决策的计算复杂度，本文提出了一种低复杂度、简单的交叉算法。调度决策是根据三个指标做出的，UE的确切DRX周期，调度延迟和CQI。交函数的表达式为 其中，每个物联网UE的成员交集可以被视为准确DRX周期中的容量或容量、保证的调度延迟以及从容量角度来看的CQI平面。为了清晰地表达我们的想法，我们举了一个物联网终端交叉的例子，如图所示6，其中每个节点表示UE的三个度量会员资格的乘积。

更靠近右上方的物联网UE具有更高的优先考虑进行调度。可以根据eNodeB的可用系统带宽来调度和分配IOT UE的数量并分配RB。

5.6。自适应功率控制算法

在未来，预计将在室内部署许多物联网，其中需要部署小区，例如毫微微蜂窝，以实现高光谱效率，并为IOT UE提供更好的QoS。在我们以前的研究中[17.[我们提出了一种有效的自适应智能功率控制算法（ASPCA），可以应用于覆盖孔中的集群IOT UE，并通过确定归属eNodeB的适当服务范围来处理跨层干扰问题，而无需复杂的协商其中。建议的ASPCA不仅提高了整体系统性能，还考虑了UE的QoS。

6.仿真模型

在本节中，我们将介绍一个异构仿真模型，其中一个室外宏eNodeB位于地图的中心，六个周围的femto eNodeB部署在宏eNodeB周围。宏eNodeB覆盖覆盖6 femto eNodeB。此外，约70%的物联网终端随机部署在米²室内区域，以及其他随机部署在每飞秒enode的100米范围内。此外，宏eNodeB的所有物联网终端均随机部署在感兴趣的ROI范围内。主要仿真参数如表所示2。飞向eNodeB的传输功率为20 dBm，宏态eNodeB的传输功率为46 dBm。详细介绍信道衰落模型、传播模型、数据速率计算、调度时延参数和功耗模型。

6．1.信道衰落模型

为了提供真实的结果，我们使用瑞利衰落信道模型来反映城市环境的影响。由于多径传播，信道衰落会导致误码率(Bit Error Rate, BER)增加。误码率定义为在通信信道上接收的误码数除以发送的总比特数。瑞利沟道中的解析方程[18.]给予 在哪里表示采用的星座大小- 与采用的MCS相关的QAM信号。采用的MCS根据每个IOT UE报告的CQI配置。

6.2。传播模型和数据速率计算

3GPP指定的传播模型[19.已被考虑并为城市环境实施为 在哪里是从电池分离给用户以公里，载波频率的单位是MHz，和为单元天线高度，单位为米。在我们的模拟中，一个查找表，如table所示3.，用于将信噪比估计映射到光谱效率[20.]以计算数据速率。

6.3。调度延迟参数

QoS类标识符（QCI）已被标准化[1，如表所示4，其中包时延预算是指报文在IoT UE和eNodeB之间的接收时延。在仿真中，使用固定的50毫秒延迟预算作为IoT终端的调度延迟，用于性能评估。

6.4。电力消耗模型

在本节中，我们将介绍一个功率效率指标来模拟DRX机制的功耗。在仿真中，不同于其他研究，我们重点研究调度信息接收在PDCCH上的功耗。table中显示了一个将CQI索引映射到功耗的查找表5。功率效率指标为 在哪里表示终端的接收功耗和表示每一个子帧的比特数。通过定义功率效率，我们可以根据物联网终端的信号质量计算其功耗。在采用DRX的情况下，物联网终端的功耗被定义为乘以PDCCH比特数。另一方面乘以UE的调度延迟定义为在没有DRX的情况下物联网UE的功耗。

7.结果与讨论

在本节中，我们将展示仿真结果，以验证我们提出的方案有能力确保DRX约束和实时需求，并在LTE/LTE- advanced网络上保持物联网的整体系统性能。首先，我们从精确的DRX周期和保证的调度延迟两方面研究调度性能，如图所示7图10.。之后，我们检查我们所提出的方案的功耗效率，如图所示11.。然后我们研究DRX机制在平均数据速率方面的性能，如图所示12.。接下来，我们将提出的方案与传统方案、Round-Robin (RR)和Max-C/I方案进行比较，如图所示13.。最后，我们表明，可以满足精确的DRX周期和保证调度延迟的要求，如图所示14.。

在我们的模拟中，CQI没有变化，因为假设物联网终端的低移动性并部署在室内环境中，因此没有快速衰落的影响。另外，正常情况下使用32毫秒精确DRX周期、50毫秒保证调度延迟和1毫秒不活动计时器。在多DRX周期案例中，我们检查了随机分配给物联网终端的6个不同DRX周期(32 ms、16 ms、8 ms、2 ms和1 ms)的影响。

我们的模拟器生成三个指标，CQI，保证的调度延迟，以及如图所示的准确的RDX周期7，8,9。这三个指标的交叉结果如图所示10.，其中我们可以清楚地看到，由于使用固定的32 ms精确DRX周期，在大约32 ms的交叉口很少。即使采用固定的50 ms保证调度延迟，由于时间限制更严格，调度决策仍然以较短的精确DRX周期为主。比较图6有数字7和8，我们可以观察到，即使femtocell 0、u4、u8、u16、u17、u18和u19的户外终端CQI较差，它们仍然能够达到保证调度延迟和精确DRX周期的约束条件。此外，应该注意的是，由于有意缩小1.4 MHz系统带宽，只有6个RBs可以分配给TTI物联网终端。

与DRX的情况之间的平均功耗的比较和没有DRX机制的情况如图所示11.。该图表明，与没有DRX机制的情况相比，所提出的方案可以保护大约一半的能量消耗。

图中显示了单个DRX周期和多DRX周期的比较12.。我们可以观察到多DRX周期具有比单个DRX周期更稳定的数据速率。显然，度量的多样性，例如多DRX周期和多间间延迟，可以使我们的计划受益，以提高决定。

本文提出的方案RR和Max-C/I方案的吞吐量比较如图所示13.。由于轮循方案轮流为物联网终端服务，不考虑瞬时信道质量，因此吞吐量最差。由于Max-C/I方案更倾向于服务信道条件较好的终端，因此获得了最佳的吞吐量，但失去了公平性。该方案可以为物联网终端提供更好的吞吐量和公平性。

最后，所提方案的满意度如图所示14.结果表明，本文提出的模糊节能调度方案能够满足精确DRX周期和保证调度延迟的要求。

8.结论

在本文中，我们提出了一种用于LTE / LTE-Advanced网络的IOT基于模糊的节电调度方案，以处理无线电资源管理和功耗的问题以及由DRX机制引起的意外延迟调度和资源分配视角。仿真结果表明，我们的计划能够利用三个个人度量和整体系统性能之间的权衡。因此，可以保证IOT UE的要求。此外，我们考试了多DRX周期的性能，我们发现系统指标的多样性可以帮助基于模糊的方法做出更好的决定。所提出的方案在实践中将应用于LTE / LTE-Advance网络上的IOT。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

承认

本研究部分由台湾科技部资助，资助项目编号为NSC 102-2221-E-008-039-MY3和104-2221-E-008-039-MY3。

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