在小说访问和物联网通信调度方案

文摘

物联网(物联网)预计将培养5 g无线网络的发展,需要有效支持大量并发短消息通信。为应对这些挑战,一些现有的作品利用新的波形叠加和多用户传输方案来提高物联网通信的能力。在这篇文章中,我们将调查的空间自由度的物联网设备根据其分布,然后扩展多用户共享访问(穆萨)是一种典型的必须计划空间域,并提出两个新颖的方案,也就是说,预配置访问计划和关节空间和代码域调度计划,提高物联网通信。结果表明,该方案可以减少碰撞率显著在物联网随机存取过程和明显提高物联网通信的性能。基于仿真结果,也表明,该调度方案可以实现类似的性能相应的蛮力调度,但较低的复杂性。

1。介绍

智能物联网设备越来越成为我们生活不可或缺的一部分。这些设备被用于广泛的智能交通等领域,医疗、环境监测、能源计量、资产跟踪(1]。据估计,这些设备的数量将在几年内成长为数十亿美元。虽然物联网应用具有一些独特的特性不同与传统的移动用户,比如大量的设备,低功耗,高频率访问网络,大量的连接,和短消息通信,这使得现有的LTE网络的巨大压力。应对新的物联网要求,提高网络效率为物联网通信,相关标准化工作进行了3 gpp,比如Rel-13 LTE MTC(机器类型通信),其特性使1.4 MHz兼容的载体可以覆盖在20 MHz LTE信号不受干扰(2),Rel-14 NB-IoT(窄带物联网),这是进一步提高LTE物联网支持和提供支持的大量的低吞吐量的设备,低延迟的敏感性,超低设备成本,设备功耗低,和优化网络结构(3]。NB-IoT可以部署带内,利用资源块在一个正常的LTE载体,或在未使用的资源块在LTE载体的保护带,或独立部署在一个专用的光谱。

即使从LTE-A MTC和NB-IoT新的支持,物联网的各种服务需求充分并不满意,因为新特性介绍了矿渣MTC或NB-LOT必须考虑一定程度的向后兼容性与当前LTE系统,因此牺牲了系统设计的灵活性和新技术介绍。所有专家一致认为,物联网的场景和需求仍将是一个关键的研究领域在下一代系统设计和这些快速增加的需求预计将满足最后的第五代(5克)无线通讯4,5),例如,更高的频谱效率,大量的连接,和更低的延迟。

物联网通信的主要挑战之一是巨大的连通性和短消息交流:例如,这些设备大多数时候不活跃,但经常访问的网络小/增量报告更新没有人工交互。为了解决这个挑战,最近提出了几个方案。新的波形方案基于双正交的频分复用,提出了允许未使用的频率,如保护频带传输物联网数据(6]。一些叠加多用户传输(必须)计划最近积极调查(7- - - - - -11];必须可以提高频谱效率和容纳更多的物联网设备通过引入可控干扰实现重载略接收机复杂度增加的成本。在[12),一种新型的调度方案,提出了减少碰撞率为物联网访问。它可以观察到,以上所有的这些作品旨在改善5 g的连接和通信能力物联网通信通过各式各样的方法,如新的波形,新传播代码,和调度方案。

另一方面,众所周知,巨大的天线系统的核心技术将通过5 g系统。大规模分布式天线,一个部门可以提供数万用户设备(问题)同时在相同的时频资源;因此,许多方案提出了最大化利用空间自由度(自由度)引入了巨大的MIMO改善蜂窝系统性能(13- - - - - -16]。然而直到现在,利用这些额外的空间自由度提高物联网通信不深入调查。此外,为物联网设备,他们的分布,与传统移动问题和交通类型是不同的,比如他们semistatic空间分布,短消息传输,在短时间内密集的通信请求。因此,空间自由度为物联网设备利用率和资源调度和应当利用具有独特的特性。

本文基于物联网设备的空间分组分布调查,和小说预配置访问计划提出了减少随机存取的碰撞率;此外,联合空间和代码域调度方案提出了提高物联网通信的性能。方案如下模拟的性能并与随机调度方案。结果表明,该方案优于随机调度有或没有穆萨,因为额外的空间域多路复用增益。也是我们的模拟,提出了调度方案所示可以表现出蛮力性能密切方案计算复杂度较低。

在本文中,为了澄清的物联网设备和传统的移动用户,“用户”这个词指的是物联网设备和词“问题”是指传统的手机用户。

本文的其余部分组织如下:部分2描述了系统模型和物联网调度的特点引入小说访问和利用空间域调度方案。部分3论述了提出访问和基于用户空间分组调度方案。此外,该方案的性能和计算复杂度进行了分析。节4,给出了仿真结果。最后,部分5总结了纸。

2。物联网调度的系统模型和特性

2.1。系统模型

在本节中,上行的MIMO系统,如图1;物联网设备的大多数监视器和传感器,他们收集信息的监测设备和环境,然后向控制中心报告。

基站(BS)配备从天线接收消息物联网设备与一个天线。

我们假设的频率信道矩阵的大小吗代表BS和之间的通道物联网设备上副载波。

,是设备的信道统计信息在th副载波在天线。

废话来标示的接收信号 在哪里表示收到的所有符号的集合物联网设备上副载波,是传输信号向量的维度,,在那里是用户的传播符号在副载波。表示添加复杂的零均值和方差的高斯噪声。

基于描述的系统模型(1),患者的频域均衡执行减轻用户的干扰,在MMSE矩阵可以表示为 估计的象征后MMSE频域均衡(FDE)

对于上行,b可以实现信道统计信息(CSI)所有用户通过使用上行飞行员发送的问题;然后SINR为每个用户可以通过计算 在哪里的信道统计信息吗天线的th用户th副载波和的SINRth用户副载波。基于,废话可以安排适当的问题在上行传播他们的信息。

2.2。物联网调度功能

对于传统的蜂窝系统,调度方案的主要目标是最大化细胞吞吐量和频谱效率的基础上保持用户公平性来满足用户增长交通需求;因此,基于此调度目标,成本函数可以用数学描述 在哪里,是所有用户的设置和副载波索引和,是索引对应的集调度用户及其操作子信道,分别。然而,考虑物联网应用程序的一些独特的特性,如前所述,为物联网通信调度方案的目标是不同的从传统移动系统,最大化活动物联网设备的数量来满足他们在短时间内密集的通信请求。

因此,我们定义一个效用函数 成本函数的活动用户的数量可以被最大化 在哪里是SINR的预先确定的阈值的最小值应SINR保持物联网设备的正常运行和被认为是平等的,所有的物联网设备。

为了最大化活性物联网设备的数量和系统频谱效率,叠加一些多用户传输(必须)计划最近提出7- - - - - -11];必须介绍了可控干扰实现重载略增加接收机复杂度为代价的。因此,可以实现更高的频谱效率和更多的连接。然而,现有的调度方案必须主要力量power-domain或代码域调度用户多路复用相同的时频资源,而不是利用空间自由度(自由度)基于用户分配容纳更多的用户访问,提高系统频谱效率,特别是对于物联网通信。

多用户共享访问(穆萨)是一个典型的必须计划最近提议。在上行穆萨系统中,每个用户的象征是通过传播传播序列是随机序列池的访问用户。那么所有传播符号传输相同的时频资源(21,22]。接收器,SIC分离叠加符号执行根据SINR的区别。穆萨的典型重载系数是150%。

实际上如果穆萨的传播序列在资源池中可以重用的根据他们的空间分布不同的物联网设备和适当的调度,然后访问数量和性能可以显著改善能力。因此,用户空间自由度应引入穆萨的调度方案,以适应更多的用户访问,提高系统容量为5 g物联网通信。

如果我们研究物联网设备的分布和位置,我们会发现,不同类型的物联网设备可能有不同的空间分布。例如,如图2,物联网设备的有三种类型:一是传感器在停车位;这种类型的传感器的位置高度低于2米;第二种类型的物联网设备坐落在街上交通监控杆;他们的高度约6 - 8米;第三种类型是无线监控摄像头或环境探测器安装在购物中心或高层建筑物;这种类型的高度是一个均匀分布的垂直高度约3米的建筑。可以观察到不同的使用类型的物联网设备可能在不同的空间位置;与此同时,物联网设备安装后,他们的立场是不经常变化,不像传统的移动用户。基于静态空间特点,物联网设备分为不同的空间组之前,在不同的空间和设备组可以共享同一组传播序列随机访问和数据传输。因此,与多路复用传播序列,系统可以增加明显超载因素。

与此同时,由于缺乏网站,eMBB和eMTC服务可能部署在同一地点在大多数情况下;这种情况类似于目前的4 g的条件。利用eMBB和eMTC托管部署的优势,我们可以使用巨大的天线系统最初用于eMBB提高eMTC性能方便。因此,我们可以利用空间自由度增加活动物联网设备的数量在5 g大规模分布式天线系统。

虽然废话可以调度上行多用户传输信道估计通过蛮力调度方案的基础上,从物联网通信请求的爆炸装置,蛮力调度的复杂性将大大增加,成为不可接受的。

因此,在下一节中,预配置方案和关节空间和代码的访问域调度方案较低复杂性提出了改善系统性能根据用户空间分组。

3所示。在小说中访问和调度方案

提出方案,设计策略是在以下三个部分:(1)基于用户(物联网设备)位置和通道测量,b可以整个通道空间分割成多个不相交的子空间利用prebeamforming矩阵,然后它的服务用户分割成几个子空间组织与大约类似信道协方差特征向量。(2)基于空间的用户分组,序言由用户代码可以重用在不同的空间组随机访问过程。(3)物联网调度,每个用户的空间和代码域字符可以由一组指标,也就是说,空间组织索引,传播序列索引。用户标注不同传播指数序列或用户标注相同的扩散指数和不同的空间组指数序列,它们可以安排在相同的时频资源。

在上面,用户空间分组,序言多路复用,和用户调度在空间域和代码是系统性能的三个关键问题;下面的讨论将更加关注这三个问题的策略。

3.1。用户分组

如前所述,为了有效利用访问和联合调度方法,用户将划分为空间组根据以下定性原则:(1)用户在同一组信道协方差特征空间跨度大约一个给定的常见的子空间,体现了空间群;b可以得到这些信息,问题CSI估计基于上行飞行员;(2)不同的空间组的子空间上的相同的时频资源联合调度必须约相互正交或者至少空的十字路口。

本文采用固定量化算法的用户分组;它被认为是一个有效的、低复杂性实施方案在实际网络。

在固定量化算法,基于用户的几何位置及其信道散射,用户可分为子组和子空间th集团是。大多数物联网设备的位置几乎是固定的,子空间可以预定的基于物联网设备的CSI和满足最大。是 在哪里两个矩阵的弦距离,是空间组织的数量信道协方差的主导特征值数量吗,的主要特征向量关于,用户的信道协方差矩阵在吗子组。

很容易看到,如果,那么我们可以选择作为一个酉矩阵的列的不相交的子集的维度,这样,所有组子空间是相互正交的,是最大化。这里的不相交的相邻块DFT酉矩阵的列可以用作组子空间。

例如,如果我们假设和分配,让表示DFT酉矩阵,然后,我们有形成了以来列的矩阵(23]。

一次是预定的,基于用户信道信息的设置吗,用户可以分割成不同的空间组织。

对于用户分组,都有一个阈值,让,;如果这个用户的我们假设用户只属于空间组如果和,这意味着用户位于十字路口和子空间;因此,用户可以分配给这两个吗th和空间组织。基于用户分组,两套和可以获得,是一组空间组的索引这一用户所属,和是一组用户的索引这一空间组包含。

在这个算法中,群子空间是固定的先天的基于用户和他们的CSI的几何。当我们增加固定量化子空间的数量来减少覆盖漏洞,不同空间之间的重叠集团也将增加,导致群体间的强烈干扰。在本例中,我们为用户分配不同的正交序列动态传播属于相邻组为了减少组间的干扰,和传播的动态分配方案序列将在拟议的联合调度方案3所示。3。

物联网设备的位置是固定的,其信道特性比传统的静态移动问题;因此,空间分组为物联网设备更容易执行。

3.2。随机存取的预配置方案

随机存取通常是执行当物联网设备打开并将报告发送到控制中心。在随机访问过程中,一个用户发送一个随机访问序言BS通过选择它从序言随机池由BS预先分配。一旦不同的用户发送相同的序言,随机访问的冲突将会发生。

在我们的方案中,基于空间正交用户分组、序言代码可以共享在不同的空间组织;因此,物联网设备可以发起随机接入过程传输上行消息。

然而,随着用户位于不同空间的重叠区域组会导致用户的随机访问碰撞相邻空间组织,如果他们选择相同的序言代码,预配置方案提出了减少这些用户的碰撞率preconfiguring序言池的空间组织这些用户选择随机访问过程。

拟议中的预配置方案建议安排用户从用户最多的空间组织,这个用户属于,因为这个用户最空间可供preconfiguration集团资源。

从这个意义上讲,假设用户有最多的空间组织,它属于,因此准备好了吗可以获得,另外我们有准备好了吗。

的th空间组织的序言池可用于用户,可以选择,24] 大小()是效用函数来衡量大小的设置。上述过程遵循的原则把最大空间组织为下一个循环执行preconfiguration序言池。

随机存取的预配置方案可以描述如下:(我)用户分割成预定的空间组织根据CSI。(2)Preconfigure序言资源用于用户随机存取。注意,我们可以共享相同的序言资源为用户在不同的空间组织。(3)用户属于几个空间组织,他们可以选择序言资源与其中一个组织选择基于(9)随机访问过程。

3.3。联合调度在空间和代码域

在本节中,我们讨论物联网通信的调度方案。基于用户空间分组和他们最初估计SINR,联合spatial-code调度方案提出了最大化活跃用户的数量。与蛮力搜索方案与指数复杂性(24少),该方案具有复杂性和性能。

在提出的方案中,一个调度矩阵与的大小定义。的行明智代表空间组索引和列明智的代表用户指数和副载波索引的用户请求。空间组织的数量;和分别是用户数量和副载波。如果用户和他的请求th副载波的th集团尚未安排,条目的用设置为“1”(或“0”)。我们定义一个资源矩阵与的大小明智的,行代表一组索引和列明智的代表着传播序列和副载波索引。是传播序列的数量。的条目的代表了传播序列及其响应副载波资源th空间群,如果这个传播序列和副载波资源分配给用户;的条目的用设置为“0”(或“1”)。

该方法是安排用户从该集团的设置包含最多的用户需要计划,因为这样的空间组织可以提供更大的灵活性在用户调度。

这类组是用指数 根据用户的索引,我们可以选择用户请求的资源空间群(例如,)形成一组,其中包含所请求的空间组索引th用户(例如,)。然后我们可以获得通过 如果用户所属空间群同时满足条件 然后,我们将分配空间的传播序列和副载波资源组到用户。上述过程遵循调度原则;也就是将用户需要满足以下几点:(1)其空间组织的最大用户数量,需要预定。(2)这个用户预定后,最大空间和代码资源可以留给下一个循环进行资源分配。后来,预定的用户,分配传播序列,和副载波需要调度矩阵和资源矩阵。然后重复上述过程,直到没有资源分配。

总之,该方案可以描述如下:(我)用户分割成预定的空间组织根据CSI。(2)选择用户在SINR >从用户需要预定。(3)初始化设置,和矩阵,根据步骤(I)和步骤(2)。(IV)集。(V)而 :(一)增加我1,(b)更新和,(c)选择一组基于(11),(d)安排用户在集团基于(13)和(14),(e)分配资源指数()用户,(f)替换的元素th行和与0列:也就是说,,(g)替换的元素th行和列在“0”:也就是说,,(h)如果 或是一个零矩阵,打破。(VI)而结束。

在上述过程中,对于每一个循环,一个传播在一个空间序列和副载波组分配到所选用户。因此,循环的总数等于系统的调度用户的数量。根据客观的活跃用户的数量最大化,调度方法被认为是最佳如果回路的数量最大化。然而,在一般情况下,该方法不能保证全局最优。相反,它可以达到局部最优给剩余的最大数量为下一个循环调度资源进行资源分配。

在现有的情况下多个解决方案(11),我们选择一个空间群其词所有的候选人之间的最大。根据我们上面的讨论中,这样该方法选择的次优性维护。

3.4。性能分析

介绍了空间自由度的一个关键因素的活跃用户数量最大化提出的调度方案,获得最大景深的概率可以用来分析方案的性能(24]。

我们定义的概率用户预定到th传播序列和th副载波的空间组织和承担在用户分布均匀正交空间组织存在的地方未赋值的spatial-code和频率资源,在统计上是相互独立的。与此同时,我们假设是相同的对索引(),因此用。

第一个用户存在未赋值的副载波spatial-code资源。因此,第一个用户的概率有一个spatial-code资源访问 一旦第一个用户分配,第二个用户只有选项。因此,th用户只有选择,有一个资源访问的概率。

因此,所有的概率用户被分配 总的来说,存在组如上;因此,总体的概率达到最大程度的自由是由 从方程(17),它可以观察到最大spatial-code域景深可以达到非常高的概率对该方案的用户数量大(例如,大量的物联网设备)。

3.5。计算复杂度的讨论

该方案,计算复杂度主要来自订单统计(11)- (14)。考虑到最大的景深次序统计量的复杂性(11)是由的上界);相同的上界的过程也适用于(12)和(14)。以来的最大循环数,整体计算复杂度上有界,远远低于指数复杂性提供的蛮力搜索(25]。

4所示。绩效评估和分析

在本节中,计算机模拟被用来评估该方案的的概率达到最大数量的活跃用户,碰撞率和吞吐量性能。

在我们的模拟中,有一个BS(宏观)占地面积,包括问题和物联网设备。BS配备天线阵x-pol元素。模拟的prebeamforming团体利用prebeamforming向量可由DFT酉矩阵F的大小。形成的。因此,问题和物联网设备服务单元可以分割成八空间组织根据CSI估计。物联网调度,SINR的阈值是0分贝。主要模拟假设表中列出1。

4.1。的概率达到最大数量的活性物联网设备

图3显示仿真结果的概率获得最大数量的活跃用户联合spatial-code调度方案和强力的计划。它可以观察到,不同物联网设备的数量从3000年到30000年,达到最大数量的活跃用户的概率从50%增加到90%。与此同时,结果表明,该方案的概率和蛮力计划几乎是相同的,仿真结果的趋势是一致的分析方法(17)。

4.2。随机存取的碰撞率

让我们表示装置发送随机存取请求总数和总数量的设备,有经验的碰撞。然后,我们定义的碰撞率作为

图4显示的碰撞率预配置访问计划对随机存取计划没有穆萨和蛮力与不同数量的物联网设备方案。

结果表明,与物联网设备的数量从3000年到30000年,随机存取方案没有穆萨的碰撞率从1.7%增加到47.2%,随机方案与穆萨的碰撞率从0.9%增加到23.2%。介绍了空间自由度,碰撞速度的方案可以减少约5%当物联网设备的数量是30000。从图4似乎还可以,该方案的性能和强力方案接近对方。

图5显示这些计划的性能与不同数量的物联网设备和问题。结果表明,该访问计划仍有更好的性能比随机存取方案。与此同时,随着问题的数量是非常小的与物联网设备相比,他们没有影响碰撞率的结果。因此,碰撞仿真结果率问题和物联网随机访问图5几乎相同的结果只有物联网随机访问图4。

4.3。吞吐量性能

仿真结果的细胞平均频谱效率提供了数据6和7。图6显示细胞频谱效率的方案,随机调度方案和没有穆萨和蛮力计划与物联网设备的数量。结果表明,该方案可以实现更高的平均频谱效率比随机调度都有或没有穆萨,因为它可以获得额外的空间域多路复用增益。该方案达到约63.3%和104.9%的平均改善频谱效率与速度的随机调度没有穆萨,分别与不同物联网设备的数量从3000年到30000年每一个细胞。

图7显示这些计划的平均频谱效率和物联网设备的数量和问题。它可以观察到,该方案仍然有显著的性能改进与随机调度方案和没有穆萨和平均频谱效率提高率约为42.4%和91.9%,分别。此外,AMC用于上行问题调度程序、数据传输的问题可以获得更高的频谱效率比物联网设备的混合调度问题和物联网设备。因此,频谱效率的结果图7高于图吗6。

从数据6和7,它可以观察到,该调度方案具有类似性能的蛮力方案与计算复杂性降低。

5。结论

本文提出了两种新颖的方案来提高随机访问,提高系统容量为物联网通信基于用户空间分组。

提出预配置访问计划,序言资源是多路复用,以减少碰撞的速度随机存取基于用户空间分组。在拟议的联合调度方案,每一个物联网设备标识一组spatial-code指数;根据这些指标,b可以调度用户传输相同的时频资源上实现额外的空间域多路复用增益。仿真结果验证预配置访问方案可以明显减少碰撞率和提出的调度方案可以达到约63.3%和104.9%的意思是改进的频谱效率与随机调度有或没有穆萨相比,分别。此外,结果表明,该调度方案可以实现类似的性能较低的蛮力计划调度的复杂性。

信息披露

IEEE Bi是一个研究员。本汉目前在中国电信有限公司技术创新中心工作。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版这篇文章。

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