公平和有效的分配率Wireless-Powered机械化的通信网络

文摘

本文提出一种讨价还价的游戏理论率分配方案wireless-powered机械化的通信(mtc)。认为身体地区MTC网络(MTCN),一个电池供电的用户设备(UE)作为矿渣MTC网关(MTCG)负责收集信息上传的上/身体wireless-powered矿渣MTC设备(MTCDs)。通过求解纳什讨价还价解(国家统计局)拟议的合作博弈,MTCDs的最低速度要求得到满足。此外,网络资源可以分配给MTCDs公平和非常高效。对信道特性的差异。相比其他传统的资源分配方法,仿真结果表明,该NBS-based方法获得一个好的系统之间的权衡效率和每个节点公平。

1。介绍

机器对机器(M2M)沟通是使网络设备交换信息的一种方式,没有人类的帮助。它属于一个物联网技术(物联网)。无线M2M通信也称为机械化的通信(MTC)在3 gpp LTE-A规范(1),已广泛应用于智能城市、智能电网、可穿戴式网络和车辆互连。如今,由于人口老龄化的增加,医疗监控系统基于矿渣MTC的利益也大幅增长(2]。医疗设备在/人体可以检测医疗事件,使连续远程监控病人的健康在他们的日常活动3]。尽管技术进步,几个主要的挑战应该是为了支持处理矿渣MTC在移动网络。

首先,矿渣MTC包括大量的电子设备(MTCDs)携带公共服务功能的小型数据传输与严格的实时约束。这些MTCDs直接连接到基站(BSs)将导致不合理的低比率数据有效负载和需要控制信息(4]。此外,在无线传感器网络(网络),电池充电或更换不总是可行MTCDs [5]。例如,MTCDs部署在/对人体医疗保健可能包括便携式植入式设备。电池更换可能损害网络,甚至危及病人的健康,但增加电池容量为这样一个网络是不可行的,因为它会导致设备尺寸和重量的增加。

关于第一个问题,一个新的网络元素称为矿渣MTC网关(MTCG)下令部署在LTE-A蜂窝网络(6]。它是用来收集信息从一群MTCDs BS和转发的信息。MTCG可以网络基础设施或普通用户设备(问题)。数据链路从一个MTCG BS基于LTE-A规范,而链接从一个MTCD MTCG可以通过wi - fi,蓝牙,或其他短程无线通信协议。这导致分层网络结构为更有效地利用细胞谱(7]。

第二个问题而言,最近的技术称为无线电力传输(WPT)已经提出了有效的能源供应在中间或短程(8,9]。三个主要WPT方法是磁共振,磁感应,无线电频率(RF)能量收获。磁感应是最受欢迎的WPT的方法,因为它很容易实现。大多数现代手机的目标是符合磁感应标准气(10]。然而,它没有最好的用户体验,随着气设备和充电表必须精确对齐。磁共振提供更好的用户体验,因为它不需要接收机和发射机对齐,但最多只能发送功率的设备从一英寸(10]。这两种方法相比,射频能量收获接收器可以从能源电力设备40英尺发射机(11],接收机和发射机甚至不需要视线转移能力。射频能量收获的挑战在于传输的功率,可以量是有限的。因此,它最适合于电力无线传感器和小型设备的物联网。

本文以无线可穿戴电子网络的网络为例系统。如图1,可靠的网络部署在医院环境和实时健康监测12,13]。基于上述分析,我们认为采用射频能量收集技术的系统。专用电源信号灯(PBs)可辐射射频能量不断预装在医院的病房里,和MTCDs结合充电存储设备(例如,超级电容器)可以从PBs从而获取能量。

指出,射频信号可以携带能量以及信息同时,这称为同步信息和权力交接(SWIPT)在文献[14]。此外,射频能量来源是无穷无尽的,但不可靠。这两个特性改变网络设计师的选项。为了确保MTCDs总是会有足够的精力去操作,切换的时间无线电力传输和无线信息传输(智慧)应该精心设计。在[12],WPT-enabled耐磨性能的网络调查从系统的观点。MTCDs是假定为集群分布在医院环境中根据泊松过程。每个MTCD传送消息到一个MTCG, MTCG可以通知最近的医务人员。基于该操作模式,正确的概率通知提供了集群网络形式。在[13),作者研究了密集WPT-enabled无线传感器网络。通过检查两个不同的通信场景(即。,the direct communication scenario and the cooperative relay scenario) for data exchange, the theoretical expressions for the probability of successful communication are provided. In contrast to [12,13),另一种观点是关注网络中每个MTCD的个人表现。在[15),作者提出一个马克西mum-rate方法来最大化和速度一组用户给定的总时间约束。自从BS集成的功能PB和MTCG,最大速率方法可以共同优化分配的时间WPT链接(从b到用户)和智慧(从用户到BS)的链接。它也被15),最大速率方法有明显不公平问题,称为“双重远近问题,”更多的传输时间和速率分配给用户接近的废话比用户远离BS。解决不公平问题,作者进一步提出(15]common-rate方法也可以分配所有用户率在智慧阶段,不管他们的距离BS。此外,作者在16)提出了共同的能源方法可以平衡用户的平均能量收获WPT阶段。然而,这两个common-rate和共同的能源方法保护信道条件较差的用户,但惩罚用户提供更好的信道条件;因此,系统效率大大恶化。此外,方法都不容易考虑认为不同MTCDs可能需要不同级别的服务质量(QoS),可以定义的延迟,数据率,或包丢失(17]。作者在18]扩展单一射频源模型与多个射频源更复杂的场景。公平和效率问题是解决利用边际效用理论不合作博弈理论采用了本文。因此,作者并没有解决用户的QoS满意度问题设备。

不同于上述工作,本文解决了公平和效率资源分配问题在一份联合的方式。特别是一群MTCDs的资源分配问题建模为一个优化问题从合作博弈的角度(19]。考虑不同MTCDs可能需要不同级别的QoS(定义为最低传输速率),提出游戏的目标是最大化问题和速度所有MTCDs而履行最低利率的要求。尽管有很多种解决方案合作博弈的方法,我们选择纳什讨价还价解(国家统计局)19),为游戏玩家提供了一个帕累托最优的资源分配。通过求解国家统计局的游戏问题,所需的公平和非常高效。属性可以被最终获得。本文的主要贡献如下:(1)框架结构在time-and-spectrum SWIPT领域提出了。这是必要的分析层次SWIPT网络的资源分配问题。(2)MTCD的效用函数定义的基础上可以实现的数据速率。这使得制定合作博弈问题有明确的物理意义。(3)提出了解决国家统计局的游戏问题,最优WPT值班时间和智慧共同存在于亲密的形式的链接。因此,通信和能源资源被分配给一组MTCDs帕累托最优意义上的公平和有效地。这意味着所有MTCDs最低比率的要求后满意,剩下的资源可以分配MTCDs根据信道条件。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了系统模型。部分3制定资源分配问题作为一个合作游戏。部分4解决了游戏问题密切的形式。部分5提供了仿真结果。部分6总结了纸。

2。系统模型

在考虑wireless-powered MTCN部署在一个3 d空间空间如图1。一组的KMTCDs /在植入人体,构成医疗监测系统。MTCDs能感觉到生命体征(如体温、心率、血压、心电图和脑电图信号)的人类身体。遥感信息首先传播的问题作为MTCN网关。然后,问题将收集到的信息转发到核心网络通过BS。终于向医疗信息系统数据库进行分析。低成本的PB也安装在房间的天花板上,这是无线广播能量的能力。在本文中,我们假定MTCDs发条式,但可以收获PB播放的能量,而问题是配备一个可充电电池,因为它可以方便地删除和起诉。因此,只有MTCDs而言的能源消耗。此外,我们还假定PB与单天线设置。尽管部署多个天线的能量发射器(20.)可以提高无线电力传输的效率(注意,很难部署多个天线的能量接收器由于规模有限/机身设备。),本文不采用这种技术,因为本文重点调度的任务时间WPT SWIPT阶段和智慧阶段,所以WPT效率改善(因采用多个天线或其他技术)并不影响资源配置的结果。为了便于后续分析,以下假设也:(1)细胞上行(从问题到BS)在LTE-A乐队,虽然WPT链接(从MTCDs PB)和智慧联系(从MTCDs问题)在ISM波段操作。(2)为了防止互相干扰,WPT和智慧联系工作严格的时分多路复用(TDM)如图2。表示每个时间块的持续时间T。第一个( )在一块被分配给WPT链接而其余时间可以分配给智慧的链接。在一次,KMTCDs可以传输信息独立问题通过使用时分多址(TDMA)。

本文只研究了资源分配问题在WPT和机智的链接。便于分析,单元块的时间,T归一化到1。表示的传输时间分配我th ( )MTCD在一块( )。下面的时间约束资源配置应满足:

假设WPT和智慧与准静态平坦衰落通道链接。表示该频道从PB的功率增益我th MTCD由和我th MTCD的问题 。因此,和为期间保持恒定的一个街区,但可以改变从一个街区到另一个。此外,我们还假定MTCDs采用收获- - - - - -然后- - - - - -传输(HT)协议(14- - - - - -16),平均功率收获结束时的能量收获(EH)电路是一个线性函数的平均输入功率。表示在PB的传动功率在WPT阶段 。的能量收获的我th MTCD可以给出的 在哪里( )嗯效率的接收器吗我MTCD。它指出,近期作品(21,22]表明,线性模型可能不正确的使用模型的权力依赖呃效率,但是这个理想模型可以揭示的机制提出了合作博弈理论方法在资源分配。留给我们的未来工作选择合适的非线性能量转化模型和获得SWIPT系统的最佳性能。

在WPT阶段,MTCDs补充能量。智慧在随后阶段,MTCDs可以传递他们的信息在时间分配问题。在[14- - - - - -16),我们假设我th MTCD使用一个固定的部分( )收获能源的智慧。平均的传动功率我th MTCD可以给出的

表示接收机的噪声功率的问题 。使用方程(2)和(3),我们就可以计算的可实现的数据速率我th MTCD由 在哪里是一个常数在资源分配在一块。从方程(4),我们注意到参数和( )应该联合优化,从而会导致MTCDs之间的公平分配率。

3所示。问题公式化

它已被证明在15,16),不公平资源分配问题是导致大型最终用户之间的距离差BS。虽然MTCDs安装在/对人体有几乎相同的距离PB以及问题,衣服的身体,人体组织,和人类的姿势变化可导致显著的信号衰减80 ms的阴影持续时间(23]。WPT的不同的阴影和智慧可能招致的链接不公平问题,因为它是一个固有问题的信道质量。

在本文中,我们假定不同MTCDs与不同的应用程序相关联。的QoS要求我th MTCD被定义为最低利率的要求,这是用( )。主要关心的是如何相当分配MTCDs之间的传输速率(即。,satisfy their minimum rate requirements) while maximizing their和速度。为此,我们使用国家统计局方法借用了合作博弈理论(5]。

3.1。合作博弈理论的基本概念和定理

合作博弈理论可以描述如下19]。让 的设置K的球员。让是一个封闭的凸子集代表一组可行的收益分配的玩家可以得到如果他们合作。让的最低回报我th球员期望;否则,玩家将不会合作。让 和 。假设 是一个非空的有界集。对吗 被称为K人合作游戏。在可行的设置 ,的概念帕累托最优作为游戏的选择标准的解决方案可以被正式定义如下。

定义1。这一点 据说是帕累托最优,当且仅当没有其他分配 这样为和 , 。
合作游戏的解决方案可以通过几种方法,例如,纳什讨价还价的解决方案(国家统计局)[20.)和Raiffa-Kalai-Smorodinsky讨价还价的解决方案(苏格兰皇家银行)。其中,国家统计局提供了一个独特的和帕累托最优操作点,封装的要求屈服帕累托最优在一种回报。此外,国家统计局应该满足其他五个公理,即。,我ndividual rationality, feasibility, independence of irrelevant alternatives, independence of linear transformations, and symmetry. The detailed explanation for these axioms can be found in [19]。下面的定理表明,正好有一个国家统计局满足上面的公理(19]。

定理1。(的存在性和唯一性国家统计局)。让收益函数 , 凸,上定义的上限 。让是用户的组指标能达到性能严格优于最小的回报。然后,存在一个唯一国家统计局,验证 通过求解最大化问题的唯一解:

3.2。资源分配游戏配方

基于合作博弈理论(19),考虑SWIPT系统的资源分配可以制定如下优化问题:

它指出,标准合作博弈问题的目标函数(6)是(24]。自是nonconcave,我们因此改变严格凹函数,利用增加的属性函数。

合作博弈的目标问题(6)是实现帕累托最优利率MTCDs之间的分配。详细的集合KMTCDs可以作为生意人的速率分配游戏。 和 由分歧点和点的生意人的协议,分别。合作博弈的目标问题(6)是要找到一个可行的协议 ;因此,为 ,和没有其他速率分配 从而导致性能优越一些MTCDs不会引起其他MTCDs的性能恶化。的财产问题(6)总结了命题1。

命题1。优化问题(6)是一个凸优化问题。

证明。它指出,目标函数的问题(6)是一个严格凹函数。约束(6.1)和(6.2)是线性函数,因此是凸的。接下来,我们可以关注的财产约束(6.3)。
验证约束(6.3)是凸的,我们第一次将约束(6.3), 让 ,在哪里和 。我们注意到,是一个线性函数的总和凸,非线性函数 。如果和都是凸函数,那么他们的总和吗 。因此,我们只需要确认 , 是一个凸函数结束了吗 。
从[24),我们知道如果海赛矩阵是半正定的,是一个凸函数。海赛矩阵的可以由 在哪里米和n表示矩阵的行和列,分别。让 ;的对角线项和非对角的条目可以由 分别。为了验证是一个半正定矩阵,我们必须表明,对于所有真正的向量 , 。
经过一些代数运算,我们确实有 这表明是半正定。
我们可以得出结论:目标函数问的问题(6)是严格凹和约束集(6.1)∼(6.3)是凸的。问题(6)是一个凸问题[24]。

4所示。通过对偶分解优化

在本节中,我们尝试解决优化问题(6)在关闭表单。它是指出问题(6Slater)满足的条件。所以,问题的最优解(6)可以通过解决恢复其对偶问题。接下来,我们给出一个详细的解决方案过程中采用双分解方法。

4.1。对偶问题制定

为了制定原始问题的对偶问题(6),我们介绍了拉格朗日乘数和 约束(6.1)和(6.2),分别。表达的部分拉格朗日 在哪里 和 是可行的速率分配向量和时间分配向量的问题(6),分别。的双重功能

原始问题的对偶问题(6)可以作为制定

(即双重差距。,the difference between the optimal solution to the primal problem (6),对偶问题(13)是零(24]。原始问题的最优解(6)可以恢复通过求解对偶问题(13)。

4.2。对偶问题解决方案

指出,对于一个给定的和 ,拉格朗日(11)由两组变量,即。,分配向量和时间分配向量 。所以,我们可以分解对偶问题(13)以下速率分配问题: 和时间分配问题

通过解决问题(14),最优速率分配向量 可以很容易地获得的吗 的函数表示的投影z在[一个,b]。在方程(16),(为 )介绍了限制最高利率,可以分配给吗我MTCD。设置为一个常数,不改变原始问题的最优解(6)[25]。

现在,我们需要解决这个问题(15)。通过设置的一阶导数关于和分别等于零,我们可以得到

从方程(17),我们可以推出 在哪里C( )是一个常数。用方程(19)方程(18),我们可以把方程(18), 在哪里是一个常数, 。

然后,通过求解方程(20.),我们可以得到最优解作为

指出最优时间分配 应该满足平等的约束(6.1)。这意味着

否则,剩下的 时间可以分配给PB或任何MTCDs之一,这将增加的价值没有其他MTCDs减少可行的利率。

最后,我们用方程(19)和(21)方程(22),可以得到最优解作为

到目前为止,我们已经找到最优的解决方案,即, , 和为的问题(6)在关闭表单。

4.3。集中解决方案方法

它是指出问题(6)解决问题通过使用一个集中的方式。因此,信道状态信息(CSI) MTCDs所需的问题,此后,传输时间安排应该播放MTCDs问题。这些消息可以传达问题和MTCDs通过专用的反馈渠道。

5。仿真结果

检查的性能提出率分配方法,建立了一个模拟的MTCN如图3。房间的尺寸是10 m×10 m×3 m。一个人配备K= 4 MTCDs /身体在房间里走来走去。铅是部署在天花板的中心(坐标(5米,5米,3米))。为了避免创建强大的电磁干扰BS, WPT和智慧联系采用915 MHz ISM(工业、科学和医疗)带中心频率。也指出,915 MHz是所使用的一些产品,例如,Powercaster发射机TX91501 [26)和Powerharvester 114 (27]RF-based WPT,嗯。根据(16),PB的传动功率是固定的 。问题接收机的噪声功率设置(28]。为我th MTCD, ,我们假设WPT的能源采集效率 ,和收获的部分能量用于信息传输 。是国家统计局指出,对称公理(19订单,MTCDs作为游戏玩家应该有相同的最小效用的需求 。因此,在符合这个公理,我们集在模拟。在实际应用中,我们可以选择一个MTCD最大最低比率的需求系统和设置它的最低比率需求的分歧点游戏。此外,我们假设网络的带宽是1 MHz, WPT和机智的链接是相同的传播模型。在细节中,路径损耗指数是3.8,人体跟踪建模为Gauss-distributed随机变量与零均值和方差15分贝,小规模衰落是建模为瑞利衰落与单位的意思。方便参考,假定的参数值仿真归纳在表格中使用1。

在模拟的开始,人类是在西南角落的房间。问题和MTCDs的坐标设置为(1,- 1,1.2),(0.9,0.9,1.8),(1.1,1.1,1.1),(0.9,1.1,0.6)和(1.1,0.9,0.1),分别。然后,人类沿着一条直线从角落到房间的中心。提出了速率分配方法称为国家统计局- - - - - -率在接下来的分析方法,最大- - - - - -率以及方法常见的- - - - - -率比较的方法也是模拟的目的。

在图4,我们展示了和速度通过所有的MTCDs使用不同的分配方法。在图5,我们比较公平这些方法通过展示他们的性能公平指数(28]。应该注意的是,显示的结果是获得的平均超过1000随机生成的通道实现在每个位置。让 数据速率通过KMTCDs。的公平指数被定义为 ,往往1时KMTCDs拥有相同的数据速率和1 /K当数据通过不同MTCDs严重不公平的。

从数据4和5,我们可以观察到common-rate方法最低和速度但最好的公平指数,因为它最可用的时间资源有助于最严重MTCD通道。相比之下,最大速率方法达到最高和速度但熊明显不公平的问题。的公平指数几乎是低于0.3,与大的起伏。因为最好的MTCD频道总是占主导地位的资源分配最大速率方法。因此,其他MTCDs饿死。至于提出NBS-rate方法,它可以获得一个很好的权衡公平和和速度的性能。的我公平指数总是大于0.6,和速度损失的最大速率方法只有1/2的common-rate方法。自最大速率达到最好的系统效率和方法和速度之间的性能差距NBS-rate方法和最大速率方法之间的比这低得多common-rate方法和最大速率方法,我们可以得出结论,提出的NBS-rate方法是更有效的比common-rate方法,但不破坏系统的每个用户的公平性(29日]。

接下来,我们检查的QoS性能不同的分配方法。当人类移动到坐标(x,y)=(3米,3米),我们展示的数据速率和传输时间分配给每个MTCD,分别在数字6和7。

从数据6和7,我们观察到的QoS需求MTCDs可以完成的NBS-rate和常见的- - - - - -率方法。至于最大速率的方法,数据率3^{理查德·道金斯}和图4^thMTCDs只有10 Kb / s,这是远低于所需的500 Kb / s。此外,通过使用常见的- - - - - -率方法,传输速率分配给MTCDs严格公平不管他们的渠道不同。在QoS保证的前提下,NBS-rate方法可以将系统资源分配给MTCDs比例根据信道条件。因此,效率资源利用率大大提高。

总之,造成不公平问题的原因和低效率问题是MTCDs的信道条件的区别。至于最大速率方法,大部分的无线电资源分配给MTCDs更好的信道条件。相比之下,常见的- - - - - -率方法分配更多的无线电资源MTCDs较差通道条件,降低了系统效率。相比最大速率方法和常见的- - - - - -率方法,我们提出了NBS-rate方法可以实现良好的每个用户的公平性和系统效率之间的权衡。因为,效用函数的帕累托最优NBS-rate方法。

6。结论

在本文中,我们提出一个合作博弈理论方法来处理资源分配问题wireless-powered MTCNs。我们首先提出一个框架结构在time-and-spectrum SWIPT网络域。然后,MTCD的效用函数定义的基础上可以实现的数据速率。在分层SWIPT网络的资源分配问题是制定合作博弈。解决国家统计局提出游戏的问题,最优WPT值班时间和智慧共同发现链接形式密切。仿真结果表明,该通信和能源资源被分配给一组MTCDs帕累托最优意义上的公平和有效的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持研究生教育和教学改革的研究与实践项目中国矿业大学和技术,中国国家自然科学基金(批准号。51774281,61572389,和U1705263),和国家重点研发计划(格兰特没有2018 yfc0808302)。

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