能源效率分析ICN协助5 g物联网系统

文摘

除了单独投资能源效率(EE)以信息为中心的网络(ICN)缓存和共享(CS)机制在无线通信技术中,我们全面比较EE表演ICN CS的机制在不同的场景中。修改后的系统模型是首次提出CS机制引入网络路由器时,基站(BS),和相邻的用户。之后,该系统可实现的和速率以及无线和有线部分的功耗是调查。不同场景的EE表演终于获得可行的总和除以速度消耗功率。比较三种情况时,数值结果表明,最优的地方缓存的内容主要是由距离和中心的核心路由器的数量。

1。介绍

第五代(5克)呼吁大规模连接设备和更快的传输速度相比之前长期演进(LTE) [1]。在5克,大量智能设备与计算和感知能力的唯一标识(2)将扮演至关重要的角色。实际上,5 g的目标是连接从各地在每次与物联网的大图片(物联网)。例如,据估计,大约500亿设备将连接到2020年的各种服务质量(QoS)需求。5 g物联网研究、高功能的智能设备辅助通信吸引越来越多的关注。例如,设备(D2D)沟通(3]介绍了协助无线通信。D2D,用户能直接相互通信。另一方面,智能车辆(4)和其他应用程序场景成为可能的连接设备5 g。

在5克物联网研究中,能源效率(EE) [5]出现是另一个具有挑战性的问题除了集中研究了频谱效率(SE)。这主要是因为更快的传输速度和大量智能设备连接将消耗更多的能量。因此如何减少能源消耗和如何有效地使用它的重要意义。在文学,一系列的研究已经完成在这个问题上通过全面优化传输过程(5,6),关闭传输的无约束的设备(7),等等。另一方面,同时无线信息和权力交接(SWIPT) [8),能够收获能量传输过程的邻近用户,吸引了来自学术界和产业界的关注。

虽然之前工作集中在现有的网络架构,最近,以信息为中心的网络(ICN) [9,10)提出了重新设计网络迎合网络演化的驱动力的转变从connection-centric以信息为中心(11]。为此,学者们声称在电气和电子工程师学会(IEEE) 5 g峰会在硅谷,5 g不能简单地通过现有技术迄今为止。重新设计整个网络架构的无线和有线部分是不可避免的。另一方面,众所周知,用户方只关心数据无论如何以及它来自哪里。同时,由于大量连接智能便携设备,直接交付从邻近的用户信息是可能的。根据思科的报告,视频流量占73%,2016年将在2021年占据总数的82%的信息流量。因此如何有效地实现视频和流媒体数据在5 g物联网是至关重要的。为此,人们相信ICN将发挥重要的作用在即将到来的5 g物联网网络体系结构(9,10]。

心肌间质胶原网络结构的初始工作,然而,主要局限于上层及其应用对实时传输和质量的经验(体验质量)维护12]。例如,主动为无线通讯应用程序缓存研究的研究(13),与混合文本和原型系统以内容为中心的网络/命名数据网络(CCN / NDN) [11提出了协议。这是表明,高质量的视频在50用户同时不间断地交付可以通过这种方法。提出了基于ICN特设网络灾难救援的研究(9]。灾害信息的发布和检索可以连接的区域内完成,即使没有网络连接。提出了一种概率缓存来估计路径和内容缓存能力进一步提高的研究中成功达到14]。与通用缓存相比,该机制能够减少cache-evictions由一个数量级。此外,ICN一直在利用各种制度,例如,基于ICN / CCN / NDN的智能家居(15- - - - - -17)和车载网络(4,18]。

除了之前在上层和应用研究工作,ICN技术在EE的研究吸引了密集的关注。这主要是因为在与缓存和共享(CS)机制,可以减少距离和组件,收益率较低能源消耗而提供相同数量的信息(19]。在文学中,情感表达分析与CS机制是CS机制引入到基站(BS)和邻近用户。例如,在BS场景了缓存(19),CS机制被引入的小细胞混合宏观细胞和小细胞结构。通过这种方法系统能耗降低。在[20.),内容布局问题讨论了异构网络(HetNets)体系结构。在分析网络性能和命中概率参数,最佳位置的解决方案。在的研究21),通过引入CS机制到邻近用户方面,最优缓存部署是根据传输能量和内容的受欢迎程度。

虽然各种研究已经完成ICN CS机制EE的话题,它是发现,之前讨论的CS机制是单独工作。综合性能比较从缓存获取请求的内容位于网络路由器,BS,邻近用户仍然处于幻想。获取请求内容的地方,在具体条件下,仍然是模棱两可的。这启发我们开发这个论文。比较这三个场景中,它是假定请求内容分布到核心路由器,BS,邻近用户。这些分布定义为核心路由器,长距离和短距离场景为了方便。获取请求内容的放置问题终于解决与分析和数值结果。

本研究的贡献总结如下:(我)全面重新设计系统模型介绍了5 g CS的物联网机制。我们引入了缓存到网络路由器,BS,邻近的智能设备与CS机制。智能便携设备,用户可以获得从邻近用户请求内容的缓存。此外,它还可以从网络获取请求内容路由器或BS缓存。(2)EE核心网络的性能,研究了长距离和短距离场景和可实现的速度和能源消耗分析。它是一个通用模型,可以采用类似的工作。(3)数值结果用于回答的具体条件,获取请求内容的问题。发现短距离场景的EE性能最好,其次是长途和核心路由器的场景。然而,由于有限的电池的智能设备,在现实中,长或核心路由器的场景更合理的选择。

本文的结构组织如下。部分2提出的系统模型。介绍了CS机制到用户终端,BS,核心路由器。可实现的总和率调查之后。EE分析提出了部分3。部分4数值结果。本文最后得出结论的部分5。

2。系统模型

提出的系统模型以及它和速度分析是解决这一节中详细介绍。除了之前的研究,介绍了CS机制邻近用户,核心路由器,和b国。和后来提出的系统模型研究。

2.1。提出的系统模型

一般来说,通信系统可以分为无线部分和连接部分。直观的,无线部分可以作为最终的系统,提供的数据请求(或下载请求的内容)远程内容服务器通过回送链接连接核心网(24,25]。(注意,我们专注于内容交付从远程中心用户终端;不考虑其他请求。原因是大多数的能量消耗是用于数据传输内容,尤其是视频和类似的流数据(26]。)相反,连接部分(即。,core network, backbone network) consists of router, optical fiber link, remote content server, and so forth.

正如之前所讨论的,传入的5 g物联网时代,EE比研究成为一个挑战问题其他SE的话题。这是因为声称更快的传输速度与前代相比将消耗更多的能量。EE的多数研究是通过有效的降低功耗传输调度(7,23,27]。然而,正如之前所讨论的,完成5 g物联网的雄心壮志而连接大量设备和更快的传输速度,重新设计有线和无线的网络体系结构两个部分是必要的。根据这一点,另一个系统模型与ICN技术介绍,这是由以下部分。

在拟议的系统,大规模输出天线阵被选为户外BS。假设一个细胞与数以百计的20个用户大规模MIMO天线阵列,这是一种广泛使用的假设5 g物联网的大规模分布式天线BS (28]。可以满足用户的请求内容的内容存储在缓存邻近用户提供智能设备,BS,网络核心路由器与CS机制。相比之下,请求内容可以直接从远程内容服务器检索(条件是没有请求缓存中缓存的内容)。详细信息的系统是由图进行了优化1。如图所示,系统中,CS概念全面引入相邻用户,BS,网络路由器。这不同于之前文献的ICN分别调查了CS机制从“网络”,BS,或邻近用户政权。

假设有两个用户在一个单元格区域,用户A和用户B,如图1。此外,用户A和B, B,有线核心网络中的路由器能够缓存和共享临时热内容(访问了很多)。在这种情况下,只要用户有一个内容请求,说”目标要求,“它可以从缓存获得命名“复制的,相比之下获得它从远程内容服务器作为传统系统模型没有CS机制通过回送链接连接到无线和有线部分。与获得它从远程内容服务器相比,CS机制,一旦应用,可以通过较短的距离和减少能源消耗更少的组件从事传播过程,EE收益更好的系统性能。然而,通过什么规模EE性能将提高仍然是模棱两可的。此外,决定应该澄清:说,在什么约束,分发内容和获取他们的这个提议的约束系统模型中应该提出。这是重点内容分发问题在这项研究中,将由以下部分回答。

2.2。和速度分析

请注意,在这项研究中,为了简洁,我们使用一个细胞率之和表示和内容的要求。此外,用户传输速度是用来表示请求的每个用户的内容。即与给定体积的内容要求,通过假设它能满足1秒内(一般来说,周围的体积将请求内容数百mb;在5克的背景要求的用户体验率高达100 Mbit / s ~ 1 gbit / s [29日),可以传递这样一个1秒内卷的内容;此外,随着系统EE性能的关注,只有总率及其消耗功率分析的目标),容量和传输速率将相同的数量。不失一般性,平等的传播率是采用用户情况下,没有大规模的再分配效应,而获得来自其他用户的缓存的信息。

EE长途场景的分析主要依赖于实现的内容交付率和所需的能量之和。首先在这项研究解决。信息交付从b到用户与大规模MIMO,假设信道矩阵 ,用户数量 ,和天线数量 ,该频道从发射天线到每个用户,如用户 ,将 。在这种情况下,信道矩阵可以得到 。此外,它假定每一个向量服从方差的零平均complex-Gaussian条目每一个维度。在先前的研究中,zero-forced波束形成(ZFBF)可以完全取消cochannel干扰其他用户(7,30.]。这里采用与ZFBF矩阵 : 在哪里 , 埃尔米特变换和逆矩阵的转置 ,分别。通过表示归一化因子的信号th用户,它可以给出的表达式 ,在那里收益矩阵弗罗贝尼乌斯的规范 。在这种情况下,ZFBF之后,用户的SINR表达将[7,30.] 在哪里是信号噪声比(信噪比)的用户 。

SINR表达式,给出常数载波带宽,每个用户可以实现的传输速率可以由香农理论后7,30.]: 在哪里是承运人带宽值。通过进一步假设 , 用户的力量和信道噪声分别以下方程是: 在这种情况下,通过总结所有的传输速率在一个细胞区域,可实现的总和的一个细胞区域 注意,尽管定性的表达被给定的,具体的值 , 仍然是未知的。安定下来,将采用以下分析。

3所示。情感表达分析

EE不同场景的分析是解决在本节。EE表演短和长途场景的全面分析由于类似的条件。此外,它假定总和率()是一个恒定值,等于20用户的请求在以下分析遵循典型的大规模分布式天线BS配置(31日]。

3.1。EE分析短和长距离的场景

的定量分析在短和长途场景内预先研究。通过遵循自由空间路径损耗模型,传输距离 ,在接收端接收功率可以作为32] 在哪里是在大规模分布式天线BS天线。此外,收益率发射机和接收机天线领域的产品辐射模式的视线(LOS)方向。(这里我们假设不存在有显著的景象(仿真结果路径简化分析)。此外,波长与表达吗 在这里 , 表示光的传输速度和载波频率,分别。与之前研究[33),使载波带宽,噪声功率 根据定义,信噪比是接收到的目标功率除以噪声功率。这给了 因此而表示常数和速度值 ,我们有以下方程:

如前所述,当缓存的数据位于大规模MIMO BS和邻近用户方面,发出请求的用户可以从缓存获取其要求内容的邻近用户或BS。首先,条件是所请求的内容从b获得缓存,这是本研究的长途场景,其功耗可以估计 在这里表示巨大的MIMO天线阵的功耗。根据之前的研究,它可以给出的 (7]。事实上,它是所有所需的总功率用户的内容交付。除此之外, , , 是废话的能耗机房(例如,空调)34)、射频(RF)链和电路(22维持这样的传输速率)。值得注意的是,射频链能耗大约是100 ~ 200 mW (22),这里将被忽略,因为它微不足道的价值相对于其他组件的电力消耗。因此,功耗可以由长途的场景 在这种情况下, ,请求用户b,距离长途的EE表达场景 这里近似方程是由于忽视了射频链功耗。

此外,在短距离的情况下,总请求内容假定为相同的值。这给了相同的可实现的总和率值在长途的场景中,而获取请求的内容缓存邻近用户。此外,在相等的时间内,每个用户的内容请求导致传输速率相等。采取请求用户之间的距离和周边用户在一个细胞区域,因为不需要废话或电路进行短距离的传输场景,通过自由空间传输过程后,可以作为电力消耗 遵循的相似分析长途场景,EE短距离场景的性能 请注意,在短距离的情况下,功率阈值的用户设备(例如,手机电池体积)通常在1 ~ 2 W。是不可能维持一个传输和消耗功率比 ,即使它有更好的EE性能。这是短的距离的约束条件的情况下,将使用在以下分析。

3.2。EE分析核心路由器的场景

除了放置BS和周边用户的缓存中的内容在无线部分,可以缓存的内容在网络核心路由器,或者别的,从远程下载中心在之前的架构。EE分析核心路由器的场景将与所有参与调查功耗考虑在本节。它是有或没有注意到CS机制情况下,他们的力量消耗可以给出一个全面的表达;唯一的区别在表达式进行中心和光学链接数量。

一般来说,在连接部分,参与设备信息交付包括不对称数字用户线、无源光网络和纤维之间的节点(35]。连接部分的功耗在这种情况下主要来自网络组件(切换器、光交叉连接(光),等等)和光纤(掺铒光纤放大器(EDFA),传播,等等)。它可以由以下表达式: 在哪里表示核心网络设备物品的数量。与此同时, , , 表示一对核心网络设备的功耗,光纤,分别和传播。此外,可以进一步划分为(36] 在哪里 , , , , , , , 收益率收发器的功耗,物理层(如编码/解码,匆忙/ descrambling,前向纠错(FEC)), Mac层(如映射框架),传输概要/转发错误(TP / FE)(如包处理、分类),织物干扰,线卡,分别和信息包交换。条件是只有一个线卡从事传播与所有其他人关闭以节约能源,根据(36),一行卡可以维持40 gbit / s的传输速度,这是足以让本研究由于实现率和无线部分的价值。此外,为了公平起见,采用最优无线组件选择和睡眠机制以及在分析时关掉不需要的组件。据估计在36)的值 , , , , , , , 5.9 W, 3.4 W, 30.6 W, 183.6 W, 61.2 W, 13.6 W, 298.3 W,分别为224.4 W。此外,一个简单的EDFA结构是采用泵送,而其消耗功率243 W考虑抽运功率为97 W和核心注入功率146 W (37]。这是光纤的电能消耗在理想的条件。

也注意到风机段(或冷却系统)账户总能耗的33%根据估计(38,39),这是忽略了在先前的研究中36,37]。在这个工作,更接近现实,这个数量功耗也考虑在内,使总能耗在核心路由器部分: 虽然核心路由器将该请求内容BS,无线通信交接内容调用用户侧的BS。在这种情况下,功耗而获取请求的内容在核心路由器场景中可以给出的最后

以假设从路由器到路由器的距离是80公里,距离那个EDFA设备可以保持80公里(40]。这个距离是采用简化分析的分析。事实上,一些其他可以采用不同的距离值,但这并不会大大影响结果以来,在光通信中,能源消耗主要来自于设备。此外,通过规范噪声功率1,考虑到连接部分的传输速率等于 ,所需的可以从下列等式: 在这里光纤的带宽,通常采取的价值10 GBit / s。我们可以看到,带宽远远大于 ,这将导致更低的功耗的相比其他设备连接部分的功耗,这是省略了。这给了EE核心路由器的性能场景: 这是EE性能表达式的核心路由器的场景并没有CS机制获取请求内容从远程中心,作为唯一的区别有或没有CS机制场景在核心路由器是路由器组件和EDFA设备。同样值得注意的是,采用最佳的组件选择的分析。此外,由于纤维功耗值较小,这里省略了。

4所示。数值结果

有关缓存位置将与数值结果回答了部分问题。在模拟中,假定请求的内容每个用户200 MBit的体积。另一方面,假设请求满意在一个第二,传输速率200 mbit / s。值得注意的是,实验的能力和用户速率是不同的东西。在5克,超过1000倍容量增量的每个单元格声称与LTE相比,但一般来说,用户实验率约100 MBit / s ~ 1 GBit / s的第一阶段(29日]。)在这种情况下,可以实现无线部分的总和率将与20个用户4 gbit / s(正如之前所讨论的,在典型的大规模MIMO b区,有几百天线提供大约20个用户)。其他相关的仿真参数表1。后的参数和值是通过之前的研究与7,34- - - - - -37,41)以及3 gpp文件。注意,由于不可避免的密集部署单元,在这个模拟中,使用350细胞覆盖范围。

前最优组件选择研究无线通信(而获得所请求的内容从远程中心没有CS机制,如研究[22,23)比较第一核心路由器的场景。这里总核心路由器跳将6从b到远程内容服务器(5与6跳路由器中心从b到服务器)。为了简洁,等于旅行距离b第一路由器,路由器,路由器,最后路由器使用远程内容服务器。在核心路由器的场景中,假设内容缓存的第一,第二,第三,第四,第五个路由器的缓存。此外,平心而论,最优进行有线和无线组件的数量在这两种情况下使用。此外,不失一般性,假定b用户侧的距离是100,200,300在核心路由器350细胞覆盖范围内的场景。

仿真结果给出了数据2和3。如结果所示,核心路由器场景中可以降低功耗,提高系统EE性能与之前的研究相比在22,23]。发现数量少了路由器缓存内容不同,减少能耗和EE性能就越好。相反,与缓存路由器的远程中心,其性能接近没有缓存的场景。这是因为,缓存的内容是在远程内容服务器,需要更多的参与设备消耗功率,有和没有的区别缩小CS的机制场景。另一方面,增加距离b用户侧收益率更多的功耗和系统EE性能差。这主要是因为环境中的传输损耗较高要求更多的传输能力。详细的能源消耗和EE性能方面的距离将进一步讨论下面的长和短的距离场景。同样值得注意的是,由于光学链接以及最后的路由器之间的一个EDFA和远程中心之间的能耗和EE性能是不同的从去年路由器缓存获取所请求的内容和获得它从远程中心。

长途的消耗功率和EE性能场景之后,检查结果由图所示4。此外,消耗功率和EE短距离的性能场景图5。数据显示,“”的设在意味着请求用户之间的距离(米)和内容(从邻近用户的缓存或BS缓存)。这显然是数据所示4和5短距离的场景可以大大节省能源消耗同时显示一个更好的EE性能。然而,由于阈值约束的用户设备(通常2 W),距离短的场景是唯一可行的在一个有限的距离,大约0.2所示的模拟。短距离的场景,而被应用在室外环境中,几乎是不可能采取之前开发的大容量电池或其他解决方案来克服这一瓶颈。在这方面,一些组织正在研究石墨烯的大容量电池。此外,现有的技术和研究能量收获(42]和SWIPT [43)可以部分缓解瓶颈。总结模拟结果的时候,他们通常证明长途场景应该采用室外环境。对于一些室内应用程序或极端的短距离传输,短距离的场景可以是一个不错的选择。此外,图4也显示,消耗功率大大增加,细胞范围(从b到目标用户)正在增加。有时甚至无法忍受更高的功耗。例如,如图所示,这个数字,范围350米,能耗约为1000 W,几乎是等于之前的LTE BS功耗1000覆盖范围。这是另一个不可避免的密集部署5 g细胞的证据。

通过比较三种情况,观察表明,短距离场景消耗最少的权力,长途的场景和核心路由器缓存后的场景。在这方面,短距离场景显示了系统EE性能最好,其次是长途场景和核心路由器的场景。所有的缓存支持场景显示EE性能比之前的研究。在这种情况下,ICN CS机制可以降低能耗,提高系统EE性能。此外,而采用CS机制,距离小于0.2 m(通常在室内环境中),短距离EE场景是一个很好的选择,最好的系统性能。一般在室外环境中,远距离场景可以是一个更可行的选择。

5。结论

一个全面的系统模型是本文介绍了CS机制。根据提出的系统模型,EE性能分析是全面调查与网络核心路由器以及短期和长途场景。仿真结果表明,这三个场景显示更好的EE性能比之前的研究没有CS机制。而应用CS机制在室外环境中,长距离的场景是一个更合理的选择。在室内和其他场景中与用户间的距离,距离场景比长途场景。否则,核心路由器的场景是一个可行的选择相比,如果没有计算机科学机制。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持部分中国(国家自然科学基金委)拨款61601180和61601180号;基础研究基金批准号下的中央大学2016 ms17;下的北京市自然科学基金批准号4174104;北京优秀青年人才在批准号2016000020124 g081;部分由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)授予号。61571402,61301150,61571401,61640005,61401401。

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