Mobility-Centric分析通信异构物联网设备的卸载

文摘

今天,许多相互联系的物联网(物联网)设备极大增长紧随其后的是蜂窝基站密度的增加。这一趋势对沟通的功率效率有不利影响,因为每一个新的基础设施节点需要大量的能量。众多推动者已经将稀缺的细胞谱系,从而允许使用更节能的短程无线电技术为用户的内容传播,如移动中继站和network-assisted直接连接。在这项工作中,我们提供一个新的数学框架,旨在分析影响网络出售的概率特征相关的服务质量,从而帮助缓解能源负担基础设施网络部署。

1。介绍和动机

无法控制的增长数字互联物联网(物联网)设备对现有的无线网络有极大的不利影响(1]。最近它已经表明,有超过四百万个基站(BSs)每月平均消费2.3兆瓦时(2),新部署的BSs的数量呈指数级增长,尤其是在发展中国家。这样一个极端的能耗负担影响能源成本,温室效应和全球对气候的影响一般(3]。

的一种方式来控制新部署的BSs的数量增长,从而高效地利用现有系统基础设施(4),例如,试图切换广播技术,而不是“致密化”部署区域(5]。这种模式被称为异构网络(6作为新一代的一部分(5克)系统和超越。然而,无缝实现这种方法的许多实际困难相关联,例如,当现有的基础设施是由不同的服务提供者。

另一个潜在的推动者的绿色通信设备间(D2D)连接7,8]。这种技术可以让降低功耗和提高网络容量和吞吐量利用,例如,未经授权的无线频谱由操作员控制(9]。基本上,一个移动设备配备两个或两个以上的无线接口有机会利用短程无线连接与周边节点通信,达到共同的目标,如数据缓存,边计算,覆盖的扩展等。10]。细胞谱系依然昂贵的能力和能量,它可以释放D2D卸载,从而使绿色通信(11]。在这个政权,手机网络只是负责控制之间的连接用户设备(UE)设备。

一个方法来提高通信质量是基于无人机(uav)的使用。历史上,无人机已经证明了他们的适用性天气监测、森林火灾探测、交通控制等。12,13]。在许多应用程序中,使用无人机实现高数据率无线通信有望在未来无线系统中起着关键作用。事实上,UAV-aided无线通信成为一种很有前途的解决方案为设备提供无线连接没有基础设施覆盖率(14]。最近有兴趣利用空中接入点(aap)安装在无人机,这可能是用于提供按需连接在即将网络过载的情况下。此外,aap也可能被利用来支持公共保护和灾难救援的场景(PPDR)连接不可用由于不可预知的情况15]。

此外,最近的一次激动人心的趋势超过市场是一个可穿戴设备的广泛渗透,如AR-glasses、智能手表,心率监视器,和许多其他人。的功能主要是有关人类的状态监测。注意,可穿戴设备通常有小的形状,因此是有限的计算和能量,这既用人的自然步骤的一个设备作为交付wearables-generated网关数据到云上。最常见的是,利用智能手机更强大的节点(16]。

在本文中,我们评估的架构(超越)5 g系统中移动用户配备了许多可穿戴设备不断地交换数据与周围的节点以及云计算通过一个网关节点。为此,传统的蜂窝基础设施通常使用,增强与D2D-based caching-enabled继电器或利用其他异构网络解决方案。在我们的场景中,一个AAP进一步与D2D一起使用通信实现的终极目标卸载现有的蜂窝网络尽可能多。在这里,AAP预计将提供一个控制链接D2D对位于重载的感兴趣的领域,从而在一定程度上缓解有限的细胞谱系。这项工作提出了一种新的数学模型评估的概率特征提出了系统架构。

剩下的纸是组织如下。我们的系统模型考虑的场景介绍了部分2。该模型解决了部分性能指标的兴趣3。一个例子说明该方法的适用性提供部分4。最后一节总结了纸。

2。系统模型

2.1。部署模型

考虑一个城市广场与大规模事件(例如,音乐会)在进步,在图所示1。感兴趣的领域有一定数量的异构问题作为网关的近似可穿戴设备和部分覆盖AAP的连接提供帮助沟通通过D2D卸载链接管理。新的移动问题可以到达细胞根据随机过程和离开它一个随机时间后由于用户移动性。细胞中的所有对象可以通过利用D2D传播他们感兴趣的内容的链接。

自从AAP覆盖在感兴趣的领域是有限的和潜在的持有人提供的事件,该区域以外的无线连接只能通过传统的基础设施连接。考虑场景的网络的主要目标是将尽可能多的交流会议上的直接链接,从而使更多的权力有效的传播内容。注意,D2D能力有关的服务质量约束是由于数量有限的渠道在一个冲突域;即。,在e can estimate the number of D2D pairs that can operate simultaneously under the AAP coverage for a given application.

由于传统指标在这种情况下研究了众多作品(17,18),本文的重点是不受欢迎的性能指标。首先,我们考虑连接不可用,即,a situation where one of UE nodes intends to connect to another UE over a D2D link but that second UE is already occupied or a certain UE attempts to reach another device outside of the cell but there are no more available D2D links. Another metric of interest is the probability of a connection to be discarded, i.e., when one of the UE nodes leaves the AAP coverage while still having an active connection with another UE inside the same cell.

2.2。流动模型

我们假设初始问题位置遵循泊松过程(PPP)的空间密度 。让 ,在那里会话初始化在区间的概率是 。它的时间强度到达过程从一个单一的问题。使用点过程的叠加性质,我们注意会话到达过程是泊松的强度会话/秒(19),感兴趣的区域的面积。发起一个会话的问题的选择是随机的。因此,用户与会话相关的几何位置均匀分布在AAP的覆盖范围(20.]。

捕捉流动行为,我们假设人类根据随机方向移动模型(RDM, (21),因为它是随机运动的必需品同时仍然允许驯良的分析。根据RDM配方,问题首先选择运动的方向一致一个指数,然后会在选定的方向的时间参数在恒定的速度 。

2.3。模型形式化

我们评估AAP服务过程利用排队系统模型如图2。我们假设会议系统中存在,虽然有一定的外部流动不耐烦异构会话,从外面到系统根据泊松过程。考虑到普通用户可以直接连接在D2D,而外部用户可以使用基础设施和D2D连接。

我们还假设AAP-served问题的到达过程服从标记点的过程: 在哪里到达的时间吗用户和问题类型, 。类型的服务时间问题,即。,the duration of an active session initiated by the个问题,都是随机变量的累积分布函数(CDF):

每个外部会议需要一个服务器。时间的持续时间th D2D用户服务区域是一个随机变量提供:

会话丢失在服务期间,如果相应的问题离开细胞会议之前完成。到达会话丢失没有空的时候服务器(渠道)的时候到来。最后,一个会话可能会丢失如果沟通用户之间的距离变得高于指定的值。我们提醒,引入模型中,我们感兴趣的性能指标描述该系统的可靠性。首先,我们得到以下参数:会话丢失概率,系统不可用,连接的可靠性。

3所示。性能分析

在本节中,我们分析该系统。首先,我们遵循随机几何描述方法的输入参数。然后,我们继续通过评估指定感兴趣的排队系统的性能指标。

3.1。系统参数化

完全用参数表示我们的模型,我们需要提供以下输入参数:(i)之间的时间间隔分布问题条目D2D服务区域,(ii)在D2D服务时间的分布区域,(3)概率问题有一个活跃的D2D会话之前离开D2D区这个会话结束。

后(22)之间的时间分布情况下的问题根据移动模型和最初均匀分布在某个感兴趣的领域达到某个子空间是一个指数分布。注意,这个结果持有的平均运行长度的模型时, ,至少是 感兴趣的区域;参见[22为更多的细节。回想一下,问题在一定区域的平稳分布是一致的(21]。

确定指数分布的参数,我们考虑一个面积增量D2D服务的区域对应于单位的速度 。假设圆形状D2D服务区域和召回问题的方向运动分布均匀 ,我们有以下的时间强度近似用户进入D2D服务区域: 在哪里的空间强度是在感兴趣的领域和问题D2D服务区域的半径。观察到的因素 占一小部分问题朝着D2D服务区域。

时间的准确分布测量的问题根据移动在一个封闭的子空间是未知的,连简单的配置的子空间23]。在这种情况下,常见的过程是使用一个合适的扩散近似扩散系数(24]。然而,考虑到我们的假设关于平均运行长度和直径的D2D服务区域,我们注意到,在大多数情况下,问题穿过D2D服务区域没有改变方向。一个随机的和弦的长度, ,它指定的距离D2D服务区内,是由(25] 的平均值 ,在那里D2D服务区域的半径。在D2D服务时间的分布区域通过扩展pdf的移动速度(26),导致 在哪里所花费的时间在D2D服务区域。

最后,我们要求的概率问题离开D2D服务区域活动会话到期前。我们有两种情况考虑:(i)会话之前已经开始进入D2D服务区和(2)会话启动时,问题已经在服务区域。在前者情况下,拥有无记忆的财产,我们不需要跟踪会话的向后复发时间和概率 ,在那里是服务持续时间。自和我们是独立的,利用卷积获得吗 能产生数值积分。

现在让我们确定的概率问题离开D2D服务区域会议前完成,因为这是启动后进入区, 。观察,自从一个会话被认为是随机启动,应该进展的问题在D2D服务区域,所花费的时间是均匀分布于 。然后,远期复发时间,欧元区的问题花一旦其会话当时发起即时是(26] 在哪里是时间的运作的问题D2D服务区域,给出的是哪一个

用(9)(8),我们得到

无条件的pdf问题花的时间在D2D覆盖区是由在启动会话

此外,寻求给出的概率是 能产生数值积分。

3.2。问题设置

为了解决上面的问题制定,我们介绍了系统状态空间 。让我们通过以下三联体表示系统状态: 在哪里 是基础设施的数量控制问题, 是占用通道的数量,和 是向量的状态的问题。的价值将按照下列规则:(i) 当th用户没有任何正在进行的会话;(2) 当th问题目前连接直接th问题;和(3) 当th问题利用基础设施的链接。

整个状态空间然后定义为一组三胞胎: 。我们引入一个随机过程 进化了 ,进入国家 如果系统在时间处于的状态 。我们还介绍了系统的状态的概率 和稳态概率 。这个过程的稳态分布特点是线性方程组在以下形式: 在哪里是向量的适当的大小和是无穷小生成器的马尔可夫过程。你可以解决它通过使用传统的技术;见,例如,(27]。

4所示。一个数值的例子

证明该模型的适用性,考虑最简单的情况下没有纯粹的基础设施连接的问题,什么时候(我)用户到达系统根据泊松流的强度 ;(2)任何用户的逗留时间的分布与细胞指数参数 : (3)用户之间的联系也是泊松过程的强度 ;(iv)用户会话的持续时间有一个指数分布的参数 : (v)只有 基础设施可用于连接的链接。

我们还假设完全控制D2D链接是由网络运营商管理。描述系统行为,考虑一个二维随机过程 状态空间: 在哪里系统和用户的数量占领D2D链接的数量。过程的状态空间显示在图3连同其过渡图。

的子集 和 代表一个国家的子集 和 包含两个州,子集 和 包含三个州,只有 州的数量等于四。注意,在情况下,服务器和/或用户的异构,马尔可夫过程来描述系统行为,国家的子集与固定数量用户在系统中应详细为了显示繁忙的服务器的配置。的帮助下构建随机过程 ,我们将研究考虑的服务质量(QoS)指标体系,即。,the probability of a connection loss (when a user with no ongoing session leaves the service area), the probability of connection unavailability (when there are no vacant channels in the system), and the average number of busy channels.

在给定的假设条件下,这一过程可能被认为是马尔可夫,其跃迁强度有以下形式:(1) 强度的状态转换吗 国家 发生,当用户进入系统。(2) 强度的状态转换吗 国家 ,这发生在一个没有正在进行的会话的用户离开系统。(3) 强度的状态转换吗 国家 ,当用户发生一个正在进行的会话离开系统。(4) 强度的状态转换吗 国家 ,这发生在用户没有正在进行的会话发起一个会话。(5) 强度的状态转换吗 国家 ,当用户发生一个正在进行的会话结束这次会议。

考虑到国家 。自通道被完全占领用户(2用户通过一个连接D2D链接),没有正在进行的会话的用户数量 用户的数量,一个正在进行的会话 ,和可能的方法的数量选择一对用户的 nonbusy用户发起一个会话 。因此,我们到达过渡强度以下表达式: 在哪里 为 , 为 , 为 , 为 。

过渡过程强度矩阵具有以下块结构 在哪里th块行对应于子集的状态用户在系统中存在,描述这个子集的输出的子集 用户在系统中,描述了子集内的转换用户在系统中,包含的输出强度的子集的子集 。考虑过渡矩阵的示例如下: 此外,为 矩阵的形式 对角元素在哪里

块形式的矩阵代表(s.s.p)稳态概率向量的块形式,提供适当的维度 。因此,平衡方程可以表示为 正常化的条件 在哪里是一个列向量,而它的组件是等于什么 。

通过使用 为 ,我们到达

进一步,我们乘(34)作为 用下面的出生和死亡s.s.p.方程:

为 ,这给了我们

然而,同样可以获得平等(34),从而确认它 :

这个方程组的解 正常化的条件(35)和 是 这是一个泊松分布的系统中用户数量。

为了计算利息的概率,需要评估 ,这需要一个更详细的分析。为了实现这一目标,这个过程在国家应被视为独立的子集 。考虑到及其过渡图(见图3),很明显,每一个子集 只包含一个状态;因此,给出了相应的概率(41),

的子集 ,这个过程出生是一个生灭过程吗 和死亡 (见图3)强度。因此,细致平衡方程可以用来建立的结果 : 此外, 至少对所有 ,

概率的子集 ,考虑到(41)和使用符号 ,以下为概率表达式为 可以推导出:

为 ,以下是适用的: 在哪里

基于上述的概率,可以计算寻求QoS特性,如以下。(1)连接的可能性损失由于离开了AAP覆盖区域的用户:在这里,失去连接情况下,过程中发生转换的状态 国家 ,这是唯一可能的状态 与 和 。因此,损失可能派生的连接 故事情节的损失概率与参数和给出了图4。由于参数被定义为一个会话初始化强度之间的比例和终止会话流的强度 ,这个参数的物理意义是信道负载。的参数 是系统负载因素(或交通负载),可以被解释为一个相对填充细胞外部用户。然后,很明显,在零水平 ,即。,when no users are entering the cell, the connection loss probability仍然是零值的参数 。然而,随着系统负载的因素的概率增加,也增加,因为它可以观察到在图4:参数的值就越高是,陡峭的曲线在变成了。这种行为很容易解释,因为这两个参数影响的职业强度免费频道,在他们的数量是有限的,由用户进入细胞。自用户离开电池无论他们占领服务器(频道),连接的概率损失随参数的增长。(2)概率D2D渠道目前占领 而意味着繁忙的通道数量 和不可用的连接强度 。(3)连接不可用状态的概率是可以得到只有在用户数量不小于 。因此,一个连接不可用的概率就越大 虽然无法连接的强度 。

不可用概率的情节与参数和显示在图5。连接的曲线的行为不可用概率在许多方面是相似的吗 ,作为直接与参数和 。如果任何相关参数的值是0,连接不可用的概率也是零,因为系统缺乏用户(参数),或没有用户愿意发起会话的连接,即。、零负载通道(参数)。随着这些参数的增长,有一个可用的空闲的信道的概率建立另一个激活用户减少之间的联系。

考虑模型承认有用的概括,包括不同类型的异构用户,不同类型的外部用户的输入过程,他们的服务和不同的机制。

5。结论

在当今无线网络,可以将多个推动者昂贵的细胞谱系,从而允许更有效的利用短程无线电技术为用户内容传播。这项工作提出了一个新颖的数学框架,使评估的影响网络出售相关的概率特征的服务质量。我们表明,开发模型时可能会使用一个天线接入点进行D2D链接管理基于通道和系统负载。结果报告有用的知识连接不可用和连接损失概率。

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

出版得到了俄罗斯联邦教育部和科学(项目号2.882.2017/4.6)。