窄带物联网系统能量分析

Posted 2021-07-25 狂狼大白鲨

On the Latency-Energy Performance of NB-IoT Systems in Providing Wide-Area IoT Connectivity

1.论文的主要工作

将NB-IOT信道的多路复用问题纳入IOT通信的能耗和经历的延迟建模中，并考虑了同一小区中来自不同覆盖类别的设备的共存。此外，我们的目标不是最大程度地提高通信中的能源效率，而是着重于在发送给定数据包时最大程度地减少能耗。具体来说，这项工作是：

1. NB-IoT系统中信道调度问题的可分析模型的推导，该模型考虑了从同步到服务完成的下行链路/上行链路信道上的消息交换。
2. 推导用于服务等待时间和能耗的分析表达式，以及推导连接到网络的设备的预期电池寿命模型。（最主要的）
3. 将NB-IoT系统中的控制/数据通道调度问题表述为：能量延迟最小化优化问题，通过信道调度来调整系统性能中的能量延迟折衷。
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2.系统的模型

A.NB-IOT接入网络
1.假设一个NB-IoT小区的中心有一个BS，并且 N设备均匀分布在其中。
2.C定义为NB-IOT小区的覆盖等级，并且BS根据估计设备的路径损耗给设备分配一个等级类别j。用来表示属于j类设备的比例。

3.S定义为 一个典型的物联网设备每天执行的通信会话数量，设备请求上行链路服务的概率为P
4.则每天上下行链路服务请求到达系统的速率分别是
（1）

NB-IOT系统的工作流程：
NB-IOT设备需要上下行链路服务时，首先倾听与BS同步的小区信息，即NPSS和NSSS。然后， 设备通过在NPRACH上向BS发送随机访问（RA）请求来执行访问保留。BS通过在NPDCCH上发送指示保留用于服务该设备的资源的随机接入响应（RAR）消息来对成功接收到的RA进行应答。最终，设备通过NPUSCH / NPDSCH（上下行共享信道）信道向BS发送数据/从BS接收数据。

B.NB-IOT解调信道如何影响等待时间和电池寿命
以NPDCCH（下行链路控制信道）为例，如果频繁调用的话就会使NPDSCH（下行链路数据传输信道）无线资源较少，因此下行链路数据传输时间及能量损耗就会增加。另一方面如果不经常调用NPDCCH的话，就意味着设备要花费更长的时间才能从BS接收RAR（随机接入相应）消息，会造成的增加，因此会缩短电池寿命

基于上图中的模型，j类中的上行链路、下行链路通信的预期延迟分别为
（每个物理信道职责不同，所花费的时间不同）：
（2）

总结：将NB-IOT能量损耗过程定为泊松过程，并且每个周期的末尾都有再生点，因此可以将预期电池寿命定义为：
（4）
C.公式推导

结论：人们观测到为了最大化设备的电池寿命，应该最小化上下行链路通信交换的能量损耗。但是上下行链路的调度关系是耦合的，所以下文就针对模型分析最大的性能折中，来降低能量损耗，以提高电池寿命。

3.系统的模型仿真

由上图b和c所示。上下行链路服务中等待时间及电池损耗是唯一的优化目标时，可以直接得出优化点，但是由a-c所示目标的整体优化以冲突方式耦合。且abc表示延迟和寿命优化优化资源分配在类别上有所区别，因此选择最佳的t和d取决于每个类别所需要的服务质量（即延迟与寿命）

（t和d分别代表着NPRACH和NPDCCH的两个连接调度之间的时间间隔）
上图将类型一的归一化寿命与延迟d是固定的。通过分析推导，我们看到上下行链路的延迟会随着t的变化而变化，这是由于：当两个随机访问之间的间隔增加时，下行链路的数据传输的等待时间将会增加，因此下行链路分组需要在信道访问前等待更长时间，与此同时随机访问信号与上行链路传输也共享相同的无线电资源，因此减少d在某种程度上也会减少上行链路的等待时间，
最后考虑到设备同时具有上下行线路通信，并且都影响设备电池寿命这一事实，我们希望电池最大寿命最大化t必须在上下行链路等待时间表达式最小化期间：例如上图，d=4.4ms时上下行链路被最小化t=50ms、t=110ms使用寿命t=70ms

最后：仿真结果表明了分析的有效性，并证实了信道调度和覆盖等级的共存会显着影响NB-IoT设备的延迟和电池寿命性能。（i）为给定的一组用户和各自的覆盖等级安排数据和控制信道，或（ii）为给定的调度策略确定覆盖等级和每个覆盖等级的服务用户的最佳集合。仿真结果表明了分析的有效性，并证实了信道调度和覆盖等级的共存会显着影响NB-IoT设备的延迟和电池寿命性能。

IEEE TRANSACTIONS ON GREEN COMMUNICATIONS AND NETWORKING, VOL. 4, NO. 1, MARCH 2020