林啟中，張冬梅，許魁，謝威

解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中M2M通信上行接入資源分配

林啟中，張冬梅，許魁，謝威

解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007

蜂窩網(wǎng)絡(luò)將在未來機(jī)器與機(jī)器（machine-to-machine，M2M）通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，而大量M2M終端的能量有限且補(bǔ)充成本較大，使傳統(tǒng)的人與人（H2H）通信資源分配方案無法滿足M2M通信需求.為此，研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中M2M設(shè)備上行通信時(shí)的資源分配問題，針對(duì)時(shí)分多址和頻分多址兩種多址接入機(jī)制提出了基于休眠模式的動(dòng)態(tài)資源分配算法.首先，通過基站智能丟包，使負(fù)載增益最大化；其次，在網(wǎng)絡(luò)無休眠時(shí)用最小-最大資源分配法來最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)壽命；最后，在容許休眠時(shí)將剩余能量與休眠模式相聯(lián)系，分別提出了基站集中式和設(shè)備分布式動(dòng)態(tài)資源配置策略，以實(shí)現(xiàn)能量均衡消耗.

機(jī)器與機(jī)器；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；多址接入；資源分配；網(wǎng)絡(luò)壽命

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)正以一種新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)模式飛速發(fā)展［1］.作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初級(jí)階段，機(jī)器與機(jī)器（machine-to-machine，M2M）通信是一種涉及一個(gè)或多個(gè)實(shí)體，且不需要人為干預(yù)的數(shù)據(jù)通信方式［2］，其顯著特點(diǎn)就是隨機(jī)業(yè)務(wù)量大以及通信數(shù)據(jù)量小，此外還具有低移動(dòng)性、時(shí)延容忍、業(yè)務(wù)突發(fā)性等特點(diǎn)［3］.蜂窩網(wǎng)絡(luò)已是當(dāng)前主流的無線通信網(wǎng)絡(luò)，而隨著M2M業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的M2M通信成為一種主要的移動(dòng)通信方式.然而，傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)人與人（human-to-human，H2H）通信業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，無法滿足M2M業(yè)務(wù)需求［4］.據(jù)估計(jì)，未來10年內(nèi)增加的M2M通信設(shè)備將達(dá)到240億［5］～500億［6］，其中將有20億會(huì)直接與基站聯(lián)系.大量M2M終端設(shè)備接入基站通信，使得平均可分配資源大大減少.

現(xiàn)代移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，包括第4代長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃（long term evolution，LTE）［7］主要針對(duì)H2H通信的大數(shù)據(jù)可靠傳輸，其設(shè)計(jì)目標(biāo)在于提高頻譜利用率以及優(yōu)化通信質(zhì)量.在無線M2M通信結(jié)構(gòu)中，如智能傳感器網(wǎng)絡(luò)［8］，設(shè)備通常由電池提供能量，而更換補(bǔ)充電源極為不便.因此，終端設(shè)備更注重如何以盡可能少的能量上傳數(shù)據(jù)，這就使能量有效問題成為M2M通信設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)因素.

顯然，M2M通信對(duì)原有蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則［9］提出了新的挑戰(zhàn).文獻(xiàn)［10］改進(jìn)了專用承載方式，并提出了隨機(jī)接入請(qǐng)求方案以適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通信.文獻(xiàn)［11］針對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)方案，對(duì)信號(hào)開銷和傳輸能量進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步減小了信息傳輸能量開銷.文獻(xiàn)［12］提出了集群協(xié)同方案，即從若干M2M終端設(shè)備中尋找最優(yōu)簇頭，使其作為中繼向基站傳送信息.文獻(xiàn)［13］利用Moveright［14］算法對(duì)時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA）策略進(jìn)行資源分配優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較小的條件下，平均資源分配的平均能耗值近似于最優(yōu)化方案的平均能耗.

然而，上述研究并未考慮到M2M設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)壽命.傳統(tǒng)的平均傳輸功率最小化的優(yōu)化方案未能考慮到邊緣設(shè)備的信道特性，這樣往往使邊緣設(shè)備首先耗盡能量而無法工作.為了解決邊緣設(shè)備的能耗問題，本文參考文獻(xiàn)［15］的資源模型，分別對(duì)TDMA和FDMA兩種策略上行通信時(shí)的負(fù)載增益和網(wǎng)絡(luò)壽命進(jìn)行定性研究.針對(duì)M2M通信隨機(jī)業(yè)務(wù)量大的問題––當(dāng)某時(shí)刻通信業(yè)務(wù)量激增超過系統(tǒng)承載臨界值時(shí)，基站根據(jù)貪婪思想，利用智能丟包［16］，換取更多負(fù)載增益.本文利用KNITRO優(yōu)化庫(kù)函數(shù)［17］在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行非線性優(yōu)化仿真.在無休眠的情況下，所有設(shè)備均接入基站通信，而處于不同位置的設(shè)備所需能量差異巨大，于是利用最小-最大法優(yōu)先保證邊緣設(shè)備，降低邊緣設(shè)備能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命.此時(shí)，大多數(shù)設(shè)備在壽命結(jié)束時(shí)還剩余大量能量沒有用完，造成能量浪費(fèi).如果采用休眠模式，那么網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)時(shí)隙周期中容許一定數(shù)量的設(shè)備休眠，于是可將剩余能量與休眠設(shè)備相聯(lián)系.為此，本文提出了一種基站集中式的動(dòng)態(tài)資源分配策略，讓剩余能量較少的設(shè)備在下一輪時(shí)隙周期中停止向基站發(fā)送數(shù)據(jù)包而進(jìn)入休眠模式.根據(jù)剩余能量多少動(dòng)態(tài)調(diào)整需要休眠的M2M設(shè)備，使得各節(jié)點(diǎn)剩余能量均勻地減少.另外，本文針對(duì)M2M設(shè)備被動(dòng)式休眠又提出了終端設(shè)備分布式機(jī)會(huì)上行接入策略，讓設(shè)備平均占用資源，根據(jù)距離隨機(jī)發(fā)送信息，通過主動(dòng)休眠提高網(wǎng)絡(luò)壽命，降低了基站集中式資源分配策略的復(fù)雜程度.

1　系統(tǒng)模型

本文研究的蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，M2M終端設(shè)備均勻分布在以基站為中心ro為半徑的通信覆蓋范圍內(nèi)，而不考慮蜂窩外干擾.設(shè)備單位時(shí)間上行傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量服從均值為λ的泊松分布.在資源管理上，本文定義一個(gè)時(shí)分系統(tǒng)，每時(shí)隙周期為τs.利用如圖2所示的典型的時(shí)頻資源模塊（時(shí)隙周期τs、帶寬W），每個(gè)資源模塊中傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)目滿足Na～Pois（λτs），每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為L(zhǎng)，單位為bit.

圖1　系統(tǒng)模型Figure 1 System model

圖2　時(shí)頻資源模塊Figure 2 Time-frequency resource

假設(shè)基站在先前的隨機(jī)接入信道階段已了解到完整的信道狀態(tài)信息.要發(fā)送數(shù)據(jù)包的M2M終端均在每一時(shí)隙周期開始時(shí)向基站發(fā)送請(qǐng)求，基站根據(jù)終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)量及信道狀態(tài)分配資源，使各個(gè)設(shè)備正交上傳信息（信號(hào)開銷暫未在本文中考慮）.所有數(shù)據(jù)包必須在當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送完畢，否則視為無效.因此，每個(gè)數(shù)據(jù)包占用的時(shí)間資源不超過τs.

設(shè)定基站接收到距離中心基站為r的M2M終端信號(hào)強(qiáng)度大小

式中，Pt為M2M終端上行傳輸發(fā)射功率，γ為路徑衰落系數(shù)，h和χ分別為小尺度衰落和大尺度陰影衰落系數(shù).為了簡(jiǎn)化鏈路預(yù)算，本文定義相關(guān)信噪比（signal-to-noise，SNR）μ為平均接收信噪比，μ為蜂窩網(wǎng)邊緣處M2M終端（即距離為ro）以最大發(fā)射功率Pmax占用帶寬為W、單位天線增益、小尺度衰落和大尺度陰影衰落取固定均值時(shí)，基站接收到的信噪比.顯然，這里把接收信噪比簡(jiǎn)化為一個(gè)取決于發(fā)射功率和距離的變量.因此，可以定義基站接收到距離基站為r，發(fā)射功率為Pt時(shí)的信噪比μr為

值得注意的是相關(guān)信噪比與信號(hào)帶寬也有關(guān)系，噪聲功率取決于帶寬.當(dāng)傳輸帶寬WN＜W，其相關(guān)信噪比μN(yùn)可寫成關(guān)于μ的表達(dá)式.為保證可靠傳輸，WN應(yīng)大于最小所需帶寬Wmin

在上行傳輸時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)包的L位信息符號(hào)的帶寬和時(shí)間取決于不同的資源分配策略，如式（5）和（6）所示：

假設(shè)在理想編解碼條件下，根據(jù)香農(nóng)公式得到τ、WN與接收信噪比μr的關(guān)系為

根據(jù)式（3）和（5），可得出在TDMA和FDMA傳輸策略下，終端設(shè)備在最大發(fā)射功率條件下傳輸L bit信息所需的最小時(shí)間和最小帶寬

為了便于優(yōu)化計(jì)算，定性地比較不同接入策略的增益大小，本文參照文獻(xiàn)［15］將數(shù)值變量定義如下：μ=-3 dB，Pmax=1 W，ro=1 000 m，γ=3，W=10 kHz，τs=1 s.忽略小尺度和大尺度陰影衰落，設(shè)定每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度L為100 bit.

2　最大負(fù)載增益

假設(shè)上行連接已在隨機(jī)接入階段建立，這樣基站在每一時(shí)隙開始時(shí)就知道系統(tǒng)中所有M2M設(shè)備的上行信道信息.根據(jù)式（8）和（9）可知，在給定的時(shí)頻資源模塊中，必然會(huì)有基站所能接收數(shù)據(jù)包的最大負(fù)載.根據(jù)式（2）的定義，設(shè)備的信道增益取決于其到中心基站的距離.向基站傳輸相同長(zhǎng)度的信息，邊緣設(shè)備相對(duì)于靠近基站的設(shè)備必然會(huì)消耗更多資源.本文在容許休眠模式下提出一種基于智能丟包［16］的貪婪算法，當(dāng)Na超過系統(tǒng)最大負(fù)載時(shí)，停止部分處于深衰落邊緣設(shè)備的上傳發(fā)送，暫時(shí)進(jìn)入休眠模式，于是將節(jié)省下的資源最大可能地分配給靠近基站設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載的大幅提升.

2.1TDMA最大負(fù)載

式中，K為系統(tǒng)實(shí)時(shí)負(fù)載.然而，當(dāng)存在部分信道增益較小的數(shù)據(jù)包（δNa）“丟棄”時(shí)，E［τmin］只是剩余隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)平均值.當(dāng)δ→0時(shí)，式（10）右側(cè)取等號(hào)，最大負(fù)載λmax可表示為

式中，Kmax為基站最大承受終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的用戶數(shù).

2.2FDMA最大負(fù)載

同理，F(xiàn)DMA最大負(fù)載為

由式（11）和13）可計(jì)算出：當(dāng)δ=0時(shí)，TDMA與FDMA的最大負(fù)載分別為120與1 350.

圖3　時(shí)頻資源模塊Figure 3 Load gain of TDMA

圖4　TDMA負(fù)載增益Figure 4 Load gain of FDMA

在理想條件下，即資源時(shí)頻資源充足時(shí)，設(shè)備需發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目應(yīng)與基站接收包數(shù)目相等.然而，由于資源有限，當(dāng)數(shù)據(jù)包達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，基站無法接受全部數(shù)據(jù)包而引發(fā)丟包.采用智能丟包的貪婪算法時(shí)，TDMA和FDMA負(fù)載增益如圖3和4所示.從圖中可看出，TDMA與FDMA開始智能丟包時(shí)的最大負(fù)載仿真值（理想條件與智能丟包曲線開始出現(xiàn)差距的某點(diǎn)）接近理想條件時(shí)的理論推導(dǎo)值.讓遠(yuǎn)離基站的邊緣設(shè)備停止發(fā)送數(shù)據(jù)包，進(jìn)入休眠狀態(tài)，則同樣的資源可以讓更多接近基站的M2M終端上傳信息，從而達(dá)到提升負(fù)載的目的.在不同休眠率情況下，TDMA、FDMA負(fù)載增益對(duì)比見表1.從表1中可看出，在同樣休眠概率情況下，TDMA的最大負(fù)載提高比例大于FDMA的最大負(fù)載提高比例.理想條件曲線與智能丟包曲線差距越來越大，這是因?yàn)殡S著發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目的增多，可平均分配資源逐漸減少，而且越靠近基站的設(shè)備丟包后所節(jié)省下的資源也越有限，基站最大接收數(shù)據(jù)包數(shù)目的增幅也變緩.

表1　TDMA、FDMA負(fù)載增益Table 1 Load gain of TDMA and FDMA

3　無休眠模式下的網(wǎng)絡(luò)壽命性能

在基于節(jié)點(diǎn)可用性的定義方法中，最常用的是將網(wǎng)絡(luò)壽命定義為從開始工作至其中第1個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡所維持的時(shí)間［18］.此時(shí)，無需考慮因網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)能量耗盡而導(dǎo)致的拓?fù)渥兓瘑栴}.因此，最大化網(wǎng)絡(luò)壽命轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)中第1個(gè)耗盡能量的節(jié)點(diǎn)壽命，顯然本文模型的資源分配要重點(diǎn)保證邊緣終端數(shù)據(jù)傳送.

文獻(xiàn)［15］針對(duì)平均傳輸功率及平均每數(shù)據(jù)包傳輸能量最小化的優(yōu)化目標(biāo)，提出了平均功率最小資源分配算法，但均值的最小化不能保證邊緣設(shè)備能耗最優(yōu).TDMA平均功率最小資源分配優(yōu)化模型可表示為

FDMA平均功率最小資源分配優(yōu)化模型可表示為

基于平均功率的最優(yōu)化資源分配無法滿足邊緣設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間工作.在網(wǎng)絡(luò)壽命取決于邊緣設(shè)備的情況下，必須把資源優(yōu)先配置給邊緣設(shè)備，建立最小-最大法優(yōu)化模型如式（16）和（17）所示，利用KNITRO優(yōu)化庫(kù)函數(shù)最小化終端設(shè)備發(fā)送能量的最大值.

TDMA資源分配，即求得｛τs，τs···，τK｝，其中τi表示第i個(gè)設(shè)備占用帶寬為W時(shí)上傳L bit所用時(shí)間

同理，F(xiàn)DMA把可用帶寬W分成K份

圖5　TDMA網(wǎng)絡(luò)壽命比較Figure 5 Comparison of network lifetime of TDMA

圖6　FDMA網(wǎng)絡(luò)壽命比較Figure 6 Comparison of network lifetime of FDMA

優(yōu)化問題（16）、（17）的限制條件與（14）、（15）相同，將優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)改為設(shè)備中發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大功率值.在該網(wǎng)絡(luò)壽命定義下，假設(shè)K個(gè)M2M終端設(shè)備隨機(jī)分布在基站覆蓋的通信范圍內(nèi)，每個(gè)設(shè)備在一個(gè)時(shí)隙周期向基站發(fā)送1個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng) bit的數(shù)據(jù)包，當(dāng)其中任一個(gè)設(shè)備由于能量耗盡而無法繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命宣告結(jié)束.

在不同上傳方案情況下，TDMA、FDMA網(wǎng)絡(luò)壽命比較如圖5和6所示.對(duì)比算法為平均功率最小方案和資源平均分配方案，其中平均功率最小方案來源于文獻(xiàn)［15］，資源平均分配方案在TDMA模式下為時(shí)間平均分配，在FDMA模式下為頻帶平均分配.可以發(fā)現(xiàn)平均分配資源隨著終端設(shè)備數(shù)量的增多而減少，網(wǎng)絡(luò)壽命逐漸減小.最小-最大法資源分配方案由于保證了邊緣設(shè)備的資源優(yōu)先配置，避免了個(gè)別邊緣能量耗盡而使網(wǎng)絡(luò)壽命結(jié)束的情況.因此，最小-最大法資源分配方案明顯優(yōu)于平均功率最小方案和資源平均分配方案，可以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的.

4　容許休眠模式下的網(wǎng)絡(luò)壽命性能

4.1基站集中式的動(dòng)態(tài)資源分配

上述網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化是在δ=0，即無休眠模式的前提下實(shí)施的，而實(shí)際應(yīng)用中基站容許部分設(shè)備暫停通信.本文第3節(jié)已討論了休眠率與負(fù)載增益問題.在網(wǎng)絡(luò)壽命的優(yōu)化中，也可以利用休眠策略，通過基站集中式動(dòng)態(tài)資源配置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命的延長(zhǎng)，流程如圖7所示.當(dāng)M2M終端設(shè)備數(shù)目K未達(dá)到最大負(fù)載時(shí)，初次通信允許所有M2M設(shè)備接入.上傳完K個(gè)數(shù)據(jù)包后，各終端設(shè)備剩余能量為E1，E2，···，EK.將各終端剩余能量排序，處于后δNa的設(shè)備在下一輪通信中處于休眠狀態(tài).經(jīng)過一個(gè)時(shí)隙周期后，再對(duì)各終端節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行排序，以確定下一時(shí)隙周期通信需休眠的設(shè)備.

為了保證大量M2M的有效接入，設(shè)定δNa=5.在不同上傳方案情況下，TDMA和FDMA中容許休眠時(shí)的網(wǎng)絡(luò)壽命比較如圖8和9所示.可以發(fā)現(xiàn)，若將剩余能量與休眠相結(jié)合，則可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)壽命.這是因?yàn)橥ㄟ^實(shí)時(shí)資源分配，可以保護(hù)剩余能量最差的若干終端設(shè)備，使得所有M2M終端設(shè)備的剩余能量能夠均勻下降，實(shí)現(xiàn)了資源利用的最大化.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)不同的上行傳輸方式需要不同的資源分配方案，TDMA資源配置中平均功率最小法能最大化網(wǎng)絡(luò)壽命，而在FDMA中最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的是最小-最大法.

圖7　容許休眠的資源動(dòng)態(tài)規(guī)劃圖Figure 7 Dynamic resource plan of dormancy allowed

4.2設(shè)備分布式的動(dòng)態(tài)資源分配

盡管基站集中式分配資源可顯著延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，提高能量利用率，然而實(shí)時(shí)分配資源必然會(huì)在每個(gè)時(shí)隙周期都產(chǎn)生一定量的信號(hào)開銷.雖然本文未考慮信號(hào)開銷的問題，但是在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)大量M2M終端設(shè)備接入時(shí)，基站有限的處理能力會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲.因此，針對(duì)基站運(yùn)算處理能力有限以及優(yōu)化運(yùn)算復(fù)雜的情況，本文又提出了一種基于終端設(shè)備分布式機(jī)會(huì)上傳的策略.

在分布式資源配置方案中，K個(gè)終端設(shè)備平均分配時(shí)間/頻帶資源，各設(shè)備根據(jù)自身位置建立一個(gè)關(guān)于距離的概率函數(shù)，并在每個(gè)時(shí)隙周期中按照概率隨機(jī)上傳信息.顯然，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，邊緣設(shè)備的上傳概率小于距基站距離較近的設(shè)備，其概率函數(shù)為

圖8　容許休眠時(shí)TDMA網(wǎng)絡(luò)壽命比較Figure 8 Comparison of network lifetime of TDMA with dormancy allowed

圖9　容許休眠時(shí)FDMA網(wǎng)絡(luò)壽命比較Figure 9 Comparison of network lifetime of FDMA with dormancy allowed

當(dāng)設(shè)備在（0，ro）內(nèi)均勻分布時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的平均休眠率為

為了保證相當(dāng)比例M2M設(shè)備的可靠接入，設(shè)定理論休眠率δ=0.1.根據(jù)式（18）和（19）求得系數(shù)α=9.

采用分布式上行接入時(shí)，TDMA和FDMA仿真的休眠率如圖10和11所示，可知當(dāng)α= 9時(shí)，各設(shè)備隨機(jī)發(fā)送時(shí)休眠率接近理論值δ=0.1.

分布式策略給每個(gè)終端設(shè)備提供了相等且相互正交的通信資源，當(dāng)某些設(shè)備在某一時(shí)隙周期中處于休眠狀態(tài)，其占用的時(shí)間和頻率資源就會(huì)浪費(fèi).本文提出的分布式策略將基站處理的負(fù)擔(dān)最小化，以減小信號(hào)開銷帶來的影響.

在圖12和13中，取相同的休眠率δ=0.1.為了便于對(duì)比，兩種休眠模式均為資源平均分配.可以發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)備分布式機(jī)會(huì)上傳壽命的增益不如基站集中式動(dòng)態(tài)分配資源策略，但是分布式策略在實(shí)際應(yīng)用中可以避免基站實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算帶來的額外開銷.在TDMA中，分布式策略能夠帶來明顯壽命增益；在FDMA中，分布式策略在設(shè)備數(shù)目增多時(shí)的性能開始下降.可見對(duì)于FDMA，分布式機(jī)會(huì)上傳方法只適用于設(shè)備數(shù)量較少的情況.

圖10　TDMA休眠率Figure 10 Dormancy rate of TDMA

圖11　FDMA休眠率Figure 11 Dormancy rate of FDMA

圖12　TDMA分布式與集中式對(duì)比圖Figure 12 Comparison of the distributed and central of TDMA

圖13　FDMA分布式與集中式對(duì)比圖Figure 13 Comparison of the distributed and central of FDMA

5　結(jié)語

本文結(jié)合M2M通信的特點(diǎn)，研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中M2M終端設(shè)備多址接入時(shí)的資源分配問題.針對(duì)M2M隨機(jī)業(yè)務(wù)量大的特點(diǎn)，本文基于貪婪思想提出丟包的方法，換取更多接近基站的終端設(shè)備接入，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載增益的最大化.針對(duì)能量有效問題，在通信資源分配上用最小-最大法來降低邊緣設(shè)備發(fā)送能耗.在容許休眠的情況下，本文研究了一種基站集中式的動(dòng)態(tài)資源分配策略.每次上傳數(shù)據(jù)都能讓剩余能量較少的幾個(gè)設(shè)備進(jìn)入休眠模式，避免了一個(gè)設(shè)備耗盡能量時(shí)其他設(shè)備剩余大量能量的情況.通過仿真發(fā)現(xiàn)，在對(duì)時(shí)間、頻帶不同資源配置中，分別使用平均功率最小和最小-最大法可最大化網(wǎng)絡(luò)壽命.本文最后研究了基于終端設(shè)備分布式機(jī)會(huì)上傳的策略，各設(shè)備根據(jù)概率隨機(jī)通信，避免了基站因?yàn)閺?fù)雜的優(yōu)化運(yùn)算而帶來的額外開銷，特別是在TDMA中壽命增益效果明顯.

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（編輯：秦?。?/p>

Resource Allocation for Machine-to-Machine Communications with Multiple Access in Cellular Networks

LIN Qi-zhong，ZHANG Dong-mei，XU Kui，XIE Wei
College of Communications Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China

An increasing number of machine-to-machine（M2M）devices are accessing upstream of the cellular network，while the resource is limited.This paper analyzes the resource allocation problem when M2M devices multiple access upstream with time division multiple access（TDMA）or frequency division multiple access（FDMA）.An algorithm is proposed to allow sleep mode to dynamically allocate resource.By dropping a small fraction of arrivals from the devices farther out near the cell edge，the base station can increase its maximum load.While allowing dormancy and relating remaining energy with sleep mode，both the base station centrally dynamically allocating resource and devices' distributed opportunistic uploading can achieve a network lifetime longevity compared with no sleep mode.

machine-to-machine（M2M），cellular network，multiple access，resource allocation，network lifetime

TN929.5

0255-8297（2015）02-0129-13

10.3969/j.issn.0255-8297.2015.02.003

2014-05-29；

2014-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61371123,No.61301165）資助

張冬梅，副教授，研究方向：移動(dòng)通信，E-mail：zhangdm72@163.com