一種機器類型通信設備的帶寬配置方法

李銀明，王　淼

(中國人民解放軍63713部隊，山西 五寨 036204)

?

一種機器類型通信設備的帶寬配置方法

李銀明，王淼

(中國人民解放軍63713部隊，山西 五寨 036204)

機器類型通信設備(Machine Type Communication Device，MTCD)的成本與系統(tǒng)帶寬密切相關，如何配置帶寬以達到節(jié)約終端成本的效果，使得帶寬的使用效率最大化十分重要。通過對終端成本模型進行數(shù)值建模，可以揭示帶寬與成本之間的數(shù)學關系，在第3代通用移動通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System， UMTS)中對MTCD成本進行數(shù)學建模，提出了一種基于成本效率的帶寬優(yōu)化方法。對該算法進行了理論分析和計算機仿真發(fā)現(xiàn)，所提帶寬選擇方法能夠最大化單位成本的效益。仿真結(jié)果表明，MTCD的成本得到有效降低，并且功耗不會顯著提升。

機器類型通信；成本效率；帶寬；功耗；第3代通用移動通信系統(tǒng)

0　引言

UMTS[1]作為一種成熟的無線通信系統(tǒng)，在商業(yè)上已經(jīng)取得了非常成功的應用；另一方面，機器類型通信[2](Machine Type Communication，MTC)技術的發(fā)展使得未來生活變得更為便捷和智能。MTC技術也被稱作機器與機器(Machine to Machine， M2M)通信技術，是一種使得機器與機器之間進行有效的通信傳輸并且可以盡量減少人工干預的技術，可以使機器與機器之間得到良好的合作，從而極大地提高生產(chǎn)效率。M2M通信與人與人通信特點有很大不同：一方面，機器類型通信網(wǎng)絡中的終端數(shù)量比人與人通信網(wǎng)絡中的終端數(shù)量多得多[3]；另一方面，運營商從單個MTCD上能得到的利潤偏低[4]。學術界對M2M通信進行了許多研究。例如，對上行M2M通信中的擁塞控制和接入資源分配進行了研究[5]，對M2M通信覆蓋增強手段進行了研究[6]。文獻[7]指出， MTCD需要滿足低成本的需求原因。此外，還需要設計更為強大的節(jié)能技術以維持MTCD長期穩(wěn)定的通信[8-9]。

射頻單元的成本大約占MTC 用戶設備總成本的40%。因此，降低MTC設備成本的有效方法之一是降低MTC設備的帶寬。但是降低帶寬也會降低傳輸速率，這會增加業(yè)務傳輸時間，使得MTC設備的能耗增加。目前尚未出現(xiàn)對MTC合理帶寬配置進行研究的文獻。本文主要研究UMTS系統(tǒng)M2M通信系統(tǒng)中的成本和帶寬優(yōu)化問題。首先，將提出一種UMTS M2M終端成本模型的數(shù)值建模方法，揭示了帶寬與成本之間的數(shù)學關系；利用成本的數(shù)學模型可以量化成本評估，并為帶寬選擇帶來啟示意義。基于該成本模型，提出了一種效用函數(shù)——成本效率來衡量M2M終端成本和服務速率之間的性能折中，并據(jù)此提出一種基于成本效率的M2M帶寬優(yōu)化方法。通過理論分析和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所提算法能夠最大化單位成本帶來的效益，有效地降低成本，并且不會帶來MTCD功耗的顯著提升。

1　數(shù)學模型及問題形成

1.1系統(tǒng)模型

根據(jù)香農(nóng)公式可以得到機器類型通信設備在設備帶寬W下的理論傳輸速率為：

(1)

式中，W為機器類型通信設備的設備帶寬；MCL為機器類型通信設備的最大耦合損耗，典型取值為160.7 dB；ηUL為通用移動通信系統(tǒng)的上行負載因子，典型取值為0.75；P為機器類型通信設備的最大發(fā)射功率，典型取值為23 dBm；SF為擴頻因子，典型取值為4；N0為噪聲功率譜密度，典型取值為-174 dBm/Hz；Γ為香農(nóng)公式與實際編碼調(diào)制的鏈路性能之間的誤差倍率，通常取值為1.2～1.3。

1.2成本模型

為了揭示帶寬與成本之間的數(shù)學關系，利用成本的數(shù)學模型量化成本評估，并為帶寬選擇帶來啟示意義，需要對M2M終端成本進行數(shù)學建模。根據(jù)文獻[4]中的仿真結(jié)果，可以認為成本與帶寬之間呈線性關系。因此，UMTS M2M通信系統(tǒng)中的終端成本可以用式(2)建模：

(2)

式中，Cw為單位帶寬成本；Ct為單位傳輸塊大小帶來的成本；Cnon_BB為基帶中其余部分的成本；而CRF為射頻的成本；W為帶寬；TTI為每個子幀的時長(2 ms)；M為最大調(diào)制等級；N為最大碼道數(shù)；SF為擴頻因子。

1.3問題形成

傳統(tǒng)UMTS系統(tǒng)單個載波的帶寬為5 MHz,對于M2M通信來說不需要這么大的帶寬。為了使得帶寬資源得到更好的利用，需要對系統(tǒng)帶寬進行優(yōu)化，以提高帶寬的使用效率。為此提出一種稱為成本效率(Cost Efficiency，CE)的效用函數(shù)，等于終端速率與終端成本之間的比值：

(3)

如果運營商得到的收益與速率成正比的話，那么成本效率的物理意義就可以解釋為運營商由單位成本所能得到的收益。因此，最大化成本效率就能最大化運營商的收益。建立如下的優(yōu)化問題：

(4)

低成本和低能耗是M2M終端設計的兩大重要指標，而在M2M終端的設計中，成本與功耗之間是存在折中的。減小帶寬會降低M2M業(yè)務傳輸?shù)乃矔r速率，增加傳輸時間，從而增加了總能耗，因此提出的成本效率函數(shù)體現(xiàn)了這兩者之間的折中關系。

2　帶寬配置算法

步驟1：固定變量N，并做變量代換

那么,可以得到如下擬凹問題：

(5)

式中，

由分數(shù)優(yōu)化[10]和lambert函數(shù)的性質(zhì)[11]可以解得：

(6)

式中，

步驟2：固定變量W，可以解得：

(7)

式中，

不同的是，式中：

步驟3：重復步驟1和步驟2，直到算法收斂，即可求出最優(yōu)帶寬W和最大碼道限制N。

3　仿真結(jié)果

本文使用Matlab作為計算機仿真工具，對上述理論結(jié)果進行了仿真，并證明了基于成本的帶寬選擇算法的有效性。其中，路損為160.7dB，上行負載因子為0.75(對應RoT為6dB)，UE最大發(fā)射功率為23dBm，噪聲功率譜密度為-174dBm/Hz，RF成本為40%，基帶成本中的Cnon_BB、Cw、Ct分別為6.7%、40%和13.3%，最大TBS限制TBSorg為11 848，調(diào)制等級M為1(BPSK)，TTI長度為2ms。

考慮一種典型的M2M業(yè)務，如醫(yī)用傳感器，典型數(shù)據(jù)包大小為128bytes，傳輸時延為60s。首先給出在不同擴頻因子下基于成本的最優(yōu)帶寬和用戶碼道限制的具體數(shù)值如表1所示。

表1　不同擴頻因子下的成本最優(yōu)帶寬和最優(yōu)碼道限制

然后，再給出在不同擴頻因子下基于成本的最優(yōu)帶寬的變化趨勢，如圖1所示?？梢钥闯?，在一個很大的擴頻因子變化的范圍內(nèi)，最優(yōu)帶寬在30～50kHz以內(nèi)；另外，最優(yōu)帶寬隨著擴頻因子的增加而增加。這是由于根據(jù)成本模型，當擴頻因子SF增大時，相同帶寬下所能支持的TBS大小會減小，這會使得終端成本降低；另一方面，帶寬增大能夠提高用戶的傳輸速率，因此系統(tǒng)會傾向于選擇更高的傳輸帶寬來提高成本的利用效率。

圖1　成本效率最優(yōu)帶寬選擇

如果將3.84MHz下的成本視為100%，那么得到最優(yōu)帶寬下的成本節(jié)約如表2所示。

表2　不同擴頻因子下的最優(yōu)帶寬帶來的成本節(jié)約

由此帶來的成本效率的提高如表3所示。

可以看到，將UMTS系統(tǒng)帶寬由3.84M降低至30～50kHz后，可以帶來約50%的成本節(jié)約，并且如果將效益和用戶速率視為正比，此時單位成本帶來的效益將會翻番。由此可見，所提出的基于成本效率的帶寬選擇方法能夠極大地節(jié)約終端成本，并且還能提高終端成本的利用效率。

表3　不同擴頻因子下的最優(yōu)帶寬帶來的成本效率的提升

表4給出以帶寬為3.84M的能耗為基線時，不同帶寬配置下的相對能耗比較。由于M2M業(yè)務傳輸速率一般為1～100kbps，因此對比方案設置帶寬為1kHz。可以看到，在最優(yōu)帶寬模式下，耗能相比帶寬為3.84MHz時只有略微增加，而對終端成本有明顯的降低。而帶寬為1kHz時耗能卻有明顯的增加，因此上述方案相對于1kHz時有明顯的節(jié)能效果。

表4　不同帶寬配置下的能耗比較

4　結(jié)束語

本文主要研究UMTS系統(tǒng)M2M通信系統(tǒng)中的成本和帶寬優(yōu)化問題。首先，提出了一種UMTSM2M終端成本模型的數(shù)值建模方法，揭示了帶寬與成本之間的數(shù)學關系；利用成本的數(shù)學模型可以量化成本評估，并為帶寬選擇帶來啟示意義?；谠摮杀灸Ｐ停岢隽艘环N效用函數(shù)——成本效率來衡量M2M終端成本和服務速率之間的性能折中，并據(jù)此提出一種基于成本效率的M2M帶寬優(yōu)化方法；通過理論分析和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所提出的基于成本效率的帶寬選擇方法能夠最大化單位成本能夠帶來的效益，有效地降低成本，并且不會帶來MTCD功耗的顯著提升。

[1]尤肖虎，曹淑敏，李建東.第三代移動通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電子學報,1999,31(11):1 725-1 731.

[2]王藝.機器通信與網(wǎng)絡演進[J].中興通訊技術，2010,16(4):40-43.

[3]RATASUKR，TANJ,GHOSHA.CoverageandCapacityAnalysisforMachineTypeCommunicationsinLTE[C]∥IEEEVehicularTechnologyConference(VTC)Spring,2012:1-5.[4]BEALEM,MORIOKAY.SupportofLowComplexityLTETerminals,VehicularTechnologyConference[C]∥IEEEVehicularTechnologyConference(VTC)Spring,2012:1-6.

[5]林啟中,張冬梅,許魁,等.蜂窩網(wǎng)絡中M2M通信上行接入資源分配[J].應用科學學報,2015,33(2):129-141.

[6]徐少毅,秦新濤.基于LTE的窄帶M2M通信系統(tǒng)覆蓋增強研究[J].北京交通大學學報(自然科學版)2015,39(2):86-92.

[7]3GPPTR36.888,Studyonprovisionoflow-costMachine-TypeCommuni-cation(MTC)UserEquipments(UEs)BasedonLTE[S],2013.

[8]SUNLin-lin,TIANHui,XULing-ling.AJointEnergy-SavingMechanismforM2MCommunicationsinLTE-basedSystem[C]∥IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),2013:4 706-4 711.

[9]TIRRONENT,LARMOA,SACHSJ,etal.ReducingEnergyConsumptionofLTEDevicesforMachine-to-MachineCommunication[C]∥IEEEGlobalCommunicationsConference,2012:1 650-1 656.

[10]DINKELBACHW.OnNonlinearFractionalProgramming[J].ManagementScience,1967,13(7):492-498.

[11]CORLESSRM,GONNETGH,HAREDEG,etal.OntheLambertWFunction[J].AdvancesinComputationalMathematics,1996,5(1):329-359.

李銀明男，(1987—)，工程師。主要研究方向：航天測控、試驗靶場遙測和光學測量技術及相關通信技術。

王淼男，(1987—)，工程師。主要研究方向：航天通信、試驗靶場通信技術研究。

A Bandwidth Configuration Method for Machine Type Communication Device

LI Yin-ming,WANG Miao

(Unit63713,PLA,WuzhaiShanxi036204，China)

The cost of Machine Type Communication Device (MTCD) depends largely on the system bandwidth.And it is important to configure the bandwidth to save the cost of MTCD and maximize the utilization efficiency of the bandwidth.Establishing a mathematical model for the cost in terms of bandwidth can reveal the fundamental relationship between them.This paper studies the mathematical model of MTCD cost and proposes a cost efficient bandwidth configuration method for MTCD in Universal Mobile Telecommunications System (UMTS).Through the theoretical analysis and simulation,we find that the proposed algorithm could maximize the efficiency for unit cost.Simulation results show the cost of MTCD could be significantly decreased with little increase in power consumption.

machine type communication;cost efficiency;bandwidth;power consumption;UMTS

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.05

2016-05-09

TN929.5

A

1003-3106(2016)08-0019-04

引用格式：李銀明,王淼.一種機器類型通信設備的帶寬配置方法[J].無線電工程,2016,46(8):19-22.