一種基于NB—IoT節(jié)點(diǎn)的多蜂窩網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)選擇方法

陶帥+陳宇青

摘要：提出了窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）中一種基于全局收益最大的網(wǎng)絡(luò)選擇方法，將各個(gè)切換時(shí)刻的瞬時(shí)收益的和轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間上瞬時(shí)收益的和。因此，在各個(gè)切換時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)只需收集當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息就可計(jì)算出切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到全局最優(yōu)。仿真結(jié)果表明，使用本方法在業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的全局收益要大于使用傳統(tǒng)方法的最大瞬時(shí)收益的和。從而保證了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS），提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)；全局收益；狀態(tài)空間；切換

In this paper， we propose a network selection method based on the maximum global revenue for the narrowband Internet of things （NB-IoT）. The sum of instantaneous revenue in each handoff decision can be transformed into the sum of instantaneous revenue over state spaces， so that in each handoff decision， only the current network status information should be collected by nodes to calculate the target network which can achieve global optimum optimization. The numerical results show that the global revenue obtained by our proposed method is greater than the sum of the maximum instantaneous revenue using the traditional method. Therefore， the proposed method guarantees the quality of service （QoS） of the IoT and improves the network utilization.

IoT； global revenue； state space； handoff

隨著需求的提升和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的成熟，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將接近280億個(gè)，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)超過1.7萬億美元的營收[1]。物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)有很多種，從傳輸距離上區(qū)分，可以分為兩類：一類是短距離通信技術(shù)，代表技術(shù)有ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave[2]等，典型的應(yīng)用場(chǎng)景如智能家居；另一類是廣域網(wǎng)通信技術(shù)，業(yè)界一般定義為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）[3]，典型的應(yīng)用場(chǎng)景如交通、物流、健康醫(yī)療、零售、抄表、智慧農(nóng)業(yè)和工業(yè)制造等領(lǐng)域。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）[4]即是2015年9月在第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)組織中立項(xiàng)提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術(shù)。

NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)、寬帶碼分多址（WCDMA）網(wǎng)絡(luò)和長期演進(jìn)（LTE）網(wǎng)絡(luò)中[5]，以降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。支持待機(jī)時(shí)間長，對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。NB-IoT具有廣覆蓋、多連接、低速率、低成本、低功耗、優(yōu)架構(gòu)等特點(diǎn)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。

目前，NB-IoT的研究集中在優(yōu)化部署模式，增強(qiáng)覆蓋，減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和降低功耗等方面。如在文獻(xiàn)[6]中，作者著重描述了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的上下行信道劃分以及頻率資源分配。在文獻(xiàn)[7]中，作者分析了NB-IoT不同模式下的節(jié)點(diǎn)通信性能、覆蓋范圍以及功耗。文獻(xiàn)[6-7]都是把NB-IoT部署在LTE網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行討論的，然而實(shí)際上NB-IoT往往是部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、WCDMA網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。不同制式的網(wǎng)絡(luò)有著不同的網(wǎng)絡(luò)容量、帶寬和開銷，NB-IoT節(jié)點(diǎn)傳輸不同速率的數(shù)據(jù)時(shí)切換到最適合的網(wǎng)絡(luò)能有效減少系統(tǒng)開銷，提高網(wǎng)絡(luò)效率，這就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)選擇的決策問題。節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)的狀況以及系統(tǒng)表現(xiàn)都是影響決策的因素，而進(jìn)行決策帶來的益處是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均衡和系統(tǒng)開銷的降低。這些收益隨時(shí)間改變因而是瞬時(shí)收益，業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)各決策時(shí)刻瞬時(shí)收益的和稱為全局收益。全局收益最大則網(wǎng)絡(luò)選擇的決策最優(yōu)。文獻(xiàn)[8-10]中分別使用了博弈論、決策樹和層次分析的方法解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)選擇決策問題，但這些方法都著眼于決策時(shí)刻的瞬時(shí)收益而非全局收益，會(huì)出現(xiàn)各個(gè)決策時(shí)刻瞬時(shí)收益最大但是全局收益并非最大的情況。對(duì)于這類情況，文章中我們提出了一種基于全局收益最大的網(wǎng)絡(luò)選擇方法，將各個(gè)切換時(shí)刻的瞬時(shí)收益的和轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間上瞬時(shí)收益的和，使得NB-IoT中的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)通信全局收益最大，從而保證了節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)質(zhì)量，提高了網(wǎng)絡(luò)效率。

1 基于全局收益最大的網(wǎng)絡(luò)

選擇方法

NB-IoT基站側(cè)可以直接使用現(xiàn)網(wǎng)的LTE站點(diǎn)和設(shè)備，帶內(nèi)部署模式可以利用LTE載波中任意頻段的資源塊傳輸數(shù)據(jù)，無需使用單獨(dú)的頻帶。文章中，我們提出的全局收益最大的網(wǎng)絡(luò)選擇方法正是基于NB-IoT節(jié)點(diǎn)可以通過2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)的頻帶來傳送業(yè)務(wù)信息這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同速率業(yè)務(wù)來切換不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到降低系統(tǒng)開銷的目的。接下來我們對(duì)基于全局收益最大的網(wǎng)絡(luò)選擇方法進(jìn)行討論分析。

1.1 瞬時(shí)收益和全局收益

我們討論的是由GSM網(wǎng)絡(luò)、WCDMA網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)兩類基本的通信業(yè)務(wù)：極低速率業(yè)務(wù)（如上傳天氣測(cè)量數(shù)據(jù)等）和中等速率業(yè)務(wù)（如軟件更新等）的收益情況。使用網(wǎng)絡(luò)提供速率和網(wǎng)絡(luò)的剩余帶寬作為瞬時(shí)收益，可以較好地反映節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。顯然，瞬時(shí)收益依賴于當(dāng)前狀態(tài)。