基于节点机会角色转换的M2M上行通信策略*

林启中，许 魁，谢 威，张冬梅

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

基于节点机会角色转换的M2M上行通信策略*

林启中，许 魁，谢 威，张冬梅

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

针对M2M(Machine-to-Machine,机器通信)网络，终端节点上行通信过程中多网关节点并存的场景，研究了该场景下的一个简化模型：一个终端节点为信源，两个网关节点竞争成为信宿，把接收到信源发送的数据转发至基站。利用角色转换思想，提出了基于本地信道状态信息的节点机会角色转换策略(ORT-L， Opportunistic Role Transition Protocol based on Local Channel State Information)，并研究了该场景下协同网络的中断概率和能量效率性能。从蒙特卡罗仿真中，证明了ORT-L角色转换策略仅仅依靠本地信道状态信息的可行性，并在性能相比于传统协同通信网络在可靠性和能量效率上有很大改善。其理论分析值与仿真结果相吻合。

M2M；角色转换；中断概率；能量效率；协同网络

0 引 言

M2M通信是未来物联网通信的主要方式之一，其显著特点就是网络中大规模的智能终端节点自适应地将监测数据自下而上传送至基站[1]。然而，考虑到终端节点自身性能的局限性，以及网络环境的多样性、复杂性。如何保证数据传输的可靠性和高能效性是M2M通信面对的重要挑战之一[2]。而协同网络利用虚拟MIMO[3]技术，通过将其他节点的电线和自身天线构成多发射天线，使系统得到分级增益，可以有效地抵抗多径衰落及提高无线网络的性能，为M2M通信提供可靠技术保障。

随着协同通信理论的不断成熟发展，将协同网络与M2M通信技术相结合正成为现在M2M领域中的一个新的研究热点。通过多节点的相互协作，M2M网络在能量效率[4]、数据传输的可靠性上都得到了明显改善[5-6]。

在同一类型的多节点协同通信中，选择具有最优信噪比(SNR, Signal-to-Noise-Ratio)的节点可以显著提高传输的鲁棒性[7-8]。然而在多目的节点并存的协同网络中[9]，在选择最佳目的节点时，空闲的节点没有得到利用，造成通信资源浪费。此外，在通信过程中，节点的角色一直固定，没有根据信道状态的变化而改变传输路径以提高传输的可靠性。

文献[10]在协同网络中提出了角色转换方案，计算了单中继、多对信源-信宿模型中相应的中断概率，却没有深入研究节点间信道状态(CSI， Channel State Information)对系统中断概率的影响。文献[11]首次提出了中心角色转换机制，研究了不同信道状态对系统中断概率的影响。然而，获取网关节点之间的信道信息可能会带来额外时延和开销，而且提出的方案没有与传统的固定角色协同网络对比，其性能的改进程度仍然未知。

另一方面，在M2M通信中如无线传感器网络(WSNs，Wireless Sensor Networks)[12]，节点通常由电池供电，部署地区环境恶劣，补充能量极为不便。所以，系统的能量效率也是协同网络中重要参考因素之一[13]。根据文献[14-17]的研究，在不同的传输策略下可以通过调节功率大小，使数据包的中断概率维持在一定值附近。然而，在能量效率上角色转换的机制没有得到深入研究，如果根据能耗选择最优数据传输路径，可使M2M通信在通信质量不下降的情况下更加节能。

本文详细描述了基于即时本地信道状态(即终端节点与网关节点间的信道状态的ORT-L策略。在协同网络模型中，两个网关节点通过相互竞争与唯一的信源通信。竞争的规则为：具有较大的组合信噪比的网关节点当选为信宿，负责接收信源和中继的消息，然后转发至上层基站；同时另一个较小组合信噪比的网关节点则成为放大转发中继，构成三节点的协同网络。文章分别针对功率固定信噪比变化和中断概率固定节点间距离变化两种情况分别探究了ORT-L的中断概率性能和能量效率性能，终端节点只需比较本地信道增益，向网关节点发送角色转换信息，就可实现最优路径数据传输。其中断概率性能和能量效率都比传统固定角色的协同网络有了明显提升。

1 系统模型和策略描述

1.1 系统模型

文章以M2M网络上行通信为背景。M2M终端节点由于有限的通信范围无法将监测到的数据直接发向基站，只能将数据交给上层网关节点，网关节点负责对数据进行处理再发往基站。模型对网关节点数量进行了简化，如图1所示，S要将数据上传至D1或D2中的任意一个目的节点。考虑到发往不同网关节点数据的差异性，两个上层网关节点无法同时与终端节点通信。因此，网关节点间存在竞争关系来取得与终端节点通信的机会，即只有一个网关节点可以继续作为信宿，另一个则要转变为中继接收并放大转发数据。文中假设节点都是单天线，半双工模式。信道相互对称，服从Rayleigh平坦衰落。

图1 M2M上行通信模型

(1)

角色转换形成了协同网络，使得网关节点能够获得分集增益。若D1成为信宿，则经过最大比值组合(MRC，Maximal Ratio Combing)后[18]接收的信噪比如下式所示:

(2)

同理，γ2表示D1为中继，D2为信宿的即时接收信噪比:

(3)

1.2 角色转换策略描述

在传输数据之前，应获取各个网关节点的最大组合信噪比。因此，M2M终端节点应知道包括S↔D1,S↔D2和D1↔D2在内的所有即时信道状态。对于S↔D1,S↔D2而言，S通过接收来自D1和D2的测试信号估计信道增益。然而，对于D1↔D2之间的实时监测信道状态的反馈会消耗大量系统资源[19]，另外由于反馈延迟和信道估计量化误差会导致传输分集度降低[20-21]，所以在实际中实时获取γD1D2很难达到理想效果。

因此，ORT-L中终端能获取确切变量的只有hSD1,hSD2和ΩD1D2，其中ΩD1D2为D1D2间距离的变量。其基本思想就是，在节点相对位置不变的前提下。终端节点只需通过实时监测本地信道增益，即可根据中断概率能耗最优的准则选择最佳路径传送，并通知某一网关节点实现角色转换，成为放大转发中继构造协同网络。

2 ORT-L的中断概率分析

中断概率是衡量协同网络通信质量的重要指标之一[7]。终端节点根据实时本地信道状态实现角色转换，使得系统中断概率最小化。本节首先推导了ORT-L中断概率的下界理论值，在不同的链路状态下研究系统内在性能。ORT-L策略中以D1和D2为信源的数据传输速率分别为R1和R2，其表达式如式(4)、式(5)所示:

(4)

(5)

由于ORT-L策略使用两个时隙完成数据传送，所以式(4)、式(5)中前置系数取1/2[22]。由于两个数据流机会交替，所以系统的数据传输速率定义为

(6)

根据式(2)、式(3)，利用文献[18]的不等式推导出各自的下界中断概率:

(7)

(8)

根据信道增益变化，列举了4种情况：

(9)

(10)

(11)

(12)

根据定义：当系统的最大平均互信息量小于已设定的端到端频谱利用率R0bit/s/Hz时，系统中断数据传送。因此，在ORT-L策略中，中断概率表达式如下式所示:

(13)

情况1：γSD1>γSD2

(14)

式(14)中变量φ展开如下：

(15)

当y+z≤τ时，可求得:

φ=FγD1D2(z)+(1-FγD1D2(z))=1

(16)

当y+z>τ时，得到:

(17)

同理，情况2：γSD2>γSD1

(18)

(19)

(20)

将式(19)和式(20)合并，得到：

(21)

首先计算A1+A3

(22)

将式(22)泰勒级数展开，舍弃高阶项。得到的数值结果将证明式(22)非常逼近系统实际中断概率，特别是在高信噪比条件下曲线接近重合。

(23)

同理根据泰勒展开，得到A2和A4

(24)

(25)

3 ORT-L的能量效率分析

上一节中，终端节点在功率固定情况下通过角色转换可实现传输可靠性最大化传输。本节中，假定系统有一中断概率目标，节点功率可调，在达到相同系统目标中断概率的情况下，终端节点选择传输功率最小的作为数据传输方向。

例如当D2为中继，D1为信宿时，设定三个节点传输功率相等都为P1，系统中断概率如下式所示：

(26)

由于终端节点S在发送数据前已知hSD1,hSD2和ΩD1D2,的具体数值，所以式(26)改写成：

(27)

根据参数间相互关系，考虑传输功率P1的三个可能存在的范围：

(28)

(29)

由于中断概率Pout∈(0,1)，所以P1也不在此范围。

(30)

对于固定中断概率，终端节点只有算出必要的最小传输功率，这里定义：

A=-log(1-Pout)×ΩD1D2

(31)

则可以算出P1的表达式如下：

(32)

根据上式可算出P1的理论结果：

(33)

(34)

(35)

将式(33)简化如下[24]：

(36)

同理，D1为中继，D2为信宿时，节点传输功率都为P2用同样方法推导。

(37)

(38)

设定B为数据传输带宽，数据传输速率Rb=R0×B，平均每比特能量消耗定义如下：

(39)

(40)

4 仿真结果

图2描绘了ORT-L中断概率随着信噪比变化的曲线。从图2中可看出理论下界中断概率值逼近仿真结果。另外，在高信噪比区域，系统的中断概率取决于终端节点和网关节点之间的信道状态，和网关节点之间的信道状态关系不大。这说明了监测本地信道状态实现最优路径选择的可行性。

图2 ORT-L中断概率变化曲线

图3对比了ORT-L和“Centralized Role Selection”[4]的中断概率性能。从图3中可发现ORT-L仅依据本地信道状态检测，避免了复杂的计算和多余的信号开销，在中断概率性能上几乎可以达到相同的效果。

图3 ORT-L与Centralized Role Selection的中断概率对比

图4对比了ORT-L与传统固定角色协同网络[11]的中断概率性能。根据节点不同距离考虑两种情况1)D1D2=0.7,SD1=0.3,SD2=0.8；2)D1D2=0.8,SD1=0.7,SD2=0.3。S-D1-D2代表D1固定作为中继，D2为信宿；同理，S-D2-D1代表D2固定作为中继，D1为信宿。可以发现，无论节点间距离变化，ORT-L策略始终能保证中断概率性能最优。

图4 ORT-L与固定角色中断概率对比

图5描绘了ORT-L与传统固定协同网络的传输功率对比图，设定的目标中断概率为10-3。为了研究距离与能耗的关系，文章简化模型，3个节点S,D1,D2在一条直线上。D1在另外两节点之间，将SD2之间的距离归一化。从图5中可看到随着距离的改变，理论值逼近仿真结果，特别是在两个网关节点靠近时，理论值和仿真结果几乎完全吻合。显然，ORT-L利用角色转换实现了最优功率传输数据。此外，还能发现不仅在中断概率上，在能量效率上，系统受到终端节点和网关节点之间的链路状态的影响比网关节点间更大。

图5 ORT-L与固定角色传输功率对比

(41)

实现节点的角色转换，信号开销不可避免。图6仿真过程中假设信号开销占总能耗的10%(当然实际中，信号开销不需要如此多的能量，这里做充分估计)，根据式(41)对比了传送单位比各节点特总能量。从图6中可看出尽管需要测试信号来完成角色转换的判断，但是ORT-L仍然显示了其在能量上的最优性，可以证明ORT-L将成为M2M通信中一种重要的绿色通信方式之一。

图6 ORT-L与固定角色每比特传输能量对比

在图7和图8中设定Prelay=aPsource，考虑到网关节点和终端节点的异构性，即传输功率不在相等而是构成比例。

图7 终端节点传输功率变化曲线

当参数“a”变大时，即网关节点占有系统总功率比例增加是，达到相同的目标中断概率10-3时，终端节点的传输功率和系统平均每比特所需能耗都能降低，可以延长节点的网络寿命，提高能量效率。

图8 网络平均每比特传输能量变化曲线

5 结 语

文章针对M2M网络的某一特定上行通信模型，提出了ORT-L策略，通过角色转换实现了数据自适应最优传输。取决于终端节点-网关节点的信道状态(本地通信链路状态)，任一个网关节点可转换为中继，另一个继续充当信宿，构成动态协同网络。在功率固定的条件下，只需根据本地信态，终端节点即可告知网关节点角色转换信息，实现可靠传输。另外，在高信噪比条件下，证明了系统的中断概率主要取决于本地信道状态。在中断概率固定，功率可调的条件下，终端节点根据本地信道状态和网关节点间距离亦能实现能耗最低路径传输。当终端节点和网关节点传输功率构成比例时，提高网关节点所占总功率比，可显著减少能耗，达到延长网络寿命的目的。

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National Natural Science Foundation of China(No.61371123)

M2M Uplink Communication Strategy based on Opportunistic Role Transition

LIN Qi-zhong, XU Kui, XIE Wei, ZHANG Dong-mei

(College of Communications Engineering, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007, China)

For M2M (Machine-to-Machine) uplink communication network where multiple gateway nodes coexist with only one terminal node, a simplified model of this scenario is studied: a terminal node as the source, two gateway nodes competing to be the sink which transmits the data to the base station after receiving message. By considering the idea of role transition, an ORT-L protocol(Opportunistic Role Transition Protocol based on Local Channel State Information) is proposed, and outage probability and energy efficiency performance of the proposed ORT-L protocol also studied. Monte Carlo simulations indicate the feasibility of ORT-L solely with local channel state information. In addition, this ORT-L protocol enjoys a better performance of reliability and energy efficiency as compared with the traditional cooperative communication network. Theoretical analyses are fairly identical with simulation results.

M2M; role transition; outage probability; energy efficiency; cooperative network

date:2014-11-01；Revised date：2015-02-10

2014年国家自然科学基金面上项目(No.61371123)

TN925

A

1002-0802(2015)04-0414-09

林启中(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为协同通信、计算机网络；

许 魁(1982—)，男，讲师，主要研究方向为网络编码；

谢 威(1977—)，男，讲师，主要研究方向为认知无线电；

张冬梅(1972—)，女，博士，副教授，主要研究方向为新一代无线通信系统。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.008

2014-11-01；

2015-02-10