一种基于NB—IoT节点的多蜂窝网络最优选择方法

陶帅+陈宇青

摘要：提出了窄带物联网（NB-IoT）中一种基于全局收益最大的网络选择方法，将各个切换时刻的瞬时收益的和转化为状态空间上瞬时收益的和。因此，在各个切换时刻，节点只需收集当前的网络状态信息就可计算出切换的目标网络，达到全局最优。仿真结果表明，使用本方法在业务持续时间内的全局收益要大于使用传统方法的最大瞬时收益的和。从而保证了物联网节点业务的服务质量（QoS），提高了网络利用率。

关键字：物联网；全局收益；状态空间；切换

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

隨着需求的提升和技术标准的成熟，物联网行业进入爆发期。据预测，到2020年，全球物联网设备将接近280亿个，物联网市场将实现超过1.7万亿美元的营收[1]。物联网的通信技术有很多种，从传输距离上区分，可以分为两类：一类是短距离通信技术，代表技术有ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave[2]等，典型的应用场景如智能家居；另一类是广域网通信技术，业界一般定义为低功耗广域网（LPWAN）[3]，典型的应用场景如交通、物流、健康医疗、零售、抄表、智慧农业和工业制造等领域。窄带物联网（NB-IoT）[4]即是2015年9月在第3代合作伙伴计划（3GPP）标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信LPWAN技术。

NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于全球移动通信系统（GSM）网络、宽带码分多址（WCDMA）网络和长期演进（LTE）网络中[5]，以降低部署成本，实现平滑升级。支持待机时间长，对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT具有广覆盖、多连接、低速率、低成本、低功耗、优架构等特点，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

目前，NB-IoT的研究集中在优化部署模式，增强覆盖，减少网络时延和降低功耗等方面。如在文献[6]中，作者着重描述了NB-IoT网络节点的上下行信道划分以及频率资源分配。在文献[7]中，作者分析了NB-IoT不同模式下的节点通信性能、覆盖范围以及功耗。文献[6-7]都是把NB-IoT部署在LTE网络中进行讨论的，然而实际上NB-IoT往往是部署于GSM网络、WCDMA网络和LTE网络组成的异构网络中。不同制式的网络有着不同的网络容量、带宽和开销，NB-IoT节点传输不同速率的数据时切换到最适合的网络能有效减少系统开销，提高网络效率，这就产生了网络选择的决策问题。节点的业务类型、网络的状况以及系统表现都是影响决策的因素，而进行决策带来的益处是网络负载的均衡和系统开销的降低。这些收益随时间改变因而是瞬时收益，业务持续时间内各决策时刻瞬时收益的和称为全局收益。全局收益最大则网络选择的决策最优。文献[8-10]中分别使用了博弈论、决策树和层次分析的方法解决异构网络中的网络选择决策问题，但这些方法都着眼于决策时刻的瞬时收益而非全局收益，会出现各个决策时刻瞬时收益最大但是全局收益并非最大的情况。对于这类情况，文章中我们提出了一种基于全局收益最大的网络选择方法，将各个切换时刻的瞬时收益的和转化为状态空间上瞬时收益的和，使得NB-IoT中的物联网节点业务通信全局收益最大，从而保证了节点的业务质量，提高了网络效率。

1 基于全局收益最大的网络

选择方法

NB-IoT基站侧可以直接使用现网的LTE站点和设备，带内部署模式可以利用LTE载波中任意频段的资源块传输数据，无需使用单独的频带。文章中，我们提出的全局收益最大的网络选择方法正是基于NB-IoT节点可以通过2G/3G/4G网络的频带来传送业务信息这一特点，实现节点根据不同速率业务来切换不同的传输网络，从而达到降低系统开销的目的。接下来我们对基于全局收益最大的网络选择方法进行讨论分析。

1.1 瞬时收益和全局收益

我们讨论的是由GSM网络、WCDMA网络、LTE网络构成的异构网络中，物联网节点两类基本的通信业务：极低速率业务（如上传天气测量数据等）和中等速率业务（如软件更新等）的收益情况。使用网络提供速率和网络的剩余带宽作为瞬时收益，可以较好地反映节点业务质量和网络负载均衡。显然，瞬时收益依赖于当前状态。