物联网通信技术第9章异构网络协同通信

JennnyZhang

已于 2022-12-15 17:13:41 修改

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分类专栏：物联网通信技术原理文章标签：深度学习神经网络人工智能物联网

于 2022-12-13 16:51:58 首次发布

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本文探讨了物联网异构网络中的关键技术，包括异构网络模型、资源管理策略及协同数据传输方法。重点介绍了接入控制、网络选择算法、垂直切换过程，并分析了协同通信技术在提升网络性能方面的应用。

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9.1 异构网络模型

发展趋势：用户对数据业务和移动业务的需求日渐增加，使用户需求呈现个性化、多样化等特点。在异构多模式网络系统中，移动用户可以通过多模式多接口特性连接任一种网络。

异构网络： 指两个或以上的无线通信系统采用了不同的接入技术，或者是采用相同的无线接入技术但网络设备在网络带宽、存储/计算/处理等资源上有明显差别。 异构终端以协同自组的方式密集部署而形成异构网络，同时多种异构网络也以协同自组的方式进行互联。

泛在网络： 泛在网络来源于拉丁语Ubiquitous，从字面上看就是广泛存在的，无所不在的网络。也就是人置身于无所不在的网络之中，实现人在任何时间、地点，使用任何网络与任何人与物的信息交换，基于个人和社会的需求，利用现有网络技术和新的网络技术，为个人和社会提供泛在的，无所不含的信息服务和应用。与传统电信网络相比，泛在网络有三条显著区别：从人和人之间的网络到人和物、物和物之间的网络;从有许可的网络到无许可的网络;从单一的网络到融合的网络。

泛在网络 vs 物联网：泛在网可以看成互联网与物联网的结合，利用物联网的相关技术如通讯技术、大数据技术、云计算技术等，可以实现人与人沟通、人与物的沟通以及物与物的沟通，使得沟通不受时间、地点、自然环境等其他因素干扰，可以随时随地进行通信。泛在网范围比物联网大得多，其包含了物联网、互联网、传感网的所有内容，以及人工智能等智能控制部分。

9.2 异构网络资源管理

在异构物联网系统网络中，无线资源管理的目标包括接入控制、负载均衡、功率控制、信道分配，以及为用户提供无处不在的服务和进行无缝切换，并提高无线资源的利用率。

异构网络中无线资源管理是传统无线资源管理的一种扩充。

9.2.1 接入控制

接入控制机制就是合理控制是否允许新的用户的接入请求，以保障整个网络系统资源有效利用。

衡量接入控制算法的指标：呼叫阻塞率（CBP）、呼叫掉线率（CDP）、带宽利用率（BU）

在异构网络中，不仅仅要考虑各个网络的接入机制，更需要全局考虑，当一个网络不满足用户接入情况的时候，需要考虑另一网络是否满足，因此联合接入控制机制是十分重要的。

9.2.2 网络选择

（1）基于接收信号强度的网络选择算法

利用多项式回归算法对接收信号的强度进行预测

利用模糊神经网络来对接收信号强度进行预测

利用最小二乘算法（LMS）对接收信号强度进行预测

（2）基于历史信息的网络选择算法

利用用户连接信息（User Connection Profile，UCP）数据库用来存储以前的网络选择事件

终端需要执行垂直切换时：检查数据库中是否存在相同的网络选择记录、检查切换到该网络的持续服务时间和距离该网络的最后一次阻塞时间间隔

（3）基于模糊逻辑和神经网络的网络选择算法

由于用户对网络参数的判断往往是模糊的，而不是确切的概念，所以通常采用模糊逻辑对参数进行定量分析，将其应用到网络选择中显得更加合理。

□ 模糊系统由3个部分：模糊化、模糊推理、去模糊化组成

□ 模糊逻辑与神经网络是相互结合起来应用的，通过模糊逻辑系统的推理规则，对神经网络进行训练，得到训练好的神经网络。

□ 在垂直切换的判决时，利用训练好的神经网络,输入相应网络属性参数，选择最适合网络接入

（4）基于博弈论的网络选择算法

□ 在实际的异构网络场景下，用户和服务提供商SPs之间可以利用博弈模型来表示。

□ 物联网系统通过竞价机制来进行异构网络资源的管理这里将业务分成两种类型：基本业务、类似高质量业务

□ 基本业务的价格是固定的，而高质量业务的价格是动态变化的，它是随着服务提供商的竞争和合作而变化的。因此这里从合作博弈和非合作博弈两方面来讨论定价机制。

（5）基于优化理论的网络选择算法

□ 网络选择算法往往是一种多目标决策,对于多目标决策算法,通常是不可能使得每个目标同时达到最优，通常的做法有:
① 把一些目标函数转化为限制条件，从而减少目标函数数目;
② 将不同的目标函数规范化后，将规范化后的目标函数相加，得到一个目标函数，这样就可以利用最优化的方法，得到最优问题的解;
③ 将两者结合起来使用。

例如，可以通过限制系统的带宽，最大化网络内的所有用户的手机使用时间，即将部分目标函数转化为限制条件。

（6）基于策略的网络选择算法

□ 基于策略的网络选择指的是按照预先规定好的策略进行相应的网络操作。

□ 在网络选择中，通常需要考虑网络负荷、终端的移动性和业务特性等因素。对于车载用户通常选择覆盖范围大的无线网络,如WCDMA、WiMAX等;
对于实时性要求不高的业务，并且非车载用户通常选择WLAN接入。

9.2.3 垂直切换

□ 切换是指移动终端之间的连接从一个信道转移到另一个信道的过程。在由多种无线接入技术构成的异构无线网络中，存在着不同结构的网络之间的切换——垂直切换。

□ 垂直切换的三个阶段
① 切换发起阶段：发现现终端所处环境下可接入的网络是切换发起阶段的主要任务。为了减少网络发现过程中的能量消耗，通常采用的方法是周期性的扫描获取周围网络的信号强度值等信息。
② 切换判断阶段：切换的判决阶段要完成的任务是让用户在合适的时间选择最合适的网络进行接入。在垂直切换判决过程中，需要综合权衡各个备选接入网络的状况、用户所使用的业务的QoS需求以及MT的状态和用户的喜好等因素，进行判决。
③ 切换执行阶段：切换的执行过程中涉及了多种不同的接入网络技术，执行一个特定的换向开关控制协议，将当前的通信在从切换前的网络接入点转移到目标网络上的访问点。

9.3 协同通信技术

9.3.2 中继协同通信系统

□ 中继协同通信系统的工作模式是基站与中继之间通过协同的方式为目的节点服务，其中中继节点起到了对来自基站的信号进行接力或者放大的作用。

□ 根据中继节点的处理方式不同，中继系统可以分为放大转发AF (Amplify-and-Forward)、 压缩转发CF (Compress-and-Forward)和译码转发DF(Decode-and-Forward)等三种。

□ 按照源节点与目的节点交互信息的方式，中继系统可以分为单向中继系统和双向中继系统。

9.3.3 基站协同通信系统

□ 按照基站间协同的程度来划分，将用户数据信息存在于所有协同基站的场景称为“多基站联合发送" ,并将用户信息只存在于该用户的当前基站、协同基站之间不进行用户数据的交互、只进行必要的信道信息交互的场景称为“多基站协同传输"

□ 在干扰广播信道的协同信号处理技术中,协同的思想主要体现在两个方面: .
① 多个基站统筹考虑预编码的设计问题，例如在用户的预编码矩阵的时候，需要用到该基站和其他基站的用户之间的信道信息，而这是用户首先将需要的信道信息反馈至它所在的基站，然后通过协同基站之间的回路链路(Backhaul) 来实现信道状态信息的共享。
② 在存在有限反馈的情况下，用户可根据来自各个基站信号的强度或者时延大小来进行自适应的反馈比分配，从而提升自己乃至整个系统的性能。

□ 协同通信本质：通过协作引入一个新的信号处理维度并以此为代价提升待定用户的通信质量。

9.4 异构网络中的协同数据传输

□ 在系统中移动用户会有一个或者多个协作伙伴，多个用户之间不进行数据的交互，只进行必要的信道信息交互的场景称为“协同数据传输”。

9.4.1 队列调度

□ 队列调度算法运行在网络节点中发生拥塞现象，需要采用调度策略之处，它的任务是按照一定的服务规则对交换节点的不同输入业务流分别进行调度和服务,从多个队列中选择出下一个需要传输的分组，使所有的输入业务流能按预定的方式共享交换节点的链路带宽。

□ 队列调度算法性能评价指标：包括资源利用率、延迟特性、公平性、复杂性等。

而公平队列调度协议可以根据不同的公平指数分为五种类型。依据公平性从最大公平到最小公平依次是:硬公平调度、最大.最小公平调度、比例公平调度、混合公平调度和最大吞吐量调度。

□ 分期协同调度的分布式公平队列机制：通过建立分期协同调度模型，引入数据发送的补偿机制，将节点数据传输过程分解为发送、补偿、休眠三个时期，根据调度模型参数设计时限约束函数，限定各时期的执行时间长度，各节点根据调度模型制定的协同调度规则，从而保证数据传输的实时性要求，并实现数据包的公平传输。

9.4.2 自适应功率调整

□ 正常情况下，网络设备通过逐跳方式上传/转发数据。为减少对邻居节点的干扰同时也节省能耗，网络设备使用较低的传输功率，使得至少有一个邻居节点(网络设备)，且链路质量较稳定。

□ 对于多个邻居节点的情况，选择距离最远且链路质量较稳定的节点做为转发节点，这样就能减少到达接入网关的跳数，提高端端吞吐率。

□ 当某网络设备失效而导致某些数据传输失败时，受到影响的该失效网络设备相邻设备可以通过增大传输功率，跨过失效节点，找到前面的节点作为邻居节点。当失效节点恢复工作后，相邻的节点就降低发送功率。

9.4.3 接入子网网内协同通信

□ 物联网各接入子网需要子网内部各个网络设备之间能够进行协同通信。协同能够提供数据路径建立功能，以支持事件信息从用户终端设备传输到感知/响应设备直至网络接入设备,协同也有助于感知/响应设备的优化部署与配置，协同还可以应用于动态任务分配，选择最佳感知/响应设备来响应事件,实现感知/响应设备最优分布、边界覆盖、容错响应等。

□ 根据网络设备在网内数据传输过程中是否有层次结构、作用是否有差异，物联网路由协议可以分为平面路由协议和分层路由协议。 ① 平面路由协议中，所有网络设备具有相同的地位和功能，网络设备间协同完成感知任务。简单，健壮性好，但建立、维护路由的开销大，适合小规模接入子网。 ② 分层路由协议中，网络通常被划分成多个簇或层次，根据网络中异构网络设备在能力上的差异，对不同类型的节点分配不同的角色。扩展性好，适应大规模接入子网。

□ 以数据为中心的路由协议 ① 汇聚节点进行事件查询时，直接将对关心事件的查询命令发送到某个区域，而不是发送到该区域内的某个确定编号的节点。
② 以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。查询命令可以通过高层的具有说明性的查询语言来表达。

□ 分层路由协议

□ 基于位置信息的路由协议

① 利用节点的地理位置信息，这些路由协议能够向特定的区域或者方向传送数据，而不像以往的路由协议需要进行全网广播,根据源节点和目的节点的位置信息计算出两节点间的距离，从而可以根据通信距离调节适当的发射功率并估算出数据传输的能量消耗。
② 物联网接入子网利用GPS、粗粒度连通性、三边测量、四边测距、声源多模感知等技术对网络中设备进行定位。
③ 接入网关根据网内设备位置信息向特定区域内的感知/执行设备发布兴趣消息。

□ 多路径路由协议

① 多径路由通过利用多条路径同时参与数据传输，可以获得更大的联合带宽以及更小的端到端延时，从而满足视频监控等有高带宽低延时要求的物联网应用。
② 源节点和目的节点之间存在多条路径,分为链路不相交多路径(link-disjoint multipath)、节点不相交多路径(node- disjoint multipath)和缠绕多路径(braided multipath)三类。
③ 多径路由对于网络性能的改善主要体现在提高数据传输可靠性、增加网络吞吐量、实现网络负载平衡三个方面。