確定最優(yōu)占空比以使總能量消耗最小化的通信系統(tǒng)和方法技術(shù)方案

提供了一種包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和資源受限節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括：控制器，其可操作以針對所述資源受限節(jié)點(diǎn)的各種工作模式估計最優(yōu)占空比，以使所述資源受限節(jié)點(diǎn)的總資源消耗最小化；以及發(fā)射機(jī)，其可操作以向所述資源受限節(jié)點(diǎn)通知所估計的最優(yōu)占空比的參數(shù)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)總體上涉及一種通信系統(tǒng)和方法，更具體而言，但并非排它地涉及用于確定最優(yōu)占空比以使通信網(wǎng)絡(luò)中資源受限節(jié)點(diǎn)中消耗的總能量最小化的系統(tǒng)和方法。
技術(shù)介紹
機(jī)器到機(jī)器(M2M)網(wǎng)絡(luò)和裝置的數(shù)量正在增長，并被規(guī)劃成在數(shù)量上超過現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。不過，現(xiàn)有的個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)標(biāo)準(zhǔn)，例如IEEE802.15.4和Zigbee，不足以處理如此大量的業(yè)務(wù)，尤其是在通信距離增大且功率減小的時候。這些網(wǎng)絡(luò)被期望覆蓋各種各樣的應(yīng)用，略舉數(shù)例，有智能電能表、溫度/話務(wù)量監(jiān)測、身體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)自動化。機(jī)器到機(jī)器通信中要考慮的一個重要因素是傳感器節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)中甚至其他資源受限節(jié)點(diǎn)的電池壽命。希望用于機(jī)器到機(jī)器通信的傳感器節(jié)點(diǎn)的電池壽命應(yīng)當(dāng)為幾年而不是蜂窩通信中那樣的幾天，以及當(dāng)前個人區(qū)域網(wǎng)和機(jī)器到機(jī)器標(biāo)準(zhǔn)中的少于1到2個月。有鑒于此，要求傳感器節(jié)點(diǎn)對于這些各種工作模式具有低占空比，并在大部分時間保持為睡眠模式。在睡眠模式中，傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分收發(fā)器部件，例如數(shù)字傳輸塊、功率放大器、接收機(jī)鏈和微處理器，都是關(guān)閉的。為了向網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，傳感器節(jié)點(diǎn)偶爾從睡眠模式轉(zhuǎn)變到活動發(fā)射和接收模式，并且從網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)。用于控制傳感器節(jié)點(diǎn)占空比的一種技術(shù)是對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，以周期性地從睡眠模式醒來進(jìn)入活動模式。在活動模式中，傳感器節(jié)點(diǎn)掃描物理網(wǎng)絡(luò)并啟用往返于網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。這種技術(shù)是不利的，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)將周期性地從睡眠模式醒來進(jìn)入活動模式，無論其是否有任何信息要發(fā)射/接收，并且它可能涉及傳感器轉(zhuǎn)變到活動狀態(tài)而不發(fā)揮任何功能。用于控制傳感器節(jié)點(diǎn)占空比的另一項技術(shù)是控制傳感器節(jié)點(diǎn)，使其保持在空閑狀態(tài)中，并且隨后轉(zhuǎn)變到活動模式，其中傳感器掃描物理網(wǎng)絡(luò)并啟用往返于網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。空閑狀態(tài)是關(guān)閉且不使用發(fā)射/接收功能但對其控制器加電從而能夠隨時對其進(jìn)行使用的狀態(tài)。因此，在空閑模式中，傳感器節(jié)點(diǎn)比在發(fā)射/接收模式中消耗更少功率，但是比在睡眠模式中消耗更多功率。用于控制傳感器節(jié)點(diǎn)占空比的另一種技術(shù)是周期性喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)。根據(jù)來自傳感器或協(xié)調(diào)器(co-ordinator)的事件，可以控制與網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸。這是不利的，因?yàn)椴徽撌欠褚袦y任何事情，這一技術(shù)都需要讓傳感器節(jié)點(diǎn)醒來，由此可能會浪費(fèi)功率。在再一種技術(shù)中，相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)調(diào)它們的占空比。以上所有技術(shù)都需要感測和確認(rèn)無線信道以實(shí)現(xiàn)通信，這又會消耗大量能量。因此，使用以上技術(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)將受限于大約1到2個月的電池壽命。具體而言，在大中型網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)的通信更新時相比傳感器節(jié)點(diǎn)可能會在感測和睡眠周期管理中消耗多得多的能量。因此希望提供優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)睡眠占空比的機(jī)制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
根據(jù)本專利技術(shù)的第一方面，提供了一種包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和資源受限節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括：控制器，其可操作以針對資源受限節(jié)點(diǎn)的各種工作模式估計最優(yōu)占空比，以使所述資源受限節(jié)點(diǎn)的總資源(例如能量)消耗最小化；以及發(fā)射機(jī)，其可操作以向所述資源受限節(jié)點(diǎn)通知所估計的最優(yōu)占空比的參數(shù)。控制器可以用于通過定義能量模型為資源受限節(jié)點(diǎn)估計最優(yōu)占空比，該能量模型用于指定由所述資源受限節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個比特所消耗的總能量；基于所述能量模型、給定的信號傳送技術(shù)和物理層規(guī)范，估計在節(jié)點(diǎn)n處每天Kn次發(fā)送Ln比特的總成本；以及基于所述能量模型確定使所述資源受限節(jié)點(diǎn)消耗的全部能量最小化的最優(yōu)睡眠占空比。控制器可用于定義能量模型，用于將資源受限節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個比特消耗的能量估計為：ETOT=TTOTPTOT=(∈ηPth+Pckt)Ttx+PslTsl+EmaLn]]>其中η對應(yīng)于功率放大器效率，∈對應(yīng)于信號傳送方案的峰值與平均值的比，Pth對應(yīng)于通信理論功耗，Pckt對應(yīng)于收發(fā)器的電路功耗，Psl對應(yīng)于睡眠模式中的功耗，Ema對應(yīng)于從預(yù)期用于多路訪問的通信網(wǎng)絡(luò)接收控制信號所需的能量，Tsl對應(yīng)于睡眠模式中花費(fèi)的時間，Ttx對應(yīng)于傳輸Ln的時間。控制器可操作以將具有睡眠和傳輸操作模式并一天Kn次傳輸Ln比特的資源受限節(jié)點(diǎn)的總能量成本估計為：PTOT=1LnαPsl+WRav(1-α)[2Ln1Kn(1-α)W-1]]]>其中Rav＝Ln/Kn是傳輸Ln比特的最小傳輸速率，其中是要估計的睡眠占空比參數(shù)，TTOT＝Tsl+Ttx是總時間，同時忽略用于多路訪問消耗的能量Ema以及收發(fā)器中的功耗Pckt，并假設(shè)功率放大器效率η和信號傳送方案∈的峰值與平均值比等于1。所述控制器可用于通過如下方式確定使資源受限節(jié)點(diǎn)消耗的全部能量最小化的最優(yōu)睡眠占空比α：根據(jù)最優(yōu)睡眠占空比α表示PTOT，并使總成本PTOT在最優(yōu)睡眠占空比α方面的偏導(dǎo)數(shù)等于零。使可以引出由約束的最優(yōu)睡眠占空比的必要條件。所述控制器可用于利用通信網(wǎng)絡(luò)的空間、時間、頻譜和/或代碼資源為資源受限節(jié)點(diǎn)確定使能量消耗最小化的最優(yōu)調(diào)度策略，使得資源受限節(jié)點(diǎn)的上行傳輸中的能量得以最小化，同時滿足空間、時間、頻譜和/或代碼資源上的特定質(zhì)量度量。所述控制器可用于利用通信網(wǎng)絡(luò)的空間、時間、頻譜和/或代碼資源為資源受限節(jié)點(diǎn)確定使能量消耗最小化的最優(yōu)調(diào)度策略，使得資源受限節(jié)點(diǎn)的上行傳輸中的能量得以最小化，同時滿足空間、時間、頻譜和/或代碼資源上的特定信號與干擾加噪聲比(SINR)。根據(jù)本專利技術(shù)的第二方面，提供了一種為資源受限節(jié)點(diǎn)確定最優(yōu)占空比的集合以使包括接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)中的總能量消耗最小化的方法，所述方法包括：針對資源受限節(jié)點(diǎn)的各種工作模式估計最優(yōu)占空比，以使所述資源受限節(jié)點(diǎn)的總資源消耗最小化；以及向所述資源受限節(jié)點(diǎn)通知所估計的最優(yōu)占空比的參數(shù)。根據(jù)本專利技術(shù)的第三方面，提供了一種為包括接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)中的多個資源受限節(jié)點(diǎn)確定最優(yōu)占空比的集合的方法，所述方法包括：建立所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)之間的連接網(wǎng)絡(luò)；基于所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)之間的連接網(wǎng)絡(luò)圖確定使所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)的總能量消耗最小化的最優(yōu)占空比的集合；以及對所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)占空比的集合進(jìn)行更新。基于網(wǎng)絡(luò)圖為多個節(jié)點(diǎn)確定最優(yōu)睡眠占空比的步驟可以包括：考慮所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)的地理鄰近性、所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用之間的依賴性、特定資源受限節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級和/或所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)的傳播環(huán)境之間的統(tǒng)計相關(guān)性。可以基于對從所述接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)向所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)發(fā)送的導(dǎo)頻信號或信標(biāo)信號的響應(yīng)，估計所述多個資源受限節(jié)點(diǎn)之間的連接網(wǎng)絡(luò)。可本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和資源受限節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)，其中，所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括：控制器，其可操作以針對所述資源受限節(jié)點(diǎn)的各種工作模式估計最優(yōu)占空比，以使所述資源受限節(jié)點(diǎn)的總資源消耗最小化；以及發(fā)射機(jī)，其可操作以向所述資源受限節(jié)點(diǎn)通知所估計的最優(yōu)占空比的參數(shù)。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2013.10.31 EP 13360035.31.一種包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和資源受限節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)，其中，所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括：
控制器，其可操作以針對所述資源受限節(jié)點(diǎn)的各種工作模式估計最優(yōu)占空比，以使所
述資源受限節(jié)點(diǎn)的總資源消耗最小化；以及
發(fā)射機(jī)，其可操作以向所述資源受限節(jié)點(diǎn)通知所估計的最優(yōu)占空比的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信系統(tǒng)，其中，所述控制器可操作以通過如下方式估計使所
述資源受限節(jié)點(diǎn)中的總能量最小化的最優(yōu)占空比：
定義能量模型以用于指定由所述資源受限節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個比特所消耗的總能量；
基于所述能量模型、給定的信號傳送技術(shù)和物理層規(guī)格估計在節(jié)點(diǎn)n處每天發(fā)送Kn次Ln個比特的總成本；以及
基于所述能量模型估計使所述資源受限節(jié)點(diǎn)消耗的全部能量最小化的最優(yōu)睡眠占空
比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通信系統(tǒng)，其中，所述控制器可操作為定義能量模型以用于將
所述資源受限節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個比特所消耗的能量估計為：
ETOT=TTOTPTOT=(∈ηPth+Pckt)Ttx+PslTsl+EmaLn]]>其中η對應(yīng)于功率放大器效率，∈對應(yīng)于信號傳送方案的峰值與平均值的比，Pth對應(yīng)于
通信理論功耗，Pckt對應(yīng)于收發(fā)器的電路功耗，Psl對應(yīng)于睡眠模式中的功耗，Ema對應(yīng)于從預(yù)
期用于多路訪問的通信網(wǎng)絡(luò)接收控制信號所需的能量，Tsl對應(yīng)于睡眠模式中花費(fèi)的時間，
Ttx對應(yīng)于傳輸Ln的時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通信系統(tǒng)，其中，所述控制器可操作以將具有睡眠和傳輸操作
模式并一天Kn次傳輸Ln比特的資源受限節(jié)點(diǎn)的總能量成本估計為：
PTOT=1LnαPsl+WRav(1-α)[2Ln1Kn(1-α)W-1]]]>其中Rav＝Ln/Kn是傳輸Ln比特的最小傳輸速率，其中是要估計的睡眠占空比
參數(shù)，TTOT＝Tsl+Ttx是總時間，同時忽略用于多路訪問所消耗的能量Ema以及收發(fā)器中的功耗
Pckt，并假設(shè)功率放大器效率η和信號傳送方案∈的峰值與平均值的比等于1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的通信系統(tǒng)，其中，所述控制器可操作以通過如下方式確定使所
述資源受限節(jié)點(diǎn)所消耗的全部能量最小化的最優(yōu)睡眠占空比α：根據(jù)所述最優(yōu)睡眠占空比α
表示PTOT，并使總成本PTOT在所述最優(yōu)睡眠占空比α方面的偏導(dǎo)數(shù)等于零。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的通信系統(tǒng)，其中，使引出了由約束的
最優(yōu)睡眠...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：CK·林，V·文卡特斯瓦蘭，I·O·肯尼迪，
申請(專利權(quán))人：阿爾卡特朗訊公司，
類型：發(fā)明
國別省市：法國;FR