确定最优占空比以使总能量消耗最小化的通信系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及一种通信系统和方法，更具体而言，但并非排它地涉及用于确 定最优占空比以使通信网络中资源受限节点中消耗的总能量最小化的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 机器到机器(M2M)网络和装置的数量正在增长，并被规划成在数量上超过现有的 蜂窝网络。不过，现有的个人区域网(PAN)标准，例如IEEE802.15.4和Zigbee，不足以处理如 此大量的业务，尤其是在通信距离增大且功率减小的时候。这些网络被期望覆盖各种各样 的应用，略举数例，有智能电能表、温度/话务量监测、身体区域网络和工业自动化。
[0003] 机器到机器通信中要考虑的一个重要因素是传感器节点或网络中甚至其他资源 受限节点的电池寿命。希望用于机器到机器通信的传感器节点的电池寿命应当为几年而不 是蜂窝通信中那样的几天，以及当前个人区域网和机器到机器标准中的少于1到2个月。
[0004] 有鉴于此，要求传感器节点对于这些各种工作模式具有低占空比，并在大部分时 间保持为睡眠模式。在睡眠模式中，传感器节点的大部分收发器部件，例如数字传输块、功 率放大器、接收机链和微处理器，都是关闭的。为了向网络传输信息，传感器节点偶尔从睡 眠模式转变到活动发射和接收模式，并且从网络传输数据以及传输数据至网络。
[0005] 用于控制传感器节点占空比的一种技术是对传感器节点进行同步，以周期性地从 睡眠模式醒来进入活动模式。在活动模式中，传感器节点扫描物理网络并启用往返于网络 的信息传输。这种技术是不利的，因为传感器节点将周期性地从睡眠模式醒来进入活动模 式，无论其是否有任何信息要发射/接收，并且它可能涉及传感器转变到活动状态而不发挥 任何功能。
[0006]用于控制传感器节点占空比的另一项技术是控制传感器节点，使其保持在空闲状 态中，并且随后转变到活动模式，其中传感器扫描物理网络并启用往返于网络的信息传输。 空闲状态是关闭且不使用发射/接收功能但对其控制器加电从而能够随时对其进行使用的 状态。因此，在空闲模式中，传感器节点比在发射/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。
[0007] 用于控制传感器节点占空比的另一种技术是周期性唤醒传感器节点。根据来自传 感器或协调器(co-ordinator)的事件，可以控制与网络之间的传输。这是不利的，因为不论 是否要感测任何事情，这一技术都需要让传感器节点醒来，由此可能会浪费功率。
[0008] 在再一种技术中，相邻的传感器节点能够协调它们的占空比。
[0009] 以上所有技术都需要感测和确认无线信道以实现通信，这又会消耗大量能量。因 此，使用以上技术的传感器节点将受限于大约1到2个月的电池寿命。具体而言，在大中型网 络中，与网络的通信更新时相比传感器节点可能会在感测和睡眠周期管理中消耗多得多的 能量。
[0010] 因此希望提供优化传感器节点睡眠占空比的机制。
【发明内容】
[0011] 根据本发明的第一方面，提供了一种包括网络节点和资源受限节点的通信系统， 其中网络节点包括:控制器，其可操作以针对资源受限节点的各种工作模式估计最优占空 比，以使所述资源受限节点的总资源(例如能量)消耗最小化；以及发射机，其可操作以向所 述资源受限节点通知所估计的最优占空比的参数。
[0012] 控制器可以用于通过定义能量模型为资源受限节点估计最优占空比，该能量模型 用于指定由所述资源受限节点发送一个比特所消耗的总能量;基于所述能量模型、给定的 信号传送技术和物理层规范，估计在节点η处每天K n次发送匕比特的总成本；以及基于所述 能量模型确定使所述资源受限节点消耗的全部能量最小化的最优睡眠占空比。
[0013] 控制器可用于定义能量模型，用于将资源受限节点发送一个比特消耗的能量估计 为：
[0015] 其中II对应于功率放大器效率，e对应于信号传送方案的峰值与平均值的比，Pth对 应于通信理论功耗，P&对应于收发器的电路功耗，Psi对应于睡眠模式中的功耗，E ma对应于 从预期用于多路访问的通信网络接收控制信号所需的能量，Tsl对应于睡眠模式中花费的时 间，T tx对应于传输匕的时间。
[0016] 控制器可操作以将具有睡眠和传输操作模式并一天1次传输Ln比特的资源受限节 点的总能量成本估计为：
[0018] 其中Rav = Ln/Kn是传输匕比特的最小传输速率，
是要估计的睡眠占 空比参数，Ttot = Tsi+Ttx是总时间，同时忽略用于多路访问消耗的能量Ema以及收发器中的功 耗Pckt，并假设功率放大器效率η和信号传送方案e的峰值与平均值比等于1。
[0019] 所述控制器可用于通过如下方式确定使资源受限节点消耗的全部能量最小化的 最优睡眠占空比α :根据最优睡眠占空比α表示PTQT，并使总成本PTQT在最优睡眠占空比α方面 的偏导数
等于零。使
i以引出由
约束的最优睡眠占空比 的必要条件。
[0020] 所述控制器可用于利用通信网络的空间、时间、频谱和/或代码资源为资源受限节 点确定使能量消耗最小化的最优调度策略，使得资源受限节点的上行传输中的能量得以最 小化，同时满足空间、时间、频谱和/或代码资源上的特定质量度量。
[0021] 所述控制器可用于利用通信网络的空间、时间、频谱和/或代码资源为资源受限节 点确定使能量消耗最小化的最优调度策略，使得资源受限节点的上行传输中的能量得以最 小化，同时满足空间、时间、频谱和/或代码资源上的特定信号与干扰加噪声比（SINR)。
[0022]根据本发明的第二方面，提供了一种为资源受限节点确定最优占空比的集合以使 包括接入网络节点的通信网络中的总能量消耗最小化的方法，所述方法包括:针对资源受 限节点的各种工作模式估计最优占空比，以使所述资源受限节点的总资源消耗最小化；以 及向所述资源受限节点通知所估计的最优占空比的参数。
[0023]根据本发明的第三方面，提供了一种为包括接入网络节点的通信网络中的多个资 源受限节点确定最优占空比的集合的方法，所述方法包括:建立所述多个资源受限节点之 间的连接网络;基于所述多个资源受限节点之间的连接网络图确定使所述多个资源受限节 点的总能量消耗最小化的最优占空比的集合；以及对所述多个资源受限节点的最优占空比 的集合进行更新。
[0024] 基于网络图为多个节点确定最优睡眠占空比的步骤可以包括:考虑所述多个资源 受限节点的地理邻近性、所述多个资源受限节点的应用之间的依赖性、特定资源受限节点 的优先级和/或所述多个资源受限节点的传播环境之间的统计相关性。
[0025] 可以基于对从所述接入网络节点向所述多个资源受限节点发送的导频信号或信 标信号的响应，估计所述多个资源受限节点之间的连接网络。
[0026] 可以基于网络邻域发现协议建立所述多个资源受限节点之间的连接网络，其中每 个资源受限节点为所述接入网络节点提供它的访问通信网络的邻居的列表。
[0027] 在所述多个资源受限节点之间建立连接网络的步骤可以包括利用概率度量并利 用代数和统计技术表示所述多个资源受限节点之间的连接，以更新所述占空比并使总功耗 最小化。
[0028] 可以通过如下方式获得概率度量:估计所述资源受限节点和所述接入网络的统计 无线信道之间的相关性;估计不同资源受限节点和所述接入网络之间接收的数据内容之间 的相关性；以及估计不同资源受限节点和所述接入网络之间的通信调度。
[0029] 根据本发明的第四方面，提供了一种计算机程序产品，在计算机上执行所述计算 机程序产品时，可以执行以上第二和第三方面所述的方法。
[0030] 在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的其他特定和优选方面。
【附图说明】
[0031] 现在参考附图，通过仅仅是例示的方式描述根据本发明实施例的设备和/或方法 的一些实施例，在附图中：
[0032]图1示意性示出了具有异质应用的典型M2M网络；
[0033]图2示意性示出了跨层占空比优化；
[0034] 图3示出了用于估计最优链路级占空比的算法流程；
[0035] 图4示出了用于估计最优网络级占空比的算法流程；
[0036]图5示意性示出了交互式的睡眠管理系统；
[0037]图6示意性示出了迭代的信任预测算法；
[0038]图7示出了睡眠管理的范例；
[0039]图8示意性示出了两级睡眠管理算法；以及
[0040]图9示出了后验信任更新上一系列观测到的事件的效果。
【具体实施方式】
[0041 ] 图1示出了具有异质应用，即应用1和应用2的典型M2M通信网络10 J2M网络10例如 可以是传感器网络，可以包括通过M2M网关18与多个M2M装置14、16通信的接入网络12。可以 将M2M网关视为接入网络12的接入网络节点。在图1的M2M网络10中，第一多个M2M装置14可 以与第一应用1相关，第二多个M2M装置16可以与第二应用2相关。例如，M2M装置14可以是电 能表，M2M装置16可以是工业传感器。实际上，M2M装置可以涉及很宽范围的应用，例如，但不 限于，电能表、工业传感器、身体区域网和智能城市监测仪。
[0042] M2M装置14、16中的每一个都可以被视为是通信网络10的资源受限节点。例如，M2M 装置14、16可以是能量/功率受限的，因为它们是由电池供电的，电池的寿命限制着M2M装置 的使用寿命。还应当认识到，M2M装置也可以是空间受限的。
[0043] 为了延长M2M装置的电池寿命，希望M2M装置在尽可能长的时间内保持在睡眠模式 中。因此希望提供一种方法优化通信网络中M2M装置的睡眠占空比，以便减少能量消耗并增 加电池寿命。
[0044] 重要的是注意到整体目标是使网络10中所有传感器节点14、16在睡眠模式中花费 其大部分时间，同时确保在需要时传感器节点能够发射所需的有效载荷。为了进行发射，传 感器节点(M2M装置)必须还能够感测来自接入网关的用于下行链路/上行链路控制、估计信 道、多路访问等的命令。需注意，这个感测动作是不可避免的，并且涉及能量消耗。在发送短 有效载荷的密集网络中，这种感测操作中消耗的功率可能显著大于传输操作。频繁的信道 感测提供了物理层和调度器的极好估计，但代价是能量增大。
[0045] 此外，需要M2M通信网络10覆盖电能表、工业传感器、身体区域网、智能城市监测仪 等异质应用集合，每种应用都由不同的传输要求所指定。换言之，在异质节点的密集网络 中，谁或哪个传感器要醒来可能是M2M装置