通信系统、接入网络节点和优化通信网络中能耗的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通信系统、一种接入网络节点和一种优化包括多个资源受限节点 和接入网络节点的通信网络中消耗的能量的方法。
【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，不足以处理这 样大量的业务，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，提供了一种包括接入网络节点和多个资源受限节点的通 信系统，该接入网络节点包括:控制单元，所述控制单元可操作以基于网络观测和所述网络 观测的历史概况，针对所述多个资源受限节点的资源受限节点估计对网络条件的信任;在 所述接入网络节点中动态更新对所述资源受限节点的信任;确定所述网络条件中所述更新 信任的严重程度指示需要所述资源受限节点的睡眠占空比的改变;确定所述多个资源受限 节点之内所述若干资源受限节点之间的相关性指示需要所述资源受限节点的睡眠占空比 的改变；以及更新所述资源受限节点的睡眠占空比以优化所述若干资源受限节点中消耗的 总能量，同时达到特定的检测阈值。
[0012] 在所述网络条件中所述更新的信任的严重程度以及所述若干资源受限节点之间 的相关性指示需要所述资源受限节点睡眠占空比的改变时，所述控制单元可操作以更新所 述资源受限节点的睡眠占空比以优化所述资源受限节点中消耗的总能量，同时达到特定检 测阈值。
[0013] 所述控制单元可以确定网络条件中所述更新的信任的严重程度指示需要所述资 源受限节点睡眠占空比的改变以优化所述资源受限节点中消耗的总能量，同时达到特定检 测阈值，并且所述资源受限节点之间的相关性没有指示需要所述资源受限节点的睡眠占空 比改变，则不对所述资源受限节点的睡眠占空比进行任何更新。
[0014] 在所述控制单元确定网络条件中所述更新的信任的严重程度指示关键事件时，可 以减小所述资源受限节点的睡眠占空比，以触发所述资源受限节点更频繁地从睡眠模式切 换到活动模式。
[0015] 在所述控制单元确定网络条件中所述更新的信任的严重程度指示事件严重程度 低时，可以增大所述资源受限节点的睡眠占空比，以触发所述资源受限节点以较低频率从 睡眠模式切换到活动模式。
[0016] 网络条件中更新的信任严重程度的定义是可调谐的（tuneable)，并且其取决于应 用要求、运营商选择或由应用或系统运营商定义的自适应学习过程。
[0017] 所述多个资源受限节点之内的若干资源受限节点之间的相关性可以基于若干本 地节点之间的拓扑关系、若干资源受限节点之间的应用相关性、它们的无线信道之间的统 计相关性或其组合。
[0018] 所述若干本地节点之间的拓扑关系可以包括所述资源受限节点与所述多个资源 受限节点的其他节点的物理邻近，以及所述资源受限节点与所述多个资源受限节点的其他 节点的通信邻近。可以将所述若干资源受限节点之间的这种相关性归类为邻居表。
[0019] 所述本地节点之间的相关度量可以是过滤器，所述过滤器确保所述通信网络可能 受到所述网络条件影响的部分的睡眠占空比被更新，同时所述通信网络中不大可能受到所 述网络条件影响的部分的睡眠占空比保持不变。任何相关度量的选择取决于系统运营商或 应用的要求。
[0020] 在所述通信网络初始化时，所述资源节点的睡眠占空比可以是优化的睡眠占空 比，并且所述睡眠管理方法在所述通信网络工作的同时动态更新受影响节点的睡眠占空 比，以确保所述睡眠占空比是优化的。
[0021] 在所述通信网络初始化时，所述睡眠管理方法可以为睡眠占空比参数确定任意起 始值，并在所述通信网络工作的同时动态更新所述睡眠占空比，以确保所述睡眠占空比是 优化的。
[0022] 可以利用针对不同策略对的具有博弈理论偿付功能的多级贝叶斯方法，估计对所 述网络条件的信任更新。
[0023] 可以利用贝叶斯纳什均衡分析结合贝叶斯规则和一组网络观测，估计对所述网络 条件的信任更新。
[0024] 可以利用鲁棒且低开销的统计方法估计对网络条件的信任更新。可以利用任何机 器学习方法，例如指数加权的移动平均(EWMA)方法、卡尔曼滤波器、神经网络等，估计对网 络条件的信任更新。
[0025] 根据本发明的第二方面，提供了一种包括多个资源受限节点的通信网络中的接入 网络节点，所述接入网络节点包括:控制单元，所述控制单元可操作以基于网络观测和所述 网络观测的历史概况，针对所述多个资源受限节点的资源受限节点估计对网络条件的信 任;在所述接入网络节点中动态更新对所述资源受限节点的信任;确定所述网络条件中所 述更新信任的严重程度指示需要所述资源受限节点的睡眠占空比的改变;确定所述多个资 源受限节点之内所述若干资源受限节点之间的相关性指示需要所述资源受限节点的睡眠 占空比的改变；以及更新所述资源受限节点的睡眠占空比以优化所述若干资源受限节点中 消耗的总能量，同时达到特定的检测阈值。
[0026] 根据本发明的第三方面，提供了一种优化包括多个资源受限节点和接入网络节点 的通信网络中消耗的能量的方法，所述方法包括:基于网络观测和所述网络观测的历史概 况，针对所述多个资源受限节点的资源受限节点估计对网络条件的信任;在所述接入网络 节点中动态更新对所述资源受限节点的信任;确定所述网络条件中所述更新的信任的严重 程度指示需要所述资源受限节点的睡眠占空比的改变;确定所述多个资源受限节点之内所 述若干资源受限节点之间的相关性指示需要所述资源受限节点的睡眠占空比的改变；以及 更新所述资源受限节点的睡眠占空比以优化所述若干资源受限节点中消耗的总能量，同时 达到特定的检测阈值。
[0027] 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，可以执行以上第三方面所述的方法。
[0028] 在附带的独立和从属权利要求中阐述了本发明的其他特定和优选的方面。
【附图说明】
[0029] 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：
[0030] 图1示意性示出了具有异质应用的典型M2M网络；
[0031] 图2示意性示出了跨层占空比优化；
[0032]图3示出了用于估计最优链路级占空比的算法流程；
[0033]图4示出了用于估计最优网络级占空比的算法流程；
[0034]图5示意性示出了交互式的睡眠管理系统；
[0035]图6示意性示出了迭代的信任预测算法；
[0036]图7示出了睡眠管理的范例；
[0037]图8示意性示出了两级睡眠管理算法；以及
[0038]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】
[0039] 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。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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