On the Latency-Energy Performance of NB-IoT Systems in Providing Wide-Area IoT Connectivity

1.論文的主要工作

將NB-IOT信道的多路復用問題納入IOT通信的能耗和經歷的延遲建模中，并考慮了同一小區中來自不同覆蓋類別的設備的共存。此外，我們的目標不是最大程度地提高通信中的能源效率，而是著重于在發送給定數據包時最大程度地減少能耗。具體來說，這項工作是：

NB-IoT系統中信道調度問題的可分析模型的推導，該模型考慮了從同步到服務完成的下行鏈路/上行鏈路信道上的消息交換。

推導用于服務等待時間和能耗的分析表達式，以及推導連接到網絡的設備的預期電池壽命模型。（最主要的）

將NB-IoT系統中的控制/數據通道調度問題表述為：能量延遲最小化優化問題，通過信道調度來調整系統性能中的能量延遲折衷。
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2.系統的模型

A.NB-IOT接入網絡
1.假設一個NB-IoT小區的中心有一個BS，并且 N設備均勻分布在其中。
2.C定義為NB-IOT小區的覆蓋等級，并且BS根據估計設備的路徑損耗給設備分配一個等級類別j。用來表示屬于j類設備的比例。

3.S定義為 一個典型的物聯網設備每天執行的通信會話數量，設備請求上行鏈路服務的概率為P
4.則每天上下行鏈路服務請求到達系統的速率分別是
（1）

NB-IOT系統的工作流程：
NB-IOT設備需要上下行鏈路服務時，首先傾聽與BS同步的小區信息，即NPSS和NSSS。然后， 設備通過在NPRACH上向BS發送隨機訪問（RA）請求來執行訪問保留。BS通過在NPDCCH上發送指示保留用于服務該設備的資源的隨機接入響應（RAR）消息來對成功接收到的RA進行應答。最終，設備通過NPUSCH / NPDSCH（上下行共享信道）信道向BS發送數據/從BS接收數據。

B.NB-IOT解調信道如何影響等待時間和電池壽命
以NPDCCH（下行鏈路控制信道）為例，如果頻繁調用的話就會使NPDSCH（下行鏈路數據傳輸信道）無線資源較少，因此下行鏈路數據傳輸時間及能量損耗就會增加。另一方面如果不經常調用NPDCCH的話，就意味著設備要花費更長的時間才能從BS接收RAR（隨機接入相應）消息，會造成的增加，因此會縮短電池壽命

基于上圖中的模型，j類中的上行鏈路、下行鏈路通信的預期延遲分別為
（每個物理信道職責不同，所花費的時間不同）：
（2）

總結：將NB-IOT能量損耗過程定為泊松過程，并且每個周期的末尾都有再生點，因此可以將預期電池壽命定義為：
（4）
C.公式推導

結論：人們觀測到為了最大化設備的電池壽命，應該最小化上下行鏈路通信交換的能量損耗。但是上下行鏈路的調度關系是耦合的，所以下文就針對模型分析最大的性能折中，來降低能量損耗，以提高電池壽命。

3.系統的模型仿真

由上圖b和c所示。上下行鏈路服務中等待時間及電池損耗是唯一的優化目標時，可以直接得出優化點，但是由a-c所示目標的整體優化以沖突方式耦合。且abc表示延遲和壽命優化優化資源分配在類別上有所區別，因此選擇最佳的t和d取決于每個類別所需要的服務質量（即延遲與壽命）

（t和d分別代表著NPRACH和NPDCCH的兩個連接調度之間的時間間隔）
上圖將類型一的歸一化壽命與延遲d是固定的。通過分析推導，我們看到上下行鏈路的延遲會隨著t的變化而變化，這是由于：當兩個隨機訪問之間的間隔增加時，下行鏈路的數據傳輸的等待時間將會增加，因此下行鏈路分組需要在信道訪問前等待更長時間，與此同時隨機訪問信號與上行鏈路傳輸也共享相同的無線電資源，因此減少d在某種程度上也會減少上行鏈路的等待時間，
最后考慮到設備同時具有上下行線路通信，并且都影響設備電池壽命這一事實，我們希望電池最大壽命最大化t必須在上下行鏈路等待時間表達式最小化期間：例如上圖，d=4.4ms時上下行鏈路被最小化t=50ms、t=110ms使用壽命t=70ms

最后：仿真結果表明了分析的有效性，并證實了信道調度和覆蓋等級的共存會顯著影響NB-IoT設備的延遲和電池壽命性能。（i）為給定的一組用戶和各自的覆蓋等級安排數據和控制信道，或（ii）為給定的調度策略確定覆蓋等級和每個覆蓋等級的服務用戶的最佳集合。仿真結果表明了分析的有效性，并證實了信道調度和覆蓋等級的共存會顯著影響NB-IoT設備的延遲和電池壽命性能。

IEEE TRANSACTIONS ON GREEN COMMUNICATIONS AND NETWORKING, VOL. 4, NO. 1, MARCH 2020

總結

以上是生活随笔為你收集整理的窄带物联网系统能量分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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