一种物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法与流程

本发明涉及一种物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法，属于网络传输技术领域。

背景技术：

随着科学技术的发展，物联网技术日趋成熟，越来越多的智能设备被接入到通信网络中。物联网技术可以应用于基础设施监控，远程医疗等服务中，这些服务要求实时性高，时延小，这为现有的通信网络设计带来巨大挑战。其次，为了满足速率的需要，大量微小区基站被部署在宏小区中，拉近了与用户的距离，减少了路径损耗。但是由于并非所有时刻都有用户连接，因此部分微小区基站处于空闲状态，造成了能量的浪费。如果将这部分空闲的微小区基站关掉或者关闭其中的射频模块，不仅可以节约能量，还可以降低干扰，减少时延，提高用户体验。但是现有技术在这方面却做得不足，造成能量的浪费，并且干扰大，时延多，缺乏用户体验。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用全新控制策略，能够节约能量，降低干扰，减少时延，有效提高用户体验的物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法，针对至少包含两个微小区的宏小区，实现基站的低时延传输，具体包括如下步骤：

步骤a.将所有微小区基站和宏小区基站的状态初始化为激活模式，将所有微小区基站分为两组，一组利用光纤回程链路接入宏小区基站，另一组利用毫米波回程链路接入宏小区基站；

步骤b.宏小区基站利用统计信道状态信息选出部分微小区基站共同服务用户，并将剩余的各个微小区基站调整为睡眠模式；

步骤c.在选出的部分微小区基站和宏小区基站当中，为每个用户选择一个基站进行连接，并提供传输服务。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a包括步骤：

步骤a01.将所有微小区基站和宏小区基站的状态初始化为激活模式；

步骤a02.分别获得各个微小区基站与宏小区基站之间的距离r_i，i∈{1,…,I}，I表示所有微小区基站构成集合中基站的数量；

步骤a03.选择距离r_i小于或等于R₁的各个微小区基站，组成一组微小区基站，且设置该组微小区基站中各个微小区基站采用毫米波回程链路接入宏小区基站；

同时，选择距离r_i大于R₁的各个微小区基站，组成一组微小区基站，且设置该组微小区基站中各个微小区基站采用光纤回程链路接入宏小区基站；其中，R₁预设距离阈值。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b包括如下步骤：

步骤b01.分别针对各个用户，在所有微小区基站和宏小区基站中，获得与用户距离最近的基站，即获得分别与各个用户之间距离最近的各个基站；

步骤b02.分别针对各个用户，在所有微小区基站和宏小区基站中，获得与该用户存在潜在连接的各个基站，由此，获得与各个用户分别存在潜在连接的各个基站；

步骤b03.根据用户与基站之间的潜在连接关系和无连接关系，构建所有用户与所有基站之间的关联矩阵B；

步骤b04.根据关联矩阵B，由宏小区基站选出部分微小区基站共同服务用户，并将剩余的各个微小区基站调整为睡眠模式。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b02，具体包括如下操作：

分别针对各个用户，在所有微小区基站和宏小区基站中，获得满足如下公式的各个基站，即为与该用户存在潜在连接的各个基站，由此，获得与各个用户分别存在潜在连接的各个基站；

其中，n∈{1,…,N}，N表示用户的数量，l_n表示第n个用户和与其所对应最近距离基站之间的距离，s∈{1,…,S}，S表示所有微小区基站和宏小区基站构成集合中基站的总数，l_s,n表示第s个基站与第n个用户之间的距离，α表示路径衰落因子，ξ表示预设临界值。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b03，具体包括如下操作：

首先定义用户与基站之间潜在连接关系所对应的值为1，以及定义用户与基站之间无连接关系所对应的值为0，然后根据用户与基站之间潜在连接关系所对应值，以及无连接关系所对应值，构建所有用户与所有基站之间关联矩阵B。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b04，具体包括如下步骤：

步骤b04-1.在所有微小区基站和宏小区基站中，根据关联矩阵B，分别针对各个基站，按如下公式：

获得各个基站的权值b_s，s∈{1,…,S}，S表示所有微小区基站和宏小区基站构成集合中基站的总数，n∈{1,…,N}，N表示用户的数量，B(s,n)表示第n个用户与第s个基站之间关系所对应的值；

步骤b04-2.将最大权值所对应的基站加入到集合B_active中，再针对关联矩阵B，将与该基站存在关系所对应值为1的各用户所在列置为0；

步骤b04-3.判断关联矩阵B中的元素是否都为0，是则由集合B_active中的宏小区基站和各个微小区基站共同服务用户，并将集合B_active以外的各个微小区基站调整为睡眠模式；否则返回步骤b04-1。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤c包括操作：

首先在所选出部分微小区基站和宏小区基站当中，分别针对各个基站，初始化基站所对应的连接用户集合κ_q，q∈{0,1,…,Q}，Q表示所选出部分微小区基站和宏小区基站的总数，q＝0表示宏小区基站；然后初始化针对所有用户构建待分配用户集合，H表示待分配用户集合中用户的数量，同时初始化h＝1，以及初始化构建已分配用户集合为空集，β表示已分配用户集合中用户的数量，同时执行如下步骤：

步骤c01.针对待分配用户集合中第h个用户，由所选出部分微小区基站和宏小区基站构成的集合B_active中，选择满足如下公式的基站v，作为第h个用户的候选基站；

其中，v∈B_active，Δ_q,h满足如下公式：

这里D_A,qh'＝k_qt'_qh'代表待分配用户集合中第h'个用户到集合B_active中第q个基站的接入时延，D_B,q＝ct_q代表集合B_active中第q个基站的回程时延，k_q代表用户集合κ_q中的用户数量，c代表集合B_active中工作在激活状态的微小区基站数目，t′_qh'和t_q满足如下公式：

其中，S₃表示集合B_active中的微小区基站集合，S₁表示集合B_active中利用毫米波回程链路接入宏小区基站的微小区基站集合，S₂表示集合B_active中利用光纤回程链路接入宏小区基站的微小区基站集合，t₀代表宏小区基站单位处理时延，t₁代表微小区基站单位处理时延，τ₀代表宏小区基站接入时隙大小，τ₁代表微小区基站接入时隙大小，τ_M代表毫米波回程链路时隙大小；

p_M,q代表毫米波回程链路传输的成功概率，且满足如下公式：

其中，erf(·)为误差函数，v表示阴影衰落的标准差，r_q'代表集合B_active中第q个微小区基站与宏小区基站之间的距离，θ'(r_q')＝P_T-61.4-20log₁₀(r_q')-W_M·σ²-θ，P_T代表宏小区基站在毫米波回程链路上的发射功率，W_M为毫米波带宽，σ²代表噪声密度，θ代表预先设定的临界值；

p_0h'代表待分配用户集合中第h'个用户接入宏小区基站的接入概率，表示为：

其中，i∈{1,…,I}，I表示所有微小区基站构成集合中基站的数量，p₀表示宏小区基站的发射功率，a_i∈{0,1}表示所有微小区基站中第i个微小区基站的工作模式，a_i＝1表示所有微小区基站中第i个微小区基站处在激活模式，a_i＝0表示所有微小区基站中第i个微小区基站处在睡眠模式，l_0h'表示宏小区基站到第h'个用户的距离，l_ih'表示所有微小区基站中第i个微小区基站到待分配用户集合中第h'个用户的距离，α表示路径衰落因子，W表示接入网带宽，p_i表示所有微小区基站中第i个微小区基站的发射功率；

p_qh'表示待分配用户集合中第h'个用户接入集合B_active中第q个微小区基站的接入概率，表示如下：

其中，a₀表示宏小区基站工作模式，I表示所有微小区基站构成集合中基站的数量；

步骤c02.针对待分配用户集合中第h个用户的候选基站v，选择满足如下公式的用户z，作为该候选基站v的候选用户；

z＝argmin_u∈κΔ_v,u

其中，κ表示未连接的用户集合；

步骤c03.判断z是否为第h个用户，是则将第h个用户连接到基站v，同时将该用户加入到已分配用户集合当中，并更新已分配用户集合中用户的数量β，然后进入步骤c04；否则进入步骤c05；

步骤c04.判断β是否等于N，是则完成为每个用户选择一个基站进行连接，并提供传输服务；否则进入步骤c05；其中，N表示所有用户的数量；

步骤c05.判断h是否等于H，是则删除待分配用户集合中对应已分配用户集合中用户的用户，并更新待分配用户集合中用户的数量H，再令h＝1，并返回步骤c01；否则针对h进行加1更新，并返回步骤c01。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤c中，选出的微小区基站和宏小区基站共享无线接入网络频谱资源服务用户。

作为本发明的一种优选技术方案：所述基站的睡眠模式是指基站信号处理模块工作，且射频模块不工作；所述基站的激活模式是指基站的射频模块和信号处理模块同时工作，能够同时提供数据传输和处理功能。

本发明所述一种物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法，采用全新控制策略，应用中将部分微小区基站调整为睡眠模式，能够有效节约能量，降低了干扰，同时能够减少时延；并且整个设计控制过程，有效降低了时延和算法复杂度；不仅如此，应用中，针对部分微小区基站采用毫米波回程链路，有效降低了成本。

附图说明

图1为一种回程异构网络架构图；

图2为本发明所设计物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法的流程图；

图3为本发明应用实施例与传统方法的比较示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明所设计一种物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法，应用中通过将部分微小区基站调整为睡眠状态，降低干扰，并设计了用户连接策略，使得系统总时延最小。所设计物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法的回程异构网络架构如图1所示，假设回程异构网络由I个微小区覆盖一个宏小区构成，微小区基站与宏小区基站之间通过光纤或者豪米波回程链路连接，宏小区基站与微小区基站共享接入网络频谱资源，共同服务用户。

如图2所示，本发明设计了一种物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法，实际应用过程当中，针对至少包含两个微小区的宏小区，实现基站的低时延传输，具体包括如下步骤：

步骤a.将所有微小区基站和宏小区基站的状态初始化为激活模式，将所有微小区基站分为两组，一组利用光纤回程链路接入宏小区基站，另一组利用毫米波回程链路接入宏小区基站。

上述步骤a具体包括如下步骤：

步骤a01.将所有微小区基站和宏小区基站的状态初始化为激活模式，基站的激活模式是指基站的射频模块和信号处理模块同时工作，能够同时提供数据传输和处理功能。

步骤a02.分别获得各个微小区基站与宏小区基站之间的距离r_i，i∈{1,…,I}，I表示所有微小区基站构成集合中基站的数量。

步骤a03.选择距离r_i小于或等于R₁的各个微小区基站，组成一组微小区基站，且设置该组微小区基站中各个微小区基站采用毫米波回程链路接入宏小区基站；同时，选择距离r_i大于R₁的各个微小区基站，组成一组微小区基站，且设置该组微小区基站中各个微小区基站采用光纤回程链路接入宏小区基站；其中，R₁预设距离阈值。

步骤b.宏小区基站利用统计信道状态信息选出部分微小区基站共同服务用户，并将剩余的各个微小区基站调整为睡眠模式。

上述步骤b具体包括如下步骤：

步骤b01.分别针对各个用户，在所有微小区基站和宏小区基站中，获得与用户距离最近的基站，即获得分别与各个用户之间距离最近的各个基站。

步骤b02.分别针对各个用户，在所有微小区基站和宏小区基站中，获得与该用户存在潜在连接的各个基站，由此，获得与各个用户分别存在潜在连接的各个基站。

此步骤b02，应用中具体包括如下操作：

分别针对各个用户，在所有微小区基站和宏小区基站中，获得满足如下公式的各个基站，即为与该用户存在潜在连接的各个基站，由此，获得与各个用户分别存在潜在连接的各个基站；

其中，n∈{1,…,N}，N表示用户的数量，l_n表示第n个用户和与其所对应最近距离基站之间的距离，s∈{1,…,S}，S表示所有微小区基站和宏小区基站构成集合中基站的总数，l_s,n表示第s个基站与第n个用户之间的距离，α表示路径衰落因子，ξ表示预设临界值。

步骤b03.根据用户与基站之间的潜在连接关系和无连接关系，构建所有用户与所有基站之间的关联矩阵B，此过程应用中，具体包括如下操作：

首先定义用户与基站之间潜在连接关系所对应的值为1，以及定义用户与基站之间无连接关系所对应的值为0，然后根据用户与基站之间潜在连接关系所对应值，以及无连接关系所对应值，构建所有用户与所有基站之间关联矩阵B。

步骤b04.根据关联矩阵B，由宏小区基站选出部分微小区基站共同服务用户，并将剩余的各个微小区基站调整为睡眠模式，基站的睡眠模式是指基站信号处理模块工作，且射频模块不工作。

此步骤b04中，实际具体包括如下步骤：

步骤b04-1.在所有微小区基站和宏小区基站中，根据关联矩阵B，分别针对各个基站，按如下公式：

获得各个基站的权值b_s，s∈{1,…,S}，S表示所有微小区基站和宏小区基站构成集合中基站的总数，n∈{1,…,N}，N表示用户的数量，B(s,n)表示第n个用户与第s个基站之间关系所对应的值。

步骤b04-2.将最大权值所对应的基站加入到集合B_active中，再针对关联矩阵B，将与该基站存在关系所对应值为1的各用户所在列置为0。

步骤b04-3.判断关联矩阵B中的元素是否都为0，是则由集合B_active中的宏小区基站和各个微小区基站共同服务用户，并将集合B_active以外的各个微小区基站调整为睡眠模式；否则返回步骤b04-1。

步骤c.在选出的部分微小区基站和宏小区基站当中，为每个用户选择一个基站进行连接，并提供传输服务，并且选出的微小区基站和宏小区基站共享无线接入网络频谱资源服务用户。实际应用中，具体包括操作：

首先在所选出部分微小区基站和宏小区基站当中，分别针对各个基站，初始化基站所对应的连接用户集合κ_q，q∈{0,1,…,Q}，Q表示所选出部分微小区基站和宏小区基站的总数，q＝0表示宏小区基站；然后初始化针对所有用户构建待分配用户集合，H表示待分配用户集合中用户的数量，同时初始化h＝1，以及初始化构建已分配用户集合为空集，β表示已分配用户集合中用户的数量，同时执行如下步骤：

步骤c01.针对待分配用户集合中第h个用户，由所选出部分微小区基站和宏小区基站构成的集合B_active中，选择满足如下公式的基站v，作为第h个用户的候选基站；

其中，v∈B_active，Δ_q,h满足如下公式：

这里D_A,qh'＝k_qt'_qh'代表待分配用户集合中第h'个用户到集合B_active中第q个基站的接入时延，D_B,q＝ct_q代表集合B_active中第q个基站的回程时延，k_q代表用户集合κ_q中的用户数量，c代表集合B_active中工作在激活状态的微小区基站数目，t′_qh'和t_q满足如下公式：

其中，S₃表示集合B_active中的微小区基站集合，S₁表示集合B_active中利用毫米波回程链路接入宏小区基站的微小区基站集合，S₂表示集合B_active中利用光纤回程链路接入宏小区基站的微小区基站集合，t₀代表宏小区基站单位处理时延，t₁代表微小区基站单位处理时延，τ₀代表宏小区基站接入时隙大小，τ₁代表微小区基站接入时隙大小，τ_M代表毫米波回程链路时隙大小；

p_M,q代表毫米波回程链路传输的成功概率，且满足如下公式：

其中，erf(·)为误差函数，v表示阴影衰落的标准差，r_q'代表集合B_active中第q个微小区基站与宏小区基站之间的距离，θ'(r_q')＝P_T-61.4-20log₁₀(r_q')-W_M·σ²-θ，P_T代表宏小区基站在毫米波回程链路上的发射功率，W_M为毫米波带宽，σ²代表噪声密度，θ代表预先设定的临界值；

p_0h'代表待分配用户集合中第h'个用户接入宏小区基站的接入概率，表示为：

其中，i∈{1,…,I}，I表示所有微小区基站构成集合中基站的数量，p₀表示宏小区基站的发射功率，a_i∈{0,1}表示所有微小区基站中第i个微小区基站的工作模式，a_i＝1表示所有微小区基站中第i个微小区基站处在激活模式，a_i＝0表示所有微小区基站中第i个微小区基站处在睡眠模式，l_0h'表示宏小区基站到第h'个用户的距离，l_ih'表示所有微小区基站中第i个微小区基站到待分配用户集合中第h'个用户的距离，α表示路径衰落因子，W表示接入网带宽，p_i表示所有微小区基站中第i个微小区基站的发射功率；

p_qh'表示待分配用户集合中第h'个用户接入集合B_active中第q个微小区基站的接入概率，表示如下：

其中，a₀表示宏小区基站工作模式，I表示所有微小区基站构成集合中基站的数量。

步骤c02.针对待分配用户集合中第h个用户的候选基站v，选择满足如下公式的用户z，作为该候选基站v的候选用户；

z＝arg min_u∈κΔ_v,u

其中，κ表示未连接的用户集合。

步骤c03.判断z是否为第h个用户，是则将第h个用户连接到基站v，同时将该用户加入到已分配用户集合当中，并更新已分配用户集合中用户的数量β，然后进入步骤c04；否则进入步骤c05。

步骤c04.判断β是否等于N，是则完成为每个用户选择一个基站进行连接，并提供传输服务；否则进入步骤c05；其中，N表示所有用户的数量。

步骤c05.判断h是否等于H，是则删除待分配用户集合中对应已分配用户集合中用户的用户，并更新待分配用户集合中用户的数量H，再令h＝1，并返回步骤c01；否则针对h进行加1更新，并返回步骤c01。

上述技术方案所设计物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法，采用全新控制策略，应用中将部分微小区基站调整为睡眠模式，能够有效节约能量，降低了干扰，同时能够减少时延；并且整个设计控制过程，有效降低了时延和算法复杂度；不仅如此，应用中，针对部分微小区基站采用毫米波回程链路，有效降低了成本。

如图3所示，基于本发明所设计物联网环境中基于睡眠模式的低时延传输方法的实际应用，设计实施例，该实施例可推广到其它类似情形，图3中给出了本方法所得到的系统总时延，以及传统基于距离方法所得到的系统总时延，这里传统的方法是指将用户连接至最近的基站实现数据传输，其中，所设计实施例做如下具体参数设置：

由图3可以看出，本发明所设计方法实际应用中的系统总时延小于传统方法的系统总时延。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。