车联网辅助大规模物联网业务传输方法研究

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大规模物联网(Massive Internet of Things,MIo T)作为蜂窝物联网的一种,通过将所收集的业务向蜂窝网络回传,可以进一步促进万物的互联互通。由于MIo T设备具有价格低廉、易于部署等优点,MIo T目前已占据了蜂窝物联网中大量的市场份额。但是,即使第五代(5th Generation,5G)移动网络已在全球大面积进行部署,目前的蜂窝网络仍无法做到对全球的无缝覆盖。考虑到基站的建设成本与能耗代价,目前大量的修建基站以实现全球覆盖的目标仍无法实现。所以,部署在无蜂窝网络信号的偏远地区或蜂窝网络信号差的部分城市地区中的MIo T设备仍无法直接向蜂窝网络回传其收集的业务信息。为了解决该问题,本文提出了一种车联网辅助的大规模物联网业务传输方法。首先,部署在道路远端的MIo T设备需要先将业务聚合至道路附近的MIo T设备上。其次,道路附近的MIo T设备会将聚合的业务上传至过往的车辆上。最后,车辆会将MIo T设备上传的业务通过向其他车辆转发,最终卸载至蜂窝网络。本文的研究共分为三个部分,具体内容如下。第一部分的研究内容为基于设备中继的MIo T业务聚合。由于MIo T设备的最大发射距离有限,部署于道路远端的MIo T设备无法直接将业务上传至过往的车辆。所以本文提出了基于设备中继的业务聚合方法,处于道路远端的MIo T设备可以借助其他设备的中继,将业务向道路附近的MIo T设备上聚合。考虑到部署在同一区域内的MIo T设备所收集的业务类型与内容相近,且大量的MIo T设备同时发起通信时会造成信令资源的浪费,本文提出了多层设备数据转发系统,并将每层设备进行分簇。簇成员设备需要先将业务发送到所在簇的簇首设备上。簇首在将本簇所有设备的业务去冗余与压缩后,会将聚合业务向内层簇首进行转发,直至聚合业务到达了处于道路附近的第一层簇首设备上。本文主要对设备在进行业务聚合时的能耗最小与业务聚合路由可靠度最大的问题进行分析。通过本文提出的基于交替迭代方法的业务聚合算法可以解决上述优化问题,并为系统规划合适的分簇方案、单次聚合业务量、簇首选举方案与簇间聚合路由。仿真结果显示,本文所提的业务聚合方法在能耗开销指标与路由可靠度指标上优于其他业务聚合方法。第二部分的研究内容为车辆辅助的MIo T业务上传。当MIo T设备的业务聚合到道路附近的簇首设备上后,簇首设备需要将这些数据上传到过往的车辆。考虑到MIo T设备所装载电池容量的有限性、过往车辆到达的不确定性与设备缓存队列的稳定性,本文对道路附近的簇首向车辆上传业务的过程进行分析,并主要分析了MIo T设备在向车辆上传业务时的系统能效最大问题。通过本文所提的基于块坐标下降和并行连续凸约化方法的业务上传算法可以解决上述优化问题,并规划合适的簇首与车辆连接方案、簇首在上传业务时的功率资源分配方案与外层聚合业务的数据到达速率。仿真结果显示,本文所提的业务上传方法在能效指标与外层聚合业务的数据到达速率指标上优于其他业务上传方法。第三部分研究内容为基于车载自组网(Vehicular Ad Hoc Networks,VANETs)的MIo T业务转发与卸载。当MIo T业务上传到车辆上后,由于此时车辆无法直接向蜂窝网络进行业务卸载,需要借助VANETs将业务转发至更接近蜂窝网络的车辆上,最后再向蜂窝网络进行卸载。考虑到不同业务具有不同的时延敏感度与最大容许传输时延、车辆的行驶轨迹具有随机性与不同蜂窝网络接入点具有不同网络负载等因素,本文设计了业务转发与卸载目标的代价函数,和业务转发与卸载策略。本文主要分析了基于传输目标代价和车载功率联合最小的问题。通过本文提出的基于分支定界和外部约化方法的业务转发与卸载算法可以解决上述优化问题,并为车辆寻找合适的业务传输路由并规划合适的功率资源分配方案。仿真结果表明,本文所提的业务转发与卸载方法,在业务成功向蜂窝网络的卸载率与能耗开销方面优于其他业务转发与卸载方法。
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