基于匹配理论的LoRa参数双重匹配优化_杨茂恒.pdf

基于匹配理论的L o R a参数双重匹配优化*杨茂恒,章 辉,周 超(南开大学电子信息与光学工程学院,天津 3 0 0 3 5 0)摘 要:将L o R a WAN中的资源 分配设定为 扩频因子 分配和信道分 配的优化问 题,特 别 是 在L o R a WAN中有大量连接设备的情况下,以保证有限频谱资源的L o R a用户之间的吞吐量公平性。首先,引入匹配理论,将L o R a用户与信道和L o R a用户与扩频因子视为匹配双方,为了最大化它们的效用,提出了一种基于匹配的信道与扩频因子分配算法M S F C AA。然后,以匹配理论为基础,以最大化效用为目标,以最优化网络信道与扩频因子分配为结果,最大限度地提高L o R a WAN中实现的最小信道容量。同时,还提出一种公平传输时间初始化算法,以保证每组参数的吞吐量公平性。仿真结果表明,公平传输时间初始化算法能获得优于其他分配方案的初始分配结果,基于匹配的信道与扩频因子分配算法能显著提升L o R a网络数据提取率并极大降低网络能耗。关键词:L o R a WAN;L o R a;匹配理论;数据提取率中图分类号:T N 9 1 4文献标志码:Ad o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-1 3 0 X.2 0 2 3.0 6.0 0 6D o u b l e m a t c h i n g o p t i m i z a t i o n o f L o R a p a r a m e t e r s b a s e d o n m a t c h i n g t h e o r yYANG M a o-h e n g,Z HANG H u i,Z HOU C h a o(C o l l e g e o f E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n a n d O p t i c a l E n g i n e e r i n g,N a n k a i U n i v e r s i t y,T i a n j i n g 3 0 0 3 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:R e s o u r c e a l l o c a t i o n i n L o R a WAN i s e x p r e s s e d a s a n o p t i m i z a t i o n p r o b l e m o f s p r e a d i n g f a c t o r a l l o c a t i o n a n d c h a n n e l a l l o c a t i o n,e s p e c i a l l y w h e n t h e r e a r e a l a r g e n u m b e r o f c o n n e c t e d d e v i c e s i n L o R a WAN,t o e n s u r e t h e f a i r n e s s o f t h r o u g h p u t a m o n g L o R a u s e r s w i t h l i m i t e d s p e c t r u m r e s o u r c e s.F i r s t l y,t h e m a t c h i n g t h e o r y i s i n t r o d u c e d.L o R a u s e r s a n d c h a n n e l s,a n d L o R a u s e r s a n d s p r e a d i n g f a c-t o r s a r e u s e d a s m a t c h i n g p a r t i e s t o m a x i m i z e t h e i r u t i l i t y.T h e r e f o r e,a m a t c h i n g-b a s e d c h a n n e l a n d s p r e a d i n g f a c t o r a s s i g n m e n t a l g o r i t h m i s p r o p o s e d.B a s e d o n t h e m a t c h i n g t h e o r y,w i t h t h e g o a l o f m a x-i m i z i n g u t i l i t y,b y o p t i m i z i n g t h e r e s u l t s o f n e t w o r k c h a n n e l a n d s p r e a d i n g f a c t o r a l l o c a t i o n,t h e m i n i-m u m c h a n n e l c a p a c i t y a c h i e v e d i n L o R a WAN i s m a x i m i z e d.A f a i r a i r t i m e i n i t i a l i z a t i o n a l g o r i t h m i s p r o-p o s e d t o e n s u r e t h e f a i r n e s s o f t h e t h r o u g h p u t o f e a c h g r o u p o f p a r a m e t e r s.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a i r a i r t i m e i n i t i a l i z a t i o n a l g o r i t h m c a n o b t a i n b e t t e r i n i t i a l a l l o c a t i o n r e s u l t s t h a n o t h e r a l l o c a-t i o n s c h e m e s.T h e m a t c h i n g-b a s e d c h a n n e l s a n d s p r e a d i n g f a c t o r s a s s i g n m e n t a l g o r i t h m c a n s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e t h e L o R a n e t w o r k d a t a e x t r a c t i o n r a t e a n d g r e a t l y r e d u c e n e t w o r k e n e r g y c o n s u m p t i o n.K e y w o r d s:L o R a WAN;L o R a;m a t c h i n g t h e o r y;d a t a e x t r a c t i o n r a t e*收稿日期:2 0 2 2-0 1-0 4;修回日期:2 0 2 2-0 4-2 7基金项目:国家自然科学基金(6 1 8 7 1 2 3 9)通信作者:章辉(z h a n g h n a n k a i.e d u.c n)通信地址:3 0 0 3 5 0 天津市津南区南开大学电子信息与光学工程学院A d d r e s s:C o l l e g e o f E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n a n d O p t i c a l E n g i n e e r i n g,N a n k a i U n i v e r s i t y,J i n n a n D i s t r i c t,T i a n j i n g 3 0 0 3 5 0,P.R.C h i n a C N 4 3-1 2 5 8/T PI S S N 1 0 0 7-1 3 0 X 计算机工程与科学C o m p u t e r E n g i n e e r i n g&S c i e n c e第4 5卷第6期2 0 2 3年6月 V o l.4 5,N o.6,J u n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 7-1 3 0 X(2 0 2 3)0 6-0 9 9 5-0 81 引言随着物联网应用的快速发展,许多物联网终端设备被部署并用于收集智能计量、环境监测和医疗保健的信息。众所周知,低功率广域网络L PWAN(L o w P o w e r W i d e A r e a N e w o r k)是支持大量物联网终端设备连接的通信系统1。L PWAN的新无线范例以低成本提供高能效的远程连接,支持开发新的物联网应用。L o R a(L o n g R a n g e r a d i o)是S e m t e c h公司开发的一种L PWAN技术,主要针对具有能源限制和远距离要求的物联网应用。L o R a使用一种频移线性调频扩频调制形式,并允许在传输距离和比特率之间进行权衡,通过以下4个因素进行控制:扩 频 因 子S F(S p r e a d i n g F a c t o r)、带 宽BW(B a n d w i d t h)、编码率C R(C o d i n g R a t e)和传输功率T P(T r a n s m i s s i o n P o w e r)2。L o R a WAN是一个开放标准,其定义了基于L o R a芯 片 的L PWAN技 术 的 通 信 协 议。L o R a WAN网络采用星形拓扑结构2,其中单个设备仅通过L o R a WAN传输与L o R a WAN网关节点通信,网关节点只 充当中央网 络服务器 的中继3,4。S a l l u m等人5将参数优化问题转化为混合整数线性规划问题,再将问题公式化后提出了一种启发式算法,优化L o R a的无线电参数。R e y n d e r s等人6将功率和扩频因子联合优化。在无功率控制下,确立了相同扩频因子下的冲突概率,提出了一种以路径损耗为基础的S F和功率分配算法。S u等人7探索用户调度、联合S F分配和功率分配定义了最 大化系统能 效的非凸优 化问题,将 目标S NR(S i g n a l t o N o i s e R a t i o)要求和功率范围作为每个L o R a用户的约束条件,提出了一种低复杂度的次优算法,包括节能用户调度和基于匹配理论的调度 用 户 启 发 式S F分 配;还 提 出 了 一 种 基 于C h a r n e s-C o o p e r变换的新型功率分配,将分数目标转换为凸形式,以最大化系统能量效率。Q i n等人8研究了L PWAN上行链路传输的资源效率,将L PWAN中的资源分配设定为信道分配和功率分配的联合优化问题,提出了一种低复杂度匹配信道分配算法,还进一步开发了一种最优功率分配算法,以最大限度地提高L PWAN中的最小传输速率。W a r e t等人9对上行链路中可实现的L o R a吞吐量进行了理论分析,分析了S F不完美的正交性,最后根据环境设计定制S F分配。L i等人1 0详细地 分 析 了 速 率 自 适 应 技 术A D R(A d a p t i v e D a t a R a t e)的性能,并介绍了A D R无线电资源管理机制,主要在物理层探究上下行链路在A D R算法中物理层参数的变化和链路的健壮性。A b d e l-f a d e e l等人1 1开发了一种传输功率控制算法来平衡所有节点的接收信号功率,提出了F A D R(F a i r