[论文解读] Optimized Resource Provisioning and Operation Control for Low-power Wide-area IoT Networks

Amin Azari, Meysam Masoudi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

IoT Networks and Protocols参考文献 20被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于优化低功耗广域（LPWA）物联网网络中资源供给与操作控制的分析框架，平衡网络成本、设备电池寿命与通信可靠性。通过建模来自异构、异步源的干扰，并推导出成功概率的闭式表达式，该框架实现了接入点（AP）密度、传输重复次数与能效之间的权衡分析，展示了如何为成本效益高、持久的物联网连接推导出最优配置。

ABSTRACT

The tradeoff between cost of the access network and quality of offered service to IoT devices, in terms of reliability and durability of communications, is investigated. We first develop analytical tools for reliability evaluation in uplink-oriented large-scale IoT networks. These tools comprise modeling of interference from heterogeneous interfering sources with time-frequency asynchronous radio-resource usage patterns, and benefit from realistic distribution processes for modeling channel fading and locations of interfering sources. We further present a cost model for the access network as a function of provisioned resources like density of access points (APs), and a battery lifetime model for IoT devices as a function of intrinsic parameters, e.g. level of stored energy, and network parameters, e.g. reliability of communication. The derived models represent the ways in which a required level of reliability can be achieved by either sacrificing battery lifetime (durability), e.g. increasing number of replica transmissions, or sacrificing network cost and increasing provisioned resources, e.g. density of the APs. Then, we investigate optimal resource provisioning and operation control strategies, where the former aims at finding the optimized investment in the access network based on the cost of each resource; while the latter aims at optimizing data transmission strategies of IoT devices. The simulation results confirm tightness of derived analytical expressions, and show how the derived expressions can be used in finding optimal operation points of IoT networks.

研究动机与目标

• 解决大规模LPWA物联网部署中接入网络成本与服务质量（可靠性与耐用性）之间的权衡问题。
• 在具有异构、时频异步传输的大规模上行链路导向型物联网网络中，建模上行链路可靠性。
• 基于AP密度开发接入网络基础设施的成本模型，并基于传输可靠性与能量约束开发物联网设备的电池寿命模型。
• 通过联合最小化网络成本与最大化设备耐用性，实现资源供给与操作控制的分析优化。

提出的方法

• 使用泊松聚类过程建模设备分布，并结合现实的衰落模型，对来自异构源的干扰进行建模。
• 利用随机几何与拉普拉斯变换技术，推导出传输成功概率的闭式表达式。
• 提出一种成功概率模型，同时考虑同信道干扰以及设备特定的路径损耗与衰落。
• 基于AP密度开发成本模型，基于传输重复次数与可靠性开发电池寿命模型。
• 利用推导出的模型，制定资源供给（AP密度）与操作控制（传输策略）的优化问题。
• 通过仿真验证分析结果，确认在各种网络条件下推导表达式的紧密性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模LPWA物联网网络中，如何准确建模来自异构、时频异步源的干扰？
• RQ2 AP密度与传输重复次数对网络成本与设备电池寿命之间权衡的影响是什么？
• RQ3 在现实的信道与设备分布模型下，如何对免授权传输的成功概率进行分析表达？
• RQ4 在LPWA物联网系统中，网络投资（CAPEX）与设备耐用性（电池寿命）之间最优平衡是什么？
• RQ5 如何利用推导出的模型，找到联合资源供给与传输策略控制的最优操作点？

主要发现

• 推导出的成功概率表达式与仿真结果高度吻合，验证了分析模型的准确性。
• 提高AP密度可提升可靠性，但会增加网络成本；增加传输重复次数可延长电池寿命，但会增加能量消耗。
• 该模型可识别出在满足所需可靠性与耐用性目标前提下，使成本最小化的最优AP密度与传输策略。
• 成功概率显著受设备分布模式影响，在高密度区域，泊松聚类模型提供的边界比泊松点过程更紧密。
• 分析框架可实现资源供给与操作控制的高效优化，支持成本效益高且持久的物联网网络部署。