Spectrum Sharing for Internet of Things: A Survey
物联网（IoT）是一个很有前途的范例，可以在5G及更高级别中容纳大量设备连接。为了为未来的物联网铺平道路，应该提前规划频谱。由于可用频谱资源的稀缺性，频谱共享是物联网的首选解决方案。特别是，移动运营商倾向于利用当前蜂窝网络的现有标准和基础设施，并在授权蜂窝频谱内部署物联网。然而，专有公司更喜欢在未经许可的频谱内部署物联网，以避免任何许可费。在本文中，我们提供了对部署在授权蜂窝频谱和未授权频谱内的流行物联网技术的调查。值得注意的是，重点将放在频谱共享解决方案，包括共享频谱，干扰模型和干扰管理。为此，我们讨论了不同物联网技术的优点和缺点。最后，我们确定了未来物联网面临的挑战，并提出了潜在的研究方向。
2018-10-10 cs.IT cs.NI math.IT
Spatiotemporal Stochastic Modeling of IoT Enabled Cellular Networks: Scalability and Stability Analysis
物联网（IoT）本质上是大规模的，这表现在大量连接的设备以及它们广阔的空间存在。蜂窝网络提供无处不在、可靠和高效的无线接入，是为物联网产生的数据海啸提供第一英里接入的自然候选者。然而，蜂窝网络可能具有向大量连接的事物提供上行链路连接的可扩展性问题。为了表征物联网环境下蜂窝上行链路的可扩展性，提出了一种基于蜂窝上行链路连接的物联网设备流量感知时空数学模型。所开发的模型基于随机几何和排队论，以考虑每个IoT设备的流量需求、不同的传输策略以及IoT设备之间的相互干扰。为此，开发的模型被用来表征蜂窝网络可以容纳物联网流量的程度，以及评估和比较三种不同的传输策略，这些策略结合了传输持久性、退避和功率提升。分析和结果清楚地说明了物联网对蜂窝网络施加的可扩展性问题，并为每种传输策略的有效场景提供了见解。
2017-02-26 cs.IT math.IT
A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)
窄带物联网（NB-IoT）是3GPP Release 13中引入的新蜂窝技术，用于为物联网（IoT）提供广域覆盖。本文概述了NB-IoT的空中接口。我们描述了NB-IoT如何满足关键的物联网需求，例如部署灵活性，低设备复杂性，长电池寿命，支持小区中的大量设备，以及超越现有蜂窝技术的显著覆盖范围扩展。我们还分享了第13版中NB-IoT标准化过程中的各种设计原理，并指出了NB-IoT未来发展的几个开放领域。
2016-06-13 cs.IT cs.NI math.IT
Multiple Access Technologies for cellular M2M Communications: An Overview
本文综述了未来无线蜂窝网络中用于机器对机器（M2M）通信的多址技术。M2M通信旨在为新兴的物联网（IoT）提供通信基础设施，这将彻底改变我们与周围物理环境交互的方式。我们提供了一个多址接入策略的概述，并解释其局限性时，用于M2M通信。我们展示了在协调和不协调的情况下使用不同的多址接入技术的吞吐量效率。与正交多址技术相比，非正交多址还被示出为支持更大数量的设备，特别是在不协调的场景中。我们还详细的问题和挑战，不同的多址接入技术用于蜂窝网络中的M2M应用。
2016-11-17 cs.IT math.IT
Intelligent Reflecting Surfaces for the Enhancement of 6G Internet of Things
随着多年来传感技术的进步，确保物联网（IoT）小工具的无缝连接变得至关重要。随着通信技术的进步，蜂窝网络越来越多地被用于连接物联网系统。IRS是由大量反射组件组成的矩形超表面，其最近由于其通过修改无线传输环境来显著提高通信网络的能量和频谱效率的能力而获得了研究关注。
2022-07-16 cs.IT eess.SP math.IT
Cooperation Techniques for A Cellular Internet of Unmanned Aerial Vehicles
无人机（UAV）是强大的物联网组件，由于其在移动性和灵活性方面的优势，可以在空中提供传感和通信。作为空中用户，无人机被设想为支持下一代蜂窝系统中的各种感测应用，这已经由第三代合作伙伴计划（3GPP）研究。然而，当UAV处于小区边缘或经历深度衰落时，UAV与基站之间的蜂窝链路的服务质量（QoS）可能得不到保证。在本文中，我们首先介绍了非合作蜂窝互联网的无人机。然后，我们提出了一个合作的感测和发送协议，其中无人机可以上传传感数据的帮助下，无人机中继，提供一个更好的通信服务质量的传感任务。详细介绍了支持无人机协同蜂窝互联网的轨迹设计和无线资源管理等关键技术。最后，扩展的无人机协作蜂窝互联网的QoS改善与一些开放的问题，如大规模多输入多输出系统，毫米波，认知通信进行了讨论。
2019-04-03 cs.IT math.IT
An Enhanced Random Access with Preamble-Assisted Short-Packet Transmissions for Cellular IoT Communications
我们提出了一种增强的随机接入（RA）与随机辅助短分组传输，以支持蜂窝物联网（IoT）通信。所提出的方案的关键特征是基站（例如，LTE网络中的eNodeB）利用RA码作为上行链路参考信号来估计IoT设备的上行链路信道状态信息，这随后提供了在RA过程期间发送短分组而无需额外信令的额外机会（例如，连接和调度请求）。通过仿真，我们评估所提出的方案的性能的信道估计均方误差，比特出错率，前导码冲突概率，和短分组传输的成功概率。结果表明，该方案通过有效地结合多天线技术和检测技术，能够在RA过程中支持可靠的、低延迟的短分组传输。
2019-04-06 cs.IT math.IT
Massive Non-Orthogonal Multiple Access for Cellular IoT: Potentials and Limitations
物联网（IoT）承诺无处不在的连接，这代表了未来几年最大的技术趋势。预计到2020年，将有超过250亿台设备连接到蜂窝网络;远远超过当前无线网络中的设备数量。机器对机器（M2M）通信旨在通过促进数十亿多角色设备相互通信以及与底层数据传输基础设施通信而提供用于实现物联网的通信基础设施，而无需或很少需要人为干预。提供这种基础设施将需要从目前主要为人对人（H2 H）应用设计的协议进行重大转变。本文回顾了最近3GPP用于实现大规模蜂窝物联网的解决方案，并研究了M2M通信的随机接入策略，这表明蜂窝网络必须发展以处理设备与系统连接和通信的新方式。然后，提出了一种大规模非正交多址接入（NOMA）技术，作为一种有前途的解决方案，以支持蜂窝网络中大量的物联网设备，在那里我们还确定了其实际挑战和未来的研究方向。
2016-12-02 cs.IT math.IT
Max-Min Fair Beamforming for Cooperative Multigroup Multicasting with Rate-Splitting
同时大量访问相同多媒体内容的需求是下一代蜂窝网络在密集城市地区的一个主要挑战。内容感知的组播传输策略提供了很有前途的解决方案，这样的用例涉及许多移动用户试图获取相同的数据。在这项工作中，我们考虑多组多播传输与一个共同的消息（例如，多媒体内容），其中不同的多播组与它们的私有多播消息一起感兴趣。我们进一步假设中继帮助蜂窝基站（BS）向经历高路径损耗和/或阻塞的用户传播多播内容。我们提出了叠加和级联编码方案，分别表示为SC和CC，来传输公共和私有组播消息。为了最大化最大最小公平（MMF）率，我们设计了一种新的低复杂度的交替优化算法来计算发送和中继预编码器。我们还提出了速率分裂（RS）的替代方案的SC和CC计划连同迭代算法来获得专用的发送和中继预编码器，以最大限度地提高MMF率。我们严格评估所提出的传输方案和预编码器的性能，并验证了基于RS的方案在过载情况下的优越性，没有任何饱和，增加信噪比。
2020-04-03 cs.IT math.IT
Performance Analysis of Uplink Cellular IoT Using Different Deployments of Data Aggregators
数据聚合是实现物联网（IoT）通信蜂窝支持的有效解决方案。事实上，它有助于缓解信道拥塞，减少通信范围，并延长电池寿命。在本文中，我们使用随机几何来分析使用不同聚合器部署策略的上行链路蜂窝物联网的性能，包括地面和空中聚合器，例如，无人机或无人驾驶飞行器。我们专注于物联网特定的性能指标，通常由3GPP使用。具体来说，我们推导出平均发射功耗的封闭式表达式，这是确定物联网设备寿命的关键，以及最大耦合损耗，这对于确定蜂窝系统可以支持的最大覆盖范围至关重要。仿真结果验证了推导的理论表达式。结果表明，空中聚合器可以显着延长设备的寿命，并提供优越的覆盖范围相比，其他部署策略。此外，当聚合器密集部署时，随机部署表现良好，而当设备更加集群时，优化单个地面聚合器的位置是有益的。
2018-12-04 cs.IT math.IT
Epidemic-like Proximity-based Traffic Offloading
蜂窝网络由于移动业务激增而过载，承载信息流的移动社交网络（MSNet）可以帮助降低蜂窝业务负载。如果地理上邻近的用户直接采用WiFi或蓝牙技术（即，利用基于邻近度的通信），可以从蜂窝网络卸载一部分移动业务。对于许多延迟容忍应用，对于流量卸载来说，挑选一些种子用户作为信息源是有益的，这有助于使用基于邻近度的通信以类似于广播的方式将信息进一步传播给其他用户。在本文中，我们开发了一个理论框架来研究只选择k个种子用户的问题，以最大限度地减少移动通信流量从蜂窝网络通过基于邻近的通信。我们引入了一个八卦式的社会级联（GSC）模型来模拟信息扩散过程，它捕捉了基于邻近的通信的类似于网络的性质，并描述了用户的社会参与以及。静态网络作为一个特殊的案例研究和移动网络，我们建立了一个等价的视图和时间映射的信息扩散过程中，分别利用虚拟优惠券收集器。我们进一步证明了子模块的信息扩散，并提出了一个贪心算法选择种子用户的邻近为基础的流量卸载，产生的流量卸载最大化（TOM）问题的最优值的63%内的解决方案。实验结果表明，基于邻近度的通信可以在种子用户数较少的情况下卸载60%以上的蜂窝业务，且贪心算法的性能明显优于启发式算法和随机算法.
2014-11-25 cs.IT cs.SI math.IT
Capacity Analysis and Sum Rate Maximization for the SCMA Cellular Network Coexisting with D2D Communications
稀疏码多址接入（SCMA）是5G无线通信新接口的非正交多址接入（NOMA）技术中最受关注的方案。5G中旨在提高本地通信频谱效率的另一种有效技术是设备到设备（D2D）通信。因此，我们利用与D2D通信共存的SCMA蜂窝网络来满足物联网（IOT）的连接需求，并提高混合网络的系统和速率性能。我们首先推导出所有用户容量的信息论表达式，并根据蜂窝用户和D2D用户之间的相互干扰找到蜂窝用户的容量界限。然后，我们考虑蜂窝用户和D2D用户联合的功率优化问题，以最大化系统和速率。为了解决非凸优化问题，我们提出了一种基于几何规划（GP）的迭代功率分配算法。仿真结果表明，该算法收敛速度快，并能很好地提高和速率性能。
2022-09-21 cs.IT eess.SP math.IT
On the Bound of Energy Consumption in Cellular IoT Networks
预计数十亿传感器将通过新兴的物联网（IoT）技术连接到互联网。这些传感器中的许多传感器将主要使用无线技术连接，使用电池作为其唯一的能源，这使得优化其能源消耗至关重要。在本文中，我们提供了一个基于香农容量制定的物联网终端设备的能耗曲线及其下限的分析框架。我们扩展了这项研究，通过利用ISM频段中随机几何和实际干扰测量的工具，基于物联网网关的随机几何分布对平均能耗性能进行建模。实验数据，干扰测量和蒙特卡洛模拟验证所提出的分析框架，结果表明，目前的网络基础设施的性能是有界的两个极端的几何模型之间的可扩展性。本研究考虑了网关所看到的干扰，无论其来源如何。
2021-06-10 cs.IT math.IT
Energy-Efficient Massive IoT Shared Spectrum Access over UAV-enabled Cellular Networks
数据聚合已成为支持大规模物联网（IoT）的新兴范例，这是第五代新无线电（5G-NR）的一个新的关键用例。事实上，数据聚合器可以补充蜂窝基站并处理物联网流量以减少网络拥塞。在本文中，我们考虑使用移动数据聚合器，例如，无人机，收集物联网流量并将其聚合到网络。具体来说，我们首先讨论如何在无人机存在的情况下在蜂窝用户（UE）和物联网设备之间共享频谱，提出一种时分复用协议。我们使用随机几何分析该协议，比较它的标准频谱共享和正交分配协议。然后，我们制定了一个随机优化问题，以优化标称物联网发射功率，最大限度地提高受干扰约束的物联网设备的平均能效（EE），以保护UE。仿真结果验证了该协议的理论和有效性。结果表明，使用无人机来聚合物联网流量，提高了物联网设备的EE，但EE会随着高度的增加而降低。同样重要的是，优化发射功率对于进一步提高EE至关重要，同时确保与UE的公平共存。
2020-05-25 cs.IT math.IT
Multi-operator Network Sharing for Massive IoT
最近的研究预测，到2020年，将有多达500亿台物联网设备连接到互联网，这将使无线网络的容量变得紧张，而无线网络已经被高清晰度视频流和虚拟现实（VR）/增强现实（AR）等数据饥渴的移动应用程序所超载。如何在物理有限的频谱中满足对大规模物联网设备和高速蜂窝服务的需求，而不显著增加运营和基础设施成本，是运营商面临的主要挑战之一。在本文中，我们介绍了一种新的多运营商网络共享框架，该框架支持物联网和高速蜂窝服务的共存。我们的框架是基于无线电接入网络（RAN）共享架构最近推出的3GPP作为一个有前途的解决方案，为运营商，以提高其资源利用率，降低系统的推出成本。我们评估我们提出的框架使用真正的基站位置数据收集在都柏林市从爱尔兰的两个主要运营商的性能。数值结果表明，与没有网络共享的情况相比，我们提出的框架几乎可以将可支持并与其他蜂窝服务共存的物联网设备总数增加一倍。
2020-01-25 cs.IT cs.NI eess.SP
On the Fundamental Limits of Random Non-orthogonal Multiple Access in Cellular Massive IoT
机器对机器（M2M）构成了物联网（IoT）愿景基础上的通信范式。M2M解决方案允许数十亿多角色设备相互通信或与底层数据传输基础设施通信，而无需或只需最少的人为干预。因此，最初为基于人类的应用设计的用于无线传输的当前解决方案需要实质性转变以应对管理大量M2M设备中的容量问题。在本文中，我们认为多址技术作为有前途的解决方案，以支持大量的设备在蜂窝系统有限的无线电资源。我们专注于非正交多址接入（NOMA），其目的是提高信道效率，设备共享相同的无线电资源用于其数据传输。这已被证明是提供最佳的吞吐量从信息理论的观点来看，我们认为一个现实的系统模型和NOMA的情况下的吞吐量和能源效率方面的系统性能与随机数据包到达模型，在那里我们也得到了系统的稳定性条件，以保证性能。
2017-05-30 cs.IT math.IT
Device Activity and Embedded Information Bit Detection Using AMP in Massive MIMO
由于物联网和传感器网络等新兴技术的发展，未来的蜂窝网络将支持大量设备。通过机器类型通信（MTC）的增强，预计数十亿量级的低功率低复杂度设备将从蜂窝网络接收服务。与被设计为处理人类驱动的业务的传统网络相反，未来的网络必须应对基于MTC的系统，该系统表现出稀疏的业务特性，以小分组操作并且包含大量设备。这样的系统需要更智能的控制信令方案以有效地使用系统资源。在这项工作中，我们考虑一个免授权随机接入蜂窝网络，并提出了一种方法，联合检测用户活动和单个信息位每包。该方法的灵感来自于近似消息传递（AMP），并表现出优越的性能相比，原来的AMP方法。此外，数值分析表明，该方法的性能与设备数量成比例，这使得它适合于具有大量设备的蜂窝网络中的用户检测。
2017-09-15 cs.IT math.IT
Modelling and Performance Analysis of the Over-the-Air Computing in Cellular IoT Networks
针对超密集蜂窝物联网中快速无线数据聚合的挑战，建模分析了接入点接入半径对空中计算均方误差性能的影响，推导了解析表达式并验证，发现存在最优接入半径可使MSE最高降低12.7%。
2023-08-11 cs.IT cs.SY eess.SP
Joint Uplink and Downlink Coverage Analysis of Cellular-based RF-powered IoT Network
环境射频（RF）能量收集由于其普遍性和成本效益，已成为大规模物联网（IoT）生态系统中为小型设备和传感器供电的有前途的解决方案。在本文中，我们研究了基于蜂窝的环境RF能量收集物联网的联合上行链路和下行链路覆盖，其中蜂窝网络被假设为RF能量的唯一来源。我们考虑用于功率和信息传输的基于时分的方法，其中每个时隙被划分为三个子时隙：（i）充电子时隙，在该充电子时隙期间，蜂窝基站（BS）充当IoT设备的RF充电器，IoT设备然后使用在该子时隙中收集的能量用于在剩余的两个子时隙期间的信息发送和/或接收，（ii）下行链路子时隙，在该下行链路子时隙期间，IoT设备从相关联的BS接收信息，以及（iii）上行链路子时隙，在该上行链路子时隙期间，IoT设备向相关联的BS发送信息。对于该设置，我们表征联合覆盖概率，其是典型设备在给定时隙中收获足够能量并且相对于其相关联BS在上行链路和下行链路信号干扰噪声比（SINR）覆盖下的事件的联合概率。该度量显著地概括了关于能量收集通信的现有技术，该现有技术通常分别集中于下行链路或上行链路覆盖。关键的技术挑战在于处理在充电子时隙中收集的能量的量与下行链路和上行链路子时隙中的信息信号质量（SINR）之间的相关性。主导的BS为基础的方法来获得紧密的近似，这个联合覆盖概率。还提供了几个系统设计见解，包括与定期供电的物联网网络的比较和吞吐量最佳时隙划分。
2017-05-18 cs.IT math.IT
Energy-Efficient Activation and Uplink Transmission for Cellular IoT
考虑一个大规模蜂窝网络，其中基站（BS）为大量物联网（IoT）设备提供服务。由于物联网设备由容量有限的电池供电，因此如何延长其工作寿命是蜂窝物联网系统成功的首要问题。本文提出了如何使用BS以节能的方式经由下行链路信令来管理IoT设备的活动和休眠操作模式，以及IoT设备如何执行节能的上行链路功率控制以改善其上行链路覆盖。我们首先调查的基本统计特性的激活信令过程中引起的BS，想要激活在他们的小区中的设备，这有助于获得整洁的表达式的真，假和总的激活概率，揭示联合下行链路功率控制和BS协调是一种有效的手段，以显着提高激活性能。然后，我们提出了一种用于物联网设备的节能上行链路功率控制，该控制可以节省功率并同时改善上行链路覆盖概率。我们还提出了一个节能的下行链路功率控制和BS协调方案，这是显着提高激活和上行链路覆盖性能在同一时间。
2019-09-09 cs.IT eess.SP math.IT
Intelligent Slicing of Radio Resource Control Layer for Cellular IoT: Design and Implementation
蜂窝物联网（CIoT）已经成为满足物联网设备的各种应用的重要分支。在CIoT内，无线电资源控制（RRC）层负责基本功能，诸如无线电接入网络（RAN）中的连接控制和承载建立。各种物联网场景的出现和多样化的业务需求使得RRC层的RAN切片和智能控制都成为迫切的需求。本文旨在通过设计和实现一种新的架构来增强CIoT RRC层的标准化能力，该架构包含RRC切片和智能控制器。该架构旨在实现RRC层切片的创建、修改和删除功能，同时增加智能控制器，以智能地满足不同物联网设备的多样化和动态的业务需求。在开源软件平台OpenAirInterface（OAI）上进一步实现了所提出的架构，在此基础上验证了RRC切片的有效性，并给出了一个采用强化学习来动态调整其中的非连续接收参数的概念验证案例。仿真结果证明了所提出的智能RRC切片架构的有效性。
2020-04-15 cs.IT cs.NI math.IT
Optimal Resource Allocation for Full-Duplex IoT Systems Underlaying Cellular Networks with Mutual SIC NOMA
设备到设备（D2D）和非正交多址（NOMA）是满足下一代移动通信在物联网（IoT）服务的网络密度和多样性方面的挑战的有前景的技术。本文通过优化信道和功率分配来解决蜂窝网络下的物联网系统中最大化D2D总吞吐量的问题。NOMA用于管理蜂窝用户和全双工（FD）物联网设备之间的干扰。为此目的，识别相互连续干扰消除（SIC）条件以允许同时在基站级别去除D2D设备干扰和在D2D设备级别去除蜂窝用户（CU）干扰。为了最佳地解决联合信道和功率分配（PA）问题，阐述了FD上下文中PA问题的时间有效的解决方案。通过图形表示，在恒定的时间复杂度下，有效地解决了复杂的非凸PA问题。这使得通过连续地解决单独的PA和信道分配问题来实现全局最优分辨率。将所提出的策略的性能与经典的最先进的FD和HD场景进行比较，其中SIC不应用于CU和IoT设备之间。结果表明，在HD或FD场景中，通过在IoT蜂窝上下文中应用相互SIC NOMA可以实现重要的增益。
2021-04-08 cs.IT eess.SP math.IT
Random Access Analysis for Massive IoT Networks under A New Spatio-Temporal Model: A Stochastic Geometry Approach
大规模物联网（mIoT）为构建强大且无处不在的连接提供了一个有利的机会，这些连接面临着众多新挑战，其中蜂窝网络由于其高度的可扩展性，可靠性和效率而成为潜在的解决方案。随机接入信道（RACH）过程是基于蜂窝的mIoT网络中IoT设备和基站（BS）之间的连接建立的第一步，其中对物理层网络的静态属性和每个IoT设备中演进的队列的动态属性之间的交互进行建模是具有挑战性的。为了解决这个问题，我们提供了一种新的流量感知时空模型来分析基于蜂窝的mIoT网络中的RACH，其中物理层网络在空间域中基于随机几何建模和分析，并且在时域中基于概率理论分析队列演化。对于性能评估，我们推导出随机选择的IoT设备在每个时隙中具有不同RACH方案的前导码传输成功概率的精确表达式，这提供了对每个RACH方案的有效性的见解。我们得出的分析结果通过捕捉每个物联网设备中数据包演变的真实模拟进行了验证。该数学模型和分析框架可以应用于评估基于蜂窝网络的其他类型的RACH方案的性能，通过简单地结合其前导码传输原理。
2018-07-04 cs.IT math.IT
Adaptive Rate NOMA for Cellular IoT Networks
物联网（IoT）技术被设想为通过互连数十亿个传感器/设备来实现各种实时应用，这些传感器/设备被部署来观察一些随机的物理过程。这些物联网设备依赖于低功耗广域无线连接来传输其相关随机过程的状态更新，大多数情况下是固定的，但规模较小。蜂窝网络被视为向物联网设备提供可靠无线连接的自然候选者。然而，对这些大量设备的常规正交多址（OMA）预计会降低频谱效率。作为OMA的一种有前途的替代方案，蜂窝基站（BS）可以采用非正交多址（NOMA）来进行移动用户和IoT设备的上行链路传输。特别地，上行链路NOMA可以被配置为使得移动用户可以基于其信道条件来适配传输速率，而IoT设备以固定速率进行传输。对于这种设置，我们使用随机几何分析移动用户的遍历容量和物联网设备的平均本地延迟。我们的分析表明，当物联网设备的延迟约束严格时，上述NOMA配置可以为移动用户提供比OMA更好的遍历容量。此外，我们还表明，在相同的延迟约束下，NOMA可以支持比OMA更大的物联网设备的数据包大小。
2021-12-03 cs.IT eess.SP math.IT
Throughput and Age of Information in a Cellular-based IoT Network
本文研究了基于蜂窝的物联网（IoT）网络中设备到设备（D2 D）通信和实时监控系统之间的相互作用。特别地，除了IoT设备以D2 D方式彼此直接通信的可能性之外，我们认为它们频繁地向它们最近的基站（BS）发送时间敏感的敏感信息/状态更新（关于一些底层物理过程）。通过将物联网设备的位置建模为双极泊松点过程（PPP），将BS的位置建模为另一个独立的PPP，我们分别从网络吞吐量和信息量（AoI）方面表征了D2 D链路和状态更新链路的性能。我们考虑一个最大功率约束和距离相关的分数功率控制的所有状态更新传输。因此，允许发送状态更新的IoT设备的位置被限制在Johnson-Mehl单元内。对于该设置，通过导出D2 D链路的平均成功概率来获得平均网络吞吐量，而通过导出状态更新链路的成功概率和调度概率两者的时间均值的矩来获得时间平均AoI的空间矩。
2021-06-19 cs.IT eess.SP math.IT
On the Role of Age of Information in the Internet of Things
在这篇文章中，我们提供了一个可访问的介绍信息时代（AoI）的新兴思想，量化信息的新鲜度，并探讨其在有效设计新鲜度感知物联网（IoT）中的可能作用。首先，我们总结了AoI及其变体的概念，重点是AoI和文献中其他知名的性能指标，如吞吐量和延迟之间的差异。在此基础上，我们探索了一种网络的新鲜度感知物联网设计，在这种网络中，物联网设备感知到潜在的不同物理过程，并且应该在目的节点（如蜂窝基站）频繁更新这些过程的状态。受最近兴趣的启发，我们还假设这些物联网设备由目的节点的无线能量传输供电。对于这种设置，我们研究了最佳采样策略，该策略联合优化了物联网设备的无线能量传输和更新数据包传输的调度，目标是最小化长期加权和AoI。利用这一点，我们的特点，可实现的AoI区域。我们还比较了这个AoI最优的政策，最大限度地提高平均吞吐量（吞吐量最优的政策），并展示了系统状态对它们的结构的影响。还提出了未来研究的几个有前途的方向。
2019-12-09 cs.IT cs.NI math.IT
Sparse NOMA: A Closed-Form Characterization
了解未来5G及以后蜂窝系统所建议的各种技术的基本限制对于开发高效的最先进设计至关重要。主要关注的领先技术是非正交多址（NOMA）。在本文中，我们推导出一个显式的严格的封闭形式的解析表达式的最佳频谱效率的大系统限制的定期稀疏NOMA，只有一个固定的和有限数量的正交资源分配给任何指定的用户，反之亦然。当每个用户的正交资源数量变大时，（密集）随机扩频码分多址（RS-CDMA）的基本Verdú-Shamai公式与推导出的表达式的极限相一致。此外，定期稀疏NOMA严格示出在整个系统负载范围内比RS-CDMA频谱更有效。因此，它可以作为一种有效的手段，用于减少吞吐量差距，正交传输在欠载制度，并在过载系统的最终覆盖Wyner界。结果在分析上加强了[1]中主要依赖于物理和数值观测的初步结论。对于次优的线性最小均方误差（LMMSE）接收机，也导出了频谱效率的封闭形式，它再次将相应的Verdú-Shamai LMMSE公式扩展到规则稀疏NOMA。
2018-01-13 cs.IT math.IT
Grant-Free Random Access in Machine-Type Communication: Approaches and Challenges
大规模机器类型通信（MTC）预计将在支持物联网（IoT）应用方面发挥关键作用，例如通过蜂窝网络支持智能城市、智能工厂和联网车辆。MTC的特点是MTC设备数量多、活动稀疏，传统的方法难以支持，因此需要设计新的接入技术。特别地，在第五代（5G）中，引入免授权或两步随机接入方案以通过减少信令开销使MTC更高效。在这篇文章中，我们首先介绍了免授权随机接入，并讨论了如何修改大规模多输入多输出（MIMO），以利用高空间复用增益。然后，我们解释的前导码设计，可以提高性能和变化的基础上的概念，非正交多址接入（NOMA）。最后，对下一代蜂窝系统的免授权随机接入的设计挑战。
2020-12-18 cs.IT math.IT
Multi-User Multi-IoT-Device Symbiotic Radio: A Novel Massive Access Scheme for Cellular IoT
本文提出多用户多物联网设备共生无线电系统以支撑蜂窝物联网海量接入，设计鲁棒波束成形方案降低发射功率，还提出基于到达方向的低反馈开销波束成形方法，仿真验证了系统与方法的有效性。
2023-11-06 cs.IT eess.SP math.IT
Multiple Access Design for Symbiotic Radios: Facilitating Massive IoT Connections with Cellular Networks
共生无线电（SR）已成为支持大规模物联网（IoT）连接的频谱和节能范例。本文提出了两种多址接入方案，以促进使用基于SR技术的蜂窝网络的大规模物联网连接，即同时接入（SA）方案和选择分集接入（SDA）方案。在SA方案中，基站（BS）向接收器发送信息，而多个IoT设备通过将BS信号被动地反向散射到接收器来同时发送它们的信息，而在SDA方案中，只有具有最强反向散射链路的IoT设备向接收器发送信息。在这两种方案中，接收器联合解码来自BS和IoT设备的信息。为了评估上述两种方案，在本文中，我们推导出了蜂窝和物联网传输的遍历速率和中断概率的封闭表达式。最后，数值结果验证了理论分析，并比较了两种多址接入方案。当IoT设备的数量较少时，SDA方案更有吸引力，因为它可以显著降低计算复杂性，同时实现与SA方案等效的性能。当IoT设备的数量很大时，SA方案是优选的，因为它保证了显著更好的速率性能和更低的中断概率。
2023-03-24 cs.IT cs.SY eess.SY
Outage Analysis in SWIPT Enabled Cooperative AF/DF Relay Assisted Two-Way Spectrum Sharing Communication
研究了蜂窝网络中支持设备到设备（D2D）通信的多天线协作认知无线电网络（CCRN）中解码转发（DF）和放大转发（AF）中继的相对性能。在这项工作中，蜂窝系统被认为是主要的和物联网设备（IoD），从事D2D通信，被认为是次要的系统。设备通过双向主通信中的协作来接入许可频谱。此外，IoD通过使用同步无线信息和功率传输（SWIPT）协议从射频（RF）信号收集能量来供电。推导了蜂窝和D2D通信的中断概率的封闭形式表达式，并研究了AF和DF中继技术的各种设计参数的影响。基于仿真结果，它被发现，建议的频谱共享协议，DF中继和AF中继方案，优于另一个类似的网络架构的频谱效率。它也被观察到，所提出的系统使用DF中继的性能优于AF中继方案在相同的发射功率的能量效率方面。
2020-07-16 cs.IT cs.NI math.IT
Intelligent User Association for Symbiotic Radio Networks using Deep Reinforcement Learning
在本文中，我们感兴趣的是共生无线电网络，其中物联网（IoT）网络寄生在主网络中，以实现频谱，能源和基础设施高效的通信。具体地，BS使用时分多址接入（TDMA）来服务多个蜂窝用户，并且每个IoT设备与一个蜂窝用户相关联以用于信息传输。我们专注于用户关联问题，其目标是通过最大化所有物联网设备的总速率将每个物联网设备链接到适当的蜂窝用户。然而，在获得完整的实时信道信息的困难，这使得它很难设计一个最优的策略，这个问题。为了克服这个问题，我们提出了两种深度强化学习（DRL）算法，它们都使用历史信息来推断当前信息，以便做出适当的决策。其中一种算法是集中式DRL，它利用全局信息同时为所有物联网设备做出决策。另一种算法是分布式DRL，它使用本地信息一次只为一个IoT设备做出决定。仿真结果表明，作为最优的用户关联策略，两种DRL算法的性能相当，且分布式DRL算法具有可扩展性的优势。
2019-05-10 cs.IT eess.SP math.IT
MEC-Empowered Non-Terrestrial Network for 6G Wide-Area Time-Sensitive Internet of Things
针对6G广域时间敏感物联网需求，提出移动边缘计算赋能的无小区架构非地面网络，以时分框架设计通信与MEC系统，通过大规模CSI处理复杂传播环境并迭代求解时延最小化问题，仿真验证其性能优势及无人机载荷预设计的重要性。
2021-06-21 cs.IT eess.SP math.IT
A Layered Grouping Random Access Scheme Based on Dynamic Preamble Selection for Massive Machine Type Communications
大规模机器类型通信（mMTC）已被确定为超5G网络和未来大规模物联网（IoT）中的重要用例。然而，对于mMTC中的大规模多址接入，如果采用传统的4步随机接入（RA）方案，则存在严重的接入前导冲突问题。因此，提出了一系列免授权（GF）RA方案。然而，如果蜂窝用户（设备）的数量显著增加，则现有GF方案的能量和频谱效率由于所需的更长的可扩展性而仍然迅速降级。为了克服这一困境，提出了一种分层分组策略，首先根据用户的地理位置将其划分成簇，然后利用基于最优能耗（Opt-EC）的K-means算法将同一簇内的用户自主加入到不同的组中。在这种新的分层蜂窝体系结构下，RA过程分为簇负载估计阶段和活动组检测阶段。基于近似消息传递算法的状态演化理论，给出了在保证一定检测精度的前提下，最小前导码长度的严格下界。在第二阶段，利用簇负载估计，采用动态前导码选择策略，以最小长度获得所需的前导码。正如我们的仿真结果所证明的，这种两阶段DPS辅助RA策略的结果在一个显着的性能改善
2021-02-25 cs.IT cs.NI math.IT
The Blind Normalized Stein Variational Gradient Descent-Based Detection for Intelligent Random Access in Cellular IoT
University of Illinois Chicago（伊利诺伊大学芝加哥分校）
针对蜂窝物联网智能随机接入中的导频冲突问题，提出基于最大似然估计的早期导频检测方案，采用盲归一化Stein变分梯度下降检测器，结合修正Hadamard变换层去噪，无需噪声功率和活跃设备数先验知识，提升检测精度和吞吐量。
2025-01-20 cs.AI cs.IT cs.LG
On Throughput of Compressive Random Access for One Short Message Delivery in IoT
在本文中，我们研究了压缩随机接入（CRA）与两个阶段的机器类型通信（MTC）在蜂窝物联网（IoT）。特别是，我们考虑了每个用户（物联网设备或传感器）在物联网应用中被激活以发送数据时只有一条短消息（长度相同）的情况。讨论了两种不同的基于CRA的随机接入方案（一种是传统的，另一种是基于简化的握手过程的新方案）。基于吞吐量分析，我们表明，基于CRA的随机接入方案，简化握手过程可以优于其有效载荷的长度是自适应地决定取决于活跃用户的数量。仿真结果表明，推导出的吞吐量表达式与它们一致，可以用于设计一个每个活动设备或传感器只有一条短消息的MTC随机接入系统。
2020-02-05 cs.IT math.IT
Tractable Stochastic Geometry Model for IoT Access in LTE Networks
物联网（IoT）本质上是大规模的。这不仅表现在大量的连接设备上，而且还表现在必须容纳的大量流量上。蜂窝网络确实是物联网预计将与传统的人类类型流量一起产生的数据海啸的自然候选者。然而，用于调度请求的随机接入过程代表了经由LTE蜂窝网络支持IoT的主要瓶颈。因此，本文开发了一个数学框架来建模和研究随机接入信道（RACH）的可扩展性，以适应物联网流量。所开发的模型是基于随机几何和离散时间马尔可夫链（DTMC），以考虑不同的接入策略和可能的小区间和小区间干扰的来源。为此，开发的模型被用来评估和比较三种不同的访问策略，其中包括传输持久性，回退，和功率斜坡的组合。本文所展示的分析和结果清楚地说明了随着物联网强度的增长，随机接入过程的脆弱性。最后，本文提供了关于物联网强度和RACH检测阈值的每种传输策略的有效场景的见解。
2016-07-12 cs.IT cs.NI math.IT
Random Access Preamble Design and Detection for 3GPP Narrowband IoT Systems
窄带物联网（NB-IoT）是一种新兴的蜂窝技术，它将在延迟容忍应用中为大量低吞吐量低成本设备提供更好的覆盖，同时降低设备功耗。针对NB-IoT物理随机接入信道（NPRACH）设计了一种新的具有跳频的单音信号。在这封信中，我们描述了这种新的NPRACH设计，并详细解释了设计原理。我们进一步提出了可能的接收机算法NPRACH检测和到达时间估计。NPRACH性能的仿真结果，包括检测率，虚警率和到达时间估计精度，以揭示NB-IoT系统的整体潜力。
2016-05-17 cs.IT cs.NI math.IT
IoT Coverage Enhancement using Repetition in Energy Constrained Devices: an Analytic Approach
新型物联网（IoT）接入技术正在成为下一代蜂窝网络的一部分。这些技术专门针对分散在远离其服务基站的能量有限的物联网设备。实现深度覆盖的关键方法之一是通过重复传输数据。然而，重复导致更高的能量消耗并减少设备电池寿命。因此，在覆盖范围和能源消耗之间存在着一种权衡，需要仔细研究。本文评估了传输重复对提高覆盖概率和所产生的能量成本的影响。使用基于流量负载和设备与基站的距离的经验重复配置文件，我们推导出利用两种不同分集组合技术的物联网链路的覆盖概率和能量配置文件模型。特别是，我们重点关注两种常见的分集合并：（i）选择合并（SC）和（ii）最大比合并（MRC）。我们利用随机几何的工具，制定一个分析框架，比较这两种结合的方法。该框架可以帮助网络设计人员在最大限度地提高网络覆盖率的同时，最大限度地减少设备的能量消耗。
2022-03-11 cs.IT math.IT
Grant-Free Non-Orthogonal Multiple Access: A Key Enabler for 6G-IoT
具有短有效载荷以及低功率预算的设备数量的激增已经驱使研究人员远离经典的基于授权的接入方案，该方案因其大的信令开销以及功耗重传而臭名昭著。相反，轻量级的随机接入协议已被重新研究，其吞吐量已提高了数量级与复杂但仍然低复杂度的收发器算法。事实上，免授权访问已被确定为一种关键的媒体访问控制技术，用于在蜂窝网络中的机器类型通信中提供大规模连接。在本文中，我们表明，免授权接入结合非正交传输方案是6 G物联网（IoT）的一个很有前途的解决方案。我们提出了新的和有前途的结果深度学习（DL）为基础的技术，联合用户检测和解码。然后，我们提出了一个多层次的模型GF-NOMA的功率有效的通信。我们还讨论了资源分配问题，使共存的GF-NOMA与其他正交，甚至基于授权的计划。最后，我们总结了为实现6 G-IoT而提出的介质访问研究方向。
2020-03-23 cs.IT eess.SP math.IT
