A hybrid network architecture has been proposed for machine-to-machine (M2M) communications in the fifth generation wireless systems, where M2M gateways connect the capillary networks and cellular networks. In this paper, we develop novel energy efficient and end-to-end delay duty cycle control scheme for controllers at the gateway and the capillary networks coordinator. We first formulate a duty cycle control problem with joint-optimisation of energy consumption and end-to-end delay. Then, a distributed duty cycle control scheme is proposed. The proposed scheme consists of two parts (i) a transmission policy, which decides the optimal number of packets to be transmitted between M2M devices, coordinators and gateways; and (ii) a duty cycle control for IEEE 802.15.4. We analytically derived the optimal duty cycle control and developed algorithms to compute the optimal duty cycle. It is to increase the feasibility of implementing the control on computation-limited devices where a suboptimal low complexity rollout algorithm-based duty cycle control (RADutyCon) is proposed. The simulation results show that RADutyCon achieves an exponential reduction of the computation complexity as compared with that of the optimal duty cycle control. The simulation results show that RADutyCon performs close to the optimal control, and it performs no worse than the heuristic base control

چکیده

یک شبکه هیبرید برای ارتباطات ماشین با ماشین (M2M) در سیستم های بیسیم نسل پنجم در این مقاله پیشنهاد شده است که در آن درگاه های M2M، شبکه های مویرگی و شبکه های سلولی را به هم متصل می کنند. در این مقاله، یک الگوی جدید برای کنترل سیکل وظیفه تأخیر نهایی و بازدهی انرژی در کنترل کننده های موجود در درگاه و هماهنگ کننده های شبکه های مویرگی ارائه شده است. ابتدا مسئله کنترل سیکل وظیفه را به صورت ترکیبی با مسئله بهینه سازی مصرف انرژی و تأخیر نهایی، فرمولبندی می کنیم. سپس، یک الگوی کنترل سیکل وظیفه به صورت توزیع شده پیشنهاد می گردد. الگوی پیشنهادی شامل دو بخش است (i) الگوی ارسال که تعیین کننده تعداد بهینه بسته هایی است که می بایست بین تجهیزات M2M، هماهنگ کننده ها و درگاه ها منتقل شوند و (ii) یک الگوی کنترلی سیکل وظیفه برای استاندارد IEEE 802.15.4. همچنین به صورت تئوری کنترل بهینه سیکل وظیفه را بررسی کرده و الگوریتم هایی را برای محاسبه سیکل وظیفه بهینه به کار می گیریم. این روش امکان پیاده سازی الگوی کنترلی را روی تجهیزاتی که دارای محدودیت های محاسباتی هستند بیشتر می کند. در این مقاله، یک الگوی کنترلی جهت کنترل سیکل وظیفه مبتنی بر الگوریتم نیمه بهینه گستردگی با پیچیدگی کم (RADutyCon) پیشنهاد شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که روش RADutyCon کاهش چشمگیری در پیچیدگی محاسبات در مقایسه با الگوی کنترل بهینه سیکل وظیفه، نتیجه می دهد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که روش RADutyCon عملکردی نزدیک کنترل بهینه داشته و عملکردی بهتر از روش های کنترلی ابتکاری خواهد داشت.

1-مقدمه

 شبکه های ماشین با ماشین (M2M) مفهومی از اینترنت اشیاء (IoT) در آینده هستند که انتظار می رود در بسیاری از حوزه ها از جمله شهرهای هوشمند، شبکه های هوشمند، اتوماسیون های صنعتی و کشاورزی، مراقبت های پزشکی و سیستم های حمل و نقل پیشرفت داشته باشند. همچنان که درآمدهای حاصل از خدمات صوتی سنتی رو به افول گذاشت، اپراتورهای شبکه های موبایل به استفاده از M2M برای پر کردن شکاف درآمدی موجود علاقه مند شدند. بعلاوه، ارتباطات M2M به عنوان یکی از موضوعات هم‌راستا با پروژه METIS 2020 اروپا شناخته شده است...