移動網絡中h2h和m2m終端發射功率協同控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種發射功率協同控制方法，尤其適用于一種無線通信技術領域使用 的移動網絡中肥H和M2M終端發射功率協同控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著社會、經濟發展對"物聯網（IoTJnternet Of化ingsT應用需求的不斷增 長，全球移動通信市場和業務正在從傳統的H2H通信向M2M通信領域拓展，旨在實現"物物相 聯"的M2M通信模式已經被納入新一代移動通信協議標準LTE-A化ong Term Evolution Advanced)。無需人工參與，M2M通信允許網絡終端進行自主的信息交互，適用于環境監控、 工業自動化控制W及智能電網、醫療和應急防護等多種領域。與肥H通信模式相比，M2M通信 模式具有如下特征:首先，在H2H通信模式中，終端高速(或低速)移動、數據鏈路維持時間長 (數據傳輸量大）、數據傳輸具有突發性;在M2M通信模式中，終端被固定或低速移動、數據鏈 路維持時間短(數據傳輸量小）、數據傳輸具有周期性。其次，M2M終端多被部署在危險或無 人觸碰區域，無法像H2H終端可W被及時、快速充電；因此，除了滿足M2M通信的服務質量(如 數據吞吐量和傳輸時延），降低M2M通信的能耗也尤為重要。此外，地理位置相近的多個M2M 終端通常具有相關的監測任務，當運些M2M終端同時向基站(Base Station,BS)傳輸信息 時，會產生嚴重的網絡擁塞，干擾H2H終端的數據傳輸；因此，M2M通信必須具備對多個終端 進行群組管理和控制的能力。
[0003] 相比于M2M終端，肥H終端化Ser Equipment，UE)具有更強的計算能力、更多的存儲 空間，并且易于快速、及時充電和更換電池。本發明提出將H2H終端作為M2M終端與基站之間 的中繼節點，一方面，H2H終端可W對多個M2M終端進行集中管理，另一方面，肥H終端也可W 將各M2M終端產生的數據中繼轉發至基站，從而增強M2M終端數據傳輸的可靠性。所提出的 多終端發射功率協同控制方法W滿足M2MW及肥H通信的服務質量需求(最小數據吞吐量和 最大數據傳輸時延)為目標，同時最小化M2M終端的傳輸能耗。
[0004] 目前，針對肥H和M2M通信模式共存的移動通信系統已經受到國內外學者的廣泛關 注，并提出了 W下解決方案：
[0005] 文南犬 1 ;A,Ai jaz ,M.Tshangini ,M.Nakhai ,et al, ''Energy-efficient uplink resource allocation in LTE networks with M2M/H2H co-existence under statistical QoS guaranteesIEEE Trans.Commun.,vol.62,no.7,pp.2353-2365,2014.
[0006] 文南犬2:C.Y.Ho and C.-Y.Huang, ('Energy-saving massive access control and resource allocation schemes for M2M communications in OFDMA cellular networks,"IEEE Commun 丄ett.,vol. I,no.3,pp.209-211,2012.
[0007] 文獻3:張國鵬，李奧，杜耀，周凱，林育德，斬文斌，嵌入M2M的蜂窩網絡中高能效的 功率和時隙分配方法，發明專利（已受理），201510624229。
[000引文獻1和2中H2H終端采用半雙工方式中繼轉發M2M終端的數據。雖然半雙工中繼可 W減小H2H終端的硬件復雜度、避免H2H終端和M2M終端并發傳輸所造成的共信道干擾，然 而，半雙工中繼無法高效利用蜂窩網絡的頻譜資源，從而會增加 M2M終端的傳輸能耗。文獻3 所提出的功率和時隙分配方法能夠有效平衡全網M2M終端的能耗，延長M2M網絡的生存期， 并適用于家庭或辦公室等小規模M2M通信環境。然而，文獻3仍然基于半雙工中繼技術，無法 提高移動通信網絡的頻譜利用效率。
【發明內容】
[0009] 針對上述技術的不足之處，提供運一種針對H2H和M2M通信共存的蜂窩移動通信網 絡，需要提高網絡的頻譜資源利用率，滿足M2MW及H2H通信的服務質量需求，并降低M2M終 端的傳輸能耗的移動網絡中肥H和M2M終端發射功率協同控制方法。
[0010] 為實現上述技術目的，本發明的移動網絡中H2H和M2M終端發射功率協同控制方 法，其利用的移動網絡包括基站、肥H終端W及K化含1)個M2M終端組成，其中每個M2M終端上 設有天線，H2H終端上分別設有用于信號發射和用于信號接收的兩支天線，H2H終端為K個 M2M終端與基站之間的無線中繼節點，采用時、頻域全雙工數據中繼傳輸數據，允許肥H終端 和全部K個M2M終端在同一頻段并發傳輸數據;H2H終端采用碼分多址(CDMA)技術對K個M2M 終端進行信道訪問控制;其步驟如下：
[0011] a.啟動基站、H2H終端和所有M2M終端，H2H終端為所有K個M2M終端定義編號標簽， 開始傳輸數據時，所有K個M2M終端通過蜂窩網絡的控制信息傳輸信道(SDCCH，Stand-Alone Dedicated Control Channel)向肥H終端發送數據傳輸請求;肥H終端接收到所有K個M2M終 端發出的數據傳輸請求信息后，通過SDCCH信道將請求信息轉發至基站;基站根據接收到的 K個M2M終端的數據傳輸請求信息為H2H終端平均分配K個信道用于傳輸K個M2M終端的數據， 基站將信道分配信息通過肥H終端分別反饋給K個M2M終端；
[0012] b.所有K個M2M終端通過分配的信道與肥H終端建立無線通信鏈路，H2H終端與基站 建立無線通信鏈路；
[0013] C.開始迭代運行，此時初始化系統參數F = I;
[0014] 初始化并記錄肥H終端W及全部K個M2M終端的總功率消耗Pa,戶4 =婉'W+每貨"十S， 其中，JKT表示H2H終端可用的最大發射功率，興表示第k個M2M終端可用的最大發射功 率，e是一個任意小的正實數；由于全部終端的功率分配之和不可能超過//r+辟；T，因此 初始運行的總共耗口限值Pa大于片跨r正實數e ;
[0015] 初始化對H2H終端的最優功率分配為：片。= 片，初始化對任意第k個M2M終端的最 優功率分配為：A= 扣"\式中：扣Iin表示H2H終端可用的最小發射功率，片胃表示第k個M2M 終端可用的最小發射功率；
[0016] d.H2H終端通過公共導頻信道(CPICH,Common Pilot Qiannel)^及專用物理控制 信道化PCCH,Dedicated I^ysical Control Channel)獲取肥H終端與基站之間的信道系數 hu,B，H2H終端的發射天線與接收電線之間的信道系數hu,u，第k個M2M終端與基站之間的信道 系數hk,B，基站接收機的加性高斯白噪聲m，H2H終端的加性高斯白噪聲nu;
[0017] e .由于H2H終端和M2M終端為全雙工并行發射通信，M2M終端的發射會對基站接收 肥H終端的信息造成共信道干擾，因此M2M終端與基站之間存在干擾鏈路，利用M2M網關計算 各自的信道增益參數：
[001引利用公式：丫 k,B= Ihk,bIVI郵I2計算第k個M2M終端與基站之間的信道增益丫 k,B化 二1,2,...,K),
[0019] 利用公式：丫 k,u= I hk,u I V I加 12計算第k個M2M終端與H2H終端之間的信道增益丫 k,u 化=1，2，...，K)，
[0020] 利用公式：丫 U,B= I hu,B I V I郵I 2計算肥H終端與基站之間的信道增益丫 U,B，
[0021] 利用公式：丫 U,U= I hu,UI V I nu 12計算H2H終端的發射天線與接收電線之間的信道增 益丫 u,u;
[0022] f.通過遍歷H2H終端可能的發射功率，尋找是否能在傳輸時間T內滿足H2H終端W 及全部K個M2M終端的數據吞吐量需求，并且比當前功率分配方案消耗的總功率Pa更少的分 配方案：先檢測H2H終端的發射功率PU是否超過最大值切，當滿足化 < 片-x時;再檢查前 面的功率控制方案是否能在傳輸時間T內滿足H2H終端W及全部K個M2M終端的數據吞吐量 需求，滿足則標記系統參數F=U初始運行為1)，當兩者均滿足時繼續下個步驟，否則存在 任意條件不滿足則步驟結束：
[0023] g.初始給定H2H終端的發射功率為扣= 片r，WH2H終端和全部K個M2M終端的總功 耗最小化為目的遍歷尋找全部k個M2M終端的發射功率，依次判斷k個M2M終端工作時的發射 功率化是否超過其自身最大發射功率衣^"，當滿足條件A >片"'?時，說明其數據吞吐量化不 滿足條件:化含Lk，設置系統參數F = 0，說明此時沒有找到既滿足肥H終端W及全部K個M2M終 端的數據吞吐量需求，也不存在肥H終端W及全部K個M2M終端的總功耗最小化的最優方案， 則結束判斷步驟結束，否則說明功率增加后，對所有M2M終端是可行的;針對肥H終端利用公 式：
，當前計算H2H終端在傳輸時延約束T內的數據吞吐量 Ru,利用公式：
，當前計算所有k個M2M終端在傳輸時延約束T內的 數據吞吐量化；
[0024] h.判斷H2H終端在傳輸時延約束T內的數據吞吐量Ru與肥H終端向基站傳輸自身產 生的比特數據Lu的關系，若滿足Ru含Lu,并且比較所有k個M2M終端在傳輸時延約束T內的數 據吞吐量化與其自身需要向基站傳輸比特數據Lk的關系時，滿足化> Lk,則說明此時既滿足 H2H終端的發射功率數據的數據吞吐需，同時又滿足M2M終端的發射功率數據的數據吞吐 需，則此時