移动网络中h2h和m2m终端发射功率协同控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种发射功率协同控制方法，尤其适用于一种无线通信技术领域使用 的移动网络中肥H和M2M终端发射功率协同控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会、经济发展对"物联网（IoTJnternet Of化ingsT应用需求的不断增 长，全球移动通信市场和业务正在从传统的H2H通信向M2M通信领域拓展，旨在实现"物物相 联"的M2M通信模式已经被纳入新一代移动通信协议标准LTE-A化ong Term Evolution Advanced)。无需人工参与，M2M通信允许网络终端进行自主的信息交互，适用于环境监控、 工业自动化控制W及智能电网、医疗和应急防护等多种领域。与肥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，终端高速(或低速)移动、数据链路维持时间长 (数据传输量大）、数据传输具有突发性;在M2M通信模式中，终端被固定或低速移动、数据链 路维持时间短(数据传输量小）、数据传输具有周期性。其次，M2M终端多被部署在危险或无 人触碰区域，无法像H2H终端可W被及时、快速充电；因此，除了满足M2M通信的服务质量(如 数据吞吐量和传输时延），降低M2M通信的能耗也尤为重要。此外，地理位置相近的多个M2M 终端通常具有相关的监测任务，当运些M2M终端同时向基站(Base Station,BS)传输信息 时，会产生严重的网络拥塞，干扰H2H终端的数据传输；因此，M2M通信必须具备对多个终端 进行群组管理和控制的能力。
[0003] 相比于M2M终端，肥H终端化Ser Equipment，UE)具有更强的计算能力、更多的存储 空间，并且易于快速、及时充电和更换电池。本发明提出将H2H终端作为M2M终端与基站之间 的中继节点，一方面，H2H终端可W对多个M2M终端进行集中管理，另一方面，肥H终端也可W 将各M2M终端产生的数据中继转发至基站，从而增强M2M终端数据传输的可靠性。所提出的 多终端发射功率协同控制方法W满足M2MW及肥H通信的服务质量需求(最小数据吞吐量和 最大数据传输时延)为目标，同时最小化M2M终端的传输能耗。
[0004] 目前，针对肥H和M2M通信模式共存的移动通信系统已经受到国内外学者的广泛关 注，并提出了 W下解决方案：
[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] 文献3:张国鹏，李奥，杜耀，周凯，林育德，斬文斌，嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的 功率和时隙分配方法，发明专利（已受理），201510624229。
[000引文献1和2中H2H终端采用半双工方式中继转发M2M终端的数据。虽然半双工中继可 W减小H2H终端的硬件复杂度、避免H2H终端和M2M终端并发传输所造成的共信道干扰，然 而，半双工中继无法高效利用蜂窝网络的频谱资源，从而会增加 M2M终端的传输能耗。文献3 所提出的功率和时隙分配方法能够有效平衡全网M2M终端的能耗，延长M2M网络的生存期， 并适用于家庭或办公室等小规模M2M通信环境。然而，文献3仍然基于半双工中继技术，无法 提高移动通信网络的频谱利用效率。
【发明内容】
[0009] 针对上述技术的不足之处，提供运一种针对H2H和M2M通信共存的蜂窝移动通信网 络，需要提高网络的频谱资源利用率，满足M2MW及H2H通信的服务质量需求，并降低M2M终 端的传输能耗的移动网络中肥H和M2M终端发射功率协同控制方法。
[0010] 为实现上述技术目的，本发明的移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方 法，其利用的移动网络包括基站、肥H终端W及K化含1)个M2M终端组成，其中每个M2M终端上 设有天线，H2H终端上分别设有用于信号发射和用于信号接收的两支天线，H2H终端为K个 M2M终端与基站之间的无线中继节点，采用时、频域全双工数据中继传输数据，允许肥H终端 和全部K个M2M终端在同一频段并发传输数据;H2H终端采用码分多址(CDMA)技术对K个M2M 终端进行信道访问控制;其步骤如下：
[0011] a.启动基站、H2H终端和所有M2M终端，H2H终端为所有K个M2M终端定义编号标签， 开始传输数据时，所有K个M2M终端通过蜂窝网络的控制信息传输信道(SDCCH，Stand-Alone Dedicated Control Channel)向肥H终端发送数据传输请求;肥H终端接收到所有K个M2M终 端发出的数据传输请求信息后，通过SDCCH信道将请求信息转发至基站;基站根据接收到的 K个M2M终端的数据传输请求信息为H2H终端平均分配K个信道用于传输K个M2M终端的数据， 基站将信道分配信息通过肥H终端分别反馈给K个M2M终端；
[0012] b.所有K个M2M终端通过分配的信道与肥H终端建立无线通信链路，H2H终端与基站 建立无线通信链路；
[0013] C.开始迭代运行，此时初始化系统参数F = I;
[0014] 初始化并记录肥H终端W及全部K个M2M终端的总功率消耗Pa,戶4 =婉'W+每货"十S， 其中，JKT表示H2H终端可用的最大发射功率，兴表示第k个M2M终端可用的最大发射功 率，e是一个任意小的正实数；由于全部终端的功率分配之和不可能超过//r+辟；T，因此 初始运行的总共耗口限值Pa大于片跨r正实数e ;
[0015] 初始化对H2H终端的最优功率分配为：片。= 片，初始化对任意第k个M2M终端的最 优功率分配为：A= 扣"\式中：扣Iin表示H2H终端可用的最小发射功率，片胃表示第k个M2M 终端可用的最小发射功率；
[0016] d.H2H终端通过公共导频信道(CPICH,Common Pilot Qiannel)^及专用物理控制 信道化PCCH,Dedicated I^ysical Control Channel)获取肥H终端与基站之间的信道系数 hu,B，H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道系数hu,u，第k个M2M终端与基站之间的信道 系数hk,B，基站接收机的加性高斯白噪声m，H2H终端的加性高斯白噪声nu;
[0017] e .由于H2H终端和M2M终端为全双工并行发射通信，M2M终端的发射会对基站接收 肥H终端的信息造成共信道干扰，因此M2M终端与基站之间存在干扰链路，利用M2M网关计算 各自的信道增益参数：
[001引利用公式：丫 k,B= Ihk,bIVI邮I2计算第k个M2M终端与基站之间的信道增益丫 k,B化 二1,2,...,K),
[0019] 利用公式：丫 k,u= I hk,u I V I加 12计算第k个M2M终端与H2H终端之间的信道增益丫 k,u 化=1，2，...，K)，
[0020] 利用公式：丫 U,B= I hu,B I V I邮I 2计算肥H终端与基站之间的信道增益丫 U,B，
[0021] 利用公式：丫 U,U= I hu,UI V I nu 12计算H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道增 益丫 u,u;
[0022] f.通过遍历H2H终端可能的发射功率，寻找是否能在传输时间T内满足H2H终端W 及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求，并且比当前功率分配方案消耗的总功率Pa更少的分 配方案：先检测H2H终端的发射功率PU是否超过最大值切，当满足化 < 片-x时;再检查前 面的功率控制方案是否能在传输时间T内满足H2H终端W及全部K个M2M终端的数据吞吐量 需求，满足则标记系统参数F=U初始运行为1)，当两者均满足时继续下个步骤，否则存在 任意条件不满足则步骤结束：
[0023] g.初始给定H2H终端的发射功率为扣= 片r，WH2H终端和全部K个M2M终端的总功 耗最小化为目的遍历寻找全部k个M2M终端的发射功率，依次判断k个M2M终端工作时的发射 功率化是否超过其自身最大发射功率衣^"，当满足条件A >片"'?时，说明其数据吞吐量化不 满足条件:化含Lk，设置系统参数F = 0，说明此时没有找到既满足肥H终端W及全部K个M2M终 端的数据吞吐量需求，也不存在肥H终端W及全部K个M2M终端的总功耗最小化的最优方案， 则结束判断步骤结束，否则说明功率增加后，对所有M2M终端是可行的;针对肥H终端利用公 式：
，当前计算H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量 Ru,利用公式：
，当前计算所有k个M2M终端在传输时延约束T内的 数据吞吐量化；
[0024] h.判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量Ru与肥H终端向基站传输自身产 生的比特数据Lu的关系，若满足Ru含Lu,并且比较所有k个M2M终端在传输时延约束T内的数 据吞吐量化与其自身需要向基站传输比特数据Lk的关系时，满足化> Lk,则说明此时既满足 H2H终端的发射功率数据的数据吞吐需，同时又满足M2M终端的发射功率数据的数据吞吐 需，则此时