分層m2m網(wǎng)絡中網(wǎng)關和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法
【技術(shù)領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種協(xié)同控制方法，尤其涉及一種機器對機器(Machine-to-Machine， M2M)無線通信領域使用的分層M2M網(wǎng)絡中網(wǎng)關和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動通信網(wǎng)絡在全球的廣泛部署，無線數(shù)據(jù)業(yè)務已經(jīng)從傳統(tǒng)的人對人(H2H， Human to Human)通信向M2M通信領域擴展。M2M通信的原型為無線傳感器網(wǎng)絡（WSN， Wireless Senor Network)，是指在無人工干預的情況下，多個網(wǎng)絡設備或終端之間進行自 主的信息交互。M2M通信主要面向環(huán)境實時監(jiān)測和控制數(shù)據(jù)的傳輸，其應用領域涵蓋了工業(yè) 自動化以及智能城市電網(wǎng)、醫(yī)療和應急防護等多個領域，它是物聯(lián)網(wǎng)（I〇T，Internet of Things)的重要組成部分。為了應對M2M數(shù)據(jù)業(yè)務的快速增長，移動通信標準化組織3GPP已 經(jīng)開始關注蜂窩移動網(wǎng)絡架構(gòu)下的M2M通信問題及其標準化工作。然而，現(xiàn)有的蜂窩移動通 信標準（如LTE以及LTE-A)均針對傳統(tǒng)的H2H通信設計，M2M通信與H2H通信相比具有極大的 差異，主要包括：
[0003] 1)H2H通信主要傳輸語音圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)量較大（幾十MB至幾 GB不等）J2M通信則主要傳輸環(huán)境監(jiān)測和控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸量相對較小(幾十KB到幾 MB不 等）；不過M2M終端的數(shù)量龐大，環(huán)境監(jiān)測所要求的通信發(fā)起頻次高(導致通信鏈路拆建的頻 率高），而控制數(shù)據(jù)的傳輸對時間延遲也有較高的要求；
[0004] 2)H2H通信主要依靠蜂窩下行鏈路(從基站至用戶終端)傳輸數(shù)據(jù)，如用戶終端下 載音樂、瀏覽網(wǎng)頁和視頻等。M2M通信主要用于環(huán)境實時監(jiān)測，因此主要依賴蜂窩上行鏈路 (從M2M終端至基站)傳輸數(shù)據(jù)。當大量M2M終端同時向基站發(fā)出上行鏈路傳輸請求時，勢必 會引發(fā)網(wǎng)絡擁塞;此外，由于單個M2M通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量較小，建立大量的M2M終端至基 站的上行通信鏈路無疑會增加鏈路控制和管理信息的傳輸開銷，導致網(wǎng)絡通信資源無法得 到有效利用；
[0005] 3)H2H終端雖然有能耗大、電池續(xù)航能力差等缺點，但其電池可以很方便的充電和 替換。而M2M終端通常被放置在環(huán)境危險或人類不易接近的區(qū)域（如野外山體、煤礦井下 等），輔助環(huán)境監(jiān)測和災害預警等工作，很少被移動，并且要求在無人干預的情況下工作。因 此，針對M2M終端和通信的能耗節(jié)省尤為重要。
[0006] 為了應對M2M通信所帶來的上述挑戰(zhàn)，近年來一種新的網(wǎng)絡設備，即"M2M網(wǎng)關"被 引入到蜂窩網(wǎng)絡中。地理位置相鄰近的一組M2M終端形成一個"M2M群組"并由同一個M2M網(wǎng) 關進行管理，M2M網(wǎng)關是網(wǎng)絡基礎設施的一部分，它通過無線信道和基站連接，同時，它可以 收集并緩存多個M2M終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)至基站。M2M網(wǎng)關的出現(xiàn)使現(xiàn) 有蜂窩網(wǎng)絡變?yōu)橐环N分層的網(wǎng)絡架構(gòu)，即M2M終端至基站的上行鏈路被分為兩部分，包括 "終端至網(wǎng)關鏈路"以及"網(wǎng)關至基站鏈路"，其中，網(wǎng)關至基站鏈路采用LTE/LTE-A標準，而 終端至網(wǎng)關鏈路可以采用LTE/LTE-A標準，或者采用其他無線網(wǎng)絡協(xié)議，如Wi-Fi和 Bluetooth 等。
[0007] 在上述分層的M2M網(wǎng)絡中，需要解決M2M群組內(nèi)網(wǎng)關以及多個終端的頻譜資源分配 問題，現(xiàn)有的文獻多采用正交頻譜復用的方法解決這一問題，例如：
[0008]文獻1 :C.Y.Ho and C.-Y.Huang，"Energy-saving massive access control and resource allocation schemes for M2M communications in 0FDMA cellular networks IEEE Commun.Lett.,vol.1,no.3,pp.209-211,2012.
[0009] 文南犬2:C.Zhang，G.Ge，J.Li and Y? Hu，"Performance analysis for mobile-relay-based M2M two-way AF relaying in N Nakagami-m fading，'，IET Electronics Letters，vol?49，no?5，pp?344-346，F(xiàn)eb?2013?
[0010] 文獻3:F.Gong，J.Ge，N.Zhang，"SER analysis of the mobile-relay-based M2M communication over double Nakagami-m fading channels，'，IEEE Commun.Lett., vol.15,no.1,pp.34-36,Jan.2011.
[0011] 文獻4:張國鵬，李奧，杜耀，周凱，林育德，靳文斌，嵌入M2M的蜂窩網(wǎng)絡中高能效的 功率和時隙分配方法，申請?zhí)?01510624229,申請日2015.9.25,發(fā)明專利申請；
[0012] 在上述文獻1至文獻4中，終端至網(wǎng)關鏈路以及網(wǎng)關至基站鏈路被分配了不同（即 正交）的頻譜資源，其中，文獻1和2采用了頻分復用的方法，而文獻3和4則采用了時分復用 的方法。正交頻譜復用的方法雖然不會引發(fā)終端至網(wǎng)關鏈路以及網(wǎng)關至基站鏈路的共信道 傳輸干擾，但是會大大降低網(wǎng)絡頻譜資源的利用率。眾所周知，頻譜資源匱乏是下一代蜂窩 移動網(wǎng)絡面臨的主要系統(tǒng)瓶頸之一。此外，文獻4將普通的H2H用戶終端作為M2M通信的中繼 節(jié)點，僅適用于家庭或辦公室等小規(guī)模M2M通信環(huán)境(M2M群組中的終端數(shù)<10)，由于H2H用 戶終端的計算性能遠不及專用的M2M網(wǎng)關，因此無法應對大規(guī)模M2M通信(M2M群組中的終端 數(shù))的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]針對上述技術(shù)的不足之處，提供一種允許M2M群組內(nèi)的終端至網(wǎng)關鏈路以及網(wǎng)關 至基站鏈路在同一頻段上并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)，并針對M2M群組內(nèi)終端和網(wǎng)關的發(fā)射功率協(xié)同控 制非正交頻譜復用的分層M2M網(wǎng)絡中網(wǎng)關和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法。
[0014]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的分層M2M網(wǎng)絡中網(wǎng)關和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制 方法，利用M2M網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)成分層M2M網(wǎng)絡，所述的M2M網(wǎng)絡系統(tǒng)包括基站和無線M2M群組，所 述無線M2M群組由無線M2M網(wǎng)關和K(K 2 1)個無線M2M終端組成，每個無線M2M終端上設有一 支天線，無線M2M網(wǎng)關上分別設有用于信號發(fā)射和用于信號的接收的兩支天線，其中，無線 M2M網(wǎng)關為無線移動設備，無線M2M網(wǎng)關為K個無線M2M終端與基站之間信息連接的中繼節(jié) 點，無線M2M網(wǎng)關與無線M2M終端之間采用時、頻域全雙工數(shù)據(jù)中繼技術(shù)，允許M2M網(wǎng)關和任 一 M2M終端在同一頻段并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)，其特征在于所述網(wǎng)關和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方 法步驟如下：
[0015] a.啟動M2M網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建分層M2M網(wǎng)絡：利用控制信息傳輸信道建立無線M2M網(wǎng)關 和基站之間的鏈接，為M2M群組中的K個無線M2M終端定義標簽編號，K個無線M2M終端通過蜂 窩網(wǎng)絡的控制信息傳輸信道(SDCCH,Stand-Alone Dedicated Control Channel)向無線 M2M網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求;無線M2M網(wǎng)關接收到無線M2M終端發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸請求信息后 將請求信息通過SDCCH信道轉(zhuǎn)發(fā)至基站;基站根據(jù)預設的單位周期時間內(nèi)接收到的所有無 線M2M網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸請求信息后，為M2M網(wǎng)關分配K個信道用于傳輸K個M2M終端的數(shù)據(jù)，基站 將總信道平均分成K個信道后為每個信道順序編號，基站將K個分配信道信息利用SDCCH信 道反饋給無線M2M網(wǎng)關并轉(zhuǎn)發(fā)至K個M2M終端，即將第i個信道分配給第i個M2M終端進行數(shù)據(jù) 傳輸；
[0016] b?根據(jù)LTE/LTE-A蜂窩網(wǎng)絡無線鏈路控制協(xié)議(RLC，Radio Link Control)，每個 無線M2M終端通過所分配的信道與無線M2M網(wǎng)關建立無線通信鏈路，無線M2M網(wǎng)關與基站建 立無線通信鏈路；
[0017] c.無線M2M網(wǎng)關通過LTE網(wǎng)絡提供的公共導頻信道（CPICH，Common Pilot Channel)以及專用物理控制信道（DPCCH,Dedicated Physical Control Channel)獲取其 自身與基站之間的工作信道狀態(tài)參數(shù)hG, B和hG, G，每個無線M2M終端獲取其自身與無線M2M網(wǎng) 關工作信道的信道狀態(tài)參數(shù)lu, dPlu, B，每個無線M2M終端通過SDCCH信道將自身獲取的信道 狀態(tài)參數(shù)