率控制方案，顯示全部無(wú)線M2M終端完成數(shù)據(jù)傳輸消耗能量，隨無(wú)線M2M 終端數(shù)據(jù)吞吐量需求的不斷增加，完成全部數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量不斷增加，當(dāng)無(wú)線M2M網(wǎng) 關(guān)的自干擾鏈路信道增益被限制在ySI^5dB以下時(shí)，采用本發(fā)明所提出方案的能量消耗接 近于系統(tǒng)最優(yōu)性能（即Y si = 0的系統(tǒng)性能曲線）。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分層M2M網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法，利用M2M網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成分 層M2M網(wǎng)絡(luò)，所述的M2M網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括基站和無(wú)線M2M群組，所述無(wú)線M2M群組由無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān) 和K(K2 1)個(gè)無(wú)線M2M終端組成，每個(gè)無(wú)線M2M終端上設(shè)有一支天線，無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)上分別設(shè) 有用于信號(hào)發(fā)射和用于信號(hào)的接收的兩支天線，其中，無(wú)線Μ2Μ網(wǎng)關(guān)為無(wú)線移動(dòng)設(shè)備，無(wú)線 Μ2Μ網(wǎng)關(guān)為Κ個(gè)無(wú)線Μ2Μ終端與基站之間信息連接的中繼節(jié)點(diǎn)，無(wú)線Μ2Μ網(wǎng)關(guān)與無(wú)線Μ2Μ終端 之間采用時(shí)、頻域全雙工數(shù)據(jù)中繼技術(shù)，允許Μ2Μ網(wǎng)關(guān)和任一 Μ2Μ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(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法步驟如下： a. 啟動(dòng)Μ2Μ網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建分層Μ2Μ網(wǎng)絡(luò)：利用控制信息傳輸信道建立無(wú)線Μ2Μ網(wǎng)關(guān)和基 站之間的鏈接，為M2M群組中的K個(gè)無(wú)線M2M終端定義標(biāo)簽編號(hào)，K個(gè)無(wú)線M2M終端通過(guò)蜂窩網(wǎng) 絡(luò)的控制信息傳輸信道（SDCCH,Stand-Alone Dedicated Control Channel)向無(wú)線M2M網(wǎng) 關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求;無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)接收到無(wú)線M2M終端發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求信息后將請(qǐng)求 信息通過(guò)SDCCH信道轉(zhuǎn)發(fā)至基站;基站根據(jù)預(yù)設(shè)的單位周期時(shí)間內(nèi)接收到的所有無(wú)線M2M網(wǎng) 關(guān)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求信息后，為M2M網(wǎng)關(guān)分配K個(gè)信道用于傳輸K個(gè)M2M終端的數(shù)據(jù)，基站將總信 道平均分成K個(gè)信道后為每個(gè)信道順序編號(hào)，基站將K個(gè)分配信道信息利用SDCCH信道反饋 給無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)并轉(zhuǎn)發(fā)至K個(gè)M2M終端，即將第i個(gè)信道分配給第i個(gè)M2M終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； b. 根據(jù)LTE/LTE-A蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線鏈路控制協(xié)議(RLC，Radio Link Control)，每個(gè)無(wú)線 M2M終端通過(guò)所分配的信道與無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)建立無(wú)線通信鏈路，無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)與基站建立無(wú) 線通信鏈路； c. 無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)提供的公共導(dǎo)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(gè)無(wú)線M2M終端獲取其自身與無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)工作信道 的信道狀態(tài)參數(shù)hu和Ιη,β，每個(gè)無(wú)線M2M終端通過(guò)SDCCH信道將自身獲取的信道狀態(tài)參數(shù) hi, g和hi, b，并附上自身編號(hào)標(biāo)簽后反饋至無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)； d. 無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)計(jì)算信道增益參數(shù)：由于無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)和無(wú)線M2M終端之間以并行發(fā)射 的方式進(jìn)行無(wú)線廣播，無(wú)線M2M終端的發(fā)射會(huì)對(duì)基站接收無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)造成共信道干 擾，因此將無(wú)線M2M終端與基站之間的鏈路可以看作是一個(gè)干擾鏈路，無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)利用公 式：M = 十算：任意第i個(gè)無(wú)線M2M終端與基站之間干擾鏈路的信道增益Γι, Β，利用公 式：心=〖十算第1個(gè)無(wú)線M2M終端與無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)之間干擾鏈路的信道增益利用 公式算無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)與基站之間的信道增益rc,B，利用公式= _計(jì)算 無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)自身的發(fā)射天線與接收電線之間的信道增益rs,:; e. 無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)通過(guò)線M2M終端反饋的信道狀態(tài)參數(shù)利用公式：計(jì)算控制第i個(gè)無(wú)線Μ2Μ終端所需要的發(fā)射功率 參數(shù)穸 無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)利用公式：計(jì)算控制無(wú)線M2M網(wǎng) 關(guān)自身的發(fā)射功率參數(shù)碎，無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)使用功率掉中繼第i個(gè)無(wú)線M2M終端的數(shù)據(jù)，式中 if為傳輸周期T內(nèi)第i個(gè)M2M終端需要向基站傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)據(jù)，w為分配給第i(i = l，2,...， K)個(gè)M2M終端的傳輸帶寬； f. 無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)通過(guò)判斷：當(dāng)?shù)趇個(gè)無(wú)線M2M終端的實(shí)際發(fā)射功率與第i個(gè)無(wú)線M2M終 端額定最大發(fā)射功率Pm的關(guān)系為及M ，并且無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)的實(shí)際發(fā)射功率參數(shù)與無(wú) 線M2M網(wǎng)關(guān)為中繼第i個(gè)無(wú)線M2M終端的數(shù)據(jù)額定最大發(fā)射功率PG的關(guān)系為時(shí)，則無(wú) 線M2M網(wǎng)關(guān)設(shè)置第i個(gè)無(wú)線M2M終端的最優(yōu)發(fā)射功率堯^ =泛f，設(shè)置中繼第i個(gè)無(wú)線M2M終端數(shù) 據(jù)的最優(yōu)發(fā)射功率Pf二;否則，當(dāng)> PM或者>為時(shí)，則無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)設(shè)置第i個(gè)無(wú) 線M2M終端的最優(yōu)發(fā)射功率為纟f = 0,設(shè)置中繼第i個(gè)無(wú)線M2M終端數(shù)據(jù)的最優(yōu)發(fā)射功率為 - D； g. 無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)依次針對(duì)每個(gè)無(wú)線M2M終端重復(fù)步驟f獲得所有K個(gè)無(wú)線M2M終端的最優(yōu) 功率控制策略(#fH i = 1，2，. . .，K，并將最優(yōu)功率控制策略(K)，i = 1，2，. . .，K分別反 饋給相對(duì)應(yīng)編號(hào)的所有無(wú)線Μ2Μ終端從而完成一次無(wú)線Μ2Μ網(wǎng)關(guān)和無(wú)線Μ2Μ終端發(fā)射功率的 協(xié)同控制流程； h. 根據(jù)需要重復(fù)步驟a開(kāi)始下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層M2M網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法，其特征在 于:所述無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)作為無(wú)線M2M群組的網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集群組中所有無(wú)線M2M終端 的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求信息并轉(zhuǎn)發(fā)至基站，最終由基站為各無(wú)線M2M終端分配傳輸信道，該分配結(jié) 果先由基站反饋給無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)，再由無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)反饋給各無(wú)線M2M終端。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層M2M網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法，其特征在 于:所述分層M2M網(wǎng)絡(luò)在LTE/LTE-A蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸信道為1個(gè)頻寬為180KHz的正 交頻分復(fù)用（OFDMA,Orthogonal Frequency Division Multiple Access)子載波，系統(tǒng)中 任意第i個(gè)無(wú)線M2M終端被系統(tǒng)分配1個(gè)信道用于數(shù)據(jù)傳輸;無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)可以在K個(gè)信道上 同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，具體為無(wú)線Μ2Μ網(wǎng)關(guān)采用全雙工中繼協(xié)議在第i個(gè)無(wú)線Μ2Μ終端工作 的信道上接收其數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)在同一信道上并行轉(zhuǎn)發(fā)至基站。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層M2M網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法，其特征在于： 預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)傳輸周期T，傳輸周期T為無(wú)線M2M傳輸業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求調(diào)整，如果每個(gè)M2M終端 需要在每1秒內(nèi)完成至少l〇Kb數(shù)據(jù)的傳輸，則數(shù)據(jù)傳輸周期T定為1秒，所述在任一數(shù)據(jù)傳輸 周期T內(nèi)第i個(gè)無(wú)線M2M終端獲得的數(shù)據(jù)吞吐量為無(wú)線M2M網(wǎng) \ 又、-·?··? 以/ 關(guān)與第i個(gè)無(wú)線M2M終端工作的信道上獲得的數(shù)據(jù)吞吐量為：5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述分層M2M網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法，其特 征在于:所述分層M2M網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在能耗最小的前提下滿足任意第i個(gè)無(wú)線M2M終端的吞吐量 需求以及最大時(shí)延限制T，最優(yōu)數(shù)學(xué)建模為： 約束條件：無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)得到用于控制無(wú)線M2M終端以及無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)自身發(fā)射功率的參數(shù)#|"和6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述分層M2M網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法，其特征在 于：當(dāng)任意第i個(gè)無(wú)線M2M終端的參數(shù)聲 M > ΡΜ或者參數(shù)及? > Pei時(shí)，表明給定時(shí)延約束T以及 額定最大發(fā)射功率約束Pm和Pc，則不存在能耗最小的前提下滿足任意第i個(gè)無(wú)線M2M終端的 吞吐量需求if以及最大時(shí)延限制T的最優(yōu)數(shù)學(xué)建模，即第i個(gè)無(wú)線M2M終端的數(shù)據(jù)傳輸需求 在該數(shù)據(jù)傳輸周期無(wú)法被系統(tǒng)滿足，因此，無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)將第i個(gè)無(wú)線M2M終端的最優(yōu)發(fā)射 功率設(shè)置為Pf二§，將為中繼第i個(gè)無(wú)線M2M終端數(shù)據(jù)的最優(yōu)發(fā)射功率設(shè)置為二δ:，達(dá)到 延緩第i個(gè)無(wú)線Μ2Μ終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?br>【專利摘要】一種分層M2M網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法，適用于無(wú)線通信領(lǐng)域使用。使用全雙工中繼傳輸建立無(wú)線通信鏈路，獲取無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)的信道狀態(tài)參數(shù)和，獲取無(wú)線M2M終端的信道狀態(tài)參數(shù)和后計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的信道增益，在滿足每個(gè)無(wú)線M2M終端的數(shù)據(jù)吞吐量的情況下，計(jì)算發(fā)射功率控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方法。有效改善終端至網(wǎng)關(guān)鏈路以及網(wǎng)關(guān)至基站鏈路的信號(hào)功率與干擾噪聲功率比例即信干噪比，從而最小化M2M終端的能耗、滿足M2M通信的最小時(shí)延要求，并有效提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源利用率。
【IPC分類】H04W4/00, H04W52/24, H04W52/46
【公開(kāi)號(hào)】CN105722016
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610084208
【發(fā)明人】張國(guó)鵬, 李?yuàn)W, 肖碩, 趙金柏, 鄧俊, 楊延洲, 劉鵬, 程德強(qiáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月29日
【申請(qǐng)日】2016年2月5日