CN105142208A - 嵌入m2m的蜂窝网络中高能效的功率和时隙分配方法 - Google Patents

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Abstract

一种嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的功率和时隙分配方法，适用于家庭或办公室等小规模无线网络通信中使用。利用基站BS、H2H终端和多个M2M终端组网，通过M2M终端向H2H终端反馈剩余能量信息，H2H终端计算出与其组网的M2M终端的时隙数和分配参数，并反馈给M2M终端，M2M终端根据接收到的信息计算出通信中的最优数据传输时间和最优发射功率，从而有效降低M2M终端的能量消耗，直到有M2M终端能量耗尽则结束功率和时隙分配流程。其方法简单，有效减小并平衡全网M2M终端能耗，达到延长M2M终端群组网络生存期的目的。

Description

嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的功率和时隙分配方法
技术领域
本发明涉及一种发射功率和传输时隙分配方法，尤其适用于一种家庭或办公室等小规模无线网络通信中使用的嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的功率和时隙分配方法
背景技术
随着下一代5G(FiveGeneration)蜂窝移动通信技术的快速发展，基于蜂窝网络的M2M通信模式成为实现“物联网”的关键技术组成部分。传统的人对人(Human-to-Human，H2H)移动数据业务(如移动多媒体数据下载)多具有长时间、大数据量、突发性传输等特征。与H2H数据业务不同，M2M数据业务多具有非移动性、小规模、低频度、周期性传输等特征，且需要对多个相关的M2M终端执行组群(Group)监管和调度。因此，除了服务质量QoS保障以外，针对M2M通信模式的通信资源分配方案还需要解决以下技术问题：
能耗节省：与H2H终端不同，M2M终端多部署在危险或无人触碰区域，无法被及时、快速充电，针对M2M终端的能耗节省尤为重要；
延长M2M终端群组的网络生存期：M2M终端与无线传感器相似，通常为一组彼此关联的物理环境监测节点，因此，延长M2M终端群组的网络生存期(即网络的有效监测时间)，就成为另一需要解决的问题。M2M终端群组的网络生存期可以定义为：当群组中出现第一个M2M终端因能量耗尽而无法工作时，该群组已经持续工作的时间。
在嵌入M2M的蜂窝网络中，当数量庞大的M2M终端同时向某一蜂窝基站(BaseStation，BS)传输信息时，会产生严重的网络拥塞，影响接入该基站的其他H2H终端的数据传输。此时，通过设置M2M通信网关(M2MCommunicationsGateways，MCGs)，就可以有效解决上述问题。如图1所示，MCG作为M2M终端与基站之间的中继节点，一方面可以对M2M终端群组进行集中式管理，另一方面，也能将各M2M终端产生的数据中继转发至所在基站，从而增强M2M数据传输的可靠性并扩展基站的有效覆盖范围。然而，安装并配置新的网络基础设施MCG势必会增加蜂窝网络的运营成本，以及网络的构成复杂度，不利于针对家庭或办公室环境的中小规模、低成本M2M应用。
在家庭或办公室M2M应用环境中，存在着一定数量的H2H终端，尽管其数量远小于部署于同一区域的M2M终端，但相比于M2M终端，H2H终端具有更强的计算能力、更多的存储空间以及更易于被快速、及时充电。同时，H2H业务多产生下行数据传输(基站至H2H终端)，而M2M业务多产生上行数据传输(M2M终端至基站)。基于上述考虑，本发明提出一种在嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方案，将H2H终端设置为MCG，对M2M终端群组进行集中式管理，并将M2M终端产生的数据中继转发至所在基站。所提出方案能够满足M2M以及H2H业务对最小数据传输时延的需求，同时也能最小化M2M终端的传输能耗，延长M2M终端群组的网络生存期。
目前，针对嵌入M2M蜂窝网络的无线通信资源分配已经被国内外学者广泛关注，并提出了以下具体方案：
文献1：H.S.Dhillon，H.C.Huang，H.Viswanathan，etc，“Power-efficientsystemdesignforcellular-basedmachine-to-machinecommunications，”IEEETransactionsonWirelessCommunications，vol.12，no.11，pp.5740-5753，2013.在M2M终端与基站直接通信的前提下提出了一种高能效的M2M发射终端功率控制方案，然而文献1并没有研究大量M2M终端并发传输所引起的网络拥塞问题。与文献1不同，本发明所提出的资源分配方案采用了基于MCG的蜂窝网络架构，以及两跳M2M上行通信模式，能够满足对M2M终端群组进行集中式管理以及网络拥塞控制的需要；
文献2：C.Y.HoandC.-Y.Huang，“Energy-savingmassiveaccesscontrolandresourceallocationschemesforM2McommunicationsinOFDMAcellularnetworks，”IEEEWirelessCommunicationsLetters，vol.1，no.3，pp.209-211，2012.基于两跳数据中继传输提出了一种针对多M2M终端的信道访问和发射功率控制方案，该方案通过对M2M终端进行群组划分并选择合适的组头终端，最小化群组中所有M2M终端的传输能耗。然而，文献2并没有研究针对M2M通信的QoS保障以及网络生存期等问题，这些问题都将在本发明中得到解决。
发明内容
针对家庭或办公室等小规模M2M蜂窝网络应用环境，需要满足M2M以及H2H业务的QoS需求，减小M2M终端的传输能耗，并延长M2M终端群组的网络生存期。
为实现上述目标，本发明嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，它由一个基站BS，一个被配置为MCG的H2H终端，以及被该H2H终端管理的K(K≥1)个M2M终端构成网络通信系统，基站BS、H2H终端以及各M2M终端均只配置一支用于信号的发射和接收的天线，M2M终端为由电池供电的移动终端，H2H终端作为M2M终端群组与基站BS之间的MCG采用时分多址TDMA的时域半双工数据中继协议，基站BS将信号发送到H2H终端，并通过H2H终端向K(K≥1)个M2M终端进行广播，M2M终端在接收广播后根据需要向H2H终端反馈数据；
其特征在于H2H终端与M2M终端间采用TDMA协议传输数据时的发射功率和传输时隙分配流程如下：
a.在第n个数据传输周期开始前，系统中全部K个M2M终端将它们的剩余能量信息εi(n)，i＝1，...，K通过无线网络传送给H2H终端；
b.H2H终端获得每个M2M终端的当前剩余能量信息后，利用公式：得到H2H终端在第n个数据传输周期中的最优数据传输时隙数
利用公式得到H2H终端在第n个数据传输周期中可用分配给M2M终端群组的可用传输时隙数TME(n)；
根据H2H终端接收到每个M2M终端的剩余能量信息εi(n)，i＝1，...，K，利用公式：得到H2H终端与M2M终端群组剩余能量的功率和时间分配参数E(n)；
式中：Li(n)为第i个M2M终端需要完成上行数据传输数据量，单位为比特，LU(n)为H2H终端需要完成上行数据传输的数据量，单位为比特，K(K≥1)为M2M终端的数量，W表示系统所占用的频谱带宽，gU，B(n)表示在第n个数据传输周期中H2H终端与基站BS之间的信道功率增益，表示H2H终端可用的最大发射功率，σ2表示系统中所有接收机(包括基站BS和H2H终端)的加性高斯白噪声方差，运算符号表示取不小于参数x的最大整数值，T为任意数据传输周期包含的时隙数量，εi(n)为第n个数据传输周期开始前第i个M2M终端的剩余能量；
H2H终端将计算得到每个M2M终端对应的可用传输时隙数TME(n)和剩余能量的功率和时间分配参数E(n)信息，按照编号反馈给所有与其连接的K个M2M终端；
c.每个M2M终端在接收到H2H终端发送的时隙数TME(n)和分配参数E(n)后，利用公式：计算其在第n个数据传输周期中的最优数据传输时间
利用公式：计算其在第n个数据传输周期中的最优发射功率
式中：TME(n)表示第n个数据传输周期中可以分配给全部K个M2M终端的总传输时隙数，运算符号表示取不大于参数x的最小整数值，运算符号min[x，y]表示取参数x和y中的最小值；
d.开始第n个数据传输周期：H2H终端采用发射功率以及传输时隙数向每个M2M终端进行数据传输；任意第i个M2M终端采用发射功率以及传输时隙数向H2H终端进行数据传输从而使各个M2M终端的能耗最优；
e.在第n个数据传输周期结束后，系统中的每个M2M终端通过公式：计算其在下一数据传输周期可用的剩余能量；
当任意第i个M2M终端不再向H2H终端反馈数据，或者时，判断此M2M终端的能量耗，则结束功率和时隙分配流程；否则，令周期次数n＝n+1，并转入下一数据传授周期重复步骤a。
所述网络通信系统中包含有多个H2H终端，H2H终端数量小于部署于同一区域的M2M终端，其中H2H终端被设置为MCG，对由多个M2M终端组成的群组进行集中式管理，并将各M2M终端产生的数据中继转发至所在基站BS；所述H2H终端在计算第n个数据传输周期中的最优数据传输时隙数时，设置H2H终端在每个数据传输周期中采用最大的发射功率向基站传输数据，传输数据包括H2H终端在第n个数据传输周期产生的LU(n)比特数据，需要中继转发的各M2M终端在第n个数据传输周期产生的比特数据；根据第n个数据传输周期的时间延迟要求：分配给H2H终端的传输时隙数用于最小化H2H终端在第n个数据传输周期中占用的时隙资源；所述H2H终端在计算第n个数据传输周期中可以分配给M2M终端群组的传输时隙数中，为保证在时延界限T内完成H2H终端以及各M2M终端的数据传输需求，设置在第n个数据传输周期中M2M终端群组可用的传输时隙数为TME(n)；任意第i个M2M终端计算其在第n个数据传输周期中的最优数据传输时间时，将M2M终端在第n个数据传输周期开始前剩余能量的倒数εi(n)-1作为其在第n个数据传输周期中的时隙分配权重因子，通过时隙分配权重因子平衡系统中每个M2M终端的能耗；步骤e中M2M终端计算其在下一数据传输周期可用的剩余能量时，在第n个数据传输周期结束后，每个M2M终端需要对其当前剩余能量进行更新，即用本数据传输周期开始前可用的能量减去本周期数据传输所消耗的能量；当任意第i个M2M终端的能量被耗尽，即εi(n)≤0，则系统中M2M终端群组的网络生存期计时结束。
本发明的有益之处在于：所提出的高能效M2M终端发射功率和传输时隙分配方案能够满足蜂窝小区中M2M以及H2H数据业务的传输时延要求，并基于M2M终端的当前剩余能量对H2H以及M2M终端进行传输功率和时间分配，从而达到减小并平衡全网M2M终端能耗，并延长M2M终端群组网络生存期的目的，所提出方案采用了较为简单的蜂窝网络架构，将H2H终端设置为MCG，无需加入新的网络设备就能实现M2M终端至基站BS的数据传输，特别适用于家庭或办公室等小规模M2M蜂窝网络应用环境。
附图说明
图1是本发明嵌入M2M的蜂窝网络系统组成示意图；
图2是本发明的功率和时隙分配方法流程框图；
图3是本发明的基于TDMA的M2M终端群组及H2H终端发射功率和传输时隙分配示意图；
图4是本发明的M2M终端平均能耗示意图；
图5是本发明的M2M终端平均传输时间示意图；
图6是本发明的M2M终端群组网络期示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合对实例的仿真实验和附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方案的应用场景是：家庭或办公室等小规模M2M蜂窝网络应用环境，不需要设置新的网络基础设施(如MCG)，用计算能力较强、存储空间较大、更便于充电的H2H终端替代MCG，在蜂窝网络中实现M2M通信模式。
本发明的嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，它由一个基站BS，一个被配置为MCG的H2H终端，以及被该H2H终端管理的K(K≥1)个M2M终端构成网络通信系统，基站BS、H2H终端以及各M2M终端均只配置一支用于信号的发射和接收的天线，M2M终端为由电池供电的移动终端，H2H终端作为M2M终端群组与基站BS之间的MCG采用时分多址TDMA的时域半双工数据中继协议，基站BS将信号发送到H2H终端，并通过H2H终端向K(K≥1)个M2M终端进行广播，M2M终端在接收广播后根据需要向H2H终端反馈数据；所述网络通信系统在实际应用中允许多组同时使用，根据实际网络覆盖范围同时包含有多个H2H终端，H2H终端数量小于部署于同一区域的M2M终端，其中H2H终端被设置为MCG，对由多个M2M终端组成的群组进行集中式管理，并将各M2M终端产生的数据中继转发至所在基站BS。
网络的媒质接入控制层采用时分多址TDMA协议，用W表示系统所占用的频谱带宽，用τ表示系统每个时隙的时间长度；用n表示系统的第n个数据传输(或资源分配)周期，且任意第n个数据传输周期包含T个时隙；假设系统中所有信道都是平稳、慢衰落信道，信道系数在任意第n个数据传输周期内保持不变；用gi，U(n)表示在第n个数据传输周期中第i个M2M终端与H2H终端之间的信道功率增益，用gU，B(n)表示在第n个数据传输周期中H2H终端与基站BS之间的信道功率增益，用σ2表示系统中所有接收机(包括基站BS和H2H终端)的加性高斯白噪声方差；在第n个数据传输周期，用ti(n)表示在第n个数据传输周期中分配给第i个M2M终端的传输时隙数，用tU(n)表示在第n个数据传输周期分配给H2H终端的传输时隙数，系统在每个数据传输周期的时间延迟要求为用pi(n)表示在第n个数据传输周期中分配给第i个M2M终端的发射功率，用pi max表示第i个M2M终端可用的最大发射功率；用pU(n)表示在第n个数据传输周期中分配给H2H终端的发射功率，用pU max表示H2H终端可用的最大发射功率；
如图2所示，H2H终端与M2M终端间采用TDMA协议传输数据时的发射功率和传输时隙分配流程如下：
a.在第n个数据传输周期开始前，系统中全部K个M2M终端将它们的剩余能量信息εi(n)，i＝1，...，K通过无线网络传送给H2H终端；
b.H2H终端获得每个M2M终端的当前剩余能量信息后，利用公式：得到H2H终端在第n个数据传输周期中的最优数据传输时隙数
利用公式得到H2H终端在第n个数据传输周期中可用分配给M2M终端群组的可用传输时隙数TME(n)；
根据H2H终端接收到每个M2M终端的剩余能量信息εi(n)，i＝1，...，K，利用公式：得到H2H终端与M2M终端群组剩余能量的功率和时间分配参数E(n)；
式中：Li(n)为第i个M2M终端需要完成上行数据传输数据量，单位为比特，LU(n)为H2H终端需要完成上行数据传输的数据量，单位为比特，K(K≥1)为M2M终端的数量，W表示系统所占用的频谱带宽，gU，B(n)表示在第n个数据传输周期中H2H终端与基站BS之间的信道功率增益，表示H2H终端可用的最大发射功率，σ2表示系统中所有接收机(包括基站BS和H2H终端)的加性高斯白噪声方差，运算符号表示取不小于参数x的最大整数值，T为任意数据传输周期包含的时隙数量，εi(n)为第n个数据传输周期开始前第i个M2M终端的剩余能量；
H2H终端将计算得到每个M2M终端对应的可用传输时隙数TME(n)和剩余能量的功率和时间分配参数E(n)信息，按照编号反馈给所有与其连接的K个M2M终端；
c.每个M2M终端在接收到H2H终端发送的时隙数TME(n)和分配参数E(n)后，利用公式：计算其在第n个数据传输周期中的最优数据传输时间
利用公式：计算其在第n个数据传输周期中的最优发射功率
式中：TME(n)表示第n个数据传输周期中可以分配给全部K个M2M终端的总传输时隙数，运算符号表示取不大于参数x的最小整数值，运算符号min[x，y]表示取参数x和y中的最小值；
任意第i个M2M终端计算其在第n个数据传输周期中的最优数据传输时间时，将M2M终端在第n个数据传输周期开始前剩余能量的倒数εi(n)-1作为其在第n个数据传输周期中的时隙分配权重因子，通过时隙分配权重因子平衡系统中每个M2M终端的能耗；
d.开始第n个数据传输周期：H2H终端采用发射功率以及传输时隙数向每个M2M终端进行数据传输；任意第i个M2M终端采用发射功率以及传输时隙数向H2H终端进行数据传输从而使各个M2M终端的能耗最优；
e.在第n个数据传输周期结束后，系统中的每个M2M终端通过公式：计算其在下一数据传输周期可用的剩余能量；
当任意第i个M2M终端不再向H2H终端反馈数据，或者时，判断此M2M终端的能量耗，则结束功率和时隙分配流程；否则，令周期次数n＝n+1，并转入下一数据传授周期重复步骤a。
所述H2H终端在计算第n个数据传输周期中的最优数据传输时隙数时，设置H2H终端在每个数据传输周期中采用最大的发射功率向基站传输数据，传输数据包括H2H终端在第n个数据传输周期产生的LU(n)比特数据，需要中继转发的各M2M终端在第n个数据传输周期产生的比特数据；根据第n个数据传输周期的时间延迟要求：分配给H2H终端的传输时隙数用于最小化H2H终端在第n个数据传输周期中占用的时隙资源；
所述H2H终端在计算第n个数据传输周期中可以分配给M2M终端群组的传输时隙数中，为保证在时延界限T内完成H2H终端以及各M2M终端的数据传输需求，设置在第n个数据传输周期中M2M终端群组可用的传输时隙数为TME(n)。
M2M终端计算其在下一数据传输周期可用的剩余能量时，在第n个数据传输周期结束后，每个M2M终端需要对其当前剩余能量进行更新，即用本数据传输周期开始前可用的能量减去本周期数据传输所消耗的能量。
当任意第i个M2M终端的能量被耗尽，即εi(n)≤0，则系统中M2M终端群组的网络生存期计时结束。
下面介绍具体的实施例及其性能分析：
参照图1给出的M2M蜂窝系统结构示意图，作如下系统参数设置：时隙长度τ＝0.5ms，频谱带宽W＝180kHZ，基站BS和H2H终端的接收机噪声方差σ2＝10-10；基站BS与H2H终端的距离50m，各M2M终端和H2H终端的距离在0m至20m之间随机分布，各信道的大尺度路径衰落0.097/d3.76，其中d是发射机与接收机之间的距离；H2H终端的最大发射功率100mW，每个M2M终端的最大发射功率10mW。在仿真实验中，假设在每个数据传输周期中，每个M2M终端需要上行传输1k比特数据，该数据先由H2H终端接收再中继转发至所在基站BS，而H2H终端需要上行传输3k比特数据，该数据由H2H终端直接传输至基站；实验中M2M终端数量与相应的数据传输周期设置如下表1所示。
表1M2M终端数量与相应的数据传输周期
为评价本发明所提出方案在M2M终端能耗、数据传输时延以及网络生存期等各方面的性能，将本发明所提出方案的性能与全功率分配方案以及随机功率分配方案的性能作比较。在全功率分配方案中，每个M2M终端都使用其最大发射功率传输数据；在随机功率分配方案中，每个M2M终端的发射功率在1mW至10mW之间随机选择。
如图3为第n个数据传输周期中M2M终端群组及H2H终端发射功率和传输时隙分配的示意图。
参照图4，介绍系统中M2M终端数目不断增加，采用不同的资源分配方案，每个M2M终端完成相应数据量传输所需平均能耗的示意图。从图3可知：随系统中M2M终端数目不断增加，每个M2M终端完成数据传输所需的能耗相应增加，而采用本发明所提出的资源分配方案能够获得最低的平均传输能耗。
参照图5，介绍系统中M2M终端数目不断增加，采用不同的资源分配方案，每个M2M终端完成相应数据量传输所需平均传输时间的示意图。从图5可知：随系统中M2M终端数目不断增加，每个M2M终端完成数据传输所需的传输时间相应增加。根据表1中的参数设置，本发明所提出的资源分配方案可以满足M2M终端对数据传输对时间延迟的要求。
参照图6，介绍系统中M2M终端数目不断增加，采用不同的资源分配方案，M2M终端群组网络生存期变化的示意图。实验中，设置每个M2M终端的初始能量为1且始终有数据待传输。从图6可知：采用本发明所提出的资源分配方案，M2M终端群组的网络生存期明显优于全功率分配方案和随机功率分配方案，且本发明所提出方案的网络生存期是其他两种方案的大约2倍至3倍。
总之，本发明的仿真实验是成功的，实现了发明的目的。

Claims (7)

1.一种嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，它由一个基站BS，一个被配置为MCG的H2H终端，以及被该H2H终端管理的K(K≥1)个M2M终端构成网络通信系统，基站BS、H2H终端以及各M2M终端均只配置一支用于信号的发射和接收的天线，M2M终端为由电池供电的移动终端，H2H终端作为M2M终端群组与基站BS之间的MCG采用时分多址TDMA的时域半双工数据中继协议，基站BS将信号发送到H2H终端，并通过H2H终端向K(K≥1)个M2M终端进行广播，M2M终端在接收广播后根据需要向H2H终端反馈数据；
其特征在于H2H终端与M2M终端间采用TDMA协议传输数据时的发射功率和传输时隙分配流程如下：
a.在第n个数据传输周期开始前，系统中全部K个M2M终端将它们的剩余能量信息εi(n)，i＝1，...，K通过无线网络传送给H2H终端；
b.H2H终端获得每个M2M终端的当前剩余能量信息后，利用公式：
得到H2H终端在第n个数据传输周期中的最优数据传输时隙数
利用公式得到H2H终端在第n个数据传输周期中可用分配给M2M终端群组的可用传输时隙数TME(n)；
根据H2H终端接收到每个M2M终端的剩余能量信息εi(n)，i＝1，...，K，利用公式：得到H2H终端与M2M终端群组剩余能量的功率和时间分配参数E(n)；
式中：Li(n)为第i个M2M终端需要完成上行数据传输数据量，单位为比特，LU(n)为H2H终端需要完成上行数据传输的数据量，单位为比特，K(K≥1)为M2M终端的数量，W表示系统所占用的频谱带宽，gU，B(n)表示在第n个数据传输周期中H2H终端与基站BS之间的信道功率增益，表示H2H终端可用的最大发射功率，σ2表示系统中所有接收机(包括基站BS和H2H终端)的加性高斯白噪声方差，运算符号表示取不小于参数x的最大整数值，T为任意数据传输周期包含的时隙数量，εi(n)为第n个数据传输周期开始前第i个M2M终端的剩余能量；
H2H终端将计算得到每个M2M终端对应的可用传输时隙数TME(n)和剩余能量的功率和时间分配参数E(n)信息，按照编号反馈给所有与其连接的K个M2M终端；
c.每个M2M终端在接收到H2H终端发送的时隙数TME(n)和分配参数E(n)后，利用公式：计算其在第n个数据传输周期中的最优数据传输时间
利用公式：计算其在第n个数据传输周期中的最优发射功率
式中：TME(n)表示第n个数据传输周期中可以分配给全部K个M2M终端的总传输时隙数，运算符号表示取不大于参数x的最小整数值，运算符号表示取参数x和y中的最小值；
d.开始第n个数据传输周期：H2H终端采用发射功率以及传输时隙数向每个M2M终端进行数据传输；任意第i个M2M终端采用发射功率以及传输时隙数向H2H终端进行数据传输从而使各个M2M终端的能耗最优；
e.在第n个数据传输周期结束后，系统中的每个M2M终端通过公式：
计算其在下一数据传输周期可用的剩余能量；
当任意第i个M2M终端不再向H2H终端反馈数据，或者时，判断此M2M终端的能量耗，则结束功率和时隙分配流程；否则，令周期次数n＝n+1，并转入下一数据传授周期重复步骤a。
2.根据权利要求1所述嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，其特征在于：所述网络通信系统中包含有多个H2H终端，H2H终端数量小于部署于同一区域的M2M终端，其中H2H终端被设置为MCG，对由多个M2M终端组成的群组进行集中式管理，并将各M2M终端产生的数据中继转发至所在基站BS。
3.根据权利要求1所述嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，其特征在于：所述H2H终端在计算第n个数据传输周期中的最优数据传输时隙数时，设置H2H终端在每个数据传输周期中采用最大的发射功率向基站传输数据，传输数据包括H2H终端在第n个数据传输周期产生的LU(n)比特数据，需要中继转发的各M2M终端在第n个数据传输周期产生的比特数据；根据第n个数据传输周期的时间延迟要求：分配给H2H终端的传输时隙数用于最小化H2H终端在第n个数据传输周期中占用的时隙资源。
4.根据权利要求1所述嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，其特征在于：所述H2H终端在计算第n个数据传输周期中可以分配给M2M终端群组的传输时隙数中，为保证在时延界限T内完成H2H终端以及各M2M终端的数据传输需求，设置在第n个数据传输周期中M2M终端群组可用的传输时隙数为TME(n)。
5.根据权利要求1所述嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，其特征在于：任意第i个M2M终端计算其在第n个数据传输周期中的最优数据传输时间时，将M2M终端在第n个数据传输周期开始前剩余能量的倒数εi(n)-1作为其在第n个数据传输周期中的时隙分配权重因子，通过时隙分配权重因子平衡系统中每个M2M终端的能耗。
6.根据权利要求1所述嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，其特征在于：步骤e中M2M终端计算其在下一数据传输周期可用的剩余能量时，在第n个数据传输周期结束后，每个M2M终端需要对其当前剩余能量进行更新，即用本数据传输周期开始前可用的能量减去本周期数据传输所消耗的能量。
7.根据权利要求1所述嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的发射功率和传输时隙分配方法，其特征在于：当任意第i个M2M终端的能量被耗尽，即εi(n)≤0，则系统中M2M终端群组的网络生存期计时结束。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105722016A (zh) * 2016-02-05 2016-06-29 中国矿业大学 分层m2m网络中网关和终端发射功率的协同控制方法
CN106455017A (zh) * 2016-09-23 2017-02-22 东南大学 基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法
CN107484111A (zh) * 2017-08-29 2017-12-15 重庆邮电大学 一种m2m通信网络关联及功率分配算法
CN108282762A (zh) * 2018-01-30 2018-07-13 中国人民解放军陆军工程大学 Lte-a网络大规模m2m通信上行数据传输方法
CN108777845A (zh) * 2018-05-18 2018-11-09 浙江工业大学 一种蜂窝网中用于多播簇的低基站负载低能耗多播方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102625252A (zh) * 2012-03-16 2012-08-01 北京邮电大学 D2d多播通信系统中避免冲突的分时传输方法
US20140010078A1 (en) * 2012-07-09 2014-01-09 Motorola Mobility Llc Method and system and reducing congestion on a communication network
CN104168661A (zh) * 2014-06-19 2014-11-26 吉林大学 一种满足公平性条件的最大化网络生存期传输调度方法
CN104301984A (zh) * 2014-10-28 2015-01-21 中国矿业大学 D2d蜂窝网络中基于时域半双工中继的功率控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102625252A (zh) * 2012-03-16 2012-08-01 北京邮电大学 D2d多播通信系统中避免冲突的分时传输方法
US20140010078A1 (en) * 2012-07-09 2014-01-09 Motorola Mobility Llc Method and system and reducing congestion on a communication network
CN104168661A (zh) * 2014-06-19 2014-11-26 吉林大学 一种满足公平性条件的最大化网络生存期传输调度方法
CN104301984A (zh) * 2014-10-28 2015-01-21 中国矿业大学 D2d蜂窝网络中基于时域半双工中继的功率控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHIEH YUAN HO: "Energy-Saving Massive Access Control and Resource Allocation Schemes for M2M Communications in OFDMA Cellular Networks", 《IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS LETTERS》 *
HARPREET S.DHILLON: "Power-Efficient System Design for Cellular-Based Machine-to-Machine Communications", 《IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS》 *
张振宇: "最大生存周期的无线传感器网络数据融合算法", 《计算机科学》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105722016A (zh) * 2016-02-05 2016-06-29 中国矿业大学 分层m2m网络中网关和终端发射功率的协同控制方法
CN105722016B (zh) * 2016-02-05 2019-05-17 中国矿业大学 分层m2m网络中网关和终端发射功率的协同控制方法
CN106455017A (zh) * 2016-09-23 2017-02-22 东南大学 基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法
CN106455017B (zh) * 2016-09-23 2019-10-25 东南大学 基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法
CN107484111A (zh) * 2017-08-29 2017-12-15 重庆邮电大学 一种m2m通信网络关联及功率分配算法
CN107484111B (zh) * 2017-08-29 2021-05-11 重庆邮电大学 一种m2m通信网络关联及功率分配算法
CN108282762A (zh) * 2018-01-30 2018-07-13 中国人民解放军陆军工程大学 Lte-a网络大规模m2m通信上行数据传输方法
CN108282762B (zh) * 2018-01-30 2020-06-26 中国人民解放军陆军工程大学 Lte-a网络大规模m2m通信上行数据传输方法
CN108777845A (zh) * 2018-05-18 2018-11-09 浙江工业大学 一种蜂窝网中用于多播簇的低基站负载低能耗多播方法
CN108777845B (zh) * 2018-05-18 2021-02-26 浙江工业大学 蜂窝网中用于设备到设备多播簇的低负载低能耗多播方法

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