CN105554894A - 移动网络中h2h和m2m终端发射功率协同控制方法 - Google Patents

Abstract

一种移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，适用于无线通信技术领域使用。利用移动网络包括基站、H2H终端以及<i>K</i>个M2M终端组成，通过分别求解H2H终端和M2M终端的数据吞吐量和发射功率结合发射功率协同控制方法。其在保证H2H终端和M2M终端的数据吞吐量的同时，使M2M终端的发射功率最小，即满足了数据的传输要求，又降低了M2M终端的传输能耗。

Description

移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法

技术领域

本发明涉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H2H和M2M终端发射功率协同控制方法。

背景技术

随着社会、经济发展对“物联网(IoT，InternetofThings)”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(LongTermEvolutionAdvanced)。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、工业自动化控制以及智能电网、医疗和应急防护等多种领域。与H2H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终端可以被及时、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，当这些M2M终端同时向基站(BaseStation，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。

相比于M2M终端，H2H终端(UserEquipment，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终端可以对多个M2M终端进行集中管理，另一方面，H2H终端也可以将各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以满足M2M以及H2H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。

目前，针对H2H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，并提出了以下解决方案：

文献1：A,Aijaz,M.Tshangini,M.Nakhai,etal,“Energy-efficientuplinkresourceallocationinLTEnetworkswithM2M/H2Hco-existenceunderstatisticalQoSguarantees,”IEEETrans.Commun.,vol.62,no.7,pp.2353-2365,2014.

文献2：C.Y.HoandC.-Y.Huang,“Energy-savingmassiveaccesscontrolandresourceallocationschemesforM2McommunicationsinOFDMAcellularnetworks,”IEEECommun.Lett.,vol.1,no.3,pp.209–211,2012.

文献3：张国鹏，李奥，杜耀，周凯，林育德，靳文斌，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。

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。虽然半双工中继可以减小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

针对上述技术的不足之处，提供这一种针对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M2M以及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H2H和M2M终端发射功率协同控制方法。

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、H2H终端以及K(K≥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H2H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：

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-AloneDedicatedControlChannel)向H2H终端发送数据传输请求；H2H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H2H终端分别反馈给K个M2M终端；

b.所有K个M2M终端通过分配的信道与H2H终端建立无线通信链路，H2H终端与基站建立无线通信链路；

c.开始迭代运行，此时初始化系统参数F＝1；

初始化并记录H2H终端以及全部K个M2M终端的总功率消耗P_A，其中，表示H2H终端可用的最大发射功率，表示第k个M2M终端可用的最大发射功率，ε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因此初始运行的总共耗门限值P_A大于正实数ε；

初始化对H2H终端的最优功率分配为：初始化对任意第k个M2M终端的最优功率分配为：式中：表示H2H终端可用的最小发射功率，表示第k个M2M终端可用的最小发射功率；

d.H2H终端通过公共导频信道(CPICH,CommonPilotChannel)以及专用物理控制信道(DPCCH,DedicatedPhysicalControlChannel)获取H2H终端与基站之间的信道系数h_U,B，H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道系数h_U,U，第k个M2M终端与基站之间的信道系数h_k,B，基站接收机的加性高斯白噪声n_B，H2H终端的加性高斯白噪声n_U；

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H2H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：

利用公式：γ_k,B＝|h_k,B|²/|n_B|²计算第k个M2M终端与基站之间的信道增益γ_k,B(k＝1,2,...,K)，

利用公式：γ_k,U＝|h_k,U|²/|n_U|²计算第k个M2M终端与H2H终端之间的信道增益γ_k,U(k＝1,2,...,K)，

利用公式：γ_U,B＝|h_U,B|²/|n_B|²计算H2H终端与基站之间的信道增益γ_U,B，

利用公式：γ_U,U＝|h_U,U|²/|n_U|²计算H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道增益γ_U,U；

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终端以及全部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P_A更少的分配方案：先检测H2H终端的发射功率p_U是否超过最大值当满足时；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终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求，满足则标记系统参数F＝1(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：

g.初始给定H2H终端的发射功率为以H2H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p_k是否超过其自身最大发射功率当满足条件时，说明其数据吞吐量R_k不满足条件：R_k≤L_k，设置系统参数F＝0，说明此时没有找到既满足H2H终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求，也不存在H2H终端以及全部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H2H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R_U，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R_k；

h.判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，若满足R_U≥L_U，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R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k的关系时，满足R_k≥L_k，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，则此时的功率控制即为最优功率，步骤流程结束；

判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，若R_U＜L_U，说明此时第k个M2M终端的发射功率增加后自身的数据吞吐量R_U需求满足数据吞吐需求，但由于其功率增大，增加了对H2H终端的信道干扰，导致H2H终端的数据吞吐量R_U无法被满足，设置系统参数F＝0，结束本步骤执行步骤k；

i.判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，当满足R_U≥L_U时，判断在传输时间T内满足H2H终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求依次比较每个M2M终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k，选取满足条件R_k<L_k的所有M2M终端，并在选出的M2M终端里选择具有最大信道增益γ_k,U的M2M终端，将具有最大信道增益γ_k,U的M2M终端的发射功率增加为：p_k＝p_k+Δp_M，其中Δp_M＞0表示M2M终端可用的两个相邻发射功率之间的差值，判断增加发射功率后的M2M终端此时的发射功率是否超过最大额定功率，如果超过则结束流程，如果满足 $p_k\&le;p_k^{\max },$ 则利用公式： $R_U=WT{\log }_2(1+\frac{p_U{\mathrm{\&gamma;}}_{U,B}}{1+{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{p}_k{\mathrm{\&gamma;}}_{k,B}}),$ 重新计算H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U，利用公式：重新计算所有k个M2M终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_k，如果不满足则设置系统参数为F＝0，方法步骤结束；

j.比较H2H终端在传输时延约束T内重新计算的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，满足R_U≥L_U时，依次比较所有k个M2M终端在传输时延约束T内重新计算的数据吞吐量R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k，满足R_k≥L_k时，则将当前对H2H终端的功率分配p_U，以及对K个M2M终端的功率分配p_k(k＝1,2,...,K)置为最优功率分配；更新全部K个M2M终端的总功率消耗为：判断此时的系统参数F是否为1，当F＝1时，则流程结束，获得最优功率分配方案；

若H2H终端不满足R_U≥L_U时，则设置系统参数为F＝0，方法步骤结束；

若当前比较的M2M终端不满足R_k≥L_k时，则选择下一个M2M终端返回步骤i执行；

k.判断此时的系统参数F＝0时，则说明当前方案不可行，但是还没有遍历完所有的方案，因此在开始下一次测试前将F复位为1，增加H2H终端的发射功率p_U为p_U＝p_U+Δp_U，返回步骤c重新迭代

所述K个M2M终端使用使用全双工中继以及CDMA技术，并使用不同的CDMA码字实现多终端信道访问控制；H2H终端和K个M2M终端可以在信道上同时发送数据，其具体为：H2H终端采用全双工中继协议，在接收K个M2M终端所发送数据的同时，将接收到的数据(共计比特)连同其本地产生的数据(比特)，共计比特数据发送至基站；

H2H终端作为中继节点，H2H终端一方面需要接收并转发K个M2M终端的数据，共计比特，另一方面需要向基站传输其本地产生的比特数据，即H2H终端总共需要传输 $L_U={\stackrel{\&OverBar;}{L}}_U+L_K$ 比特数据；

所述R_U≥L_U表示在传输时间T内H2H终端的数据吞吐量需求能够被满足；R_k≤L_k表明存在第k个M2M终端，在传输时间T内其数据吞吐量需求尚未被满足；表明第k个M2M终端的发射功率p_k在其被允许的最大值之内；

所述R_U＜L_U表示在传输时间T内H2H终端的数据吞吐量无法被满足；

所述系统参数F＝0意味着整个算法未找到可行解。

有益效果：本发明实用CDMA全双工通信，允许H2H终端和M2M终端在同一频段并发传输数据，同时实现H2H终端在做M2M终端中继的同时实现自身的数据通信，从而提高了网络系统的频谱资源利用效率；同时分别求解H2H终端和M2M终端的数据吞吐量和发射功率，结合所提出的发射功率协同控制方法，在保证H2H终端和M2M终端的数据吞吐量的同时，使M2M终端的发射功率最小，即满足了数据的传输要求，又降低了M2M终端的传输能耗。

附图说明

图1是本发明H2H通信和M2M通信共存的网络系统组成示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明H2H终端以及全部M2M终端的传输需求被满足概率的示意图；

图4是本发明全部M2M终端传输能耗的示意图；

图5是本发明方法与其他方法的传输性能满足概率比较示意图；

图6是本发明方法与其他方法终端能耗比较的示意图；

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。

本发明的移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，如图1所示，所述的移动网络包括基站、H2H终端以及K(K≥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H2H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；

如图2所示，其步骤如下：

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-AloneDedicatedControlChannel)向H2H终端发送数据传输请求；H2H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H2H终端分别反馈给K个M2M终端；

b.所有K个M2M终端通过分配的信道与H2H终端建立无线通信链路，H2H终端与基站建立无线通信链路；

c.开始迭代运行，此时初始化系统参数F＝1，F为运行的阀值，用以判断是否流程是否继续执行；

初始化并记录H2H终端以及全部K个M2M终端的总功率消耗P_A，其中，表示H2H终端可用的最大发射功率，表示第k个M2M终端可用的最大发射功率，ε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因此初始运行的总共耗门限值P_A大于正实数ε；

初始化对H2H终端的最优功率分配为：初始化对任意第k个M2M终端的最优功率分配为：式中：表示H2H终端可用的最小发射功率，表示第k个M2M终端可用的最小发射功率；

d.H2H终端通过公共导频信道(CPICH,CommonPilotChannel)以及专用物理控制信道(DPCCH,DedicatedPhysicalControlChannel)获取H2H终端与基站之间的信道系数h_U,B，H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道系数h_U,U，第k个M2M终端与基站之间的信道系数h_k,B，基站接收机的加性高斯白噪声n_B，H2H终端的加性高斯白噪声n_U；

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H2H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：

利用公式：γ_k,B＝|h_k,B|²/|n_B|²计算第k个M2M终端与基站之间的信道增益γ_k,B(k＝1,2,...,K)，

利用公式：γ_k,U＝|h_k,U|²/|n_U|²计算第k个M2M终端与H2H终端之间的信道增益γ_k,U(k＝1,2,...,K)，

利用公式：γ_U,B＝|h_U,B|²/|n_B|²计算H2H终端与基站之间的信道增益γ_U,B，

利用公式：γ_U,U＝|h_U,U|²/|n_U|²计算H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道增益γ_U,U；

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终端以及全部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P_A更少的分配方案：先检测H2H终端的发射功率p_U是否超过最大值当满足时；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终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求，满足则标记系统参数F＝1(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：

g.初始给定H2H终端的发射功率为以H2H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p_k是否超过其自身最大发射功率当满足条件时，说明其数据吞吐量R_k不满足条件：R_k≤L_k，设置系统参数F＝0，说明此时没有找到既满足H2H终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求，也不存在H2H终端以及全部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H2H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R_U，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R_k；

h.判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，若满足R_U≥L_U，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R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k的关系时，满足R_k≥L_k，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，则此时的功率控制即为最优功率，步骤流程结束；

判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，若R_U＜L_U，说明此时第k个M2M终端的发射功率增加后自身的数据吞吐量R_U需求满足数据吞吐需求，但由于其功率增大，增加了对H2H终端的信道干扰，导致H2H终端的数据吞吐量R_U无法被满足，设置系统参数F＝0，结束本步骤执行步骤k；

i.判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，当满足R_U≥L_U时，判断在传输时间T内满足H2H终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求依次比较每个M2M终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k，选取满足条件R_k<L_k的所有M2M终端，并在选出的M2M终端里选择具有最大信道增益γ_k,U的M2M终端，将具有最大信道增益γ_k,U的M2M终端的发射功率增加为：p_k＝p_k+Δp_M，其中Δp_M＞0表示M2M终端可用的两个相邻发射功率之间的差值，判断增加发射功率后的M2M终端此时的发射功率是否超过最大额定功率，如果超过则结束流程，如果满足 $p_k\&le;p_k^{\max },$ 则利用公式： $R_U=WT{\log }_2(1+\frac{p_U{\mathrm{\&gamma;}}_{U,B}}{1+{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{p}_k{\mathrm{\&gamma;}}_{k,B}}),$ 重新计算H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U，利用公式：重新计算所有k个M2M终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_k，如果不满足则设置系统参数为F＝0，方法步骤结束；

j.比较H2H终端在传输时延约束T内重新计算的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，满足R_U≥L_U时，依次比较所有k个M2M终端在传输时延约束T内重新计算的数据吞吐量R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k，满足R_k≥L_k时，则将当前对H2H终端的功率分配p_U，以及对K个M2M终端的功率分配p_k(k＝1,2,...,K)置为最优功率分配；更新全部K个M2M终端的总功率消耗为：判断此时的系统参数F是否为1，当F＝1时，则流程结束，获得最优功率分配方案；

若H2H终端不满足R_U≥L_U时，则设置系统参数为F＝0，方法步骤结束；

若当前比较的M2M终端不满足R_k≥L_k时，则选择下一个M2M终端返回步骤i执行；

k.判断此时的系统参数F＝0时，则说明当前方案不可行，但是还没有遍历完所有的方案，因此在开始下一次测试前将F复位为1，增加H2H终端的发射功率p_U为p_U＝p_U+Δp_U，返回步骤c重新迭代

所述K个M2M终端使用使用全双工中继以及CDMA技术，并使用不同的CDMA码字实现多终端信道访问控制；H2H终端和K个M2M终端可以在信道上同时发送数据，其具体为：H2H终端采用全双工中继协议，在接收K个M2M终端所发送数据的同时，将接收到的数据(共计比特)连同其本地产生的数据(比特)，共计比特数据发送至基站。

H2H终端作为中继节点，H2H终端一方面需要接收并转发K个M2M终端的数据，共计比特，另一方面需要向基站传输其本地产生的比特数据，即H2H终端总共需要传输 $L_U={\stackrel{\&OverBar;}{L}}_U+L_K$ 比特数据。

本发明移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法的应用场景是：为了使现有的移动通信系统(如LTE)更好的兼容M2M通信模式，不需要设置新的网络基础设施(如M2M通信网关)，用计算能力较强、存储空间较大、更便于充电的H2H终端管理多个M2M终端，收集、缓存这些M2M终端所产生的数据再将这些数据集中转发至基站，实现蜂窝网络中H2H与M2M通信的并存。系统由1个基站，1个H2H终端，以及K(K≥1)个M2M终端组成，每个M2M终端配置一支天线，H2H终端配置两支天线，其中一支天线用于信号发射，另一支天线用于信号接收，上述基站、H2H终端以及K个M2M终端构成系统的全部网络设备，如图1所示；所述方案中，H2H终端作为K个M2M终端与基站之间的中继节点，采用时、频域全双工数据中继技术，允许H2H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，用W(单位Hz)表示系统所占用的频谱带宽，用T(单位s)表示全部K+1个终端的数据传输周期(即所提出功率控制方法的执行周期)；用h_k,U表示第k(k＝1,2,...,K)个M2M终端与H2H终端之间的信道系数，用h_k,B表示第k个M2M终端与基站之间的信道系数，用h_U,B表示H2H终端与基站之间的信道系数，用h_U,U表示H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道系数；用n_B表示基站接收机的加性高斯白噪声，用n_U表示H2H终端的加性高斯白噪声；用γ_k,B＝|h_k,B|²/|n_B|²表示第k个M2M终端与基站之间的信道增益，用γ_k,U＝|h_k,U|²/|n_U|²表示第k个M2M终端与H2H终端之间的信道增益，用γ_U,B＝|h_U,B|²/|n_B|²表示H2H终端与基站之间的信道增益，用γ_U,U＝|h_U,U|²/|n_U|²表示H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道增益；假设系统中所有信道系数和接收机噪声在T内保持不变；在数据传输周期T内，任意第k个M2M终端需要向基站传输L_k比特数据，作为中继节点，H2H终端一方面需要接收并转发K个M2M终端的数据(共计比特)，另一方面需要向基站传输其本地产生的L_U比特数据；用p_k表示第k个M2M终端的发射功率，用表示第k个M2M终端可用的最小发射功率，用表示第k个M2M终端可用的最大发射功率；用p_U表示H2H终端的发射功率，用表示H2H终端可用的最小发射功率，用表示H2H终端可用的最大发射功率。

结合图1给出的H2H和M2M通信共存的移动网络系统，作如下参数设置：功率控制算法的执行周期T＝50ms，频谱带宽W＝180KHz，基站BS和H2H终端的接收机噪声方差σ²＝10^-7；基站与H2H终端的距离在500m与1000m之间随机变化，各M2M终端与H2H终端的距离在50m至100m之间随机变化，无线信道的大尺度路径衰落0.097/d^3.76，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为24dBmW，每个M2M终端的最大发射功率为14dBmW。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10K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100K比特数据，该数据由H2H终端直接传输至基站。仿真实验中，在每个数据传输周期T内，M2M终端的数量从10个增加到16个，H2H终端的自干扰链路信道增益取值范围为γ_U,U＝{0dB,5dB,10dB,15dB}。

参照图3，介绍随着系统中M2M终端数量的不断增加，采用本发明所提出的协同功率控制方案，H2H终端和所有M2M终端服务质量被同时满足的概率示意图。

从图3可知：随着系统中M2M终端数量的不断增加，H2H终端和所有M2M终端服务质量被同时满足的概率不断降低，当H2H终端的自干扰链路信道增益被限制在γ_U,U＝10dB以下时，采用本发明所提出的方案能够较高程度的满足H2H以及M2M通信的服务质量要求。

参照图4，介绍随着系统中M2M终端数量的不断增加，采用本发明所提出的协同功率控制方案，全部M2M终端完成数据传输消耗能量的示意图。

从图4可知：随着系统中M2M终端数量的不断增加，H2H终端和所有M2M终端服务质量被同时满足的概率不断降低，当H2H终端的自干扰链路信道增益被限制在γ_U,U＝10dB以下时，采用本发明所提出的方案能够获得较为理想的能耗。

为了进一步展示本发明所提出方案的优越性，与另一种H2H和M2M系统通信方案进行比较，在该方案中，H2H终端作为M2M终端与基站之间的中继节点，仍然采用时、频域全双工数据中继技术，但H2H终端采用时分多址(TDMA)技术对多个M2M终端进行信道访问控制。

参照图5，介绍随着系统中M2M终端数量的不断增加，采用基于CDMA和TDMA的功率控制方案，H2H终端和所有M2M终端服务质量被同时满足的概率示意图。

参照图6，介绍随着系统中M2M终端数量的不断增加，采用基于CDMA和TDMA的功率控制方案，全部M2M终端完成数据传输消耗能量的示意图。

从图5和图6可知：对于同一自干扰链路增益γ_U,U，本发明提出的基于全双工中继和CDMA技术的功率控制方案始终优于基于全双工中继和TDMA技术的功率控制方案。以上实验说明，本发明的仿真实验是成功的，实现了发明的目的。

Claims (6)

1.一种移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，所述的移动网络包括基站、H2H终端以及K(K≥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H2H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；其特征在于包括如下步骤：

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-AloneDedicatedControlChannel)向H2H终端发送数据传输请求；H2H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H2H终端分别反馈给K个M2M终端；

b.所有K个M2M终端通过分配的信道与H2H终端建立无线通信链路，H2H终端与基站建立无线通信链路；

c.开始迭代运行，此时初始化系统参数F＝1；

初始化并记录H2H终端以及全部K个M2M终端的总功率消耗P_A，其中，表示H2H终端可用的最大发射功率，表示第k个M2M终端可用的最大发射功率，ε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因此初始运行的总共耗门限值P_A大于正实数ε；

初始化对H2H终端的最优功率分配为：初始化对任意第k个M2M终端的最优功率分配为：式中：表示H2H终端可用的最小发射功率，表示第k个M2M终端可用的最小发射功率；

d.H2H终端通过公共导频信道(CPICH,CommonPilotChannel)以及专用物理控制信道(DPCCH,DedicatedPhysicalControlChannel)获取H2H终端与基站之间的信道系数h_U,B，H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道系数h_U,U，第k个M2M终端与基站之间的信道系数h_k,B，基站接收机的加性高斯白噪声n_B，H2H终端的加性高斯白噪声n_U；

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H2H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：

利用公式：γ_k,B＝|h_k,B|²/|n_B|²计算第k个M2M终端与基站之间的信道增益γ_k,B(k＝1,2,...,K)，

利用公式：γ_k,U＝|h_k,U|²/|n_U|²计算第k个M2M终端与H2H终端之间的信道增益γ_k,U(k＝1,2,...,K)，

利用公式：γ_U,B＝|h_U,B|²/|n_B|²计算H2H终端与基站之间的信道增益γ_U,B，

利用公式：γ_U,U＝|h_U,U|²/|n_U|²计算H2H终端的发射天线与接收电线之间的信道增益γ_U,U；

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终端以及全部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P_A更少的分配方案：先检测H2H终端的发射功率p_U是否超过最大值当满足时；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终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求，满足则标记系统参数F＝1(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：

g.初始给定H2H终端的发射功率为以H2H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p_k是否超过其自身最大发射功率当满足条件时，说明其数据吞吐量R_k不满足条件：R_k≤L_k，设置系统参数F＝0，说明此时没有找到既满足H2H终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求，也不存在H2H终端以及全部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H2H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R_U，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R_k；

h.判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，若满足R_U≥L_U，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R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k的关系时，满足R_k≥L_k，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，则此时的功率控制即为最优功率，步骤流程结束；

判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，若R_U＜L_U，说明此时第k个M2M终端的发射功率增加后自身的数据吞吐量R_U需求满足数据吞吐需求，但由于其功率增大，增加了对H2H终端的信道干扰，导致H2H终端的数据吞吐量R_U无法被满足，设置系统参数F＝0，结束本步骤执行步骤k；

i.判断H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，当满足R_U≥L_U时，判断在传输时间T内满足H2H终端以及全部K个M2M终端的数据吞吐量需求依次比较每个M2M终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k，选取满足条件R_k<L_k的所有M2M终端，并在选出的M2M终端里选择具有最大信道增益γ_k,U的M2M终端，将具有最大信道增益γ_k,U的M2M终端的发射功率增加为：p_k＝p_k+Δp_M，其中Δp_M＞0表示M2M终端可用的两个相邻发射功率之间的差值，判断增加发射功率后的M2M终端此时的发射功率是否超过最大额定功率，如果超过则结束流程，如果满足则利用公式：重新计算H2H终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_U，利用公式：重新计算所有k个M2M终端在传输时延约束T内的数据吞吐量R_k，如果不满足则设置系统参数为F＝0，方法步骤结束；

j.比较H2H终端在传输时延约束T内重新计算的数据吞吐量R_U与H2H终端向基站传输自身产生的比特数据L_U的关系，满足R_U≥L_U时，依次比较所有k个M2M终端在传输时延约束T内重新计算的数据吞吐量R_k与其自身需要向基站传输比特数据L_k，满足R_k≥L_k时，则将当前对H2H终端的功率分配p_U，以及对K个M2M终端的功率分配p_k(k＝1,2,...,K)置为最优功率分配；更新全部K个M2M终端的总功率消耗为：判断此时的系统参数F是否为1，当F＝1时，则流程结束，获得最优功率分配方案；

若H2H终端不满足R_U≥L_U时，则设置系统参数为F＝0，方法步骤结束；

若当前M2M终端不满足R_k≥L_k时，则选择下一个M2M终端返回步骤i执行；

k.判断此时的系统参数F＝0时，则说明当前方案不可行，但是还没有遍历完所有的方案，因此在开始下一次测试前将F复位为1，增加H2H终端的发射功率p_U为p_U＝p_U+Δp_U，返回步骤c重新迭代。

2.根据权利要求1所述的移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，其特征在于：所述K个M2M终端使用使用全双工中继以及CDMA技术，并使用不同的CDMA码字实现多终端信道访问控制；H2H终端和K个M2M终端可以在信道上同时发送数据，其具体为：H2H终端采用全双工中继协议，在接收K个M2M终端所发送数据的同时，将接收到的数据(共计比特)连同其本地产生的数据(比特)，共计比特数据发送至基站。

3.根据权利要求1所述的移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，其特征在于：H2H终端作为中继节点，H2H终端一方面需要接收并转发K个M2M终端的数据，共计比特，另一方面需要向基站传输其本地产生的比特数据，即H2H终端总共需要传输比特数据。

4.根据权利要求1所述的移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，其特征在于：所述R_U≥L_U表示在传输时间T内H2H终端的数据吞吐量需求能够被满足；R_k≤L_k表明存在第k个M2M终端，在传输时间T内其数据吞吐量需求尚未被满足；表明第k个M2M终端的发射功率p_k在其被允许的最大值之内。

5.根据权利要求1所述的移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，其特征在于：所述R_U＜L_U表示在传输时间T内H2H终端的数据吞吐量无法被满足。

6.根据权利要求1所述的移动网络中H2H和M2M终端发射功率协同控制方法，其特征在于：所述系统参数F＝0意味着整个算法未找到可行解。