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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種協(xié)同控制方法，尤其涉及一種機(jī)器對(duì)機(jī)器(Machine-to-Machine， M2M)無(wú)線通信領(lǐng)域使用的分層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。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在全球的廣泛部署，無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的人對(duì)人(H2H， Human to Human)通信向M2M通信領(lǐng)域擴(kuò)展。M2M通信的原型為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN， Wireless Senor Network)，是指在無(wú)人工干預(yù)的情況下，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或終端之間進(jìn)行自 主的信息交互。M2M通信主要面向環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制數(shù)據(jù)的傳輸，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了工業(yè) 自動(dòng)化以及智能城市電網(wǎng)、醫(yī)療和應(yīng)急防護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，它是物聯(lián)網(wǎng)（I〇T，Internet of Things)的重要組成部分。為了應(yīng)對(duì)M2M數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP已 經(jīng)開(kāi)始關(guān)注蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的M2M通信問(wèn)題及其標(biāo)準(zhǔn)化工作。然而，現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通 信標(biāo)準(zhǔn)（如LTE以及LTE-A)均針對(duì)傳統(tǒng)的H2H通信設(shè)計(jì)，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(yǔ)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(cè)和控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸量相對(duì)較小(幾十KB到幾 MB不 等）；不過(guò)M2M終端的數(shù)量龐大，環(huán)境監(jiān)測(cè)所要求的通信發(fā)起頻次高(導(dǎo)致通信鏈路拆建的頻 率高），而控制數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)時(shí)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(lè)、瀏覽網(wǎng)頁(yè)和視頻等。M2M通信主要用于環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此主要依賴(lài)蜂窩上行鏈路 (從M2M終端至基站)傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)大量M2M終端同時(shí)向基站發(fā)出上行鏈路傳輸請(qǐng)求時(shí)，勢(shì)必 會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞;此外，由于單個(gè)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(wú)疑會(huì)增加鏈路控制和管理信息的傳輸開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信資源無(wú)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(diǎn)，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(xiǎn)或人類(lèi)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(cè)和災(zāi)害預(yù)警等工作，很少被移動(dòng)，并且要求在無(wú)人干預(yù)的情況下工作。因 此，針對(duì)M2M終端和通信的能耗節(jié)省尤為重要。
[0006] 為了應(yīng)對(duì)M2M通信所帶來(lái)的上述挑戰(zhàn)，近年來(lái)一種新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即"M2M網(wǎng)關(guān)"被 引入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。地理位置相鄰近的一組M2M終端形成一個(gè)"M2M群組"并由同一個(gè)M2M網(wǎng) 關(guān)進(jìn)行管理，M2M網(wǎng)關(guān)是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，它通過(guò)無(wú)線信道和基站連接，同時(shí)，它可以 收集并緩存多個(gè)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(guān)的出現(xiàn)使現(xiàn) 有蜂窩網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐环N分層的網(wǎng)絡(luò)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(guān)鏈路"以及"網(wǎng)關(guān)至基站鏈路"，其中，網(wǎng)關(guān)至基站鏈路采用LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)，而 終端至網(wǎng)關(guān)鏈路可以采用LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)，或者采用其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如Wi-Fi和 Bluetooth 等。
[0007] 在上述分層的M2M網(wǎng)絡(luò)中，需要解決M2M群組內(nèi)網(wǎng)關(guān)以及多個(gè)終端的頻譜資源分配 問(wèn)題，現(xiàn)有的文獻(xiàn)多采用正交頻譜復(fù)用的方法解決這一問(wèn)題，例如：
[0008]文獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)4:張國(guó)鵬，李?yuàn)W，杜耀，周凱，林育德，靳文斌，嵌入M2M的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中高能效的 功率和時(shí)隙分配方法，申請(qǐng)?zhí)?01510624229,申請(qǐng)日2015.9.25,發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)；
[0012] 在上述文獻(xiàn)1至文獻(xiàn)4中，終端至網(wǎng)關(guān)鏈路以及網(wǎng)關(guān)至基站鏈路被分配了不同（即 正交）的頻譜資源，其中，文獻(xiàn)1和2采用了頻分復(fù)用的方法，而文獻(xiàn)3和4則采用了時(shí)分復(fù)用 的方法。正交頻譜復(fù)用的方法雖然不會(huì)引發(fā)終端至網(wǎng)關(guān)鏈路以及網(wǎng)關(guān)至基站鏈路的共信道 傳輸干擾，但是會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)面臨的主要系統(tǒng)瓶頸之一。此外，文獻(xiàn)4將普通的H2H用戶終端作為M2M通信的中繼 節(jié)點(diǎn)，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(jì)算性能遠(yuǎn)不及專(zhuān)用的M2M網(wǎng)關(guān)，因此無(wú)法應(yīng)對(duì)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(duì)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(guān)鏈路以及網(wǎng)關(guān) 至基站鏈路在同一頻段上并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)，并針對(duì)M2M群組內(nèi)終端和網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率協(xié)同控 制非正交頻譜復(fù)用的分層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。
[0014]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的分層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(K 2 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 M2M網(wǎng)關(guān)為無(wú)線移動(dòng)設(shè)備，無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)為K個(gè)無(wú)線M2M終端與基站之間信息連接的中繼節(jié) 點(diǎn)，無(wú)線M2M網(wǎng)關(guān)與無(wú)線M2M終端之間采用時(shí)、頻域全雙工數(shù)據(jù)中繼技術(shù)，允許M2M網(wǎng)關(guān)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(guān)和終端發(fā)射功率的協(xié)同控制方 法步驟如下：
[0015] a.啟動(dòng)M2M網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建分層M2M網(wǎng)絡(luò)：利用控制信息傳輸信道建立無(wú)線M2M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；
[0016] 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；
[0017] 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(zhuān)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)lu, dPlu, B，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)