[发明专利]蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域中设备对设备（M2M，Machine-to-Machine communication）通信的资源分配(Resource Allocation)设计方法，尤其涉及一种多个蜂窝用户参与共享的资源分配实现方法。

背景技术

近年来，随着新无线通信业务的不断涌现以及人们对通信质量要求的不断上升，无线资源日显紧缺。然而5GHz以下的频谱已经几乎被全部占用，无法配置新的专有资源给无线通信。这一现象促进了人们对下一代无线通信系统的研究，其中IMT-Advanced系统允许蜂窝网中的设备不通过基站直接进行相互间的通信，从而提高频谱利用率。蜂窝网中的M2M通信可以降低小区间干扰、减轻基站的工作压力、提高无线资源的空间利用率，增大系统的数据传输速率。同时，M2M通信可能会带来更短的通信时延。随着可持智能设备数目的大幅度增加，M2M通信必将成为无线通信的重要组成部分。

与认知无线系统相比，M2M通信实现更加简单。这是因为蜂窝网中的M2M通信是在基站的控制下进行的，而在认知系统中，次级用户不受主用户控制。此区别使得M2M通信相比于认知用户检测“频谱空穴”的方法更易操作。

与使用非授权频段的无线局域网相比，使用授权频段通信的M2M更加可靠，因为M2M可以保证用户在有干扰控制机制和QoS保障的环境中通信。除此之外，与蓝牙、Wi-Fi等相比，蜂窝网中的M2M通信可以带来更好的用户体验。首先，蜂窝网可以在小区中广播本地服务的可用信息，通过自主服务发现机制，避免了设备不断扫描可用局域网的过程，节约功率。其次，蜂窝网可以为M2M通信设备提供加密技术，避免了手动配对或输入密码的过程。对用户来说，M2M链路的建立和模式的切换都是透明的。

M2M的通信范围决定于可用的传输功率和通信环境的干扰大小，通常为几十米。适合的应用场景有办公区域、校园、音乐会场等设备聚集的场所。在这些场所，蜂窝通信有时会出现容量不足的现象，而M2M的采用可以有效的缓解基站压力，增大接入概率。

M2M通信的研究逐渐吸引了世界各国的研究者的目光。在蜂窝网中添加M2M通信，首要解决的问题是如何实现蜂窝链路和M2M链路的资源共享，并优化资源共享方案。文献[1]提出了一种蜂窝通信和M2M通信进行正交资源共享的方式，即蜂窝链路和M2M链路占用不同的资源块，两者之间不存在干扰。这种共享方式操作简单，但是资源利用率仍有很大的提升空间，特别是对于使用较大带宽的系统来说。文献[2]介绍了一种非正交资源共享方法，即蜂窝链路和M2M链路占用相同的无线资源。此时，两种链路之间会存在相互干扰，但是资源利用率高。在正交共享中可以通过调整M2M链路和蜂窝链路各占用资源多少的比例在蜂窝网络优先级和M2M通信次优先级之间得到一个折中。然而在使用非正交共享时，由于两者使用相同资源，这种方法是行不通的。网络中的干扰大小取决于两个主要因素：M2M链路和蜂窝链路各采用的发射功率以及具体的资源分配协议。为了保证蜂窝用户的通信质量，控制M2M发射节点的功率低于一定的门限是减小干扰最直接的方法（文献[3]）。但是这样会严重的影响M2M通信的可靠性。因此应该将主要精力集中在如何设计资源分配协议，使得基站能够更加智能地选择要被复用的资源，从而在增加网络容量的同时，最小化干扰带来的影响。文献[4]就是遵循这样的宗旨，将资源分配方案抽象为一个MINLP(Mixed interfere nonlinear programming)问题，并且设计了一种启发式贪婪算法，利用信道增益信息最小化M2M链路带来的干扰。

然而，在传统的资源分配方案中，当设备获得基站的允许可复用某个蜂窝用户的资源时，此设备就可以占用其所有的资源块。这种做法会导致参与共享后，蜂窝用户的通信质量有很大幅度的下降。同时，又因为通常在网络中蜂窝用户的数目要远大于正在通信的设备对的个数，所以M2M链路只复用一个蜂窝用户资源的做法是很浪费的。如何克服传统资源分配方案的这些缺点是设计更高效更合适的资源共享协议的关键。

参考文献：

[1]P.J’anis,C.-H.Yu,K.Doppler,C.Ribeiro,C.Wijting,K.Hugl,O.Tirkkonen,and V.Koivunen,“Device-to-device communication underlayingcellular communications systems,”International J.Commun.,Network Syst.Sciences,vol.2,no.3,June2009.