[发明专利]LTE-A网络大规模M2M通信上行数据传输方法

权利要求书

1.一种LTE-A网络大规模M2M通信上行数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

(10)设备调度请求发起：M2M设备在每个时隙向M2M中继网关发起调度请求，并上报需要传输的数据总量；

(20)网关调度请求发起：中继网关在接收到M2M设备的调度请求后，根据M2M设备的信道条件，判断能否进行数据传输；若能，则向基站发起调度请求，并发送所有M2M设备需要传输的数据总量；

(30)传输功率分配：基站调度器使用基于拉格朗日乘数法的功率分配算法进行M2M设备的功率分配，确定每个M2M设备以及中继网关传输数据时的最优功率；

(40)功率分配结果反馈：基站将根据功率分配算法所获得的功率分配方案传输给中继网关，经由网关转发给每个M2M设备；

(50)数据传输：M2M设备根据接收到的功率分配方案，调整自身的传输功率，将数据信息发送到网关，经由网关发送到基站；

所述(30)传输功率分配包括如下步骤：

(31)初始化算法参数：基站初始化基于朗格朗日乘数法的功率分配算法参数，包括M2M设备数量、M2M设备待传输数据总量、M2M设备到网关的信道条件、网关到基站的信道条件、网关在执行全双工中继时的自干扰强度、M2M设备和网关的初始传输功率、M2M设备和网关的传输带宽、算法最大迭代次数以及椭球中心、椭球形状、拉格朗日乘数；

(32)计算初始传输速率：根据初始化的功率分配算法参数，计算当前参数的M2M设备和中继网关传输速率；

(33)计算收敛参数：计算并判断功率分配算法是否满足收敛性条件，若满足，则M2M设备功率分配成功，输出M2M设备的分配功率并结束算法；若不满足，进一步判断当前迭代次数是否达到算法迭代最大次数，若是，则功率分配失败，算法结束；若不满足，则算法继续；

(34)计算最优传输功率：当功率分配算法当前迭代次数未超过最大迭代次数时，根据设备总最大化能源效率问题推导出最优的功率，分别计算M2M设备和中继网关传输功率；

(35)更新拉格朗日乘数：在计算完本次迭代的M2M设备和中继网关传输功率后，需要对拉格朗日乘数进行更新，改变功率搜索的边界；

所述(32)计算初始传输速率步骤具体为：

按照下式计算设备的信息传输速率，

按照下式计算中继网关的信息传输速率，

式中，P_k、B_k和h_k,G分别表示M2M设备的传输功率、传输带宽和到网关的信道增益，P_G、B_G、h_SI和h_G,B分别表示中继网关的传输速率、传输带宽、自干扰和到基站的信道增益，σ²表示加性高斯白噪声的功率；

所述(34)计算最优传输功率步骤，具体如下：

每个M2M设备的待传输数据量为L_k，则网关的待传输数据量为每个M2M设备和网关的传输时间需求分别为L_k/R_k和L_G/R_G；记每个M2M设备的功率效率为则推导出的总的功率效率最大化的功率分配问题为

式中，分别表示设备k和中继网关的最大传输功率，T为每个时隙的持续时间，约束a、b分别表示设备k和中继网关的传输功率非负并且不能超过某个特定的值；约束c、d分别表示设备k和中继网关的传输时延需求；

进一步地，该问题可转化为最小化焦耳/比特的能源效率问题，即

应用基于拉格朗日乘数法的功率分配算法，推导出最小化焦耳/比特的能源效率问题的拉格朗日函数为

式中，γ＝[γ₁,γ₂,...,γ_k]^T和μ＝[μ₁,μ₂,...,μ_k]^T分别是M2M设备和中继网关的速率约束的拉格朗日乘数向量，λ和ρ分别是与M2M设备和网关的功率约束的拉格朗日乘数；

针对所述拉格朗日目标函数，分别对P_k和P_G求偏导并令其为零，得到M2M设备和网关的最优传输功率分别为

所述(35)更新拉格朗日乘数步骤包括：

(351)次梯度计算：使用如下式子分别计算目标函数中约束条件的M2M设备和中继网关功率、速率次梯度，即搜索的步进长度；

令g_i(γ)＝[g_i(γ₁),g_i(γ₂),…,g_i(γ_K)]i以及g_i(μ)＝[g_i(μ₁),g_i(μ₂),…,g_i(μ_K)]，得到M2M设备和中继网关功率、速率次梯度向量为g_i＝[g_i(γ),g_i(μ),g_i(λ),g_i(ρ)]^T；

(352)次梯度标准化：使用下式将M2M设备次梯度和中继网关次梯度标准化；

(353)更新椭球中心：定义椭球中心为z＝[γ,μ,λ,ρ]^T，使用如下式子更新椭球中心向量；

式中，N＝K+2，K表示总的M2M设备数量；

(354)更新椭球形状：使用下式更新椭球的形状向量；

式中，椭球形状向量的初始值A₀由下式规定

(355)更新拉格朗日乘数：使用式子z_i+1＝[γ_i+1,μ_i+1,λ_i+1,ρ_i+1]^T更新下一次迭代的拉格朗日乘数值。