[发明专利]一种终端直通协作中继网络的路由和频谱资源管理方法

权利要求书

1.一种应用在M2M中继通信场景中对中继选择、频谱分配和功率控制问题进行联合优化的资源管理方法，其特征在于：

1)在M2M发送端和M2M接收端之间的信道条件不能满足单跳信道的QoS要求时，利用M2M中继通信技术进行内容的分享；

2)在利用M2M中继通信技术进行内容的分享时，利用基于定价策略的四维匹配算法，优化设备、中继端与频谱资源之间的匹配；

所述基于定价策略的四维匹配算法具体是指将原四维匹配问题分为一个二维匹配和一个三维匹配问题，然后再使用定价策略来依次对这两个匹配问题进行求解；

所述设备、中继端与频谱资源之间的匹配为M2M通信设备对、M2M通信中继端设备和第一、二跳复用的频谱资源块四者之间的匹配；

所述的基于定价策略的二阶段四维匹配算法包括以下五个步骤：

1)首先，系统中有M个M2M设备对，R个M2M通信中继端和C个频谱资源块；其中，二维匹配为M2M设备对与第二跳中所复用的频谱资源块的匹配；三维匹配为M2M设备对、M2M中继端以及第一跳M2M通信中所复用的频谱资源块之间的匹配；系统首先进行二维匹配，然后再完成三维匹配；

2)进行所述二维匹配问题的求解，首先建立M2M设备对对频谱资源块的喜好列表；每一个M2M设备对需要复用一个频谱资源块来进行第二跳M2M通信，喜好列表的值根据以下公式获得：

是M2M设备对m复用蜂窝设备c_s频谱资源时所产生的对M2M接收端的干扰的倒数；表示蜂窝设备c_s的发射功率，表示c_s与m_r之间的传输距离，表示对应的信道的小尺度衰落瑞利信道系数；

根据建立的M2M设备对对频谱资源块的喜好列表，M2M设备对向所述喜好列表中的喜好值最高频谱资源块提出匹配申请；当频谱资源块接收到多个M2M设备对的匹配申请时，所述频谱资源块就会按照一定的值来提高自身的价格，使得M2M设备对匹配的成本增加；由于匹配的成本增加，M2M设备对逐渐转向别的频谱资源块，从而最后只剩下一个提出匹配申请的M2M设备对；该算法的收敛次数与M2M设备对的数量和频谱资源块的数量有关，当匹配结束时，M2M设备对与频谱资源块之间的匹配达到稳定状态；

3)在进行三维匹配之前，定义由一个M2M中继端RS和一个频谱资源块RB构成的RS-RB单元，由于蜂窝设备CUE都占用一个上行频谱资源块RB，因此RS-RB单元写为RS-CUE单元；

4)建立M2M设备对对RC单元的喜好列表；首先每一个M2M设备对TR与每一个RC单元分别匹配，通过优化M2M发射端以及M2M中继端的发射功率P_r，使得在保证所匹配的蜂窝设备的服务质量达到一定的条件下，M2M通信链路的能效最大化；

每一个M2M通信链路的能效利用以下公式进行计算：

P_min，r≤P_r≤P_max，r，

分别为M2M发射端最小、最大发射功率，表示M2M设备mt的发射功率；P_min，r、P_max，r分别为M2M中继端的最小、最大发射功率，P_r表示M2M设备r的发射功率；γ_r表示M2M中继端设备的SINR，表示M2M接收端设备的SINR，是两跳M2M通信的SINR，γ_cf表示频谱资源被第一跳M2M链路复用的蜂窝设备c_f的SINR，γ_cs表示频谱资源被第二跳M2M链路复用的蜂窝设备c_s的SINR，为M2M通信链路的最小SINR需求，为蜂窝设备的最小SINR需求；对所得能效按降序进行排序，对应的RC单元的顺序即为M2M设备m对RC单元的喜好顺序；表示M2M链路的能效；

5)根据建立的M2M设备对对RC单元的喜好列表，M2M设备对向所述喜好列表中喜好值最高的RC单元发出匹配申请，当多个M2M设备对向同一个M2M中继端和频谱资源块发出匹配申请时，就会发生匹配冲突的情况，即每个M2M中继端和频谱资源块都有它们自身的价格，而RC单元的价格则是M2M中继端和频谱资源块的价格之和；在匹配的开始，每个单元的价格都设为0，随后，在每一次匹配的迭代中，没有匹配到RC单元的M2M设备对将根据匹配所获得的能效减去RC单元的价格所获得的值，按照降序排序，然后向还没有发送过匹配申请的最优的RC单元发出申请，若任意一个M2M中继端或者频谱资源块接收到多个M2M设备对的匹配申请，则判定发生冲突，这些M2M中继端以及频谱资源块将通过提升他们的价格，直到只剩下一个M2M设备对提出申请；该算法的收敛次数与M2M设备对的数量、M2M中继端的数量和频谱资源块的数量有关，当匹配结束时，M2M设备对、M2M中继端设备与频谱资源块之间的匹配达到稳定状态。

2.根据权利要求1所述的一种应用在M2M中继通信场景中对中继选择、频谱分配和功率控制问题进行联合优化的资源管理方法，其特征在于，所述在M2M发送端和M2M接收端之间的信道条件不能满足单跳信道的QoS要求时，利用M2M中继通信技术进行内容的分享，具体包括：

1)计算M2M中继端设备以及M2M接收端设备的通信链路在分别复用蜂窝设备c_f和c_s的频谱资源时的SINR，计算公式包括：

计算M2M中继端设备的SINR，计算公式如下：

分别表示M2M设备m_t与蜂窝设备c_f的发射功率；分别表示m_t与r，c_f与r之间的通信链路的信道响应；分别代表m_t与r，c_f与r之间的传输距离；α为自由空间路径损耗因子；N₀代表加性高斯白噪声；γ_r表示M2M中继端设备的SINR，和为小尺度衰落的瑞利信道系数，所述和服从复高斯分布

计算M2M接收端设备的SINR，计算公式如下：

P_r，分别表示M2M设备r与蜂窝设备c_s的发射功率；分别表示r与m_r，c_s与m_r之间的通信链路的信道响应；分别代表r与m_r，c_s与m_r之间的传输距离；表示M2M接收端设备的SINR，和分别为对应的信道的小尺度衰落瑞利信道系数；

2)频谱资源被第一跳M2M链路复用的蜂窝设备c_f的SINR

分别表示c_f与基站，m_t与基站之间的通信链路的信道响应；分别代表c_f与基站，m_t与基站之间的传输距离；γ_cf表示频谱资源被第一跳M2M链路复用的蜂窝设备c_f的SINR；为各信道小尺度衰落瑞利信道系数；

频谱资源被第二跳M2M链路复用的蜂窝设备c_s的SINR为：

h_rB分别表示c_s与基站，r与基站之间的通信链路的信道响应；分别代表c_s与基站，r与基站之间的传输距离和h_s，rB为各信道小尺度衰落瑞利信道系数；γ_cs表示频谱资源被第二跳M2M链路复用的蜂窝设备c_s的SINR；

3)根据M2M中继端以及M2M接收端的SINR，计算两跳M2M通信的SINR，计算公式为：

是两跳M2M通信的SINR，γ_r是M2M中继端设备的SINR，是M2M接收端设备的SINR。