[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

说明书

本发明涉及一种应用在两跳传输的Machine‑to‑Machine(M2M)中继通信场景，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算法。本文所提出的四维联合优化问题为非确定性多项式组合优化问题，不能在多项式时间内求解。为了求出该问题的一个次优解，该算法分为两个阶段，在第一阶段，本文将中继到接收端的频谱资源复用问题描述为两维匹配问题。在第二阶段，将M2M用户、中继用户和发送端到中继用户之间的资源复用问题描述为三维匹配问题。在第二阶段中，在建立用户的喜好列表时，对M2M用户的传输功率进行优化。在对四维联合优化问题进行求次优解时，此算法通过降低问题维度，大大降低了运算复杂度，并且在能效方面有着很好的表现，同时在能够提高被服务用户的平均数量。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种应用在M2M(Machine-to-Machine)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算法，能够在保证蜂窝以及M2M设备服务质量的基础上对设备对、中继端与频谱资源之间的匹配进行优化，获得更好的能效，有效地解决用户配对和频谱资源分配问题。

背景技术：

随着通信网络技术的出现和发展，尤其是无线通信的普及和应用，对人们的生活方式有着巨大的影响。M2M通信是近年来发展的通信技术，其与物联网密切相关，目标是使所有机器设备都具备联网和通信能力。M2M技术使得物联网具体化，并取得快速增长，具有非常重要的意义，有着广阔的市场和应用，推动着社会生产和生活方式的新一轮变革。

M2M的应用许多的领域都有出现，如医疗保健、车辆交通、公共安全、能源管理、智能家居等各个方面，而M2M技术在智能电网的应用开发也初见端倪。智能电网被看作是当前智慧能源建设不可或缺的一部分，物联网和移动通信深入到电力系统中的发电、传输、配送等各个环节，甚至在家用电器的信息采集和控制方面发挥着重要的作用。在M2M通信技术的支持下，各种类型的家庭电器都可以由具有物联网功能的智能芯片来控制电力的使用，包括使用的时间、工作模式、能耗比例，通过优化用的策略节省用户电力消耗。

而当使用M2M通信技术对家庭电器进行信息采集时，有可能M2M的发射端和接收端直接的信道状况并不好，不能满足单跳M2M通信所需要的条件。这时，就可以利用M2M中继端来对信号进行中继转发，从而保证了通信的畅通。

在以往的中继通信研究工作中，往往只是考虑了基于传输速率最快的中继端选择，或者是基于SINR最大化的资源分配，而没有考虑到使用中继通信时设备的能效。为了在取得较高的通信速率的前提下，保证设备的续航，需要合理地选择中继端以及在第一、第二跳M2M通信中所复用的蜂窝频谱资源块。

发明内容：

本发明首先模拟了用户多跳M2M通信网络中进行中继通信的场景，以最优化系统M2M通信的能效和最大化被服务用户比例为目标，提出了一种基于竞价联合解决用户和中继端的匹配以及资源分配问题的能效优化资源分配算法。该算法考虑到蜂窝设备和M2M设备的服务质量需求，在同时保证蜂窝设备的M2M设备的服务质量的前提下，优化用户、中继和频谱资源之间的匹配，快速解决各M2M设备对之间的资源分配问题，并获得最大化的能效以及更高的被服务用户比例。具体过程如下：

1)图1为通信系统模型图，模型为M2M协助通信的蜂窝通信系统，由一个基站(BS)，多个蜂窝设备(CUEs)，多个M2M设备对(TRs)以及多个被用作中继的空闲用户(RSs)来组成，每一个蜂窝设备都预先占有一个正交的上行频谱资源块(RB)，并且每一个频谱资源块只能被一条M2M通信链路复用。在模型中，由于M2M设备对的单跳通信的信道质量并不好，不能满足用户通信的质量需求，因此，M2M发送端用户转而先向M2M中继端发送信号，通过M2M中继端进行信号转发，再把信号发送到M2M的接收端，如此来完成M2M两跳通信。在M2M两跳通信中，每一跳M2M通信链路都会复用一个蜂窝设备的频谱资源块，并且每一个蜂窝设备的频谱资源块只能被一个M2M设备对复用，每一个M2M设备对在进行通信时只使用一个M2M中继端。