CN105722016B - 分层m2m网络中网关和终端发射功率的协同控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，适用于无线通信领域使用。使用全双工中继传输建立无线通信链路，获取无线M2M网关的信道状态参数和，获取无线M2M终端的信道状态参数和后计算网络中的信道增益，在满足每个无线M2M终端的数据吞吐量的情况下，计算发射功率控制参数，从而实现网关和终端发射功率的协同控制方法。有效改善终端至网关链路以及网关至基站链路的信号功率与干扰噪声功率比例即信干噪比，从而最小化M2M终端的能耗、满足M2M通信的最小时延要求，并有效提高蜂窝网络的频谱资源利用率。

Description

分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法
技术领域
本发明涉及一种协同控制方法，尤其涉及一种机器对机器(Machine-to-Machine，M2M)无线通信领域使用的分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法。
背景技术
随着移动通信网络在全球的广泛部署，无线数据业务已经从传统的人对人(H2H,Human to Human)通信向M2M通信领域扩展。M2M通信的原型为无线传感器网络(WSN,Wireless Senor Network)，是指在无人工干预的情况下，多个网络设备或终端之间进行自主的信息交互。M2M通信主要面向环境实时监测和控制数据的传输，其应用领域涵盖了工业自动化以及智能城市电网、医疗和应急防护等多个领域，它是物联网(IoT,InternetofThings)的重要组成部分。为了应对M2M数据业务的快速增长，移动通信标准化组织3GPP已经开始关注蜂窝移动网络架构下的M2M通信问题及其标准化工作。然而，现有的蜂窝移动通信标准(如LTE以及LTE-A)均针对传统的H2H通信设计，M2M通信与H2H通信相比具有极大的差异，主要包括：
1)H2H通信主要传输语音图像、视频等多媒体数据，传输数据量较大(几十MB至几GB不等)。M2M通信则主要传输环境监测和控制数据，数据传输量相对较小(几十KB到几MB不等)；不过M2M终端的数量庞大，环境监测所要求的通信发起频次高(导致通信链路拆建的频率高)，而控制数据的传输对时间延迟也有较高的要求；
2)H2H通信主要依靠蜂窝下行链路(从基站至用户终端)传输数据，如用户终端下载音乐、浏览网页和视频等。M2M通信主要用于环境实时监测，因此主要依赖蜂窝上行链路(从M2M终端至基站)传输数据。当大量M2M终端同时向基站发出上行链路传输请求时，势必会引发网络拥塞；此外，由于单个M2M通信链路的数据传输量较小，建立大量的M2M终端至基站的上行通信链路无疑会增加链路控制和管理信息的传输开销，导致网络通信资源无法得到有效利用；
3)H2H终端虽然有能耗大、电池续航能力差等缺点，但其电池可以很方便的充电和替换。而M2M终端通常被放置在环境危险或人类不易接近的区域(如野外山体、煤矿井下等)，辅助环境监测和灾害预警等工作，很少被移动，并且要求在无人干预的情况下工作。因此，针对M2M终端和通信的能耗节省尤为重要。
为了应对M2M通信所带来的上述挑战，近年来一种新的网络设备，即“M2M网关”被引入到蜂窝网络中。地理位置相邻近的一组M2M终端形成一个“M2M群组”并由同一个M2M网关进行管理，M2M网关是网络基础设施的一部分，它通过无线信道和基站连接，同时，它可以收集并缓存多个M2M终端产生的数据，并将这些数据集中转发至基站。M2M网关的出现使现有蜂窝网络变为一种分层的网络架构，即M2M终端至基站的上行链路被分为两部分，包括“终端至网关链路”以及“网关至基站链路”，其中，网关至基站链路采用LTE/LTE-A标准，而终端至网关链路可以采用LTE/LTE-A标准，或者采用其他无线网络协议，如Wi-Fi和Bluetooth等。
在上述分层的M2M网络中，需要解决M2M群组内网关以及多个终端的频谱资源分配问题，现有的文献多采用正交频谱复用的方法解决这一问题，例如：
文献1：C.Y.Ho and C.-Y.Huang,“Energy-saving massive access control andresource allocation schemes for M2M communications in OFDMA cellularnetworks,”IEEE Commun.Lett.,vol.1,no.3,pp.209–211,2012.
文献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 ElectronicsLetters,vol.49,no.5,pp.344-346,Feb.2013.
文献3：F.Gong,J.Ge,N.Zhang,“SER analysis of the mobile-relay-based M2Mcommunication over double Nakagami-mfading channels,”IEEE Commun.Lett.,vol.15,no.1,pp.34-36,Jan.2011.
文献4：张国鹏，李奥，杜耀，周凯，林育德，靳文斌，嵌入M2M的蜂窝网络中高能效的功率和时隙分配方法，申请号201510624229，申请日2015.9.25，发明专利申请；
在上述文献1至文献4中，终端至网关链路以及网关至基站链路被分配了不同(即正交)的频谱资源，其中，文献1和2采用了频分复用的方法，而文献3和4则采用了时分复用的方法。正交频谱复用的方法虽然不会引发终端至网关链路以及网关至基站链路的共信道传输干扰，但是会大大降低网络频谱资源的利用率。众所周知，频谱资源匮乏是下一代蜂窝移动网络面临的主要***瓶颈之一。此外，文献4将普通的H2H用户终端作为M2M通信的中继节点，仅适用于家庭或办公室等小规模M2M通信环境(M2M群组中的终端数＜10)，由于H2H用户终端的计算性能远不及专用的M2M网关，因此无法应对大规模M2M通信(M2M群组中的终端数)的需求。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种允许M2M群组内的终端至网关链路以及网关至基站链路在同一频段上并发传输数据，并针对M2M群组内终端和网关的发射功率协同控制非正交频谱复用的分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法。
为实现上述技术目的，本发明的分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，利用M2M网络***构成分层M2M网络，所述的M2M网络***包括基站和无线M2M群组，所述无线M2M群组由无线M2M网关和K(K≥1)个无线M2M终端组成，每个无线M2M终端上设有一支天线，无线M2M网关上分别设有用于信号发射和用于信号的接收的两支天线，其中，无线M2M网关为无线移动设备，无线M2M网关为K个无线M2M终端与基站之间信息连接的中继节点，无线M2M网关与无线M2M终端之间采用时、频域全双工数据中继技术，允许M2M网关和任一M2M终端在同一频段并发传输数据，其特征在于所述网关和终端发射功率的协同控制方法步骤如下：
a.启动M2M网络***构建分层M2M网络：利用控制信息传输信道建立无线M2M网关和基站之间的链接，为M2M群组中的K个无线M2M终端定义标签编号，K个无线M2M终端通过蜂窝网络的控制信息传输信道(SDCCH,Stand-Alone Dedicated Control Channel)向无线M2M网关发送数据传输请求；无线M2M网关接收到无线M2M终端发出的数据传输请求信息后将请求信息通过SDCCH信道转发至基站；基站根据预设的单位周期时间内接收到的所有无线M2M网关数据传输请求信息后，为M2M网关分配K个信道用于传输K个M2M终端的数据，基站将总信道平均分成K个信道后为每个信道顺序编号，基站将K个分配信道信息利用SDCCH信道反馈给无线M2M网关并转发至K个M2M终端，即将第i个信道分配给第i个M2M终端进行数据传输；
b.根据LTE/LTE-A蜂窝网络无线链路控制协议(RLC,Radio LinkControl)，每个无线M2M终端通过所分配的信道与无线M2M网关建立无线通信链路，无线M2M网关与基站建立无线通信链路；
c.无线M2M网关通过LTE网络提供的公共导频信道(CPICH,Common PilotChannel)以及专用物理控制信道(DPCCH,Dedicated Physical Control Channel)获取其自身与基站之间的工作信道状态参数hG,B和hG,G，每个无线M2M终端通过SDCCH信道将自身获取的信道状态参数hi,G和hi,B，并附上自身编号标签后反馈至无线M2M网关，hi,B是M2M终端自身与基站工作信道的信道状态参数，hi,G是每个无线M2M终端获取其自身与无线M2M网关工作信道的信道状态；
d.无线M2M网关计算信道增益参数：由于无线M2M网关和无线M2M终端之间以并行发射的方式进行无线广播，无线M2M终端的发射会对基站接收无线M2M网关的数据造成共信道干扰，因此将无线M2M终端与基站之间的链路可以看作是一个干扰链路，无线M2M网关利用公式：计算任意第i个无线M2M终端与基站之间干扰链路的信道增益γi，B，利用公式：计算第i个无线M2M终端与无线M2M网关之间干扰链路的信道增益γi,G，利用公式计算无线M2M网关与基站之间的信道增益γG,B，利用公式计算无线M2M网关自身的发射天线与接收电线之间的信道增益γS,I，式中nB是基站接收机的噪声系数，nG是M2M网关接收机的噪声系数，hS,I是M2M网发射机至接收机的信道系数；
e.无线M2M网关通过线M2M终端反馈的信道状态参数hi,G和hi,B，利用公式： 计算控制第i个无线M2M终端所需要的发射功率参数
无线M2M网关利用公式：计算控制无线M2M网关自身的发射功率参数无线M2M网关使用功率中继第i个无线M2M终端的数据，式中为传输周期T内第i个M2M终端需要向基站传输的比特数据，w为分配给第i(i＝1,2,...,K)个M2M终端的传输带宽；
f.无线M2M网关通过判断：当第i个无线M2M终端的实际发射功率与第i个无线M2M终端额定最大发射功率PM的关系为并且无线M2M网关的实际发射功率参数与无线M2M网关为中继第i个无线M2M终端的数据额定最大发射功率PG的关系为时，则无线M2M网关设置第i个无线M2M终端的最优发射功率设置中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率否则，当或者时，则无线M2M网关设置第i个无线M2M终端的最优发射功率为设置中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率为
g.无线M2M网关依次针对每个无线M2M终端重复步骤f获得所有K个无线M2M终端的最优功率控制策略并将最优功率控制策略分别反馈给相对应编号的所有无线M2M终端从而完成一次无线M2M网关和无线M2M终端发射功率的协同控制流程；
h.根据需要重复步骤a开始下一个数据传输周期。
所述无线M2M网关作为无线M2M群组的网络管理节点，负责收集群组中所有无线M2M终端的数据传输请求信息并转发至基站，最终由基站为各无线M2M终端分配传输信道，该分配结果先由基站反馈给无线M2M网关，再由无线M2M网关反馈给各无线M2M终端。
所述分层M2M网络在LTE/LTE-A蜂窝网络中，每个数据传输信道为1个频宽为180KHz的正交频分复用(OFDMA,Orthogonal Frequency Division Multiple Access)子载波，***中任意第i个无线M2M终端被***分配1个信道用于数据传输；无线M2M网关可以在K个信道上同时接收和发送数据，具体为无线M2M网关采用全双工中继协议在第i个无线M2M终端工作的信道上接收其数据并将该数据在同一信道上并行转发至基站。
预设数据传输周期T，传输周期T为无线M2M传输业务的实时性需求调整，如果每个M2M终端需要在每1秒内完成至少10Kb数据的传输，则数据传输周期T定为1秒，所述在任一数据传输周期T内第i个无线M2M终端获得的数据吞吐量为：，无线M2M网关与第i个无线M2M终端工作的信道上获得的数据吞吐量为：
所述分层M2M网络***在能耗最小的前提下满足任意第i个无线M2M终端的吞吐量需求以及最大时延限制T，最优数学建模为：
约束条件：
无线M2M网关得到用于控制无线M2M终端以及无线M2M网关自身发射功率的参数和
当任意第i个无线M2M终端的参数或者参数时，表明给定时延约束T以及额定最大发射功率约束PM和PG，则不存在能耗最小的前提下满足任意第i个无线M2M终端的吞吐量需求以及最大时延限制T的最优数学建模，即第i个无线M2M终端的数据传输需求在该数据传输周期无法被***满足，因此，无线M2M网关将第i个无线M2M终端的最优发射功率设置为将为中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率设置为达到延缓第i个无线M2M终端进行数据传输的目的。
有益效果：本发明的控制方法针对分层的M2M蜂窝网络架构，适用于大规模M2M终端的数据传输，传输使用全双工中继传输，允许M2M群组内的终端至网关链路以及网关至基站链路在同一频段上并发传输数据，有效提高蜂窝网络的频谱资源利用率；通过调整发射功率可以有效改善终端至网关链路以及网关至基站链路的信号功率与干扰噪声功率比例即信干噪比，从而最小化M2M终端的能耗、满足M2M通信的最小时延要求。
附图说明
图1是本发明的分层M2M蜂窝网络***组成示意图；
图2是本发明的传输信道和发射功率分配示意图；
图3是本发明的无线M2M终端的传输时延需求被满足概率的示意图；
图4是本发明的全部无线M2M终端传输能耗示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明的分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，了在蜂窝移动网络中更好的兼容大规模M2M通信，引入一种新的网络设备“M2M网关”，为形成分层的蜂窝网络架构；利用M2M网络***构成分层M2M网络，所述的M2M网络***包括基站和无线M2M群组，所述无线M2M群组由无线M2M网关和K(K≥1)个无线M2M终端组成，每个无线M2M终端上设有一支天线，无线M2M网关上分别设有用于信号发射和用于信号的接收的两支天线，其中，无线M2M网关为无线移动设备，无线M2M网关为K个无线M2M终端与基站之间信息连接的中继节点，无线M2M网关与无线M2M终端之间采用时、频域全双工数据中继技术，允许M2M网关和任一M2M终端在同一频段并发传输数据，
无线M2M网关通过无线信道和基站以及一组地理位置相邻近的无线M2M终端连接，它负责管理所连接的无线M2M终端，收集、缓存无线M2M终端产生的数据再将这些数据集中转发至基站，基站、M2M网关以及K个无线M2M终端构成***的全部网络设备，无线M2M网关作为K个无线M2M终端与基站之间的中继节点，采用时、频域全双工数据中继技术，允许无线M2M网关和任一M2M终端在同一频段并发传输数据；无线M2M网关采用频分多址(FDMA)技术对K个无线M2M终端进行媒质接入控制，用W(单位Hz)表示***所占用的频谱带宽，用T(单位s)表示无线M2M群组的数据传输周期(即网络***频谱资源分配和发射功率控制的周期)，在任意数据传输周期T中，网络***分配给第i(i＝1,2,...,K)个无线M2M终端的传输带宽为w＝W/K(单位Hz)，无线M2M网关以及K个M2M终端的时、频域资源分配模式如图2所示；用hi,G表示第i个无线M2M终端与M2M网关之间的信道系数，用hi,B表示第i个无线M2M终端与基站之间的信道系数，用hG,B表示无线M2M网关与基站之间的信道系数，用hG,G表示无线M2M网关的发射天线与接收电线之间的信道系数，用nB表示基站接收机的加性高斯白噪声，用nG表示无线M2M网关的加性高斯白噪声，假设网络***中所有信道系数和接收机噪声在T内保持不变；在任一数据传输周期T内，第i个无线M2M终端需要向基站传输比特数据，作为中继节点，无线M2M网关一方面需要接收K个无线M2M终端的数据(共计比特)，另一方面需要将这LG比特数据转发至基站；用表示第i个无线M2M终端的发射功率，用PM表示第i个无线M2M终端可用的最大发射功率；用表示无线M2M网关为中继第i个M2M终端的数据所使用的发射功率，用PG表示无线M2M网关为中继第i个M2M终端的数据可用的最大发射功率；对***中的无线M2M网关以及K个无线M2M终端的发射功率协同控制方法流程如下：
a.启动M2M网络***构建分层M2M网络：利用控制信息传输信道建立无线M2M网关和基站之间的链接，为M2M群组中的K个无线M2M终端定义标签编号，K个无线M2M终端通过蜂窝网络的控制信息传输信道(SDCCH,Stand-Alone Dedicated Control Channel)向无线M2M网关发送数据传输请求；无线M2M网关接收到无线M2M终端发出的数据传输请求信息后将请求信息通过SDCCH信道转发至基站；基站根据预设的单位周期时间内接收到的所有无线M2M网关数据传输请求信息后，为M2M网关分配K个信道用于传输K个M2M终端的数据，基站将总信道平均分成K个信道后为每个信道顺序编号，基站将K个分配信道信息利用SDCCH信道反馈给无线M2M网关并转发至K个M2M终端，即将第i个信道分配给第i个M2M终端进行数据传输；
b.根据LTE/LTE-A蜂窝网络无线链路控制协议(RLC,Radio LinkControl)，每个无线M2M终端通过所分配的信道与无线M2M网关建立无线通信链路，无线M2M网关与基站建立无线通信链路；
c.无线M2M网关通过LTE网络提供的公共导频信道(CPICH,Common PilotChannel)以及专用物理控制信道(DPCCH,Dedicated Physical Control Channel)获取其自身与基站之间的工作信道状态参数hG,B和hG,G，每个无线M2M终端通过SDCCH信道将自身获取的信道状态参数hi,G和hi,B，并附上自身编号标签后反馈至无线M2M网关，hi,B是M2M终端自身与基站工作信道的信道状态参数，hi,G是每个无线M2M终端获取其自身与无线M2M网关工作信道的信道状态；
d.无线M2M网关计算信道增益参数：由于无线M2M网关和无线M2M终端之间以并行发射的方式进行无线广播，无线M2M终端的发射会对基站接收无线M2M网关的数据造成共信道干扰，因此将无线M2M终端与基站之间的链路可以看作是一个干扰链路，无线M2M网关利用公式：计算任意第i个无线M2M终端与基站之间干扰链路的信道增益γi，B，利用公式：计算第i个无线M2M终端与无线M2M网关之间干扰链路的信道增益γi,G，利用公式计算无线M2M网关与基站之间的信道增益γG,B，利用公式计算无线M2M网关自身的发射天线与接收电线之间的信道增益γS,I，式中nB是基站接收机的噪声系数，nG是M2M网关接收机的噪声系数，hS,I是M2M网发射机至接收机的信道系数；
e.无线M2M网关通过线M2M终端反馈的信道状态参数hi,G和hi,B，利用公式： 计算控制第i个无线M2M终端所需要的发射功率参数
无线M2M网关利用公式：计算控制无线M2M网关自身的发射功率参数无线M2M网关使用功率中继第i个无线M2M终端的数据，式中为传输周期T内第i个M2M终端需要向基站传输的比特数据，w为分配给第i(i＝1,2,...,K)个M2M终端的传输带宽；
f.无线M2M网关通过判断：当第i个无线M2M终端的实际发射功率与第i个无线M2M终端额定最大发射功率PM的关系为并且无线M2M网关的实际发射功率参数与无线M2M网关为中继第i个无线M2M终端的数据额定最大发射功率PG的关系为时，则无线M2M网关设置第i个无线M2M终端的最优发射功率设置中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率否则，当或者时，则无线M2M网关设置第i个无线M2M终端的最优发射功率为设置中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率为
g.无线M2M网关依次针对每个无线M2M终端重复步骤f获得所有K个无线M2M终端的最优功率控制策略并将最优功率控制策略分别反馈给相对应编号的所有无线M2M终端从而完成一次无线M2M网关和无线M2M终端发射功率的协同控制流程；
h.根据需要重复步骤a开始下一个数据传输周期。
所述无线M2M网关作为无线M2M群组的网络管理节点，负责收集群组中所有无线M2M终端的数据传输请求信息并转发至基站，最终由基站为各无线M2M终端分配传输信道，该分配结果先由基站反馈给无线M2M网关，再由无线M2M网关反馈给各无线M2M终端；
所述分层M2M网络在LTE/LTE-A蜂窝网络中，每个数据传输信道为1个频宽为180KHz的正交频分复用(OFDMA,Orthogonal Frequency Division Multiple Access)子载波，***中任意第i个无线M2M终端被***分配1个信道用于数据传输；无线M2M网关可以在K个信道上同时接收和发送数据，具体为无线M2M网关采用全双工中继协议在第i个无线M2M终端工作的信道上接收其数据并将该数据在同一信道上并行转发至基站。
预设数据传输周期T，传输周期T为无线M2M传输业务的实时性需求调整，如果每个M2M终端需要在每1秒内完成至少10Kb数据的传输，则数据传输周期T定为1秒，所述在任一数据传输周期T内第i个无线M2M终端获得的数据吞吐量为：，无线M2M网关与第i个无线M2M终端工作的信道上获得的数据吞吐量为：
所述分层M2M网络***在能耗最小的前提下满足任意第i个无线M2M终端的吞吐量需求以及最大时延限制T，最优数学建模为：
约束条件：
无线M2M网关得到用于控制无线M2M终端以及无线M2M网关自身发射功率的参数和
当任意第i个无线M2M终端的参数或者参数时，表明给定时延约束T以及额定最大发射功率约束PM和PG，则不存在能耗最小的前提下满足任意第i个无线M2M终端的吞吐量需求以及最大时延限制T的最优数学建模，即第i个无线M2M终端的数据传输需求在该数据传输周期无法被***满足，因此，无线M2M网关将第i个无线M2M终端的最优发射功率设置为将为中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率设置为达到延缓第i个无线M2M终端进行数据传输的目的。
下面介绍具体的实施例及其性能分析：参照图1给出的分层M2M蜂窝***结构示意图，作如下***参数设置：***中的无线M2M群组共有20个无线M2M终端，无线M2M通信容许的最大数据传输时延(即***的频谱、发射功率资源分配周期)为T＝1s，***所占用的频宽为W＝180×K＝180×20＝3.6KHz，基站和无线M2M网关的接收机噪声方差为10-7；基站与无线M2M网关的距离在500m与1000m之间随机变化，各无线M2M终端与无线M2M网关的距离在50m至100m之间随机变化，各信道的大尺度路径衰落0.097/d3.76，其中d是发射机与接收机之间的距离；M2M网关的最大发射功率为PG＝24dBmW，每个M2M终端的最大发射功率为PM＝14dBmW。仿真实验中，在每个数据传输周期T内，每个M2M终端的数据吞吐量需求从10Kbits增加到130Kbits，M2M网关的自干扰链路信道增益取值设为γSI＝{0dB,5dB,10dB,15dB}，并以理想状态γSI＝0(即M2M网关的发射天线和接收天线之间不存在自干扰)作为最优性能参照。
如图3所示，随着无线M2M终端数据吞吐量需求的不断增加，采用本发明所提出的频谱资源分配和功率控制方案，每个无线M2M终端的传输时延被满足概率的示意图，随无线M2M终端数据吞吐量需求的不断增加，每个无线M2M终端的传输时延被满足的概率不断降低，当M2M网关的自干扰链路信道增益被限制在γSI≤5dB以下时，采用本发明所提出的方案能够较高程度的满足无线M2M终端的传输时延要求。
如图4所示，随着无线M2M终端数据吞吐量要求的不断增加，采用本发明所提出的频谱资源分配和功率控制方案，显示全部无线M2M终端完成数据传输消耗能量，随无线M2M终端数据吞吐量需求的不断增加，完成全部数据传输所消耗的能量不断增加，当无线M2M网关的自干扰链路信道增益被限制在γSI≤5dB以下时，采用本发明所提出方案的能量消耗接近于***最优性能(即γSI＝0的***性能曲线)。

Claims (6)

1.一种分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，利用M2M网络***构成分层M2M网络，所述的M2M网络***包括基站和无线M2M群组，所述无线M2M群组由无线M2M网关和K，K≥1个无线M2M终端组成，每个无线M2M终端上设有一支天线，无线M2M网关上分别设有用于信号发射和用于信号的接收的两支天线，其中，无线M2M网关为无线移动设备，无线M2M网关为K个无线M2M终端与基站之间信息连接的中继节点，无线M2M网关与无线M2M终端之间采用时、频域全双工数据中继技术，允许M2M网关和任一M2M终端在同一频段并发传输数据，其特征在于所述网关和终端发射功率的协同控制方法步骤如下：
a.启动M2M网络***构建分层M2M网络：利用控制信息传输信道建立无线M2M网关和基站之间的链接，为M2M群组中的K个无线M2M终端定义标签编号，K个无线M2M终端通过蜂窝网络的控制信息传输信道(SDCCH，Stand-Alone Dedicated Control Channel)向无线M2M网关发送数据传输请求；无线M2M网关接收到无线M2M终端发出的数据传输请求信息后将请求信息通过SDCCH信道转发至基站；基站根据预设的单位周期时间内接收到的所有无线M2M网关数据传输请求信息后，为M2M网关分配K个信道用于传输K个M2M终端的数据，基站将总信道平均分成K个信道后为每个信道顺序编号，基站将K个分配信道信息利用SDCCH信道反馈给无线M2M网关并转发至K个M2M终端，即将第i个信道分配给第i个M2M终端进行数据传输；
b.根据LTE/LTE-A蜂窝网络无线链路控制协议(RLC，Radio Link Control)，每个无线M2M终端通过所分配的信道与无线M2M网关建立无线通信链路，无线M2M网关与基站建立无线通信链路；
c.无线M2M网关通过LTE网络提供的公共导频信道(CPICH，Common Pilot Channel)以及专用物理控制信道(DPCCH，Dedicated Physical Control Channel)获取其自身与基站之间的工作信道状态参数hG，B和hG，G，每个无线M2M终端通过SDCCH信道将自身获取的信道状态参数hi，G和hi，B，并附上自身编号标签后反馈至无线M2M网关，hi，B是M2M终端自身与基站工作信道的信道状态参数，hi，G是每个无线M2M终端获取其自身与无线M2M网关工作信道的信道状态；
d.无线M2M网关计算信道增益参数：由于无线M2M网关和无线M2M终端之间以并行发射的方式进行无线广播，无线M2M终端的发射会对基站接收无线M2M网关的数据造成共信道干扰，因此将无线M2M终端与基站之间的链路可以看作是一个干扰链路，无线M2M网关利用公式：计算任意第i个无线M2M终端与基站之间干扰链路的信道增益γi，B，利用公式：计算第i个无线M2M终端与无线M2M网关之间干扰链路的信道增益γi，G，利用公式计算无线M2M网关与基站之间的信道增益γG，B，利用公式计算无线M2M网关自身的发射天线与接收电线之间的信道增益γS，I，式中nB是基站接收机的噪声系数，nG是M2M网关接收机的噪声系数，hS，I是M2M网发射机至接收机的信道系数；
e.无线M2M网关通过线M2M终端反馈的信道状态参数hi，G和hi，B，利用公式： 计算控制第i个无线M2M终端所需要的发射功率参数
无线M2M网关利用公式：计算控制无线M2M网关自身的发射功率参数无线M2M网关使用功率中继第i个无线M2M终端的数据，式中为传输周期T内第i个M2M终端需要向基站传输的比特数据，w为分配给第i(i＝1，2，...，K)个M2M终端的传输带宽；
f.无线M2M网关通过判断：当第i个无线M2M终端的实际发射功率与第i个无线M2M终端额定最大发射功率PM的关系为并且无线M2M网关的实际发射功率参数与无线M2M网关为中继第i个无线M2M终端的数据额定最大发射功率PG的关系为时，则无线M2M网关设置第i个无线M2M终端的最优发射功率设置中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率否则，当或者时，则无线M2M网关设置第i个无线M2M终端的最优发射功率为设置中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率为
g.无线M2M网关依次针对每个无线M2M终端重复步骤f获得所有K个无线M2M终端的最优功率控制策略并将最优功率控制策略分别反馈给相对应编号的所有无线M2M终端从而完成一次无线M2M网关和无线M2M终端发射功率的协同控制流程；
h.根据需要重复步骤a开始下一个数据传输周期。
2.根据权利要求1所述分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，其特征在于：所述无线M2M网关作为无线M2M群组的网络管理节点，负责收集群组中所有无线M2M终端的数据传输请求信息并转发至基站，最终由基站为各无线M2M终端分配传输信道，最优功率控制策略先由基站反馈给无线M2M网关，再由无线M2M网关反馈给各无线M2M终端。
3.根据权利要求1所述分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，其特征在于：所述分层M2M网络在LTE/LTE-A蜂窝网络中，每个数据传输信道为1个频宽为180KHz的正交频分复用(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)子载波，***中任意第i个无线M2M终端被***分配1个信道用于数据传输；无线M2M网关可以在K个信道上同时接收和发送数据，具体为无线M2M网关采用全双工中继协议在第i个无线M2M终端工作的信道上接收其数据并将该数据在同一信道上并行转发至基站。
4.根据权利要求1所述分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，其特征在于：预设数据传输周期T，传输周期T为无线M2M传输业务的实时性需求调整，如果每个M2M终端需要在每1秒内完成至少10Kb数据的传输，则数据传输周期T定为1秒，所述在任一数据传输周期T内第i个无线M2M终端获得的数据吞吐量为：无线M2M网关与第i个无线M2M终端工作的信道上获得的数据吞吐量为： 式中：表示第i个M2M终端的发射功率，用表示M2M网关为中继第i个M2M终端的数据所使用的发射功率。
5.根据权利要求1或4所述分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，其特征在于：所述分层M2M网络***在能耗最小的前提下满足任意第i个无线M2M终端的吞吐量需求以及最大时延限制T，最优数学建模为：
约束条件：
无线M2M网关得到用于控制无线M2M终端以及无线M2M网关自身发射功率的参数和
6.根据权利要求4所述分层M2M网络中网关和终端发射功率的协同控制方法，其特征在于：当任意第i个无线M2M终端的参数或者参数时，表明给定时延约束T以及额定最大发射功率约束PM和PG，则不存在能耗最小的前提下满足任意第i个无线M2M终端的吞吐量需求以及最大时延限制T的最优数学建模，即第i个无线M2M终端的数据传输需求在该数据传输周期无法被***满足，因此，无线M2M网关将第i个无线M2M终端的最优发射功率设置为将为中继第i个无线M2M终端数据的最优发射功率设置为达到延缓第i个无线M2M终端进行数据传输的目的。
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