本发明属于机器通信技术领域，特别是一种设备接入数量大，信令开销小、频谱利用率高、设备能源效率高的lte-a网络大规模m2m通信上行数据传输方法。
背景技术：
机器到机器(machine-to-machine，m2m)通信是与物联网(internetofthings，iot)密切相关的通信技术，指设备可以在没有人为干预的情况下通过有线或无线的方式来完成信息交互，实现互联互通。当前，由于m2m业务巨大的商业价值以及广阔的应用前景，如信息采集、车辆调度、智能电网、地震监测、消费设备、智能家居、智慧城市及智能电子医疗等，m2m通信正成为通信行业关注的热点。
现有的蜂窝网络主要是为人与人(human-to-human，h2h)通信所设计，由于m2m通信与h2h通信相比较有很多不同之处，现有的蜂窝网络并不能很好的适应m2m业务的通信需求。m2m通信的主要特点是设备数量规模巨大、传输数据量小、传输速率低、电池供电等。为了完成数据传输，基站需要给每个m2m设备分配相应的无线资源。
随着m2m通信的发展，m2m设备的数量急剧增加，在未来几年内将会达到亿万量级。当海量设备同时请求接入基站，竞争有限的无线资源时，将会引起网络拥塞、甚至造成网络瘫痪，这将不仅仅影响大规模m2m通信的成功率，还会降低h2h通信的正常通信质量。
在现有的蜂窝网络如长期演进技术升级版(longtermevolution-advanced,lte-a)中，已经有许多关于m2m上行通信功率分配的研究。然而大部分研究都是停留在m2m设备与基站的直接通信方面，随着m2m设备数量的急剧增加，设备与基站的直接通信会造成无线通信信令的过度开销，降低通信成功概率；部分研究是将设备分簇，在每一簇设备中按照一定的规则挑选相应的簇头与基站通信，在该类方法中，当m2m设备数量增加，簇头的传输数据量也会增加，为了保证设备的通信时延，必须增加簇头的传输功率，使得簇头的电池使用寿命降低，并且对设备的分簇会随着设备数量增加而变得复杂。
总之，现有技术存在的问题是：在lte-a网络中，由于功率分配方法不当，当大规模m2m设备同时接入基站时，无线通信信令过度开销、频谱资源利用率低以及设备的功率效率低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种lte-a网络大规模m2m通信上行数据传输方法，该方法设备接入数量大，信令开销小、频谱利用率高、设备能源效率高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
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。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、无线信令开销少，频谱利用率高：普通的功率分配方法通常是基于m2m设备与基站直接通信的链路，主要解决在保证m2m设备最低通信速率的前提下，实现m2m设备的功率分配，当大规模m2m设备同时接入基站时，将会增加无线信令开销，造成网络拥塞，使频谱利用率降低。本发明通过限制m2m设备与基站的直接通信，改为经由m2m网关中继通信，能够大幅度减少基站的无线信令开销，增加频谱利用率；
2、m2m设备接入数量巨大：由于m2m设备不能与基站直接通信，而是经由中继网关进行数据转发，大大减少了直接接入基站的设备数量，从而增加了基站的系统容量，使小区所能容纳的m2m设备数量变得十分巨大；
3、m2m设备的能源效率高：普通的m2m功率分配方法通常基于设备的最低传输速率和时延，直接进行功率分配，并没考虑到m2m设备的传输功率与其所要传输的数据量的关系，即功率效率。本发明在保证m2m设备基本的传输时延的前提下，以最大化m2m设备的功率效率为目标进行功率分配，从而获得较高的能源效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明lte-a网络大规模m2m通信上行数据传输方法的主流程图。
图2为图1中设备调度请求发起步骤的流程图。
图3为图1中网关调度请求发起步骤的流程图。
图4为图1中传输功率分配步骤的流程图。
图5为图4中拉格朗日乘数更新步骤的流程图。
图6为图1中功率分配结果反馈步骤的流程图。
图7为lte-a中基于网关中继的m2m上行功率分配模型图。
具体实施方式
如图1所示，本发明lte-a网络大规模m2m通信上行数据传输方法，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；
如图2所示，所述(10)设备调度请求发起包括如下步骤：
(11)发送信道探测参考信号：在m2m设备获得数据，需要向基站传输时，m2m设备首先向中继网关发送信道探测参考信号；
(12)发起调度请求：m2m设备在发送完信道探测参考信号后，向网关发送其需要向基站传输数据的调度请求；
(13)估计信道条件：中继网关接收到m2m设备的信道探测参考信号和调度请求后，对m2m设备的信道条件进行估计；
(14)发送调度授权：中继网关对m2m设备的信道条件估计完成后，对信道条件进行判断，当满足传输条件时，中继网关向m2m设备发送调度授权；若不满足条件，则调度失败，等待下一个时隙；
(15)报告待传输数据总量：m2m设备收到网关的调度授权以后，向网关上报其需要传输的数据总量；
(16)统计总待传输数据总量：网关接收到m2m设备的待传输数据总量后，统计与其链接的需要传输数据的m2m设备总数量，以及需要传输数据的所有设备的数据总量。
(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；
如图3所示，所述(20)网关调度请求发起包括如下步骤：
(21)中继网关发送信道探测参考信号：中继网关在统计完当前时隙需要传输数据的m2m设备总数量以及总的待传输数据量后，向基站发送信道探测参考信号；
(22)中继网关发起调度请求：中继网关在发送完信道探测参考信号后，紧接着向基站发送上行调度请求；
(23)基站估计信道条件：基站在接收到来自中继网关的信道探测参考信号和调度请求后，对网关的信道条件进行估计；
(24)基站发送调度授权：基站在对网关的信道条件估计完成后，若满足传输条件，基站将会向网关发送调度授权；若不满足传输条件，则此次调度失败，等待下一个时隙；
(25)中继网关上报待传输数据总量：网关收到基站的调度授权信号后，将统计好的当前时隙需要传输数据的m2m设备总数量和总的待传输数据量上报给基站；
(26)基站统计m2m设备数量和待传输数据总量：基站在接收到网关上报的m2m设备总数量和总的数据量后，统计m2m设备总数量和总的数据量；
(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；
如图4所示，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；
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，pk、bk和hk,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，pg、bg、hsi和hg,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。
(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；
所述(34)计算最优传输功率步骤具体为：
每个m2m设备的待传输数据量为lk，则网关的待传输数据量为
subjectto
c)lk/rk≤t,k＝1,2,...,k
d)lg/rg≤t.
式中，
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
subjectto
c)lk/rk≤t,k＝1,2,...,k
d)lg/rg≤t.
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,...,γk]t和μ＝[μ1,μ2,...,μk]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pk和pg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
(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；
如图5所示，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gi(γ)＝[gi(γ1),gi(γ2),…,gi(γk)]i以及gi(μ)＝[gi(μ1),gi(μ2),…,gi(μk)]，得到m2m设备和中继网关功率、速率次梯度向量为gi＝[gi(γ),gi(μ),gi(λ),gi(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zi+1＝[γi+1,μi+1,λi+1,ρi+1]t更新下一次迭代拉格朗日乘数的值；
(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；
如图6所示，所述(40)功率分配结果反馈步骤包括：
(41)基站反馈功率分配结果：功率分配完成后，基站向网关反馈功率分配结果；
(42)网关反馈功率分配结果：网关在收到基站的功率分配结果反馈后，将该结果广播反馈给与其链接的m2m设备；
(43)设备调整传输功率：m2m设备在接收到网关的功率反馈以后，按照功率分配结果调整发射功率，向网关传输数据；
(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。
图7所示为lte-a中基于网关中继的m2m上行功率分配模型图。
每个m2m中继网关和与其所连接的m2m设备构成一个分组，由于m2m设备不能与基站直接通信，因此每个m2m设备需要传输数据时，必须先将数据传输到网关，再由网关将数据转发到基站，假设基站只能接收来自网关的数据信号，m2m设备的信号将会被基站当成是干扰信号。m2m设备与网关间通信可以使用lte-a通信标准，也可以使用其他标准如wlan局域网、蓝牙以及zigbee等，而网关与基站间通信则采用lte-a通信标准。中继网关工作在全双工模式，即在接收数据的同时，也能够转发数据。