M2M通信技术是一种可以连接智能无线设备的新兴技术,是5G系统三大应用之一。本文以5G系统M2M传输业务为背景,研究了不同M2M通信系统模型下的无线信道分配和功率控制算法,主要工作有两个方面:直连式M2M传输业务中的信道与功率资源分配问题以及分簇式M2M传输业务中的分簇和信道与功率资源分配问题。一、直连式M2M传输业务中的信道与功率资源分配问题研究:在无网关设备的上行M2M通信场景中,保证系统用户各种不同的QoS要求的假设下,分别针对单小区与多小区网络,研究了实现系统所有用户之间信道与功率资源的优化分配策略,具体工作有以下两个:(一)针对单小区直连式M2M通信系统,在保证MTCDs的QoS要求的前提下,通过联合优化无线频谱资源和功率控制,最大化系统总的能量效率。具体工作如下:1)建立了对应的数学优化问题,并利用排队论模型对优化问题进行了化简,为了解决化简后的非凸优化问题,等效转化成了两个子问题;2)在固定发射功率的条件下,推导出来信道分配子问题的全局最优解的闭合表达式;3)在此基础上提出了一个收敛速度较快的迭代算法,基于此算法得到了MTCDs信道与功率资源的分配方案。仿真结果表明,与其它已有算法进行性能对比,该算法给出的信道与功率资源分配方案收敛速度更快,QoS性能有所提升。(二)针对多小区直连式M2M与H2H共存的上行通信系统,在保证M2M用户和小区用户成功传输概率要求的前提下,基于最大化系统中M2M用户总的能量效率,研究了M2M通信设备的功率控制方案。具体工作如下:1)建立了对应的数学优化问题,推导出了系统用户成功传输概率的闭合表达式,为了解决该非凸优化问题,对目标函数的性质进行了研究;2)推导出了目标函数在可行域内的取最大值的点;3)在此基础上提出了一个基于导数的迭代算法,得到了多小区M2M系统传输业务中功率控制的近似最优解。仿真结果表明,与传统的分支定界算法相比,该算法的计算复杂度有所降低,在能量效率性能上大幅提高。二、分簇式M2M传输业务中的分簇和信道与功率资源分配问题研究:结合了传统无线传感器网络中的聚类思想,分别在M2M系统簇结构未定和簇结构固定场景下,研究了系统用户上行通信过程中信道和功率资源分配问题,具体工作有以下两个:(一)针对M2M通信中簇结构未定的上行通信系统,在保证系统用户的QoS要求的前提下,基于最小化系统中总的发射功率,研究了M2M传输业务中的分簇算法和功率控制方案。具体工作如下:1)建立了对应的数学优化问题,推导出了保证系统QoS要求的约束条件表达式,并将该非凸优化问题转化为两个子问题;2)在固定簇结构的基础上,得到了用户最佳发射功率的闭合表达式;3)在此基础上,定义了一种与信道状态信息有关的距离函数,并以此为基准提出了一种分簇算法,得到M2M通信系统中建立簇结构的方案。仿真结果表明,与传统的聚类算法相比,该算法减少了系统中M2M设备总的能量损耗,提高了设备的使用寿命。(二)针对分簇式M2M通信中簇结构已经确定的系统,在保证小区用户服务质量的前提下,基于最大化整个系统中MTCDs可以达到的总吞吐量,研究了M2M传输业务中频谱资源分配以及小区用户与MTCDs功率控制策略。具体工作如下:1)建立了对应的数学优化问题;2)通过固定MTCDs的相关变量,推导出了小区用户的信道资源分配和发射功率最优解闭合表达式;3)在此基础上,提出了一种计算复杂度较低的迭代算法,得到了系统用户频谱与功率资源分配的最优解方案。仿真结果表明,与已有算法相比,该方案收敛速度更快,可以有效提高系统中MTCDs可以达到的总吞吐量,性能较好。