CN114501478B - 一种基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法 - Google Patents

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CN114501478B CN202210107113.6A CN202210107113A CN114501478B CN 114501478 B CN114501478 B CN 114501478B CN 202210107113 A CN202210107113 A CN 202210107113A CN 114501478 B CN114501478 B CN 114501478B
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Abstract

本发明涉及一种基于速率‑延迟的NB‑IoT网络资源调度方法，属于物联网无线通信技术领域。该方法包括：S1：构建速率优化模型，包括功率分配优化和上行调度优化；然后利用该模型得到优化后的上行功率调度路径；S2：构建延迟优化模型，并设置约束条件包括调度等待时间、RUC传输时间和重传时间；然后利用该模型得到传输功率等待时间；S3：构建自适应的速率‑延迟选择机制，并结合优化后的上行功率调度路径和传输功率等待时间计算得到优化后的吞吐量。本发明以较低的复杂度，在不改变传输功率的情况下，提高了NB‑IoT上行链路的传输速率，降低了延迟；在降低功耗的同时增加了吞吐量，优化了网络性能。

Description

一种基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法
技术领域
本发明属于物联网无线通信技术领域，涉及一种基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法。
背景技术
如今，越来越多的电子设备与机器成为人们生活必不可少的组成部分，社会生产力也因电子设备的高效得到了进一步提升。面对数以亿计的电子设备，如何有效管理设备、增强设备维护、降低成本等成了亟需解决的问题。随着低功耗物联网设备终端的数目不断增加，传统的LTE通信已经无法满足急剧膨胀的机器类通信需求。NB-IoT成为全球范围内广泛应用的新兴技术，其单个扇区拥有支持数万连接、功耗低等性能优势，有效地扩大了整个***的覆盖区域，并成千上万地增加***服务的设备数目。虽然NB-IoT被设计用来应对更大数目设备连接的挑战，但是由于***资源有限，面对海量机器类通信业务超大连接的需求及多种业务场景下的不同QoS需求，现有的NB-IoT资源调度算法也显得力不从心。
由于NB-IoT只占用180kHz的带宽，且单个基站设备数量可达到20万个，传输时延往往为10+秒，为解决设备大规模接入导致***时延增大、接入成功率降低等问题，研究人员做了大量工作。目前已有多篇论文研究了NB-IoT的资源分配和调度问题。现有方法中，一些方法没有根据给定的标准开发优化函数，而另一些方法没有为NB-IoT专门设计调度策略，例如当NB-IoT中的有多个RUC(资源单元配置)时，所用调度策略仍按3GPP标准规定。在一些文献中，重点研究了多设备优化和控制面优化对资源调度的影响，但是忽略了吞吐量、时延等对传输功率的影响。Azari等人认为：随机接入信道，上行共享信道，下行共享信道，下行控制信道等不应该单独调度。此外，为了研究调度对延迟和电池寿命的影响，他们提出了一个可跟踪的排队模型，但是没有考虑多音分配和吞吐量优化。然而，有关研究人员在研究了不同流量类型下RUC的性能时，使用了三种调度策略：轮询调度、比例公平调度和最大吞吐量调度，并根据一个优化目标分别为每个资源单元配置设计了相应的调度策略，以衡量所有资源单元配置之间的性能差异，选择最佳配置。
上述提及的NB-IoT资源分配研究解决了各自场景中的问题，但随着NB-IoT应用场景的不断丰富和接入网络设备数目的不断增加，针对不同业务场景的QoS需求进行优化具有迫切的实际意义。因此，有必要对NB-IoT资源调度技术进行深入研究，设计合理、高效的资源调度算法，以提高数据传输的可靠性及网络吞吐量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法，根据NB-IoT上行链路特点，在实现NB-IoT网络进行有效数据传输的基础上，提高数据传输速率，降低延迟，同时提高网络吞吐量，从而优化网络性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法，针对NB-IoT中不同资源单元配置的，采用一种自适应的分配调度机制，通过对同一设备的子载波之间的资源分配和有干扰设备之间的资源分配分析，实现了对延迟、吞吐量、丢包率的等性能指标的优化；通过对吞吐量与时延关系的研究，提出一种自适应的功率分配方法，提炼出NB-IoT吞吐量的优化公式。
该方法具体包括以下步骤：
S1：构建速率优化模型，包括功率分配优化和上行调度优化；然后利用该模型得到优化后的上行功率调度路径；
S2：构建延迟优化模型，并设置约束条件包括调度等待时间、RUC(资源单元配置)传输时间和重传时间；然后利用该模型得到传输功率等待时间；
S3：构建自适应的速率-延迟选择机制，并结合优化后的上行功率调度路径和传输功率等待时间计算得到优化后的吞吐量，即实现资源分配过程中的吞吐量最大化。
进一步，步骤S1中，构建速率优化模型，具体包括以下步骤：
S11：建立速率优化函数：
Figure BDA0003494316270000021
和
Figure BDA0003494316270000022
其中，fR表示速率函数，
Figure BDA0003494316270000023
表示设备d中分配的速率分量，/>
Figure BDA0003494316270000024
表示设备d的发射功率，/>
Figure BDA0003494316270000025
表示小区C中设备d在时隙或子载波处的速率，/>
Figure BDA0003494316270000026
表示小区C中设备d的最小速率；c表示C中的NB-IoT网络小区索引，t表示设备可用的子帧T的索引，s表示设备可用子载波索引；C表示NB-IoT网络***，T表示设备可用子帧，Dc表示小区c中的设备集，S可用子载波；
寻最优上行功率，其中
Figure BDA0003494316270000027
的计算公式为：
Figure BDA0003494316270000031
其中，Da表示小区a中设备，j表示干扰设备，a表示属于C中的小区索引，
Figure BDA0003494316270000032
表示小区c中设备d与基站间的信道增益，/>
Figure BDA0003494316270000033
表示干扰设备j的传输功率，/>
Figure BDA0003494316270000034
表示小区c中干扰设备j与基站间的信道增益，/>
Figure BDA0003494316270000035
表示干扰设备j中的速率分量，Wn表示噪声功率；
S12：添加约束条件为：
①
Figure BDA0003494316270000036
此公式表示：当同一小区里部署不重叠的设备时，保证资源单元只由一个设备使用，且不存在内部干扰；
②
Figure BDA0003494316270000037
/>
此公式表示：功率约束，即设备在时间t内的总功率不超过其在上行链路中的总功率；其中，Wmax表示上行链路中设备的最大功率；
S13：添加资源单元约束，使得优化器在四个RUCs中最多选择一个：
Figure BDA0003494316270000038
③
Figure BDA0003494316270000039
Figure BDA00034943162700000310
Figure BDA00034943162700000311
其中，
Figure BDA00034943162700000312
表示设备分得的SC(子载波)数，/>
Figure BDA00034943162700000313
表示分得的TSs数；其中SC和TS为连续不间断的；约束③表示从频域上给与设备d的SC；
S14：引入二进制分量
Figure BDA00034943162700000314
表示RUC的索引，且/>
Figure BDA00034943162700000315
S15：每个设备只有一个RUC，
Figure BDA00034943162700000316
和/>
Figure BDA00034943162700000317
在slot或SCs假定只有两个值，若没有给设备分配slot或SC则表示为0，分别记为/>
Figure BDA00034943162700000318
和/>
Figure BDA00034943162700000319
它们分别代表RUCs在时域和频域的两个方面；
Figure BDA00034943162700000320
给每个TS分配SCs的数量等于
Figure BDA00034943162700000321
Figure BDA00034943162700000322
表示使SC中TS等于
Figure BDA0003494316270000041
S16：然后根据每一设备只有一个RUC列方程为：
Figure BDA0003494316270000042
Figure BDA0003494316270000043
步骤S14-S16描述了对4种RUC的约束，步骤S14保证了
Figure BDA0003494316270000044
只有唯一个值，步骤S16保证每个设备的SC和TS数等于设置的RUC数。
进一步，步骤S2中，构建的延迟优化模型为：
Figure BDA0003494316270000045
其中，fL表示延迟函数，∈表示接近0的常数；当
Figure BDA0003494316270000046
不为0时，考虑到RUC的不同形状，该函数中的/>
Figure BDA0003494316270000047
在{u、c、t}为任意值时均在从1到0变化；当不等于0时，每个RUC以s和∈相同数量的从1到0。
进一步，步骤S3中，构建自适应的速率-延迟选择机制，即构建多目标优化问题，表达式为：
Figure BDA0003494316270000048
其中，fRL表示速率-延迟优化函数，KR和KL分别为速率和延迟的两个权重，如果速率和延迟同等重要，则两值均为1。
进一步，为合理分配NB-IoT资源，本发明提出的一种自适应的功率分配方法，该方法主要用于NB-IoT上行链路调度过程中，其调度模型图如图2所示。该调度过程主要分为以下两部分：
首先进行用户设备(User Equipment，UE)优先级排序：当UE发送RA(接入信道标识)的前导码且eNB检测到UE发送的前导码后，调度开始；在某一时刻，当调度队列中存在多个UE等待调度时，在队列中的UE根据优先级算法进行重新排序，选择优先级高的UE开始进行下一步的调度；
然后进行上行链路(Up-Link，UL)资源分配：其主要使用频分和时分复用，用以提高时频资源利用率，通过UL调度算法得出分配的子载波数量计算SINR，根据SINR得到重传次数、SCs索引和RU的数量。
NB-IoT资源分配流程(参见图3)，它包含了以下要素：
1)必要的输入和输出；
2)包含信噪比和速率要求两方面；
3)考虑了设备上行链路传输中的干扰问题；
4)完成资源分配优化输出。
进一步，本发明为提高网络数据传输的性能，提出一种基于吞吐量的资源调度算法具体实现步骤如下：
1)从第一个设备的第一个可用资源单位(RU)开始；
2)使用PDSD(相同设备的SCs间的功率分配)技术选择4个RUC中最高的一个；
3)对所有设备重复2)；
4)选择速率最高设备的RU，考虑ASC；
5)重复1)，直到所有设备都被调度完成。
本发明的有益效果在于：本发明以较低的复杂度，在不改变传输功率的情况下，提高了NB-IoT上行链路的传输速率，降低了延迟。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法的整体框架图；
图2为NB-IoT资源分配调度模型图；
图3为NB-IoT资源分配流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图3，图1为本发明提出的一种基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法的整体框架图。该方法既可应用于有限规模终端设备部署，也可应用于大规模终端设备部署的无线网络场景，整体框架主要由两部分组成，前者由调度级、ASC、PDSD等组成，可根据实际网络***上行链路中的信息进行模实现的。本发明的实施步骤分为几个部分：
第一部分，自适应功率分配具体实现步骤为：
S1：假设在由N个NB-IoT设备(记为d)随机的分布在一个圆形区域内(记为小区C)，在小区C内，跟据原始RUC速率对每个设备d进行测试，选择最好的RUC设备；
S2：当多倍传输时，即每个设备的TS有多个SC，此时需要运用注水原理在SC之间分配最大传输功率，以使得达到最大吞吐量传输；
S3：在S1中选择最好的设备后，继续选择资源网络中的下一个空闲设备，重复S1，直至分完所有设备。
第二部分，分配形状约束具体实现步骤为：
S1：以第一部分中最好设备的传输速率选择资源网格中未被分配的空间或SC；
第三部分，功率控制优化具体实现步骤为：
S1：当有干扰设备时，利用MAPEL(基于MLFP的功率分配)为其分配功率，如果在制定数量的链路***中，还需知道干扰信号信道增益和接收机的噪声功率；
第四部分，延迟控制优化具体实现步骤为：
S1：确定时延的不同来源及权重，约束条件确保每个设备只有一个RUC：
Figure BDA0003494316270000061
S2：若在有较高的信噪比环境中，其单个设备的调度等待时间则由可用RU总数除以设备数；
S3：最小的一个TS到第八个TS即为纯传输时间，分配给特定的RUC，即为8个SCs和一个TS传输时间平均值；
S4：计算每个SC的SINR，来确定重传次数，最大可达128次；
S5：最小的信噪比的SC低于阈值时触发重传和最大SINR的SC低于阈值时触发重传，其阈值由***可接受的最小SINR决定。
验证实验：
为进一步验证本发明基于自适应的NB-IoT网络的资源分配方法，本实验模拟一个存在干扰的密集NB-IoT网络小区。有七个相邻小区(C)，每个小区有三个扇区，其半径为250米，设备UE均匀分布在每个小区中，详细参数见表1所示。
表1 设备UE均匀分布在每个小区中的详细参数
Figure BDA0003494316270000071
本发明资源调度方法具体实施步骤为：
S1：建立总体优化函数：
Figure BDA0003494316270000072
S2：评估RU和功率分配对吞吐量的影响：
(1)将DAL(自适应分配)与RR(标准的轮询)比较；
(2)将DAL分别与有自适应RR(能为当前设备选择最佳的RUC)和DAL+MAPEL比较；
(3)单独分别评估ASC的影响；
S3：评估PDSD对吞吐量和延迟的影响：
(1)在最小SINR重传时，将DAL与不同类型的PDSD和有自适应的RR比较；
(2)在最大SINR重传时，将DAL与不同类型的PDSD和有自适应的RR比较。
S4：评估调度过程对吞吐量和延迟的影响：
(1)使用PDSD分配功率，记录功率分配和最大最小信噪比；
(2)选择最优RUC，记录各配置的不同部分；
(3)将RU分配给最高性能设备，即为DAL中的速率；
(4)研究RUC对分配网络的影响，考虑未分配/未使用RU数量。
S5：根据上述步骤和过程，通过仿真进行对比来评估本发明的资源调度方法。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：构建速率优化模型，包括功率分配优化和上行调度优化；然后利用该模型得到优化后的上行功率调度路径；
构建速率优化模型，具体包括以下步骤：
S11：建立速率优化函数：
Figure FDA0004186345320000011
和
Figure FDA0004186345320000012
其中，fR表示速率函数，
Figure FDA0004186345320000013
表示设备d中分配的速率分量，/>
Figure FDA0004186345320000014
表示设备d的发射功率，/>
Figure FDA0004186345320000015
表示小区C中设备d在时隙或子载波处的速率，/>
Figure FDA0004186345320000016
表示小区C中设备d的最小速率；c表示C中的NB-IoT网络小区索引，t表示设备可用的子帧T的索引，s表示设备可用子载波索引；C表示NB-IoT网络***，T表示设备可用子帧，Dc表示小区c中的设备集，S可用子载波；
寻最优上行功率，其中
Figure FDA0004186345320000017
的计算公式为：
Figure FDA0004186345320000018
其中，Da表示小区a中设备，j表示干扰设备，a表示属于C中的小区索引，
Figure FDA0004186345320000019
表示小区c中设备d与基站间的信道增益，/>
Figure FDA00041863453200000110
表示干扰设备j的传输功率，/>
Figure FDA00041863453200000111
表示小区c中干扰设备j与基站间的信道增益，/>
Figure FDA00041863453200000112
表示干扰设备j中的速率分量，Wn表示噪声功率；
S12：添加约束条件为：
①
Figure FDA00041863453200000113
此公式表示：当同一小区里部署不重叠的设备时，保证资源单元只由一个设备使用，且不存在内部干扰；
②
Figure FDA00041863453200000114
此公式表示：功率约束，即设备在时间t内的总功率不超过其在上行链路中的总功率；其中，Wmax表示上行链路中设备的最大功率；
S13：添加资源单元约束，使得优化器在四个RUCs中最多选择一个：
Figure FDA0004186345320000021
/>
③
Figure FDA0004186345320000022
Figure FDA0004186345320000023
Figure FDA0004186345320000024
其中，
Figure FDA0004186345320000025
表示设备分得的子载波SC数，/>
Figure FDA0004186345320000026
表示分得的时隙TS；其中SC和TS为连续不间断的；约束③表示从频域上给与设备d的SC；
S14：引入二进制分量
Figure FDA0004186345320000027
表示RUC的索引，且/>
Figure FDA0004186345320000028
S15：每个设备只有一个RUC，
Figure FDA0004186345320000029
和/>
Figure FDA00041863453200000210
在slot或多个SC假定只有两个值，若没有给设备分配slot或SC则表示为0，分别记为/>
Figure FDA00041863453200000211
和/>
Figure FDA00041863453200000212
它们分别代表多个RUC在时域和频域的两个方面；
Figure FDA00041863453200000213
给每个TS分配多个SC的数量等于
Figure FDA00041863453200000214
Figure FDA00041863453200000215
表示使SC中TS等于
Figure FDA00041863453200000216
S16：然后根据每一设备只有一个RUC列方程为：
Figure FDA00041863453200000217
Figure FDA00041863453200000218
S2：构建延迟优化模型，并设置约束条件包括调度等待时间、资源单元配置RUC传输时间和重传时间；然后利用该模型得到传输功率等待时间；
构建的延迟优化模型为：
Figure FDA00041863453200000219
其中，fL表示延迟函数，∈表示一个接近0的常数；当
Figure FDA00041863453200000220
不为0时，/>
Figure FDA00041863453200000221
在{u、c、t}为任意值时均在从1到0变化；当不等于0时，每个RUC以s和∈相同数量的从1到0；
S3：构建自适应的速率-延迟选择机制，并结合优化后的上行功率调度路径和传输功率等待时间计算得到优化后的吞吐量，即实现资源分配过程中的吞吐量最大化；
构建自适应的速率-延迟选择机制，即构建多目标优化问题，表达式为：
Figure FDA0004186345320000031
其中，fRL表示速率-延迟优化函数，KR和KL分别为速率和延迟的两个权重。
2.根据权利要求1所述的基于速率-延迟的NB-IoT网络资源调度方法，其特征在于，该方法在进行资源调度过程中，首先进行用户设备(User Equipment，UE)优先级排序：当UE发送接入信道标识RA的前导码且eNB检测到UE发送的前导码后，调度开始；在某一时刻，当调度队列中存在多个UE等待调度时，在队列中的UE根据优先级算法进行重新排序，选择优先级高的UE开始进行下一步的调度；
然后进行上行链路(Up-Link，UL)资源分配：使用频分和时分复用，通过UL调度算法得出分配的子载波数量计算SINR，根据SINR得到重传次数、SCs索引和RU的数量。
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