CN108848482A - 基于mMTC分层接入框架的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，包括如下步骤：S1、第一级资源分配步骤，基站将资源块分配给汇聚节点用户；S2、第二级资源分配步骤，将基站分配的资源块细分为子载波组，将每一个子载波组匹配到的多个MTC用户组成一个用户组，完成子载波组和用户组的相互匹配；S3、第三级资源分配步骤，在每个用户组中，根据第二级资源分配步骤中得到的子载波组，将每个子载波组依据分配规则分配给用户，用户依据自身的位置、业务类型完成功率分配。本发明能够有效地提高整个网络架构系统的性能和频谱利用率。

Description

基于mMTC分层接入框架的资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种资源分配方法，尤其涉及一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

mMTC即海量机器类通信(Massive Machine-Type Communication)，是5G技术的三大主要应用场景之一。未来在这一应用场景中，将会有数以千亿计的设备接入网络，而且各种应用不同的设备所发送的数据类型也各不相同。如果在一个区域内的MTC设备都需要独立地接入所在区域的基站，这会给基站带来很大的负担，同时也会造成严重的资源浪费和信令冲突。但与此同时，mMTC系统的海量接入也具有一些特点，即低功耗、突发性以及短帧长业务。海量接入主要用于解决大量发送非常短数据包的设备可扩展的、高效的连接。

目前，非正交多址接入已成为5G物理层的重要候选技术之一，其不仅能提供更高的频谱效率，而且与现有系统相比也支持一个更大的用户连接数。稀疏编码多址(SCMA)接入作为一种非正交多址接入方案，正受到学术界和业界的广泛关注。具体而言，SCMA技术是一种能够处理5G通信中的大量连接的非正交多址技术。在发送端中，SCMA方案将比特直接映射到复数域中的多维码字。码字在相同的时频资源中使用稀疏传播模式进行非正交叠加。接收端利用稀疏特征执行低复杂度的多用户联合检测算法进行接收译码。因此在mMTC场景中，MTC用户可以利用SCMA技术来接入到无线网络中，从而提高整个系统的用户连接数。

正是由于mMTC系统的海量连接特性，加上网络过大，因此未来的5G网络应该采用分层接入方案，即如图1所示，在单个宏基站小区中，存在LTE用户和MTC用户，依据应用场景、用户位置以及业务类型对MTC用户进行分组，将行为和业务类型相似的MTC用户作为一个应用场景的MTC用户群存在。从资源分配的角度来看，这样可以将具有相同的业务流量模型(包括相同的数据传输速率、时延要求等)和资源需求量的多个MTC用户分为一个MTC用户群，使其中所有用户的资源需求之和相当于一个传统H2H用户的资源需求量。再在每一个MTC用户群中选取一个MTC设备作为汇聚节点设备，汇聚节点可以协调该群内其他的MTC用户通过双跳链路来访问小区基站。

采用上述双层网络可以增加接入小区基站的用户数目。针对于SCMA技术的优势，在上述第二层网络结构中，即在每个一个MTC用户群中，其他的MTC用户可以利用SCMA技术接入到汇聚节点，从而通过汇聚节点接入到整个小区网络中。利用SCMA技术进行接入可以极大地提高整个系统的用户连接数。其次，在随机接入的过程中，汇聚节点负责该MTC用户群的资源分配，通过将基站分配给汇聚节点的资源进一步细分，即分成多个子载波，通过某种优化的资源分配算法将子载波分配给对应的用户，可以提高整个系统性能和频谱利用率。为了提高整个网络架构系统的频谱效率，在单个宏基站小区中，mMTC分层接入框架的资源分配变得极为重要。

综上所述，如何提出一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，就成为本领域内技术人员所亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法。

一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，包括如下步骤：

S1、第一级资源分配步骤，基站将资源块分配给汇聚节点用户；

S2、第二级资源分配步骤，将基站分配给汇聚节点的资源块细分为多个子载波，并对子载波进行分组，将每一个子载波组匹配到的多个MTC用户组成一个用户组，完成子载波组和用户组的相互匹配；

S3、第三级资源分配步骤，在每个用户组中，根据第二级资源分配步骤中得到的子载波组，将每个子载波组依据分配规则分配给用户，用户依据自身的位置、业务类型完成功率分配。

优选地，所述S1第一级资源分配步骤，包括如下步骤：

S11、基站为某个汇聚节点提供资源块；

S12、判断基站所提供的资源块是否被LTE用户占用，

若资源块已被LTE用户占用，则考虑汇聚节点之间的干扰，以及LTE用户与汇聚节点之间的干扰，依据汇聚节点的位置、LTE用户的位置以及该汇聚节点的业务类型对该汇聚节点上的干扰进行建模分析，

若资源块未被LTE用户占用，则只考虑汇聚节点之间的干扰，依据汇聚节点的位置以及该汇聚节点的业务类型对该汇聚节点上的干扰进行建模分析；

S13、对该汇聚节点而言，判断所求得的干扰是否小于干扰阈值，

若所求得的干扰小于阈值，则判断该汇聚节点可以占用该资源块，

若所求得的干扰大于阈值，则判断该汇聚节点不能占用该资源块。

优选地，所述S2第二级资源分配步骤，包括如下步骤：

S21、汇聚节点将基站分配给它的资源块进一步细分多个子载波，并将所有可用的子载波进行分组，多个子载波构成一个子载波组，得到多个子载波组；

S22、确定每个用户在每个子载波组上的优先级，依据用户的优先级对用户进行分组，进一步确定每个用户组在每个子载波组上的优先级；

S23、依据每个用户组在每个子载波组上的优先级，完成用户组和子载波组之间的相互选择，形成稳定的匹配对。

优选地，S21中所述将所有可用的子载波进行分组，包括：对连续子载波进行分组或对不连续子载波进行分组。

优选地，S3中所述分配规则为SCMA技术中的映射矩阵设计规则。

优选地，所述S3第三级资源分配步骤，包括如下步骤：

S31、单个用户组根据第二级资源分配步骤中所匹配到子载波组，利用SCMA中星座点的映射关系完成该子载波组中的子载波分配过程；

S32、在用户组中的用户确定所占用的子载波后，依据用户的个体需求构建功率分配模型，完成单个用户在所占用的子载波上的功率分配。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明能够有效地提高整个网络架构系统的性能和频谱利用率，避免了对通讯资源的干扰、浪费。同时，借助本发明可以得到一个mMTC网络中MTC用户资源分配的基本模型，研究人员可以利用该模型定义优化目标，通过构造优化模型，还可以进一步地优化mMTC系统的性能，提高mMTC系统的接入用户数目。同时，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于领域内的其他干扰分析项目中，具有十分广阔的应用前景。

综上所述，本发明提出了一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，具有很高的使用及推广价值。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为单个小区mMTC网络分层结构图；

图2为多级资源分配流程图；

图3为第一级资源分配步骤的流程图；

图4为第二级资源分配步骤的示意图；

图5为第三级资源分配步骤的示意图。

具体实施方式

如图2～图5所示，本发明揭示了一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法。

总体而言，本发明针对所提出的mMTC网络分层架构，我们提出了一种多级资源分配的模型。首先在第一层网络模型中，主要包括了基站和LTE用户的通信，以及基站和汇聚节点用户之间的通信。因此，第一级资源分配指的是基站将资源块分配给汇聚节点用户，我们可以通过对汇聚节点用户间在某一资源块上的干扰，以及汇聚节点用户与LTE用户在该资源上的干扰进行建模分析，确定该资源块是否能被汇聚节点所占用。在第二层网络模型中，主要包括了在单个MTC用户群内，MTC用户和汇聚节点用户之间的通信。因此，第二级资源分配主要是指汇聚节点将在第一级资源分配中基站分配的资源块进一步细分为多个子载波，并对所有可用的子载波进行分组，同时将每一个子载波组所匹配到的MTC用户构成一个用户组，即完成子载波组和用户组的相互匹配。因此，第二级资源分配主要是指汇聚节点用户将基站分配给它的资源块进一步细分为多个子载波组，并且对用户进行选择，使得多个用户组与多个子载波组形成多个稳定的匹配对，进一步提升系统性能。由于在每个MTC用户组内，MTC用户使用SCMA技术接入到汇聚节点用户；因此，第三级资源分配是指在每个用户组中，根据第二级资源分配得到的子载波组，将每个子载波依据SCMA技术中映射矩阵的设计规则合理地分配给用户。

具体而言，本发明的基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，包括如下步骤：

S1、第一级资源分配步骤，基站将资源块分配给汇聚节点用户；

S2、第二级资源分配步骤，将基站分配的资源块细分为子载波组，将每一个子载波组匹配到的多个MTC用户组成一个用户组，完成子载波组和用户组的相互匹配；

S3、第三级资源分配步骤，在每个用户组中，根据第二级资源分配步骤中得到的子载波组，将每个子载波组依据分配合理的规则分配给用户，用户依据自身的位置、业务类型完成功率分配。

由于第一级资源分配解决的是基站与汇聚节点之间的资源分配问题，如果基站给某个汇聚节点提供的资源块上，没有LTE用户占用，那么可以根据该汇聚节点所处的位置以及该汇聚节点的业务类型来对其他汇聚节点对该汇聚节点的干扰进行建模分析。如果对于某一汇聚节点而言，求得的干扰小于某一阈限值，则说明该汇聚节点可以占用该资源块，否则不能占用该资源块。如果基站提供的资源块上，有LTE用户占用，那么在考虑汇聚节点之间干扰的同时，还需要考虑LTE用户与汇聚节点之间的干扰。同样根据汇聚节点、LTE用户的位置以及所服务的设备的业务类型来对其他汇聚节点和LTE用户对该汇聚节点的干扰进行建模分析。如果对于某一汇聚节点而言，求得的干扰小于某一阈限值，则说明该汇聚节点可以占用LTE用户所使用的资源块，否则不能占用该资源块。

因此，所述S1第一级资源分配步骤，包括如下步骤：

S11、基站为某个汇聚节点提供资源块；

S12、判断基站所提供的资源块是否被LTE用户占用，

若资源块已被LTE用户占用，则考虑汇聚节点之间的干扰，以及LTE用户与汇聚节点之间的干扰，依据汇聚节点的位置、LTE用户的位置以及该汇聚节点的业务类型对该汇聚节点上的干扰进行建模分析，

若资源块未被LTE用户占用，则只考虑汇聚节点之间的干扰，依据汇聚节点的位置以及该汇聚节点的业务类型对该汇聚节点上的干扰进行建模分析；

S13、对该汇聚节点而言，判断所求得的干扰是否小于干扰阈值，

若所求得的干扰小于阈值，则判断该汇聚节点可以占用该资源块，

若所求得的干扰大于阈值，则判断该汇聚节点不能占用该资源块。

假设SCMA系统中的子载波个数为K，系统可接入的用户数为J，即J个用户复用K个子载波资源块(J＞K)为了不失一般性，这里假设每个用户占用一个层，每个用户码本的维度为K，码本大小为M，即每个码本有M个码字，过载因子μ＝J/K。SCMA编码器可以被描述为一个映射过程，即从log₂M比特映射到C，其中是大小为M的K维复数码本。码本中存在不同的码字，并且这些码字是稀疏列向量包含N<K非零元素。

第二级资源分配的特点在于利用了SCMA的过载特性。在第二级资源分配过程中，首先将所有可用的子载波进行分组，分为多个子载波组。假设单个子载波组有A个子载波。根据SCMA系统的扩频因子μ(总是大于1)，可以发现单个子载波组可以接入U(U＝A*μ>A)个用户传输信息。其次，确定每个用户在每个子载波组上的优先级。然后依据用户的优先级对用户进行分组，确定每个用户组在每个子载波组上的优先级。最后依据每个用户组在每个子载波组上的优先级，完成用户组和子载波组之间的相互选择，并且可以进行多次迭代选择，形成一个稳定的匹配对(子载波组-用户组)。关于子载波组与用户组的相互匹配问题本质是一个多对多的匹配问题，可以构造一个多对多的匹配模型来完成双方的选择。

具体而言，所述S2第二级资源分配步骤，包括如下步骤：

S21、汇聚节点将基站分配给它的资源块进一步细分多个子载波，并将所有可用的子载波进行分组，多个子载波构成一个子载波组，得到多个子载波组；

S22、确定每个用户在每个子载波组上的优先级，依据用户的优先级对用户进行分组，进一步确定每个用户组在每个子载波组上的优先级；

S23、依据每个用户组在每个子载波组上的优先级，完成用户组和子载波组之间的相互选择，形成稳定的匹配对。

在对子载波进行分组时，应该注意到这里有两种分组方式；一种是连续子载波进行分组，另一种是不连续的子载波进行分组，多个子载波构成一个子载波组。在第一种连续子载波分组过程中，不会产生频谱碎片，而在第二种子载波分组过程，则会产生频谱碎片。在后续的研究工作中，可以利用频谱聚合技术对第二种子载波分组方式产生的频谱碎片实现再利用，从而提高系统的频谱效率。在确定用户在子载波上的优先级之前，首先要依据用户的位置，业务类型确定一个优先级判定标准。通过该优先级标准来完成子载波组和用户组之间的匹配选择，进一步优化系统性能。

SCMA实现过载的方式利用了二元映射矩阵V_j和因子图矩阵F。二元映射矩阵V_j为将K-N个由全零元素构成的行向量插入N阶对角单位矩阵之中，并且为了保证SCMA的性能，不同用户即不同层之间插入零向量的方式不一样。假设因子图矩阵的每行行重分别为d_k，d_k即代表第k个子载波上接入用户数目。由于行重的选择就代表了接入用户数的选择。由于因子矩阵F由各个用户的二元映射矩阵构成，

因此可以从因子矩阵F反推出各用户层的映射矩阵V_j，因此依据因子图矩阵F可以确定用户组中的用户所要占用的子载波。因子图矩阵F决定了每个资源节点处干扰用户层的数量，因而决定着MPA检测的复杂度，码字越稀疏，检测复杂度越低。因子图矩阵F应满足以下三个条件：

A、因子图矩阵F每一列中非零元素的个数d_j(即列重)，应满足d_j<K；

B、因子图矩阵F每一行中非零元素的个数d_k(即行重)，应满足d_k<J；

C、因子图矩阵F对应的因子图是一个全连通图，即因子图中的任何一个节点都能到达其他所有节点。

S3中所述分配规则为SCMA技术中的映射矩阵设计规则。

所述S3第三级资源分配步骤，包括如下步骤：

S31、单个用户组根据第二级资源分配步骤中所匹配到子载波组，利用SCMA中星座点的映射关系完成该子载波组中的子载波分配过程；

S32、在用户组中的用户确定所占用的子载波后，依据用户的个体需求构建功率分配模型，完成单个用户在所占用的子载波上的功率分配。

本发明能够有效地提高整个网络架构系统的性能和频谱利用率，避免了对通讯资源的干扰、浪费。同时，借助本发明可以得到一个mMTC网络中MTC用户资源分配的基本模型，研究人员可以利用该模型定义优化目标，通过构造优化模型，还可以进一步地优化mMTC系统的性能，提高mMTC系统的接入用户数目。同时，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于领域内的其他干扰分析项目中，具有十分广阔的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、第一级资源分配步骤，基站将资源块分配给汇聚节点用户；

S2、第二级资源分配步骤，将基站分配给汇聚节点的资源块细分为多个子载波，并对子载波进行分组，将每一个子载波组匹配到的多个MTC用户组成一个用户组，完成子载波组和用户组的相互匹配；

S3、第三级资源分配步骤，在每个用户组中，根据第二级资源分配步骤中所匹配的子载波组，将每个子载波组中的子载波依据合理的分配规则分配给该用户组中的每个用户，用户依据自身的位置、业务类型完成功率分配。

2.根据权利要求1所述的基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，其特征在于，所述S1第一级资源分配步骤，包括如下步骤：

S11、基站为某个汇聚节点提供资源块；

S12、判断基站所提供的资源块是否被LTE用户占用，

若资源块已被LTE用户占用，则考虑汇聚节点之间的干扰，以及LTE用户与汇聚节点之间的干扰，依据汇聚节点的位置、LTE用户的位置以及该汇聚节点的业务类型对该汇聚节点上的干扰进行建模分析，

若资源块未被LTE用户占用，则只考虑汇聚节点之间的干扰，依据汇聚节点的位置以及该汇聚节点的业务类型对该汇聚节点上的干扰进行建模分析；

S13、对该汇聚节点而言，判断所求得的干扰是否小于干扰阈值，

若所求得的干扰小于阈值，则判断该汇聚节点可以占用该资源块，

若所求得的干扰大于阈值，则判断该汇聚节点不能占用该资源块。

3.根据权利要求1所述的基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，其特征在于，所述S2第二级资源分配步骤，包括如下步骤：

S21、汇聚节点将基站分配给它的资源块进一步细分多个子载波，并将所有可用的子载波进行分组，多个子载波构成一个子载波组，得到多个子载波组；

S22、确定每个用户在每个子载波组上的优先级，依据用户的优先级对用户进行分组，进一步确定每个用户组在每个子载波组上的优先级；

S23、依据每个用户组在每个子载波组上的优先级，完成用户组和子载波组之间的相互选择，形成稳定的匹配对。

4.根据权利要求3所述的基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，其特征在于，S21中所述将所有可用的子载波进行分组，包括：对连续子载波进行分组或对不连续子载波进行分组。

5.根据权利要求1所述的基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，其特征在于：S3中所述分配规则为SCMA技术中合理的映射矩阵设计规则。

6.根据权利要求1所述的基于mMTC分层接入框架的资源分配方法，其特征在于，所述S3第三级资源分配步骤，包括如下步骤：

S31、单个用户组根据第二级资源分配步骤中所匹配到子载波组，利用SCMA中星座点的映射关系完成该子载波组中的子载波分配过程；

S32、在用户组中的用户确定所占用的子载波后，依据用户的个体需求构建功率分配模型，完成单个用户在所占用的子载波上的功率分配。