CN109475006A - 基于动态分组的m2m业务资源分配方法及分配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法及分配系统，采用动态分组优先级调度和自动轮询机制轮流进行的混合调度方式，并通过可变资源块大小邻接约束算法实现资源分配，本发明基于RB邻接约束的动态业务分组M2M混合调度算法有效利用了可用的RB，并且以满足业务时延为目标将业务错过传输期限的可能性降至最低，既充分利用了业务时延容忍特性，又具备了一定动态自适应能力，可有效减小传输时延，提升系统吞吐量，为海量M2M终端多QoS需求引发的调度难题提供了一种可靠的解决方案。

Description

基于动态分组的M2M业务资源分配方法及分配系统

技术领域

本发明涉及蜂窝物联网中海量M2M终端调度技术，可用于基于LTE的物联网无线通信系统，属于信息技术领域。

背景技术

随着低功率广域(LPWA)技术的发展，物联网应用增长迅速，其场景已不仅仅局限于以Zigbee等为代表的短距离无线通信，更多应用如环境监测需要远距离通信，其中基于授权频谱的IoT以其安全性和覆盖能力得到重视。未来M2M终端数量极大且不同类型的终端对QoS的需求呈现多样性，对有限的频谱资源分配提出了挑战。

M2M终端业务主要由上行链路方向的小型突发载荷构成，包括特定的QoS需求、功耗和传输期限，调度的难点在于如何利用有限的无线资源来满足海量终端数据传输，并适应其业务特征多样性带来的各类约束，包括时延、功耗、吞吐量和系统容量等。针对这些需求已提出的算法包括对经典LTE调度进行改进，但这类调度方式由于未作出原理性的改变因此未能很好利用M2M业务的特性。将调度问题转化为特定目标需求的优化可以较好的符合某一业务特征如设备功耗或延迟最小化，优化过程中须作出的某些假设在实际应用中往往较难实现；此外还有预测调度思想，预测调度仅适用于特定的应用场景如级联警报系统。无线资源有限时满足数据传输期限需求的调度用于M2M最为有效，其中典型的做法是将业务按QoS需求分组，并赋予每个分组以不同的调度优先级，在每个调度周期根据业务优先级情况来确定服务顺序。

不同类型应用本质上具有不同的QoS性质，依据业务QoS参数确定数据优先级并分类，充分利用了M2M的时延容忍特性，为解决多业务需求引发的调度难题提供了很好的思路，在流量到达较为稳定时通过相关参数的设计可实现较好的调度性能；但实际M2M流往往具备了潮汐效应，静态的优先级分配方式在M2M流量突发时，某些优先级较低但仍具备传输期限的业务极有可能因高优先级业务的突发而错过传输期限。同时优先级算法的不公平性，在实际高优先级业务量较大时，可能带来低优先级业务长期得不到服务的现象。

基于LTE的M2M业务上行采用峰均比更低的SC-FDMA技术，用户RB分配存在限制，体现在单个RB只能分配给单个用户，且不能将离散的RB分配给用户。在RB连续约束下要想最大化业务传输速率并不容易，这已被证明为是一个NP难题，若想获得最优解需详尽地搜索所有可行RB分配，具有不切实际的指数级时间复杂度。

发明内容

针对网络容量较小或流量突发时调度性能难以得到保障，本发明提供一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法及分配系统，应用在海量M2M终端或频谱资源紧张下的蜂窝物联网中，以解决根据业务QoS参数进行分组并优先级调度的静态算法在M2M终端数目较多、流量突发和频谱资源有限时出现业务超出传输期限的情况，以及优先级算法不公平性带来的业务长期得不到服务问题，保证了海量M2M业务下的传输时延和吞吐量性能。

本发明所采用的技术方案是：一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法，采用动态分组优先级调度方法和自动轮询机制轮流进行业务调度，根据业务所需资源进行资源分配；所述动态分组优先级调度方法以业务的延迟容忍剩余时长DTRT值为指标对请求调度的业务进行动态分组并分配相应优先级，依据业务的优先级进行调度。

进一步的，所述动态分组优先级调度方法具体包括以下步骤：

S1：在延迟约束下，以业务延迟容忍时长DTT为指标进行业务分组，分为n个分组{1，2，3,......,n}，对应n个优先级{P₁,P₂,P₃,......,P_n}；

S2：业务m到达时，将业务m的延迟容忍时长DTT值作为业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值的初始值，并确定业务m初始所属分组；

S3：在一个调度周期内，若业务m未被调度，那么通过式(1)对业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值进行动态更新；

DTRT_m’＝DTRT_m-n_m×t_TTI (1)

式中，DTRT_m’为业务m经过动态更新后的延迟容忍剩余时长，DTRT_m为业务m的当前延迟容忍剩余时长；t_TTI为一个调度周期的时长；n_m为业务m当前所属的分组；

当业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值减小至属于高一优先级的分组的延迟容忍剩余时长DTRT值范围内时，业务m的所属分组上升为高一优先级分组，完成动态分组。

进一步的，所述动态分组优先级调度方法和自动轮询机制的轮流调度周期根据最高优先级业务量与最低优先级业务量比例确定。

进一步的，当执行完一次轮询调度后，重新确定动态分组优先级调度方法和自动轮询机制的轮流周期。

进一步的，对于最低优先级分组中的业务的延迟容忍剩余时长DTRT值不做更新。

进一步的，当业务的延迟容忍剩余时长DTRT值减小至0时，视为传输失败而丢弃。

本发明还公开了一种基于动态分组的M2M业务资源分配系统，包括

业务分组模块，用于以业务的延迟容忍剩余时长DTRT值为指标对请求调度的业务进行动态分组，并分配相应优先级；

优先级调度模块，用于根据业务的优先级进行调度；

轮询调度模块，用于对业务进行轮询调度；

调度控制模块，用于控制优先级调度模块和轮询调度模块的轮流调度周期；

资源分配模块，用于给业务分配所需资源。

进一步的，所述调度控制模块根据最高优先级业务量与最低优先级业务量比例确定优先级调度模块和轮询调度模块的轮流调度周期。

进一步的，所述轮询调度模块执行完一次后，调度控制模块重新确定优先级调度模块和轮询模块的轮流调度周期。

进一步的，所述业务分组模块通过式(1)对在一个调度周期内未被调度的业务进行其延迟容忍剩余时长DTRT值的动态更新：

DTRT_m’＝DTRT_m-n_m×t_TTI (1)

式中，DTRT_m’为业务m经过动态更新后的延迟容忍剩余时长，DTRT_m为业务m的当前延迟容忍剩余时长；t_TTI为一个调度周期的时长；n_m为业务m当前所属的分组；

当业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值减小至属于高一优先级的分组的延迟容忍剩余时长DTRT值范围内时，业务m的所属分组上升为高一优先级分组。

有益效果：本发明具有以下优点：

1、本发明解决了根据业务QoS参数进行分组并优先级调度的静态算法在M2M终端数目较多、流量突发和频谱资源有限时出现业务超出传输期限的情况，以及优先级算法不公平性带来的业务长期得不到服务问题，保证了海量M2M业务下的传输时延和吞吐量性能。

2、本发明对业务进行动态分组，实际使用时对M2M终端进行分组。本专利中的动态分组依据是动态的剩余延时容忍时间。

附图说明

图1为基于DTRT的业务动态分组混合调度算法；

图2基于时延的业务分组模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

针对网络容量较小或流量突发时调度性能难以得到保障，本发明提出一种海量M2M业务下基于动态分组的优先级调度结合自适应轮询的混合调度方案，整个方案的系统流程图可以描述如下：

以满足数据时延约束为目标赋予时延容忍程度低紧急性强的业务更高调度优先级。延迟约束下，当前时刻请求服务的业务集合定义为{1,2,...,m,...,M}，各业务所属分组集合定义为{G₁,G₂,...,G_x,...,G_g}，以业务延迟容忍时长DTT为指标进行业务分组，DTT代表业务传输期限及其时延敏感程度。传统静态算法根据业务DTT将所有业务分为n个类{1，2，3,......,n}，对应n个优先级{P₁,P₂,P₃,......,P_n}。由于DTT是一个静态参数，如图1，为实现动态分组本发明采用动态的业务指标参数DTRT代替DTT，从而实现了动态的业务分组对应静态的优先级。业务刚到达时，其DTRT值等于DTT值，确定其初始所属分组，若在一个调度周期TTI内业务未被调度，那么每经过一个调度周期TTI，DTRT值就会减少，如果属于低优先级的业务未在该分组的DTRT范围内被服务，将自动转移到上一个高优先级组中，从而拥有更高的被调度优先级。假设某业务DTT为180ms，最初它的DTRT为180ms，若经过30ms后仍未得到调度其DTRT值减小为150ms，DTRT值减小到一定范围可自动归类为高一优先级的分组，完成了动态的分组。

将上述动态分组优先级调度与自动轮询机制结合，每隔一段动态调度周期，就进入一次轮询周期，轮询调度周期可避免资源紧张时最低优先级业务始终得不到调度。根据非时延容忍的高优先级业务与时延容忍的最低优先级业务量比例确定动态调度周期数与轮询周期数(固定为1)的配比α，α用于控制混合调度中优先级调度周期数与轮询调度周期数的比例。每执行完一次轮询调度后，就根据当前业务量情况自动调整α。

混合调度的资源分配需满足资源块RB邻接约束，本发明提出一种可变块大小的算法，其出发点是不同业务所需RB数不同，以N表示未被分配且连续的RB组，R表示二维分配矩阵，表示业务m所需的RB数，即块大小，j是N中的第j个RB，且为该RB块的第一个RB。在每个调度周期TTI中，算法通过的值来确定一个最小且满足要求的块，来为业务m提供服务，之后将此块标记为已被分配，然后继续按该步骤为业务m+1安排RB资源块。

基于RB邻接约束的动态业务分组M2M混合调度算法有效利用了可用的RB，并且以满足业务时延为目标将业务错过传输期限的可能性降至最低，既充分利用了业务时延容忍特性，又具备了一定动态自适应能力，可有效减小传输时延，提升系统吞吐量，为海量M2M终端多QoS需求引发的调度难题提供了一种可靠的解决方案。

本发明的调度过程可归纳如下：

1.判断当前调度周期使用动态分组优先级调度还是轮询调度；

2.业务初次请求调度时，eNodeB记录业务的DTRT值。若为优先级调度周期，则在每调度周期TTI开始之前根据DTRT值，确定上一TTI剩余的和新到达的业务集合所属分组及对应的优先级。若为轮询调度周期，则无需动态分组步骤；

3.根据当前所采用的调度方式，采用可变块大小邻接约束算法为业务分配相应的RB资源；

4.每次轮询周期结束，根据当前业务情况确定距离下一次轮询周期的时间；

5.每TTI结束，更新未被调度业务的DTRT值，等待下一TTI。

实施例：

在基于LTE的物联网如IoT中，考虑所有MTCD均匀分布于LTE单蜂窝小区，对业务{1,2,...,m,...,M}进行分组。分组数过大会降低调度效率，过小则不能很好的区分业务时延敏感程度，本实施案例中设置分组数＝4，将业务分为4组如图2。

G₁为发送数据量少但DTT很低的时延不容忍型业务，如各类警报业务，随机突发性强，需立即上报。G₂为人为干预下发生的M2M通信业务，数据量大小不等，由于涉及H2M通信，时延敏感程度较高，如通过国网采集终端后台查询电表信息等。G₃为具有最低传输速率要求的业务，具有一定的时延容忍性，但必须在其DTT内调度得到调度，如视频监控。G₄为发送小量或批量数据且时延容忍的业务，此类业务占比最大，对实时性要求低，优先级低于上述3种类型，如环境监测，若无线资源紧张，可适当推迟该类流的调度。

以业务的动态DTRT代替静态DTT，作为指标对所有流进行分组，每TTI通过公式DTRT_m’＝DTRT_m-n_m×t_TTI对不同业务的DTRT值进行动态更新。其中，DTRT_m’为第m个业务经过动态更新后的延迟容忍剩余时长，DTRT_m为第m个业务的当前延迟容忍剩余时长；t_TTI为一个调度周期TTI的时长；n_m为第m个业务所属的分组。业务刚到达时，其DTRT值等于DTT值，根据该DTRT值所属范围确定一个初始组及组对应的优先级，如表1所示。

表1 M2M业务所属分组及其优先级

组别	T值	典型应用	优先级	流量占比
					G1	(0-20ms]	告警信息	1	10％
G2	(20-150ms]	人工查询	2	15％
					G3	(150-500ms]	视频监控	3	15％
G4	>500ms	环境监测	4	60％

优先级1为最高优先级，所有延迟不容忍的业务都保存在此组中，在每个TTI内将被优先调度。对于初始所属分组为G2和G3的业务，若在一个调度周期内业务未被调度，那么每经过一个TTI，DTRT值就会减少，如果属于低优先级的业务未在该分组的DTRT范围内被服务，将自动转移到上一个高优先级组中，从而拥有更高的被调度优先级。假设某业务DTT为180ms，最初它的DTRT为180ms，其分组G3优先级为3；若经过一个调度周期TTI后，仍未得到调度，根据其DTRT值减小为150ms，经判断当前DTRT值属于分组G2的DTRT范围内，则转为优先级为2的分组G2中，完成了动态的分组。G4业务由于占比大且延迟容忍程度高，为提高调度效率算法不考虑提升其优先级，即G4的流始终处于最低优先级。

RB的分配采用邻接约束下的可变块大小算法，在优先级调度阶段，在RB未被分配完时，根据DTRT值依次将RB分配给G1、G2、G3的M2M业务流，若仍有RB剩余再将其分配给G4业务，对于G4是一种尽力而为的资源分配方式。如果处于轮询周期，则对所有M2M业务一视同仁，执行轮询算法。

每个TTI结束时，对G1、G2、G3中未被调度的流DTRT值进行更新，值得注意的是DTRT值减小至0的数据包意味着超时，将被视为传输失败而丢弃，G4中的业务无需更新，该算法下业务因错过最终期限而传输失败的可能性大大降低，提高了系统吞吐量同时也保证了紧急信息更快更有效的送达。

本实施例针对上述资源调度方法提出了一种基于动态分组的M2M业务资源分配系统，包括

业务分组模块，用于以业务的延迟容忍剩余时长DTRT值为指标对请求调度的业务进行动态分组，并分配相应优先级；

优先级调度模块，用于根据业务的优先级进行调度；

轮询调度模块，用于对业务进行轮询调度；

调度控制模块，用于控制优先级调度模块和轮询调度模块的轮流调度周期；该调度控制模块根据最高优先级业务量与最低优先级业务量比例确定优先级调度模块和轮询调度模块的轮流调度周期；

资源分配模块，用于给业务分配所需资源。

当轮询调度模块执行完一次后，调度控制模块重新确定优先级调度模块和轮询模块的轮流调度周期。

本发明的业务分组模块通过式(1)对在一个调度周期内未被调度的业务进行其延迟容忍剩余时长DTRT值的动态更新：

DTRT_m’＝DTRT_m-n_m×t_TTI (1)

式中，DTRT_m’为业务m经过动态更新后的延迟容忍剩余时长，DTRT_m为业务m的当前延迟容忍剩余时长；t_TTI为一个调度周期的时长；n_m为业务m当前所属的分组；

当业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值减小至属于高一优先级的分组的延迟容忍时长DTT值范围内时，该业务的优先级进行上升，完成动态分组。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法，其特征在于：

采用动态分组优先级调度方法和自动轮询机制轮流进行业务调度，根据业务所需资源进行资源分配；

其中，所述动态分组优先级调度方法以业务的延迟容忍剩余时长DTRT值为指标对请求调度的业务进行动态分组并分配相应优先级，依据业务的优先级进行调度。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法，其特征在于：所述动态分组优先级调度方法具体包括以下步骤：

S1：在延迟约束下，以业务延迟容忍时长DTT为指标进行业务分组，；

S2：业务m到达时，将业务m的延迟容忍时长DTT值作为业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值的初始值，并根据S1确定业务m初始所属分组n_m；

S3：在一个调度周期内，若业务m未被调度，那么通过式(1)对业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值进行动态更新；

DTRT_m’＝DTRT_m-n_m×t_TTI (1)

式中，DTRT_m’为业务m经过动态更新后的延迟容忍剩余时长，DTRT_m为业务m的当前延迟容忍剩余时长；t_TTI为一个调度周期的时长；n_m为业务m当前所属分组，若业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值减小至0，视为传输失败；

S4：当业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值减小至属于高一优先级的分组的延迟容忍时长DTT值范围内时，业务m的所属分组上升为高一优先级分组，完成动态分组。

3.根据权利要求1任意一项所述的一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法，其特征在于：所述动态分组优先级调度方法和自动轮询机制的轮流调度周期根据最高优先级业务量与最低优先级业务量比例确定。

4.根据权利要求3所述的一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法，其特征在于：当执行完一次轮询调度后，重新确定动态分组优先级调度方法和自动轮询机制的轮流周期。

5.根据权利要求2所述的一种基于动态分组的M2M业务资源分配方法，其特征在于：对于最低优先级分组中的业务的延迟容忍剩余时长DTRT值不做更新。

6.一种基于动态分组的M2M业务资源分配系统，其特征在于：包括

业务分组模块，用于以业务的延迟容忍剩余时长DTRT值为指标对请求调度的业务进行动态分组，并分配相应优先级；

优先级调度模块，用于根据业务的优先级进行调度；

轮询调度模块，用于对业务进行轮询调度；

调度控制模块，用于控制优先级调度模块和轮询调度模块的轮流调度周期；

资源分配模块，用于给业务分配所需资源。

7.根据权利要求6所述的一种基于动态分组的M2M业务资源分配系统，其特征在于：所述调度控制模块根据最高优先级业务量与最低优先级业务量比例确定优先级调度模块和轮询调度模块的轮流调度周期。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于动态分组的M2M业务资源分配系统，其特征在于：所述轮询调度模块执行完一次后，调度控制模块重新确定优先级调度模块和轮询模块的轮流调度周期。

9.根据权利要求6所述的一种基于动态分组的M2M业务资源分配系统，其特征在于：所述业务分组模块通过式(1)对在一个调度周期内未被调度的业务进行其延迟容忍剩余时长DTRT值的动态更新：

DTRT_m’＝DTRT_m-n_m×t_TTI (1)

式中，DTRT_m’为业务m经过动态更新后的延迟容忍剩余时长，DTRT_m为业务m的当前延迟容忍剩余时长；t_TTI为一个调度周期的时长；n_m为业务m当前所属的分组；

当业务m的延迟容忍剩余时长DTRT值减小至属于高一优先级的分组的延迟容忍时长DTT值范围内时，业务m的所属分组上升为高一优先级分组。