CN109640337A - 一种NB-IoT系统自适应调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NB‑IoT系统自适应调度方法，该方法在NB‑IoT基站的基础上，包括步骤：a.基站按照现有技术原则为用户检索所需资源，并记录对于用户，满足自适应门限的可替代资源，其中，所述自适应门限是指可替代资源大小的最小值，该值根据用户需求与基站当前的工作情况来确定，这里的可替代资源是指不满足按照现有技术分配方式要求，但满足自适应门限的资源块；b.在按现有技术方式分配资源不成功时，选取可替代的资源进行分配。本发明方法可以解决由于总是最大程度地为用户分配传输块而导致的无法填补资源碎片和信道资源紧张时某些UE得不到调度而超时的问题。

Description

一种NB-IoT系统自适应调度方法
技术领域
本发明涉及通信的技术领域，尤其是指一种NB-IoT系统自适应调度方法。
背景技术
NB-IoT的主要研究目标包括：改善对室内覆盖、巨量低吞吐量用户设备的支持、较低的延时敏感性、超低设备成本、低的设备功率损耗以及网络架构。系统的上下行的发射子载波带宽都是180kHz，与LTE系统的一个物理资源块的带宽相同，这有利于在NB-IoT系统中重复利用现有LTE系统的有关设计。3GPP协议中规定：NB-IoT系统将小区内的用户分为三个覆盖等级，依覆盖等级0、1、2划分信道条件从好到差，在信道条件较差的地方的用户为了保证其数据的有效传输，采用将数据在时域上连续地重复传输的方法，通过较长的时域持续时间提高信干噪比。
NB-IoT物理信道包括：窄带物理上行链路共享信道(NPUSCH)、窄带物理下行链路共享信道(NPDSCH)、窄带物理下行控制信道(NPDCCH)、窄带物理广播信道(NPBCH)和窄带物理随机接入信道(NPRACH).在以上基础上，对于单个用户(UE)，利用NPDSCH接收数据和利用NPUSCH发送数据的起始时间，必须与基站利用NPDCCH下发的下行控制消息(DCI)的结束时间相隔固定的子帧个数。
数据包的持续时间为重复次数Trep和分配子帧个数TSF的乘积，即Ttotal＝Trep·TSF，重复次数参数由系统消息配置，分配子帧数则由传输块大小(TBS)与重复次数决定。在决定分配子帧个数时，现有技术原则为最大程度地为UE分配资源，即按照3GPP协议规定的传输块大小与传输数据量的对应关系，为UE分配一个传输资源块，其传输的数据量大小为一次所能传输的最大值，但不超过待传数据量，待传数据量为UE完成此次业务剩余所需要接收(下行业务)或传输(上行业务)的数据量。这样的分配方式存在一个弊端：当UE需要发送或接受较大资源的时候，系统会为其分配很多的子帧数，即使由于找不到合适的资源位置而调度失败，下次调度还是会为其分配同样的子帧数，这样的分配方式不够灵活，也影响了系统的调度效率以及UE的时延。
另一方面，NPDCCH和NPDSCH、NPUSCH之间的时间限制了小区的时域资源利用率，使其很难达到完全利用的情况；NPUSCH由于NPDCCH信道一个子帧只能下发1到2个DCI，且DCI控制上行包发包的时延，导致NPUSCH的频域资源也很难完全被利用。甚至在庞大用户和广覆盖的情况下，这种时域和频域碎片会很大程度地影响小区的吞吐量和端到端时延，导致用户容量的降低以及时延的增高，同时降低了传输的效率，提升其传输和接收的功耗成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种NB-IoT系统自适应调度方法，以解决由于总是最大程度地为用户分配传输块而导致的无法填补资源碎片和信道资源紧张时某些用户(UE)得不到调度而超时的问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种NB-IoT系统自适应调度方法，该方法在NB-IoT基站的基础上，包括以下步骤：
a.基站按照现有技术原则为用户检索所需资源，并记录对于该用户，满足自适应门限的可替代资源，其中，所述自适应门限是指可替代资源大小的最小值，该值根据用户需求与基站当前的工作情况来确定，这里的可替代资源是指不满足按照现有技术分配方式要求，但满足自适应门限的资源块；
b.在按现有技术方式分配资源不成功时，选取可替代的资源进行分配。
所述步骤a)包括以下步骤：
a1.查找搜索空间，找到数据控制信息DCI消息位置，根据覆盖等级确定窄带物理下行共享信道NPDSCH/窄带物理上行共享信道NPUSCH重复次数，根据参考调制与编码策略MCS和缓存器里的剩余资源大小确定传输块大小TBS以及子帧个数，即传输块的频域带宽N1和持续时间T1；
a2.轮询NPDSCH/NPUSCH与DCI的时间间隔k0列表检索资源；
a3.若存在大于或等于分配传输块大小的空闲资源，则分配成功，直接进行下一次调度；
a4.若不存在大于或等于分配传输块大小的空闲资源，则判断检索到的空闲资源是否满足条件:
N2＝α·N1,T2≥β·T1 (1)
其中，N2为检索到的空闲资源块频域带宽，T2为检索到的空闲资源块时域长度，α为自适应频域因子，β为自适应时域因子；若满足，则记录检索到的空闲资源块作为可替代资源块；
所述步骤b)包括以下步骤：
b1.轮询时间间隔k0列表完毕，若检索到满足原分配传输块大小的空闲资源则调度成功，完成调度；若未检索到满足所需资源大小的空闲资源，但存在记录的可替代资源，则进入下一步；若未检索到满足所需资源大小的空闲资源，且不存在记录的次需资源，则调度失败，完成调度；
b2.比较所有找到的可替代资源块，选择其中起始时间最早的资源块为用户(UE)进行分配，完成调度。
进一步，对于自适应频域因子α和自适应时域因子β，每个用户的α和β作为用户的调度信息保留，并根据不同用户和信道进行区分，分为上行自适应频域和时域因子αU和βU，下行自适应频域和时域因子αD和βD，αU和βU针对窄带物理上行共享信道NPUSCH，αD和βD针对窄带物理下行共享信道NPDSCH。
对于下行自适应频域因子αD，由于3GPP(3rd Generation Partnership Project)协议规定NB-IoT系统的NPDSCH传输数据必须占用180kHz的频域带宽，因此对于下行，可替代资源块的频域范围不可调整，即αD＝1；
对于上行自适应频域因子αU，3GPP协议规定NPUSCH信道传输数据支持两种子载波间隔：3.75kHz和15kHz；对于3.75kHz子载波间隔，αD＝1，而对于15kHz子载波间隔，NPUSCH传输占用的子载波个数取值分别为1、3、6、12，原分配资源的频域范围在初始查找时占用12个子载波，因此可替代资源块的频域带宽调整为原资源的或与之相等，即
对于上行自适应时域因子βU，先找到一个函数f(αU)，使频域带宽Nη＝αU·N1，时域持续时间Tη＝f(αU)·T1的资源块所传输的数据量大小与频域带宽为N1和时域持续时间为T1的原分配传输块传输的数据量大小相等，根据3GPP协议规定的物理层帧结构得到：
令T2＝x·Tη，x就代表可替代资源块的传输数据量与原分配传输块的传输数据量的比例，利用用户的业务时延条件对x进行约束的条件，令
其中，表示t的向下取整，t代表用户当前时刻的业务时延，单位为s，Tmax为系统要求的用户最高业务时延，单位为s，当x≥p时，为UE原分配传输块进行自适应调整，得到上行自适应频域和时域因子αU和βU分别为：
对于下行自适应频域和时域因子αD和βD，3GPP协议规定NPDSCH传输带宽为180kHz，占用NB-IoT系统的全带宽，所以αD＝1不能调整，βD的推导与上行相似，得到下行自适应频域和时域因子分别为：
若满足上述条件(1)(4)或(1)(5)，则记录检索到的资源块为可替代资源块。
进一步，根据用户的业务时延调整资源的自适应门限，所述用户的业务时延包括从用户发起业务到当前分配资源的时间，在业务允许的时延增大时，减小自适应门限。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、能更好地填补资源碎片，提高资源利用率和小区吞吐量。
2、通过用资源碎片匹配UE的方式，达到自适应分配资源的效果，让UE的调度填补更多的资源碎片，减小系统繁忙时用户的时延；
3、增加分组调度的成功率，减少基站调度和检索资源的次数；
4、在业务量较密集的时间段，某些用户可能因为分配最大比特数时需要占用的时域很长而一直得不到调度，导致用户请求超时，分段传输能够有效减小忙时用户的时延，提高调度公平性，防止出现某些用户调度优先级很高但始终找不到足够大的空闲资源，从而一直得不到调度的情况。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2a为下行时域资源效果图之一。
图2b为下行时域资源效果图之二。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例介绍一种但不限于这种自适应调度方法的应用场景。首先将MAC层上下行传输资源以三维数组的方式呈现出来。上行以[1024][10][48]的三维数组表示，第一维代表1024个无线帧的时域传输资源，第二维代表当前无线帧下的子帧数，第三维代表频域上的48个子载波，子载波间隔3.75kHz；下行[1024][10][2]的三维数组表示，第一维和第二维的含义与上行相同，第三维代表下行传输的两个CCE(控制信道单元)。
以下行NPDCCH信道为例，设用户m的用户标识为w，在1024个无线帧周期中的第x个无线帧上的第y个子帧传输时，若占用1个CCE，则数组的[x][y][0]＝2w或数组的[x][y][1]＝2w，若占用2个CCE，则数组的[x][y][0]和[x][y][1]都等于2w；相似的NPSCH信道的占用情况则用(2w+1)来表示，而NPSCH必须占用下行传输的整个信道所以数组的[x][y][0]和[x][y][1]都需要用(2w+1)来表示。这样既区分了信道，也区分了用户。这样的一个数组就能够表示一个小区1024个无线帧周期内MAC层系统资源的占用情况，也能将系统的检索行为通过数模的方式表现出来。
上行传输信道NPUCCH、NPRACH、NPUSCH类似下行传输，在前两维以[1024][10]表示时域位置，在第三维以[48]表示频域的子载波位置。
以下行传输为例，假设六个用户有很大数据量待接收，且全部位于覆盖等级0的范围内。则系统对所有用户每次调度都会传输最大限度的数据，参照NB-IoT协议表格，根据MCS(调制与编码策略)不同的情况下传输的数据比特数不同，但都需要10ms的传输时间，以传统的资源分配方式，会尽量为用户分配更多的数据，即NSF＝10，传输时间为10ms，假设重复次数为2，即20ms传输数据。在搜索空间为Rmax的情况下，整个回传的流程为：基站先下发DCI(下行控制消息)，指示传输NPDSCH消息的时频位置，UE在搜索空间内通过盲检检测到DCI后，在相应的位置接收NPDSCH，并在解码后在相应的位置发送ACK/NACK消息，完成一次回传。
基站按照如图1所示的流程进行检索和分配资源，步骤如下：
1.先在下表格1的k0列表中选取一个k0取值，对该k0所指示的位置进行空闲资源的检索，其中IDelay指示NPDSCH消息与DCI消息的间隔时间，不同的IDelay对应不同的k0取值；
2.若存在足够的空闲时频资源，则分配成功，为该UE完成调度；
3.若不存在足够的空闲时频资源，则判断该空闲资源是否满足由自适应比例因子α,β确定的自适应门限；
4.若该空闲资源满足自适应门限，则记录该k0为一个自适应调度指示；
5.若该空闲资源不满足自适应门限，则返回第1步，选取列表中下一个k0取值，若已经遍历完全列表中所有的k0，则进入第6步；
6.查找所有在第4步中记录的自适应调度指示，选择其中k0最小的一个，为该UE进行自适应分配资源，完成调度。
表格1下行DCI指示k0表
按照原有的方式，在以上场景下进行资源分配的资源池结果如图2a所示，纵坐标为时域上的无线帧号，横坐标为时域上的子帧号，每个无线帧内包含10个子帧，为方便说明，以(x,y)表示时域上的无线帧号和子帧号，x代表无线帧号，y代表子帧号。以UE_0为例，基站在时间(0,0)上发送DCI，指示的NPDSCH在(0,5)开始传输，持续20ms。可以看出有较多的资源碎片，因为不足20ms而始终无法用于传输。
图2b所示在使用本发明的自适应调度方法，并在下行自适应调度因子βD＝0.5的情况下，明显使得资源碎片得到了更有效的应用，例如在(0,4)发送的UE_4的DCI，遍历k0表格都找不到一个指示的位置，能够持续传输20ms的数据，而使用自适应调度的方法，判断在k0＝16时所指示的位置能够持续传输12ms的数据，即可以通过将NSF由10个调整为6个的方式，满足数据传输的要求。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种NB-IoT系统自适应调度方法，其特征在于：该方法在NB-IoT基站的基础上，包括以下步骤：
a.基站按照现有技术原则为某个用户检索所需资源，并记录对于该用户，满足自适应门限的可替代资源，其中，所述自适应门限是指可替代资源大小的最小值，该值根据用户需求与基站当前的工作情况来确定，这里的可替代资源是指不满足按照现有技术分配方式要求，但满足自适应门限的资源块；
b.在按现有技术方式分配资源不成功时，选取可替代的资源进行分配。
2.根据权利要求1所述的一种NB-IoT系统自适应调度方法，其特征在于，
所述步骤a)包括以下步骤：
a1.查找搜索空间，找到数据控制信息DCI消息位置，根据覆盖等级确定窄带物理下行共享信道NPDSCH/窄带物理上行共享信道NPUSCH重复次数，根据参考调制与编码策略MCS和缓存器里的剩余资源大小确定传输块大小TBS以及子帧个数，即传输块的频域带宽N1和持续时间T1；
a2.轮询NPDSCH/NPUSCH与DCI的时间间隔k0列表检索资源；
a3.若存在大于或等于分配传输块大小的空闲资源，则分配成功，直接进行下一次调度；
a4.若不存在大于或等于分配传输块大小的空闲资源，则判断检索到的空闲资源是否满足条件:
N2＝α·N1,T2≥β·T1 (1)
其中，N2为检索到的空闲资源块频域带宽，T2为检索到的空闲资源块时域长度，α为自适应频域因子，β为自适应时域因子；若满足，则记录检索到的空闲资源块作为可替代资源块；
所述步骤b)包括以下步骤：
b1.轮询时间间隔k0列表完毕，若检索到满足原分配传输块大小的空闲资源则调度成功，完成调度；若未检索到满足所需资源大小的空闲资源，但存在记录的可替代资源，则进入下一步；若未检索到满足所需资源大小的空闲资源，且不存在记录的次需资源，则调度失败，完成调度；
b2.比较所有找到的可替代资源块，选择其中起始时间最早的资源块为用户进行分配，完成调度。
3.根据权利要求2所述的一种NB-IoT系统自适应调度方法，其特征在于：对于自适应频域因子α和自适应时域因子β，每个用户的α和β作为用户的调度信息保留，并根据不同用户和信道进行区分，对于用户m，分为上行自适应频域和时域因子αU和βU，下行自适应频域和时域因子αD和βD，αU和βU针对窄带物理上行共享信道NPUSCH，αD和βD针对窄带物理下行共享信道NPDSCH；
对于下行自适应频域因子αD，由于3GPP协议规定NB-IoT系统的NPDSCH传输数据必须占用180kHz的频域带宽，因此对于下行，可替代资源块的频域范围不可调整，即αD＝1；
对于上行自适应频域因子αU，3GPP协议规定NPUSCH信道传输数据支持两种子载波间隔：3.75kHz和15kHz；对于3.75kHz子载波间隔，αD＝1，而对于15kHz子载波间隔，NPUSCH传输占用的子载波个数取值分别为1、3、6、12，原分配资源的频域范围在初始查找时占用12个子载波，因此可替代资源块的频域带宽调整为原资源的或与之相等，即
对于上行自适应时域因子βU，先找到一个函数f(αU)，使频域带宽Nη＝αU·N1，时域持续时间Tη＝f(αU)·T1的资源块所传输的数据量大小与频域带宽为N1和时域持续时间为T1的原分配传输块传输的数据量大小相等，根据3GPP协议规定的物理层帧结构得到：
令T2＝x·Tη，x就代表可替代资源块的传输数据量与原分配传输块的传输数据量的比例，利用用户的业务时延条件对x进行约束的条件，令
其中，表示t的向下取整，t代表用户当前时刻的业务时延，单位为s，Tmax为系统要求的用户最高业务时延，单位为s，当x≥p时，为UE原分配传输块进行自适应调整，得到上行自适应频域和时域因子αU和βU分别为：
对于下行自适应频域和时域因子αD和βD，3GPP协议规定NPDSCH传输带宽为180kHz，占用NB-IoT系统的全带宽，所以αD＝1不能调整，βD的推导与上行相似，得到下行自适应频域和时域因子分别为：
若满足上述条件(1)(4)或(1)(5)，则记录检索到的资源块为可替代资源块。
4.根据权利要求1所述的一种NB-IoT系统自适应调度方法，其特征在于：根据用户的业务时延调整资源的自适应门限，所述用户的业务时延包括从用户发起业务到当前分配资源的时间，在业务允许的时延增大时，减小自适应门限。
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