CN110062360A - 一种基于mMTC业务分级的资源分配算法 - Google Patents

一种基于mMTC业务分级的资源分配算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，包括步骤如下：初始化变量；按照MTC业务分级表对MTCG集合进行重新排序；对每个紧急警报业务类MTCG进行优先处理，至所有紧急警报类MTCG的剩余数据量≤0；再对其他业务类MTCG进行处理，至其他业务类MTCG的剩余数据量≤0；依据占用矩阵ON×K求得MTCG总的和速率。本发明算法综合考虑了实际生活中不同业务类型特点，并由此确立了不同业务的优先级，既优化了MTCG的和速率，又保证了LTE用户和紧急警报类MTCG的通信质量，在确保MTCG系统容量的同时确保优先级最高的紧急警报类业务的服务质量，提升了通信系统的有效性和可靠性，同步提高了网络的公平性和有效性。

Description

一种基于mMTC业务分级的资源分配算法
技术领域
本发明属于无线移动通信领域，具体涉及一种基于mMTC业务分级的资源分配算法。
背景技术
海量机器类通信(Massive Machine-Type Communications,mMTC)，作为物联网(Internet of Things,IoT)的主要存在形式，是5G通信网络的三大应用场景之一。现有通信网络中由于有限时频资源的限制，可以利用稀疏码分多址接入(Sparse Code MultipleAccess，SCMA)技术，将海量的机器类设备(Machine Type Communications Device, MTCD)设备接入到现有网络从而升级成5G网络变得可行。
由于通信网络中时频资源有限，将海量的MTCD接入网络中，需考虑如何分配有限的资源块(Resource Block，RB)。通信网络中，用户分为传统LTE用户以及各式的MTCD用户，它们共用有限资源块，相互间然会产生干扰，因此需要在mMTC网络中针对不同的业务类型来设计对应的资源分配方案。
如图1所示，首先对上行的mMTC网络建立了两级分层模型基站(Base Station,BS)，位于蜂窝小区的中心，小区内分布着三类设备：传统的LTE用户、机器类网关 (MachineType Communications Gateway,MTCG)以及大量的MTCD。按照位置、业务类型等特点，将MTCD进行分组，每一组设置一个MTCG，负责收集MTCD设备所发送的数据，并将收集到的数据转发至基站。其中，MTCG、传统LTE用户以及基站构成了第一层网络，而 MTCD与MTCG构成了第二层网络。
假设一个LTE用户只占用一个资源块，一个MTCG可占用多个资源块，一个资源块可以被多个MTCG占用。LTE用户已预先分配好资源块，MTCG用户现需加入该系统。在保证LTE用户和MTCG用户相关需求的前提下，最大化MTCG的和速率。
由于指示变量的存在，较难求得最优解，若采取暴力搜索的方式求得最优解，复杂度高且较难实现。因此，如何找到合适的资源分配算法或方法，求得上述问题的次优解，以此减少用户间的干扰，保证用户的网络服务质量(Quality of Service,QoS)，提升网络的公平性和有效性，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，确立了不同业务的优先级，优化了MTCG的和速率，保证了LTE用户和紧急警报类 MTCG的通信质量，提升了网络服务质量，提高了网络的公平性和有效性。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，包括如下步骤：
步骤S1，初始化变量如下：
(1)资源块集合Ψ＝{1,2,…,K}；
(2)LTE用户集合Θ＝{1,2,…,M}；
(3)MTCG集合Ω＝{1,2,…,N}，其中，紧急警报、移动POS、移动流媒体、智能计量以及定期监控业务类型的数量集合分别为：
Ω1＝{1,2,…,N1},Ω2＝{1,2,…,N2},Ω3＝{1,2,…,N3},N4＝{1,2,…,N4},
Ω5＝{1,2,…,N5},N＝N1+N2+N3+N4+N5；
(4)依据LTE用户和MTCG的最大功率限制确定用户发射功率；
(5)每个MTCG所携带数据量集合B_MTCG1×N；
(6)每个RB上剩余数据量集合B_RB_rest1×K；
(7)MTCG与RB的占用关系矩阵ON×K；
(8)每个MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
(9)两个占用规则为：
①每个RB上用户的SINR阈值约束R1：
其中，gn,k分别是LTE用户m、MTCG n的归一化信道增益，xn,k是MTCG是否占用资源块的0-1指示变量；分别是LTE用户m、MTCG n在资源块k上的发射功率，km是LTE用户m占用的资源块索引；其中δ(k-km)表示冲激函数，冲激函数为0时，表示LTE用户m不占用资源块k；冲激函数为1时，表示LTE用户m占用资源块k。
②每个RB上剩余数据量R2：
B_RB_rest(k)>0,K＝(1,2,…,K)；
是每个RB上所能承载的最大数据量，Bm,k、Bn,k分别是LTE用户m和MTCG n在 RBk上的数据量。
步骤S2，按照MTC业务分级表对所述MTCG集合进行重新排序；
步骤S3，对每个紧急警报业务类MTCG进行优先处理，至所有紧急警报类MTCG的剩余数据量≤0；
步骤S4，再对其他业务类MTCG进行处理，至其他业务类MTCG的剩余数据量≤0；
步骤S5，依据占用矩阵ON×K求得MTCG总的和速率如下：
进一步地，步骤S3中优先处理步骤如下：
步骤31，计算每个紧急警报业务类MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
步骤32，对中的每个元素进行降序排列；
步骤33，按照排序后的RB索引依次对紧急警报业务类MTCG进行判断。
进一步地，步骤S4中处理步骤如下：
步骤41，计算每个其他业务类MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
步骤42，对中的每个元素进行降序排列，若某一和速率对应的RB上已有紧急警报业务类MTCG占用，则将该RB在中对应的元素移至序列最后；
步骤43，按照排序后的RB索引依次对其他业务类MTCG进行判断。
进一步地，按照排序后的RB索引依次对MTCG进行判断的标准为：若同时满足两个占用规则R1和R2，则ON×K相应位置置为1，表示占用当前RB，并更新当前RB上的可用数据量；若不同时满足两个占用规则，则跳过当面RB进入下一个RB的判断。
进一步地，LTE用户的最大功率限制表达式为：
进一步地，MTCG的最大功率限制表达式为：
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的基于mMTC业务分级的资源分配算法，综合考虑了实际生活中不同业务类型的特点，并由此确立了不同业务的优先级，既优化了MTCG的和速率，又保证了LTE用户和紧急警报类MTCG的通信质量，在确保MTCG系统容量的同时确保优先级最高的紧急警报类业务的服务质量，提升了通信系统的有效性和可靠性，同步提高了网络的公平性和有效性。
附图说明
图1是单基站二级分层mMTC网络结构图；
图2是本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤S1，初始化变量如下：
(1)资源块集合Ψ＝{1,2,…,K}；
(2)LTE用户集合Θ＝{1,2,…,M}；
(3)MTCG集合Ω＝{1,2,…,N}，其中，紧急警报、移动POS、移动流媒体、智能计量以及定期监控业务类型的数量集合分别为：
Ω1＝{1,2,…,N1},Ω2＝{1,2,…,N2},Ω3＝{1,2,…,N3},N4＝{1,2,…,N4},
Ω5＝{1,2,…,N5},N＝N1+N2+N3+N4+N5；
(4)依据LTE用户和MTCG的最大功率限制确定用户发射功率；其中，LTE用户的最大功率限制表达式为：其中km是LTE用户m占用的资源块索引； MTCG的最大功率限制表达式为：其中分别是LTE用户 m、MTCGn在资源块k上的发射功率。
(5)每个MTCG所携带数据量集合B_MTCG1×N；
(6)每个RB上剩余数据量集合B_RB_rest1×K；
(7)MTCG与RB的占用关系矩阵ON×K；
(8)每个MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
(9)两个占用规则为：
①每个RB上用户的SINR阈值约束R1：
②每个RB上剩余数据量R2：
B_RB_rest(k)>0,K＝(1,2,…,K)；
上述式①是LTE用户m在资源块km上的信干噪比，即LTE用户干扰满足的需求；式②是MTCG n需要满足的干扰需求；式③表示用户数据量的需求，即一个资源块k上的所有用户加起来的数据量之和应不大于该资源块上所能承载的最大数据量
步骤S2，按照MTC业务分级表对所述MTCG集合进行重新排序。
机器类通信目前有五种典型应用，对应的业务分别为：移动流媒体、智能计量、定期监控、紧急警报以及移动POS。针对上述业务的不同服务需求，提出实时性、准确性和优先级三大业务指标。其中，移动流媒体的特点为：大尺寸，连续传输，优先级低，需要高带宽；智能计量的特点为：某段时间内传输大量数据，便于客户在传输完成后使用，大尺寸、请求 -响应传输、优先级低、对准确性敏感，常见智能电网计量、智能水计量、智能燃气计量；定期监控的特点为：频繁传输小尺寸数据。小尺寸、周期性传输、优先级低、不需要实时、但是对准确性敏感。比如智能电网中的电力传输和开关监控、智能货物的物流跟踪；紧急警报的特点为：传输内容可能为小尺寸的数据、也可能为大尺寸的视频流，优先级最高、实时性高、对准确性敏感，比如智能电网中的变压器设备的低压警报和防盗报警等；移动POS的特点为：对时延和准确性要求较高，但是对优先级要求不高，比如刷卡、水电煤气缴费等应用。
通过0变量(0表示需要)和1变量(1表示不需要)来对三大业务指标进行赋值，划分出0-7共8个级别，得到MTC业务分级表，如下所示：
实时性 准确性 优先级 级别 对应的业务
0 0 0 0 紧急警报
0 0 1 1 移动POS
0 1 0 2 传统H2H业务
0 1 1 3 移动流媒体
1 0 0 4 无
1 0 1 5 智能计量
1 1 0 6 无
1 1 1 7 定期监控
表中：
级别0表示对实时性、准确性和优先级要求很高的服务，典型应用是M2M通信中的紧急警报服务；
级别1表示对实时性和准确性要求较高但对优先级要求不高的服务，典型应用是M2M服务中的移动POS；
级别2表示对实时性和优先级要求很高的服务，典型应用是传统H2H业务；
级别3表示对实时性要求较高但对准确性和优先级要求较低的服务，譬如流媒体服务，典型应用包括M2M中的移动流媒体；
级别5表示对准确性要求很高但不要求实时性和优先级的服务，譬如数据传输服务，典型应用是M2M中的智能计量；
级别7表示没有QoS要求的服务，譬如传统IP网络中的“尽力而为”服务，典型应用是M2M中的定期监控；
级别4表示不需要实时性但要求准确性和高优先级的服务，级别6表示仅要求优先级但不要求实时性和准确性的服务，目前通信中暂无上述两类服务。
步骤S3，对每个紧急警报业务类MTCG进行优先处理，至所有紧急警报类MTCG的剩余数据量≤0。优先处理步骤如下：
步骤31，计算每个紧急警报业务类MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
步骤32，对中的每个元素进行降序排列；
步骤33，按照排序后的RB索引依次对紧急警报业务类MTCG进行判断。若同时满足两个占用规则R1和R2，则ON×K相应位置置为1，表示占用当前RB，并更新当前RB上的可用数据量；若不同时满足两个占用规则，则跳过当面RB进入下一个RB的判断。
步骤S4，再对其他业务类MTCG进行处理，至其他业务类MTCG的剩余数据量≤0。处理步骤如下：
步骤41，计算每个其他业务类MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
步骤42，对中的每个元素进行降序排列，若某一和速率对应的RB上已有紧急警报业务类MTCG占用，则将该RB在中对应的元素移至序列最后；
步骤43，按照排序后的RB索引依次对其他业务类MTCG进行判断。若同时满足两个占用规则R1和R2，则ON×K相应位置置为1，表示占用当前RB，并更新当前RB上的可用数据量；若不同时满足两个占用规则，则跳过当面RB进入下一个RB的判断。
步骤S5，依据占用矩阵ON×K求得MTCG总的和速率如下：
针对MTCG与LTE用户共存(如图1所示)的场景，本发明提供了一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，首先依据业务类型对MTCG进行优先级排序，由高到低依次为：紧急警报类MTCG、移动POS类MTCG、移动流媒体类MTCG、智能计量类MTCG以及监控类MTCG；其次对于紧急警报类MTCG，依据MTCG与LTE用户的干扰约束、资源块所能承载的最大数据量约束以及发射功率约束为其分配资源，使其系统和速率最大；最后给剩余业务类MTCG分配资源，既要保证MTCG系统和速率，又要对紧急警报类MTCG和速率的影响最低。本发明算法既优化了MTCG的和速率，同时又能保证LTE用户和紧急警报类MTCG的通信质量，提升了通信系统的有效性和可靠性。
综上所述，本发明基于mMTC业务分级的资源分配算法，综合考虑了实际生活中不同业务类型的特点，并由此确立了不同业务的优先级，确保MTCG系统容量的同时确保优先级最高的紧急警报类业务的服务质量，提升了网络的有效性和公平性。
应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (6)

1.一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，初始化变量如下：
(1)资源块集合Ψ＝{1,2,…,K}；
(2)LTE用户集合Θ＝{1,2,…,M}；
(3)MTCG集合Ω＝{1,2,…,N}，其中，紧急警报、移动POS、移动流媒体、智能计量以及定期监控业务类型的数量集合分别为：
Ω1＝{1,2,…,N1},Ω2＝{1,2,…,N2},Ω3＝{1,2,…,N3},N4＝{1,2,…,N4},
Ω5＝{1,2,…,N5},N＝N1+N2+N3+N4+N5；
(4)依据LTE用户和MTCG的最大功率限制确定用户发射功率；
(5)每个MTCG所携带数据量集合B_MTCG1×N；
(6)每个RB上剩余数据量集合B_RB_rest1×K；
(7)MTCG与RB的占用关系矩阵ON×K；
(8)每个MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
(9)两个占用规则为：
①每个RB上用户的SINR阈值约束R1：
其中，gn,k分别是LTE用户m、MTCG n的归一化信道增益，xn,k是MTCG是否占用资源块的0-1指示变量；分别是LTE用户m、MTCG n在资源块k上的发射功率，km是LTE用户m占用的资源块索引；其中δ(k-km)表示冲激函数，冲激函数为0时，表示LTE用户m不占用资源块k；冲激函数为1时，表示LTE用户m占用资源块k；
②每个RB上剩余数据量R2：
B_RB_rest(k)>0,K＝(1,2,…,K)；
是每个RB上所能承载的最大数据量，Bm,k、Bn,k分别是LTE用户m和MTCG n在RB k上的数据量。
步骤S2，按照MTC业务分级表对所述MTCG集合进行重新排序；
步骤S3，对每个紧急警报业务类MTCG进行优先处理，至所有紧急警报类MTCG的剩余数据量≤0；
步骤S4，再对其他业务类MTCG进行处理，至其他业务类MTCG的剩余数据量≤0；
步骤S5，依据占用矩阵ON×K求得MTCG总的和速率如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，其特征在于，步骤S3中优先处理步骤如下：
步骤31，计算每个紧急警报业务类MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
步骤32，对中的每个元素进行降序排列；
步骤33，按照排序后的RB索引依次对紧急警报业务类MTCG进行判断。
3.根据权利要求1所述的一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，其特征在于，步骤S4中处理步骤如下：
步骤41，计算每个其他业务类MTCG在占用各个RB时系统的总和速率矩阵
步骤42，对中的每个元素进行降序排列，若某一和速率对应的RB上已有紧急警报业务类MTCG占用，则将该RB在中对应的元素移至序列最后；
步骤43，按照排序后的RB索引依次对其他业务类MTCG进行判断。
4.根据权利要求3或4所述的一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，其特征在于，按照排序后的RB索引依次对MTCG进行判断的标准为：若同时满足两个占用规则R1和R2，则ON×K相应位置置为1，表示占用当前RB，并更新当前RB上的可用数据量；若不同时满足两个占用规则，则跳过当面RB进入下一个RB的判断。
5.根据权利要求1所述的一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，其特征在于，LTE用户的最大功率限制表达式为：
6.根据权利要求1所述的一种基于mMTC业务分级的资源分配算法，其特征在于，MTCG的最大功率限制表达式为：
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