CN110248417A - 一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法及系统，方法包括：接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求；获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息；根据服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级；根据业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块，减轻网络拥塞，根据与电力物联网网关相关联的电力物联网终端的服务需求来调整处理基站与电力物联网网关之间的资源，分配满足不同业务QoS要求和能量效率要求的前提下最大化网络的资源利用率。

Description

一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法及系统

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，具体涉及一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法及系统。

背景技术

电力物联网是一种通过智能传感器连接各类终端以实现终端之间通信的网络。电力物联网终端设备的功率、带宽、能量、内存等都有限。该终端从周边环境中感知并采集数据，先传送到基站，再由基站转发到互联网中，进而实现终端与终端或者终端与数据中心之间的通信。物联网中终端的数目以及基于物联网的业务的数据流量需求的不断增长需要采用更加可靠的网络技术。电力物联网与无线接入网相结合，以提高网络的利用率。在物联网中引入无线接入网技术之后如何在一个网络内满足不同类型业务的通信需求也是在电力物联网下无线接入网通信中的关键的问题。

由于在物联网通信中流量的传输主要发生在上行，即从终端到网络，上行链路的资源调度对于电力物联网下无线接入网通信性十分重要，现有技术中对上行资源调度提供了思路，但是电力物联网下无线接入网通信有自己的一些特殊之处，现有技术并不能完全适用。第一，一般情况下物联网中的终端数量是巨大的，如果这些终端同时向网络发起通信请求，那么将会极大地降低网络的性能，甚至导致网络崩溃。此外，由于空中接口的特性，物联网下的一些终端无法建立和eNB的直接通信。第二，物联网中的终端通常一次只传输少量的数据，这些小数据包对于网络的资源利用来说往往是低效的，并且它常常成为限制网络性能的瓶颈。第三，在LTE网络中使用QoS类标识符(QCI)来对QoS进行等级划分。通常QoS被划分成了9个不同的QCI，对于物联网通信来说QCI太大，将物联网终端划入有限数量的QoS级别会降低系统的性能。

发明内容

因此，本发明提供一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法及系统，克服了现有技术中不能对电力物联网中多种业务类型的进行合理资源分配的缺陷。

第一方面，本发明实施例提供一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，包括如下步骤：接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求；获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息；根据所述服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级；根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块。

在一实施例中，所述根据所述服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级的步骤，包括：获取服务质量要求信息中的传输速率要求信息及延迟要求信息；根据所述传输速率要求值、延迟要求值及能量效率值对应的预设阈值对所述业务请求划分为不同的优先级。

在一实施例中，所述根据所述传输速率要求值、延迟要求值及能量效率值对应的预设阈值对所述业务请求划分为不同的优先级的步骤包括：将满足大于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及能量效率预设阈值的业务请求确定为第一优先级；将满足大于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及小于能量效率预设阈值的业务请求确定为第二优先级；将满足小于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及小于能量效率预设阈值的业务请求确定为第三优先级，其中，优先级别第一优先级＞第二优先级＞第三优先级。

在一实施例中，所述各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量，通过以下公式表示：

其中，g_k表示第k个电力物联网网关需要的资源块数量，γ_k表示第k个物联网网关请求的信噪比，表示k个物联网网关请求的平均信噪比。

在一实施例中，所述根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块，通过以下公式表示：

其中，g_k表示第k个电力物联网网关需要的网络资源数量，x_k∈(0,1)表示第k个电力物联网网关是否被选择进行传输，η表示当前可用的网络资源总数。

在一实施例中，所述根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块的步骤，包括：根据业务请求的优先级获取预设数量的业务请求，所述预设数量的业务请求资源块的总数不能超过η个资源块；利用0/1背包动态规划算法计算所述预设数量的业务请求对η个资源块的资源利用价值最大时的资源分配数量，并对预设数量的业务请求分配相应的资源块。

在一实施例中，利用0/1背包动态规划算法计算所述预设数量的业务请求对η个资源块的资源利用价值最大时的资源分配数量的过程，通过以下公式表示：

其中，F[i-1][j]表示前i-1个请求中准许若干个请求，资源数量j是资源数量η的子集，并且请求的资源数量不超过j的时候中所能得到的最大价值；F[i-1][j-C[i]]+W[i]表示前i-1个请求中准许若干个请求，并且请求的资源数不超过j-C[i]时中能取得的最大价值加上第i个请求的价值。

第二方面，本发明实施例提供一种电力物联网中上行通信业务的资源分配系统，包括：业务请求接收模块，用于接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求；业务信息获取模块，用于获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息；优先级确定模块，用于根据所述服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级；资源分配模块，用于根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块。

第三方面，本发明实施例提供一种基站终端，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行本发明实施例第一方面电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法及系统，首先接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求；获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息；根据服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级；根据业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块，减轻网络拥塞，根据与电力物联网网关相关联的电力物联网终端的服务需求来调整处理基站与电力物联网网关之间的资源，分配满足不同业务QoS要求和能量效率要求的前提下最大化网络的资源利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例提供的确定业务请求的优先级的一个具体示例的流程图；

图3为本发明实施例提供的电力物联网中上行通信业务的资源分配系统的一个具体示例的组成图；

图4为本发明实施例提供的基站终端一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，应用于对电力物联网终端发送的上行通信业务请求进行处理的基站终端，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1:接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求。

本发明实施例中，针对电力物联网下无线接入网络在单个小区中的上行链路，其中物联网设备通过物联网网关连接到互联网，上行传输采用单载波频分多址(SC-FDMA)技术(仅以此举例，不以此为限)，电力物联网终端能够从周边环境中感知并采集数据，然后将采集到数据转换为业务请求通过各个电力物联网网关发送处理基站eNB。

步骤S2:获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息。

在电力物联网中，物联网终端需要长时间在无人工维护的环境下工作，因此能量效率是电力物联网的重要指标。物联网终端的能量效率由传输速率和消耗的能量共同决定。其中，物联网终端的传输速率R_k为：

R_k＝B_klogγ_k,

其中，B_k表示第k个电力物联网网关的带宽，γ_k表示第k个电力物联网网关需求的信噪比。

第k个电力物联网网关消耗的能量为E_k，则能量效率EE_k为：

EE_k＝R_k/E_k.

步骤S3:根据服务质量要求信息及能量效率信息确定业务请求的优先级。

本发明实施例中，执行步骤S3，如图2所示，可以包括：

步骤S31：获取服务质量要求信息中的传输速率要求信息及延迟要求信息；实际应用中，某些电力应用需要保证速率和延迟，例如视频和紧急应用。一般将服务质量(Qualityof Service，QoS)要求分为高速率、低延迟和低速率、高延迟两个不同的类别。

步骤S32：根据传输速率要求值、延迟要求值及能量效率值对应的预设阈值对业务请求划分为不同的优先级。为了提供系统的性能，在本发明实施例根据物联网终端业务请求的能量效率和QoS指标来综合划分业务的优先级。

在本发明实施例中，将满足大于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及能量效率预设阈值的业务请求确定为第一优先级；将满足大于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及小于能量效率预设阈值的业务请求确定为第二优先级；将满足小于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及小于能量效率预设阈值的业务请求确定为第三优先级，其中，优先级别第一优先级＞第二优先级＞第三优先级。以上分为优先级的等级个数仅以此举例，不以此为限，在其他应用中可根据实际需求分为不同的优先级。

步骤S4:根据业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给各个电力物联网网关分配资源块。

在本发明实施例中，处理基站在处理业务请求时，利用0/1背包动态规划算法，优先考虑对传输速率和延迟及能量效率较高的第一优先级的业务请求，然后考虑对传输速率、时延要求高、低能量效率的第二优先级的业务请求，最后考虑不要求传输速率、时延要求及能量效率的第三优先级的业务请求。

本发明实施例提供的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，在接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求后，首先根据各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率对业务划分为不同的优先级，然后利用动态规划算法减轻网络拥塞，根据与电力物联网网关相关联的电力物联网终端的服务需求来调整处理基站与电力物联网网关之间的资源，分配满足不同业务QoS要求和能量效率要求的前提下最大化网络的资源利用率。

本发明实施例，定义第k个电力物联网网关需要的资源块数量RB为L_k。根据Shannons容量公式，第k个电力物联网网关需求的信噪比为其中B是每个RB的带宽，R_k则是第k个电力物联网网关的需要的传输速率，L是RB的总数。定义有效SINR(信号与干扰加噪声比)为一组RB上的平均SINR，用表示为：

其中，γ_k,l表示第l个RB上第k个电力物联网网关的SINR，

其中，p_k,l是第k个电力物联网网关在第l个RB上的传输功率，h_k,l为分配给用户k的第l个RB上的信道增益，σ²表示加性高斯白噪(AWGN)的功率。

因此，第k个IoT网关需要的RB的数量g_k为：

为了在同一传输时间间隔下满足更多的电力物联网网关服务，并且提高资源的利用率，本发明实施例需要获取最大化准许资源块的请求可使用的总价值，x_k∈(0,1)表示第k个IoT网关是否被选择进行传输，η是当前可用的RB总数，则基站可处理的业务请求数量可以表示为：

本发明实施例中采用0/1背包动态规划算法给各个电力物联网网关分配资源块，动态规划是通过把原问题分解为相对简单的子问题的方式求解复杂问题的方法。0/1背包是在所有资源块的请求中，取出若干个业务请求准许，这些准许的请求的总数不能超过η个RB，每件请求的资源块数量为g₁,g₂,…,g_k，与之相对应的价值为g₁,g₂，…,g_k，求解如何准许资源块的请求可使总价值最大，可以将0/1背包问题分解为子问题，F[i][j]表示前i个请求中选取若干个请求准许，并且总数不能超过j(资源数量j是资源数量η的子集，可以将资源数量η分为资源数量j进行求解)时所能得到的最大价值。根据第i个请求准不准许进行决策可以通过以下公式表示：

其中F[i-1][j]表示前i-1个请求中准许若干个请求，并且请求的资源数不超过j的时候中所能得到的最大价值；而F[i-1][j-C[i]]+W[i]表示前i-1个请求中准许若干个请求，并且请求的资源数不超过j-C[i]的时候中所能取得的最大价值加上第i个请求的价值，根据第i个请求准许或不准许来确定遍历到第i个请求时的状态F[i][j]。

在实际操作中，0/1背包动态规划算法对资源进行分配的过程，可以包括如下步骤：

1.根据业务请求的优先级，初始化各个业务请求的需要的资源块数量W[i]及对应的收益W[i]，以及处理基站可以容纳的资源块总数η；

2.生成前i个请求中请求的资源数量不超过j的时候中所能得到的最大价值的子问题F[i][j]；

a.找出全部满足约束条件的子问题：F[i-1][j-C[i]]；

b.生成F[i-1][j-C[i]]+W[i]；

c.求解最大收益的一组资源分配数量值；

3.若求解的最大收益所使用的资源块数量大于容纳的资源块总数η时，循环次数跳转至2，否则跳转4；

4.终止。

通过上述0/1背包动态规划算法对电力物联网上行信道的资源分配，使多类通信业务请求的资源分配可以达到非常显著的收益，实现最大化通信网络的资源利用率。

实施例2

本发明实施例提供一种电力物联网中上行通信业务的资源分配系统，如图3所示，该系统包括：

业务请求接收模块1，用于接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。

业务信息获取模块2，用于获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息；此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。

优先级确定模块3，用于根据所述服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级；此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。

资源分配模块4，用于根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块。此模块执行实施例1中的步骤S4所描述的方法，在此不再赘述。

本发明实施例提供的电力物联网中上行通信业务的资源分配系统，在接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求后，首先根据各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率对业务划分为不同的优先级，然后利用动态规划算法减轻网络拥塞，根据与电力物联网网关相关联的电力物联网终端的服务需求来调整处理基站与电力物联网网关之间的资源，分配满足不同业务QoS要求和能量效率要求的前提下最大化网络的资源利用率。

实施例3

本发明实施例提供一种基站终端，如图4所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。

其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。

其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。

可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求；

获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息；

根据所述服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级；

根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块。

2.根据权利要求1所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，其特征在于，所述根据所述服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级的步骤，包括：

获取服务质量要求信息中的传输速率要求信息及延迟要求信息；

根据所述传输速率要求值、延迟要求值及能量效率值对应的预设阈值对所述业务请求划分为不同的优先级。

3.根据权利要求2所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，其特征在于，所述根据所述传输速率要求值、延迟要求值及能量效率值对应的预设阈值对所述业务请求划分为不同的优先级的步骤包括：

将满足大于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及能量效率预设阈值的业务请求确定为第一优先级；

将满足大于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及小于能量效率预设阈值的业务请求确定为第二优先级；

将满足小于传输速率要求预设阈值、延迟要求预设阈值及小于能量效率预设阈值的业务请求确定为第三优先级，其中，优先级别第一优先级>第二优先级>第三优先级。

4.根据权利要求1所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，其特征在于，所述各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量，通过以下公式表示：

其中，g_k表示第k个电力物联网网关需要的资源块数量，γ_k表示第k个物联网网关请求的信噪比，表示k个物联网网关请求的平均信噪比。

5.根据权利要求4所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，其特征在于，所述根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块，通过以下公式表示：

其中，g_k表示第k个电力物联网网关需要的网络资源数量，x_k∈(0，1)表示第k个电力物联网网关是否被选择进行传输，η表示当前可用的网络资源总数。

6.根据权利要求5所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，其特征在于，所述根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块的步骤，包括：

根据业务请求的优先级获取预设数量的业务请求，所述预设数量的业务请求资源块的总数不能超过η个资源块；

利用0/1背包动态规划算法计算所述预设数量的业务请求对η个资源块的资源利用价值最大时的资源分配数量，并对预设数量的业务请求分配相应的资源块。

7.根据权利要求6所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法，其特征在于，所述利用0/1背包动态规划算法计算所述预设数量的业务请求对η个资源块的资源利用价值最大时的资源分配数量的过程通过以下公式表示：

其中，F[i-1][j]表示前i-1个请求中准许若干个请求，资源数量j是资源数量η的子集，并且请求的资源数量不超过j的时候中所能得到的最大价值；F[i-1][j-C[i]]+W[i]表示前i-1个请求中准许若干个请求，并且请求的资源数不超过j-C[i]时中能取得的最大价值加上第i个请求的价值。

8.一种电力物联网中上行通信业务的资源分配系统，其特征在于，包括：

业务请求接收模块，用于接收各个电力物联网网关发送的物联网终端上行通信业务请求；

业务信息获取模块，用于获取各个电力物联网网关业务请求所需的资源块数量、服务质量要求信息及能量效率信息；

优先级确定模块，用于根据所述服务质量要求信息及能量效率信息确定所述业务请求的优先级；

资源分配模块，用于根据所述业务请求所需的资源块数量及业务请求的优先级，利用预设动态规划算法给所述各个电力物联网网关分配资源块。

9.一种基站终端，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7中任一所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一所述的电力物联网中上行通信业务的资源分配方法。