CN111669836B - 一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法 - Google Patents

一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种NB‑IoT系统中上行链路资源调度方法，通过对窄带物联网业务进行分类建模，对不同业务类型采取不同的资源调度策略，同时引入自适应调度算法，基于即时信道条件对MCS与重复传输次数进行更新，以降低BLER与丢包率，提高吞吐量，有较强的实用性。

Description

一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法
技术领域
本发明涉及物联网通信技术领域，更具体的，涉及一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法。
背景技术
随着物联网技术浪潮的推动和普及，通信技术在满足传统的人与人之间的互联需求之外，不断发展以满足人与物之间的互联，甚至物与物之间的相连。目前已经出现了大量物与物之间的连接，然而这些连接大多通过蓝牙，wifi等短距通信技术承载，非运营商移动网络。事实上，传统的数据传输方式更适用于人与人之间的信息传输，而不是物与物之间的信息传输。为了满足不同物联网业务需求，根据物联网业务特征和移动通信网络特点，3GPP根据窄带业务应用场景开发NB-IoT以适应蓬勃发展的物联网业务需求。
NB-IoT具有广覆盖，大连接，低功耗，低成本的特点，只消耗180KHz的带宽。其使用许可频段，采取带内，保护带或独立载波三种部署方式，可直接部署于GSM网络，UMTS网络或LTE网络，与现有网络共存。3GPP协议规定NBIOT的终端上行占用带宽为180KHz，采用SC-FDMA多址方式与H-FDD半双工方式，支持单频与多频传输。单频传输支持两个载波间隔：15KHz与3.75KHz，而多频传输只支持15KHz子载波间隔。单频传输主要用于低速率、覆盖增强场景，可以有效降低实现成本，而多频传输可以提供更大传输速率，同时也可以支持覆盖增强。
NB-IoT上行链路15KHz间隔的帧结构设计与LTE协议相似，1无线帧包含20个时隙，而对于3.75KHz子载波间隔定义了2ms长的时隙结构，即1帧包含5个时隙。除此之外，NB-IoT在上行还引入了资源单元(Resource Element)的概念，为上行链路数据发送的最小单位。3.75KHz间隔下，由于链路只支持单频传输，资源单元也只占用1个子载波，时域上占用32ms；15KHz间隔下，上行定义了四种资源单元格式，在频域上分别占用{1，3，6，12}个连续的子载波。但与LTE比较，NB-IoT的资源更少，不同的调度单元需要不同的调度方法。
除了资源单元格式的更新，3GPP标准还将重复传输数据与相关控制信号作为NB-IoT覆盖增强的基础解决方案之一，考虑到这一特性，链路的资源调度需要从三个维度执行：调制编码方案(modulation and coding scheme，MCS)的确定，重复传输次数的确定以及资源单元格式的选择，但传统的方案在调度过程中，BLER与丢包率高，吞吐量较低。
发明内容
本发明为克服传统的链路资源调度方案在调度过程中，不同的调度单元需要不同的调度方法，且存在BLER与丢包率高，吞吐量较低的技术缺陷，提供一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法，包括以下步骤：
S1：在物理层收到上层信令提示新数据包开始，在进行链路资源调度之前，首先通过读取服务等级标识QCI对用户传输数据类型进行判断，根据判断结果选择对应的调度算法；
S2：获取用户当前覆盖增强CE等级，根据用户在前一上行时隙进行15KHz单频传输的发射功率计算上行功率余量PHR，生成功率余量报告；
S3：根据功率余量报告划定调制编码方案MCS和重复次数范围，基于业务类型和覆盖等级选取资源单元格式、MCS初始值以及重复次数初始值；
S4：进行数据包传输；
S5：判断数据包是否传输完成，若是，返回执行步骤S1；否则，等待基站端HARQ进程返回ACK/NACK信号；
S6：引入自适应算法对MCS等级进行更新，并通过基站端反馈ACK/NACK信号计算等效误块率，更新重复次数，返回执行步骤S4。
其中，在所述步骤S1中，所述用户传输数据类型包括四种数据类型，系统调度优先级从高到低为：
异常报告类：数据块小，对时延与差错率容忍度低；
普通指令类：数据块小，对时延容忍度低，对差错率容忍度较高；
周期报告类：数据块小，对时延与差错率容忍度高；
系统更新类：数据块大，对时延与差错率容忍度高。
其中，在所述步骤S2中，所述功率余量报告生成过程具体为：
对于所在时隙i向小区c进行上行发送的功率余量报告生成函数为：
PHc(i)＝PCMAX，c(i)-[PO_UE_NPUSCH_c(1)+∝c(1)PLc]
其中，PLc是由用户端估计所得的小区c的下行路径损耗，PO_UE_NPUSCH_c(1)为上层配置的等效用户发送功率，PCMAX，c(i)为上层配置的最大发射功率；根据此生成函数功率余量报告将包括4个可能值，为{PH1，PH2，PH3，PH4}dB，基站端收到功率余量报告，根据PHc对MCS和重复次数范围作划定。
其中，在所述步骤S3中，根据功率余量报告与业务类型划定MCS和重复次数的初始值范围，功率余量{PH1，PH2，PH3，PH4}，余量报告值越大，MCS等级越高，重复次数初始值越大。
其中，在所述步骤S3中，基于业务类型和覆盖等级选取资源单元格式、MCS初始值以及重复次数初始值具体为：业务优先级越高，子载波分配越多，MCS等级越低，同时根据业务对时延与覆盖等级的要求选择重复次数。
其中，在所述步骤S6中，引入自适应算法，为MCS更新设计两个非周期触发事件：快速升级FUG和紧急降级EDG，以及补偿因子ΔC(t)，基站端通过判断ΔC(t)是否触发事件，随时间更新MCS等级。
其中，在所述步骤S6中，在每次上行链路传输结束后，计数下行链路返回ACK/NACK信号作为等效BLER，若等效BLER高于13％且重复次数小于最大值，将下次传输重复次数加倍；若该值低于7％且重复次数大于最小值，下次传输重复次数减半。
其中，在所述步骤S6中，为补偿因子ΔC(t)设置上限ΔCMAX和下限ΔCMIN，用于精确量化FUG与EDG动作，每次传输后对等效BLER与ΔC(t)进行更新，当更新后ΔC(t)达到ΔCMAX，FUG事件被触发，将MCS等级增加1；当ΔC(t)等于ΔCMIN，EDG事件触发，MCS等级减1。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法，通过对窄带物联网业务进行分类建模，对不同业务类型采取不同的资源调度策略，同时引入自适应调度算法，基于即时信道条件对MCS与重复传输次数进行更新，以降低BLER与丢包率，提高吞吐量，有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为NB-IoT物理层上行链路通信流程图；
图3为NB-IoT业务流量模型示意图；
图4为覆盖等级0下功率余量值映射示意图；
图5为覆盖等级非0下功率余量值映射示意图；
图6为内环链路适配示意图；
图7为外环链路适配触发事件示意图；
图8为外环链路适配中MCS等级与重复传输次数变化示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本发明方法的流程示意图如附图1所示，在上行链路数据包发送中首先获取终端业务类型与覆盖强度，并计算得到当前该终端功率余量报告，选择初始资源调度方案，包括MCS初始等级，资源单元格式与重复发送次数。在后续数据块发送中，通过获取HARQ进程返回的ACK/NACK信号估计信道状态，更新资源调度方案以优化上行链路通信质量。
在具体实施过程中，本发明所述方法包括以下步骤：
S1：在物理层收到上层信令提示新数据包开始，在进行链路资源调度之前，首先通过读取服务等级标识QCI对用户传输数据类型进行判断，根据判断结果选择对应的调度算法；
S2：获取用户当前覆盖增强CE等级，根据用户在前一上行时隙进行15KHz单频传输的发射功率计算上行功率余量PHR，生成功率余量报告；
S3：根据功率余量报告划定调制编码方案MCS和重复次数范围，基于业务类型和覆盖等级选取资源单元格式、MCS初始值以及重复次数初始值；
S4：进行数据包传输；
S5：判断数据包是否传输完成，若是，返回执行步骤S1；否则，等待基站端HARQ进程返回ACK/NACK信号；
S6：引入自适应算法对MCS等级进行更新，并通过基站端反馈ACK/NACK信号计算等效误块率，更新重复次数，返回执行步骤S4。
更具体的，在所述步骤S1中，所述用户传输数据类型包括四种数据类型，系统调度优先级从高到低为：
异常报告类：数据块小，对时延与差错率容忍度低；
普通指令类：数据块小，对时延容忍度低，对差错率容忍度较高；
周期报告类：数据块小，对时延与差错率容忍度高；
系统更新类：数据块大，对时延与差错率容忍度高。
更具体的，在所述步骤S2中，所述功率余量报告生成过程具体为：
对于所在时隙i向小区c进行上行发送的功率余量报告生成函数为：
PHc(i)＝PCMAX，c(i)-[PO_UE_NPUSCH_c(1)+∝c(1)PLc]
其中，PLc是由用户端估计所得的小区c的下行路径损耗，PO_UE_NPUSCH_c(1)为上层配置的等效用户发送功率，PCMAX，c(i)为上层配置的最大发射功率；根据此生成函数功率余量报告将包括4个可能值，为{PH1，PH2，PH3，PH4}dB，基站端收到功率余量报告，根据PHc对MCS和重复次数范围作划定。
更具体的，在所述步骤S3中，根据功率余量报告与业务类型划定MCS和重复次数的初始值范围，功率余量{PH1，PH2，PH3，PH4}，余量报告值越大，MCS等级越高，重复次数初始值越大。
更具体的，在所述步骤S3中，基于业务类型和覆盖等级选取资源单元格式、MCS初始值以及重复次数初始值具体为：业务优先级越高，子载波分配越多，MCS等级越低，同时根据业务对时延与覆盖等级的要求选择重复次数。
更具体的，在所述步骤S6中，引入自适应算法，为MCS更新设计两个非周期触发事件：快速升级FUG和紧急降级EDG，以及补偿因子ΔC(t)，基站端通过判断ΔC(t)是否触发事件，随时间更新MCS等级。
更具体的，在所述步骤S6中，在每次上行链路传输结束后，计数下行链路返回ACK/NACK信号作为等效BLER，若等效BLER高于13％且重复次数小于最大值，将下次传输重复次数加倍；若该值低于7％且重复次数大于最小值，下次传输重复次数减半。
更具体的，在所述步骤S6中，为补偿因子ΔC(t)设置上限ΔCMAX和下限ΔCMIN，用于精确量化FUG与EDG动作，每次传输后对等效BLER与ΔC(t)进行更新，当更新后ΔC(t)达到ΔCMAX，FUG事件被触发，将MCS等级增加1；当ΔC(t)等于ΔCMIN，EDG事件触发，MCS等级减1。
在具体实施过程中，本发明提供的一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法，通过对窄带物联网业务进行分类建模，对不同业务类型采取不同的资源调度策略，同时引入自适应调度算法，基于即时信道条件对MCS与重复传输次数进行更新，以降低BLER与丢包率，提高吞吐量，有较强的实用性。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，提供上行链路通信流程，如图2所示，终端在小区接入时，首先进行RRC连接，这一进程中基站端与其建立终端所需各业务类型的连接，并等待网元使用对应信令进行呼叫。具体各业务流量类型如图3所示。当用户发起呼叫时，网元通过QCI信令承载发起呼叫请求，等待建立专载。专载建立后，基站端发出ULGrant信令，由NPDCCH信道向终端发送DCI信息，终端盲检得到DCI承载的链路调度信息，依据调度信息通过NPUSCH信道进行上行链路传输。每次NPUSCH信道发送结束后，等待基站端NPDCCH信道返回DCIFormatN0信令，然后开始下一次传输。
本实例中基站端结合QCI信令业务类型与功率余量报告，对资源调度方案进行选择。终端按照15KHz载波间隔单频发送时的发射功率，以及对下行路径估计得到的路损值PLc进行功率余量计算。功率余量值映射如图4、5所示，分为覆盖等级为0和覆盖等级大于0两种情况。不同业务类型下调度策略如表1所示，根据不同调度策略，基站端可决定各业务类型下首数据块的资源方案。
表1各业务类型调度策略参数对应表
Figure BDA0002489576890000061
Figure BDA0002489576890000071
Figure BDA0002489576890000081
本实例中引入自适应算法，用于在初始数据块后更新后续数据块的资源调度方案，自适应调度算法分为外环链路适配与内环链路适配。内环适配通过计数HARQ进程返回值计算当前BLER，在一个数据块传输结束后，如果BLER低于7％且前一次传输重复次数大于最小值，下次传输重复次数减半；如果BLER高于13％且重复次数小于最大值，将下次传输重复次数加倍。内环链路适配流程如图6所示。
本实例中外环链路适配通过设置触发事件FUG与EDG实现。当ΔC(t)达到ΔCMAX，FUG事件被触发；当ΔC(t)等于ΔCMI N，EDG事件触发。当基站端检测到FUG事件触发，将MCS等级加一；若EDG事件触发，MCS等级减一。FUG/EDG触发事件如图7所示。
上述外环链路适配中，当MCS等级为最小值，若前一次传输接收成功，HARQ进程准备回复ACK，则判断当前传输重复次数：若重复次数等于最小值，则将MCS等级加一，若大于最小值，将重复次数减半；当回复NACK时，同样判断当前重复次数：若当前值小于最大值，则将重复次数加倍，若当前值为最大值，则足以说明当前信道条件极差，发生丢包。
上述外环链路适配中，当MCS等级为最大值，若前一次传输接收成功，HARQ进程准备回复ACK，则判断当前传输重复次数，若当前重复次数大于最小值，下一数据块传输中将其减半；若前一次传输接收失败，则直接将MCS等级减一，通过分配更多资源单元得到降低BLER的效果。自适应算法下，MCS等级与重复传输次数的变化关系如图8所示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在物理层收到上层信令提示新数据包开始，在进行链路资源调度之前，首先通过读取服务等级标识QCI对用户传输数据类型进行判断，根据判断结果选择对应的调度算法；
S2：获取用户当前覆盖增强CE等级，根据用户在前一上行时隙进行15KHz单频传输的发射功率计算上行功率余量PHR，生成功率余量报告；
S3：根据功率余量报告划定调制编码方案MCS和重复次数范围，基于业务类型和覆盖等级选取资源单元格式、MCS初始值以及重复次数初始值；
S4：进行数据包传输；
S5：判断数据包是否传输完成，若是，返回执行步骤S1；否则，等待基站端HARQ进程返回ACK/NACK信号；
S6：引入自适应算法对MCS等级进行更新，并通过基站端反馈ACK/NACK信号计算等效误块率，更新重复次数，返回执行步骤S4；
其中，在所述步骤S2中，所述功率余量报告生成过程具体为：
对于所在时隙i向小区c进行上行发送的功率余量报告生成函数为：
PHc(i)＝PCMAX，c(i)-[PO_UE_NPUSCH_c(1)+∝c(1)PLc]
其中，PLc是由用户端估计所得的小区c的下行路径损耗，PO_UE_NPUSCH_c(1)为上层配置的等效用户发送功率，PCMAX，c(i)为上层配置的最大发射功率；根据此生成函数功率余量报告将包括4个可能值，为{PH1，PH2，PH3，PH4}dB，基站端收到功率余量报告，根据PHc对MCS和重复次数范围作划定；
在所述步骤S3中，根据功率余量报告与业务类型划定MCS和重复次数的初始值范围，功率余量{PH1，PH2，PH3，PH4}，余量报告值越大，MCS等级越高，重复次数初始值越大；基于业务类型和覆盖等级选取资源单元格式、MCS初始值以及重复次数初始值具体为：业务优先级越高，子载波分配越多，MCS等级越低，同时根据业务对时延与覆盖等级的要求选择重复次数；
在所述步骤S6中，引入自适应算法，为MCS更新设计两个非周期触发事件：快速升级FUG和紧急降级EDG，以及补偿因子ΔC(t)，基站端通过判断ΔC(t)是否触发事件，随时间更新MCS等级；在每次上行链路传输结束后，计数下行链路返回ACK/NACK信号作为等效BLER，若等效BLER高于13％且重复次数小于最大值，将下次传输重复次数加倍；若该值低于7％且重复次数大于最小值，下次传输重复次数减半；为补偿因子ΔC(t)设置上限ΔCMAX和下限ΔCMIN，用于精确量化FUG与EDG动作，每次传输后对等效BLER与ΔC(t)进行更新，当更新后ΔC(t)达到ΔCMAX，FUG事件被触发，将MCS等级增加1；当ΔC(t)等于ΔCMIN，EDG事件触发，MCS等级减1。
2.根据权利要求1所述的一种NB-IoT系统中上行链路资源调度方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述用户传输数据类型包括四种数据类型，系统调度优先级从高到低为：
异常报告类：数据块小，对时延与差错率容忍度低；
普通指令类：数据块小，对时延容忍度低，对差错率容忍度较高；
周期报告类：数据块小，对时延与差错率容忍度高；
系统更新类：数据块大，对时延与差错率容忍度高。
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