CN113966002A - 一种资源联合调度方法、系统、存储介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信资源调度领域，提供了一种资源联合调度方法、系统、存储介质及电子设备。其中，资源联合调度方法包括基于无线系统模型，考虑URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数；将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型；基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置。
Description
技术领域
本发明属于通信资源调度领域，尤其涉及一种资源联合调度方法、系统、存储介质及电子设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
国际电信联盟(ITU)基于5G无线网络系统的多样化服务质量需求(例如覆盖范围、数据速率、延迟和可靠性)，定义了三大应用场景，分别是增强型移动宽带(eMBB)、超可靠和低延迟通信(URLLC)以及海量机器类型通信(mMTC)。其中eMBB是在现有移动宽带场景基础上的延展，目标为最大化一段时间内稳定连接的数据速率，同时保证适度的可靠性，数据包错误率(Packet Error Rate,PER)约为10-3。而URLLC的典型应用为智能电网、工厂自动化、无人机控制、自动驾驶和关键医疗器械管理等，因此传输速率相对较低，主要要求为实现端到端毫秒级低时延的同时保证超高可靠性。尽管其数据包长度较小，但PER通常低于10-5。除此之外，URLLC的传输是间歇性的，支持其传输需要结合高优先级资源调度策略，以确保数据包到达时有可用的通信资源。鉴于eMBB和URLLC两种业务属性差异显著，在两种业务共存的场景下如何有效分配传输资源以满足各类业务的QoS要求就成为了推进5G在电力行业中应用的一大关键问题。
基于3GPP R15和R16版本中为这两种业务共存的典型场景所做的设计，目前已有机制可分为三种。考虑到URLLC严格的时延要求，当两种业务都有无线传输需求时，最简单的资源分配机制是为URLLC预留一部分资源，保证其不需授权就可以直接传输。但是预留的资源会由于URLLC业务的间歇性而空闲，并不是最佳方案。第二种资源分配机制是叠加调度。与非正交多址接入的概念类似，URLLC和eMBB用户共用时频资源。首先对时延要求更高的URLLC用户进行解码，然后对eMBB用户采用连续干扰消除技术，消除已知的URLLC干扰，再进行解码。这种机制下eMBB业务的速率几乎不受影响，但URLLC业务接收机的干扰消除能力有限，无法保证其超高可靠性要求。
相较于前两种机制，打孔调度机制的优势更为突出。此时URLLC以更小的时间粒度——微时隙，即2到7个正交频分复用(OFDM)符号为传输时间间隔进行传输。当时频资源已分配给eMBB用户时，允许在URLLC数据包到达的微时隙上，取消原定的eMBB数据发送，转而去承载URLLC流量。这种方案不会影响URLLC业务的可靠性，但弊端是eMBB业务的吞吐量会有损失。因此，如何降低打孔对eMBB业务带来的数据速率损失是打孔调度问题的研究关键。针对这一优化目标，已有研究侧重于通过神经网络、强化学习或优化问题的求解等方法，在给定eMBB用户资源分配方案的前提下，为URLLC负载选择最佳的打孔位置来降低eMBB用户吞吐量方面的损失。
发明人发现，目前为URLLC负载选择最佳的打孔位置来降低eMBB用户吞吐量方面的损失的过程中，没有研究考虑URLLC流量到达特性，eMBB的速率损失仍较高。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种资源联合调度方法、系统、存储介质及电子设备，其考虑URLLC流量到达过程的特性，结合eMBB业务的速率损失分析，将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块(Physical Resource Block,PRB)分配模型，并基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略来优化选择URLLC负载打孔位置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种资源联合调度方法，其包括：
基于无线系统模型，考虑URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数；
将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型；
基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置。
本发明的第二个方面提供一种资源联合调度系统，其包括：
eMBB速率损失函数构建模块，其用于基于无线系统模型，考虑URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数；
物理资源块分配模型构建模块，其用于将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型；
URLLC负载打孔位置优化模块，其用于基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的资源联合调度方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的资源联合调度方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于无线系统模型，考虑了URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数，再将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型，最后基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置，在eMBB用户的资源分配过程中联合考虑了URLLC流量到达过程特性的影响，进一步降低了eMBB的速率损失。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的资源联合调度方法的示例性应用环境的系统架构的示意图；
图2是本发明实施例的资源联合调度方法流程图；
图3是本发明实施例的eMBB与URLLC业务打孔调度机制；
图4是本发明实施例的不同URLLC到达率下的eMBB速率对比；
图5是本发明实施例的eMBB速率的经验累积分布函数(Empirical CumulativeDistribution Function,ECDF)曲线对比；
图6是本发明实施例的资源联合调度系统结构示意图；
图7是本发明实施例的电子设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1示出了可以应用本发明实施例的资源联合调度方法的示例性应用环境的系统架构的示意图。
如图1所示，系统架构100可以包括电子设备101和/或电子设备102，网络103和服务器104。网络103用以在电子设备101、电子设备102和服务器104之间提供通信链路的介质。网络103可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。电子设备101、电子设备102，包括但不限于台式计算机、便携式计算机、智能手机和平板电脑等等。应该理解，图1中的电子设备、网络和服务器的数量仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的电子设备、网络和服务器。比如服务器104可以是多个服务器组成的服务器集群等。
本发明实施例所提供的资源联合调度方法一般由服务器104执行，相应地，资源联合调度系统可以设置于服务器104中。但本领域技术人员容易理解的是，本发明实施例所提供的资源联合调度方法也可以由电子设备101、电子设备102执行。
实施例一
如图2所示，本实施例提供了一种资源联合调度方法，其具体包括如下步骤：
S201：基于无线系统模型，考虑URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数。
在无线系统模型中，若有URLLC数据包到达，则以微时隙为传输时间间隔，抢占eMBB业务的时频资源发送URLLC数据包。
URLLC流量到达过程的特性为：所有用户在任一时隙中URLLC的到达流量请求等于所有用户在任一时隙中所有微时隙上的URLLC负载之和。
考虑一个gNB服务于一组eMBB用户集E＝{1,...|E|}和URLLC到达流量请求D的下行链路。其带宽被划分为PRB集B＝{1,...|B|}，每个PRB b∈B占用12个子载波。在一段传输时间T内，eMBB业务的传输时间间隔为时隙t，每个时隙由|M|个微时隙m组成。若有URLLC数据包到达，则以微时隙为传输时间间隔，抢占eMBB业务的时频资源发送URLLC数据包。无线系统的信道状态S，用t时隙eMBB用户e∈E在PRB上的峰值速率
表征。
本实施例为一个包含100个PRB的无线系统下行链路，同时服务于20个eMBB用户和URLLC流量。在不同时隙的信道状态下，eMBB用户在PRB上的峰值速率为1～3Mbps之间的随机变量。
3GPP中对URLLC流量的定义是ftp-3模型，即一个到达率为λ的泊松过程。令D(t)为时隙t中URLLC的到达流量请求。就eMBB用户的速率损失而言，具体被打孔的微时隙和PRB并不重要，被打孔的总量才是关键。因此，令变量
表示微时隙m中用户e∈E在信道状态s∈S下，采用调度策略π时的URLLC负载；变量
表示时隙t中用户e在所有微时隙上的URLLC负载之和。根据到达流量与eMBB用户被打孔后的URLLC负载之间的关系，可以得到：
例如：以每个时隙中URLLC流量到达率为20～400Packets/ms的泊松过程作为随机变量。
由于eMBB用户在实际解码过程中具有一定的纠错能力，因此其由打孔造成的速率损失与URLLC负载之间并不是简单的线性关系，考虑采用更符合实际的凸函数表示速率损失。故用户e的速率为：
其中
为速率损失函数。
为用户e在t时隙上的峰值速率。
为时隙t中用户e在所有微时隙上的URLLC负载之和。变量
表示在信道状态s下，采用调度策略π时，时隙t中的PRB b是否分配给用户e：
考虑eMBB业务实际中的解码特性，以公式(2)作为eMBB用户考虑打孔后的速率。
S202：将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型。
其中，所述打孔造成的eMBB速率损失函数采用凸函数表示。所述物理资源块分配模型的约束条件包括：PRB的分配限制约束、打孔占用的资源不超过用户自身分配得到的总资源的约束以及到达的URLLC流量请求均被满足且无需排队等待的约束。
因此优化问题可以描述为：
其中约束条件(5)-(7)是PRB的分配限制。约束条件(8)是为了保证打孔占用的资源不超过用户e分配得到的总资源。而约束条件(9)则保证到达的URLLC流量请求均被满足，无需排队等待。
为使公式(4)中的目标函数最大化，eMBB的资源分配策略相较于单业务场景还需考虑到URLLC流量到达率对当前时隙可能造成的速率影响。因此，为用户e分配PRB的权重
为：
eMBB资源分配具体流程如下：
其中loc为迭代变量，用于记录已分配PRB的数量。Ne,b为分配给用户e的PRB数量。eMBB资源分配考虑URLLC流量的到达特性、当前时隙信道状态下的峰值速率以及前一时隙的实现速率，计算公式(10)的权重因子。以此因子所占比例按照算法1完成PRB的分配。
S203：基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置。
当微时隙中有URLLC流量到达时，每个打孔位置的选择需要首先利用公式(2)计算所有eMBB用户打孔数量增加前后的速率损失
之后选择速率损失最小，且打孔抢占的资源不超过自身分配得到的总资源的用户进行打孔。
图3为本实施例中eMBB与URLLC业务打孔调度机制。图3中的Slot为传输时间间隔，Mini-slot为最小传输时间间隔。
其中eMBB业务以时隙为传输时间间隔调度无线网络资源；URLLC流量以微时隙(2个OFDM符号)为传输时间间隔到达调度器，到达过程服从泊松分布。到达的URLLC流量将会在微时隙上抢占eMBB的带宽传输。通过为eMBB用户分配无线网络资源并选择URLLC打孔位置，以达到所有eMBB用户和速率最大化的目标。
图4为本实施例的技术方案进行了仿真实验后得到的URLLC到达率与eMBB速率曲线。为凸显本实施例所提算法(Proposed Algorithm)的性能，设置两个对比算法(分别为打孔位置优化算法和随机打孔算法)同时进行仿真。其中，打孔位置优化算法和随机打孔算法分别对应图4中的Baseline1和的Baseline2。不考虑URLLC流量到达率、以eMBB用户前一时隙的速率和当前时隙信道状态下的峰值速率为权重因子分配PRB，并且URLLC的打孔位置选择打孔前后速率损失最小的eMBB用户(Baseline1)；与Baseline1分配PRB策略相同，但随机选择打孔位置(Baseline2)。结果表明随着URLLC流量到达率增大，三种方案的eMBB速率损失也逐渐增大，但本发明所提出的资源联合调度策略相较于打孔位置优化算法和随机打孔算法的速率下降趋势更为和缓。当到达率为400Packets/ms时，所提方案较打孔位置优化算法的eMBB速率增益约为6.8％，较随机打孔算法的eMBB速率增益约为9.1％。
图5为三种方案下eMBB速率的经验累积分布函数曲线。结果表明本发明提出的资源联合调度策略在URLLC到达率为20～400Packets/ms时，eMBB的最小速率相较于打孔位置优化算法和随机打孔算法提升了约16～19Mbps。
实施例二
如图6所示，本实施例提供了一种资源联合调度系统，其具体包括如下模块：
eMBB速率损失函数构建模块301，其用于基于无线系统模型，考虑URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数；
其中，在无线系统模型中，若有URLLC数据包到达，则以微时隙为传输时间间隔，抢占eMBB业务的时频资源发送URLLC数据包。
URLLC流量到达过程的特性为：所有用户在任一时隙中URLLC的到达流量请求等于所有用户在任一时隙中所有微时隙上的URLLC负载之和。
物理资源块分配模型构建模块302，其用于将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型；
URLLC负载打孔位置优化模块303，其用于基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的资源联合调度方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的资源联合调度方法中的步骤。
参照图7，本实施例中电子设备的一种结构示意图。需要说明的是，图4示出的电子设备400仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图7所示，电子设备400包括中央处理单元(CPU)401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)402中的程序或者从存储部分408加载到随机访问存储器(RAM)403中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 403中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。中央处理单元401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。
以下部件连接至I/O接口405：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如局域网(LAN)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分408。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种资源联合调度方法，其特征在于，包括：
基于无线系统模型，考虑URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数；
将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型；
基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置。
2.如权利要求1所述的资源联合调度方法，其特征在于，在无线系统模型中，若有URLLC数据包到达，则以微时隙为传输时间间隔，抢占eMBB业务的时频资源发送URLLC数据包。
3.如权利要求1所述的资源联合调度方法，其特征在于，URLLC流量到达过程的特性为：所有用户在任一时隙中URLLC的到达流量请求等于所有用户在任一时隙中所有微时隙上的URLLC负载之和。
4.如权利要求1所述的资源联合调度方法，其特征在于，所述打孔造成的eMBB速率损失函数采用凸函数表示。
5.如权利要求1所述的资源联合调度方法，其特征在于，所述物理资源块分配模型的约束条件包括：PRB的分配限制约束、打孔占用的资源不超过用户自身分配得到的总资源的约束以及到达的URLLC流量请求均被满足且无需排队等待的约束。
6.一种资源联合调度系统，其特征在于，包括：
eMBB速率损失函数构建模块，其用于基于无线系统模型，考虑URLLC流量到达过程的特性以及eMBB业务实际中的解码特性，构建出打孔造成的eMBB速率损失函数；
物理资源块分配模型构建模块，其用于将通信资源的分配与打孔造成的eMBB速率损失函数相关联，建立物理资源块分配模型；
URLLC负载打孔位置优化模块，其用于基于各eMBB用户打孔前后速率损失最小化的策略及物理资源块分配模型，优化选择URLLC负载打孔位置。
7.如权利要求6所述的资源联合调度系统，其特征在于，在无线系统模型中，若有URLLC数据包到达，则以微时隙为传输时间间隔，抢占eMBB业务的时频资源发送URLLC数据包。
8.如权利要求6所述的资源联合调度系统，其特征在于，URLLC流量到达过程的特性为：所有用户在任一时隙中URLLC的到达流量请求等于所有用户在任一时隙中所有微时隙上的URLLC负载之和。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的资源联合调度方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的资源联合调度方法中的步骤。
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2021
- 2021-09-30 CN CN202111165447.0A patent/CN113966002A/zh active Pending
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