CN115515244A - 5g新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法 - Google Patents

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CN115515244A CN202211308055.XA CN202211308055A CN115515244A CN 115515244 A CN115515244 A CN 115515244A CN 202211308055 A CN202211308055 A CN 202211308055A CN 115515244 A CN115515244 A CN 115515244A
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Abstract

本发明所提供的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，包括：对eMBB业务进行资源预分配处理，根据多样化的URLLC业务时延需求得到不同的时频资源块类型；预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，抢占机制采用功率分配因子表示；以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型。本发明通过预设抢占机制对eMBB和URLLC混合业务进行了灵活调度与资源分配，提升了eMBB用户的传输速率，并且满足了URLLC用户的多样化低时延需求。

Description

5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法
技术领域
本发明涉及通信工程技术领域，尤其涉及的是5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法。
背景技术
智能制造过程中自动化、智能化的生产管控离不开高效、可靠的网络支撑。5G新空口技术作为新一代移动通信技术，具有大带宽、高可靠、低时延、广连接等特点，可克服传统工业互联网布线杂乱、维护难度大，设备灵活度低等缺点。5G新空口支持的增强型移动宽带(eMBB)类业务和超可靠低延时通信(URLLC)类业务常共存于智能制造场景中，例如eMBB提供更大的数据带宽，主要应用于如工厂内高清视频监控、虚拟现实等对传输速率要求较高的业务中；URLLC提供高可靠低时延传输，主要应用于深入到产线生产核心部分的离散自动运动控制类业务中。
上述智能制造的URLLC和eMBB混合业务场景中，URLLC类业务需提供高于99.999％的可靠性，及小于1ms的时延。为满足URLLC和eMBB两类业务的需求，目前主要有三种资源分配机制，第一种资源分配机制是提前为URLLC预分配专用的频率资源，使URLLC可以免授权的直接传输，但由于URLLC是突发的小数据量业务，直接为其分配专用的频率资源，会导致频率资源闲置；第二种资源分配机制是采用穿孔(puncturing)的方式以提高系统资源利用率，URLLC业务可抢占正在进行的eMBB业务的时频资源，而不需要排队等待，以满足低时延需求，但该方案以牺牲eMBB用户的传输速率为代价；第三种资源分配机制是采用叠加(superposition)的方式，URLLC和eMBB两类业务共享时频资源，也可以被称为功率域的非正交多址接入(power-domain non-orthogonal multiple access，PD-NOMA)，并利用串行干扰消除(successive interference cancellation，SIC)进行解码，但这类方案更适合URLLC和eMBB的信道状态差异很大的情况，并且会影响URLLC的可靠性。
因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，旨在解决现有技术中URLLC和eMBB混合业务场景中的资源分配机制无法同时兼顾URLLC业务需求和eMBB业务需求的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，包括：
对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源；
根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型；
预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示；
若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型；
按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。
在一种实现方式中，所述对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源，包括：
在预设传输时间内，获取每个eMBB业务的传输速率；
根据每个所述eMBB业务的传输速率，对eMBB业务进行时频资源预分配处理；
确定每个eMBB业务的资源分配参数。
在一种实现方式中，所述根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型，包括：
根据多样化的URLLC业务时延需求，对预设子载波间隔和预设微时隙的不同取值进行相互组合，得到不同的时频资源块类型；
每一种时频资源块类型，所选的子载波间隔决定符号的持续时间，所选的微时隙决定包含的符号数量，以满足不同的URLLC业务时延需求。
在一种实现方式中，所述预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示，包括：
URLLC业务对时频资源块进行穿孔抢占，功率分配因子等于1，所述时频资源块完全由URLLC业务占据；
URLLC业务对时频资源块进行叠加抢占，功率分配因子大于0且小于1，所述时频资源块被eMBB业务和URLLC业务共享；
URLLC业务无法抢占时频资源块，功率分配因子等于0。
在一种实现方式中，所述若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型，包括：
根据线性传输速率损失模型，得到被URLLC业务抢占后的eMBB实际可达速率；
基于有限块长编码理论得到所述URLLC业务的传输速率，根据所述传输速率计算所述URLLC业务的可靠性约束和时延约束；
以最大化所有eMBB业务的实际可达速率，满足所述URLLC业务的可靠性约束和时延约束为优化目标，得到目标eMBB业务和所述URLLC业务的资源分配参数与功率分配因子；
根据所述资源分配参数与功率分配因子，确定URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型。
在一种实现方式中，第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔的可达速率为：
Figure BDA0003906878080000031
其中，第b个频率资源区间属于授权频率资源区间的集合B，具有相同的带宽W；所述T为传输时间间隔的长度；所述
Figure BDA0003906878080000032
为资源分配系数；所述
Figure BDA0003906878080000033
为信干燥比；
Figure BDA0003906878080000034
由于接收的URLLC业务抢占eMBB业务预分配的时频资源，导致eMBB传输速率出现损失，通过线性传输速率损失函数，得到被抢占后的eMBB实际可达速率为：
Figure BDA0003906878080000035
其中，所述β为时频单元对应的频率值，所述τ为时频单元对应的时间值；所述
Figure BDA0003906878080000036
为第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔所分配的时频资源中被URLLC业务抢占的时频单元总数；
Figure BDA0003906878080000037
其中，所述t和w表示第(t，w)个时频资源块，所述
Figure BDA0003906878080000038
表示时间集合，所述
Figure BDA0003906878080000039
表示频率集合，所述l表示第l个URLLC业务，所述L表示URLLC业务的集合，所述
Figure BDA00039068780800000310
为功率分配因子；
预设抢占机制的功率分配因子为：
Figure BDA0003906878080000041
在一种实现方式中，在已分配时频资源的第e个eMBB业务上，对于接收到的URLLC业务，由于其短报文和低时延的特点，基于有限块长编码理论得到第l个URLLC业务的传输速率为：
Figure BDA0003906878080000042
其中，所述β(t，w)为第(t，w)个时频资源块对应的频率值，所述τ(t，w)为第(t，w)个时频资源块对应的时间值，所述
Figure BDA0003906878080000043
为信干噪比，所述Vl为信道色散，所述Dl为第1个URLLC业务对应微时隙中包含的符号数，所述ε表示传输错误概率，所述Q-1(ε)为高斯Q函数的逆函数。
在一种实现方式中，所述优化目标为：
Figure BDA0003906878080000044
其中，
Figure BDA0003906878080000045
为第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔的实际可达速率，ε为所有eMBB业务集合；所述优化目标最大化所有eMBB业务的实际可达速率；
所述URLLC业务的可靠性约束为：
Figure BDA0003906878080000046
其中，所述
Figure BDA0003906878080000047
为URLLC业务的中断概率，所述θmax为预设阈值，所述re，l(i)表示URLLC业务传输速率，所述Le(i)表示第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔到达的URLLC业务总数，所述ζ表示URLLC报文大小；
所述URLLC业务的时延约束为：
Figure BDA0003906878080000048
其中，所述
Figure BDA0003906878080000049
为功率分配因子，所述τ(t，w)为第(t，w)个时频资源块对应的时间值，所述
Figure BDA0003906878080000051
为第l个URLLC业务的时延需求。
本发明还提供一种5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配装置，包括：
预分配模块，用于对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源；
划分模块，用于根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型；
抢占模块，用于预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示；
优化模块，用于若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型；
实施模块，用于按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。
本发明还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程序，所述计算机程序能够被执行以用于实现如上所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法的步骤。
本发明所提供的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，包括：对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源；根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型；预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示；若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型；按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。本发明通过预设抢占机制确定目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型，对eMBB和URLLC混合业务进行了灵活调度与资源分配，提升了eMBB用户的传输速率，并且满足了URLLC用户的多样化低时延需求。
附图说明
图1是本发明中5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法较佳实施例的流程图。
图2是智能制造的eMBB/URLLC混合业务场景图。
图3是不同微时隙、不同子载波间隔的子帧结构示意图。
图4是满足多样化时延需求的资源块类型示意图。
图5是eMBB/URLLC业务复用调度与资源分配示意图(包含时频资源块与综合穿孔/叠加的调度机制)。
图6是本发明中5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法较佳实施例中步骤S400的具体流程图。
图7是本发明中5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配装置较佳实施例的功能原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现如今，第五代移动通信技术(5G)的不断发展促使着制造业的智能化、规模化水平逐渐提高，日趋多元的智能制造业务会导致越来越多不同的通信需求，多种业务共存的情况也将越发普遍。因此，如何在有限的无线信道资源下，同时保障各类共存业务的不同通信需求是亟待解决的关键问题。现有的面向eMBB/URLLC混合业务的技术，仅考虑了突发的URLLC业务具有相同的时延需求，而在现实场景中，不同业务的时延需求是多元的。并且，解决混合业务类问题的核心，是需要突发的URLLC业务去抢占已分配时频资源的eMBB业务，现有技术所采用的抢占机制有各自的适用场景，缺乏可通用于各场景的灵活抢占机制。
也就是说，为满足URLLC/eMBB混合业务的不同通信需求，需要突发的低时延URLLC业务去抢占已分配时频资源的eMBB业务。但现有技术方案缺乏可通用于各类场景的灵活抢占机制与资源分配方案，且现有方案仅考虑了相同时延约束的URLLC业务，难以适用于以智能制造为例的各类URLLC/eMBB混合业务场景应用中。
本发明面向智能制造的eMBB/URLLC混合业务场景，提出满足异构时延需求、灵活调度机制的eMBB/URLLC动态复用方案，在最大化eMBB的实际可达速率的同时，满足URLLC的多样化时延需求。并且考虑eMBB业务和URLLC业务的不同时间尺度，结合无限块长编码理论与有限块长编码理论作为eMBB/URLLC混合业务场景的传输模型。为满足不同URLLC业务的多种不同时延需求，通过预设子载波间隔与微时隙组合来灵活设计时频资源块；为匹配更多的智能制造应用场景，用户可通过功率分配因子灵活选择穿孔或叠加两种资源抢占机制；考虑到因抢占而导致的eMBB传输速率损失函数，以最大化eMBB实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型，，从而提升系统的频谱效率与服务质量，拓展智能制造下的多场景的通信应用案例。
请参见图1，本发明实施例所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法包括以下步骤：
步骤S100、对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源。
用户需要通信资源才能进行信息传输，不同的用户对应的业务要分配不同的时频资源，这样就能保证类似用户间发的信息不互相干扰。由于eMBB类的大带宽业务，类似于高清视频，就需要在一段时间内有高的吞吐量，所以预先为eMBB业务分配时频资源。URLLC类的业务一般都是突发的，而且是短数据包，所以去抢占已分配给eMBB的通信资源，避免了资源闲置。
在一种实现方式中，所述步骤S100包括：在预设传输时间内，获取每个eMBB业务的传输速率；根据每个所述eMBB业务的传输速率，对eMBB业务进行时频资源预分配处理；确定每个eMBB业务的资源分配参数。
具体地，在预设传输时间内，基于传统无限块长传输理论得到第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔的可达速率为：
Figure BDA0003906878080000071
其中，第b个频率资源区间属于授权频率资源区间的集合B，具有相同的带宽W；所述T为传输时间间隔的长度；所述
Figure BDA0003906878080000072
为资源分配系数；所述
Figure BDA0003906878080000073
为信干燥比；
Figure BDA0003906878080000074
对系统内每一时隙的eMBB用户进行频域资源预分配，确定每个eMBB用户的资源分配参数。
步骤S100之后为：步骤S200、根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型。
本发明通过子载波间隔(subcarrier spacing，SCS)与微时隙(mini-time slot)来灵活设计时频资源块，以满足复用在eMBB中的URLLC业务的不同时延需求。具体地，为了满足不同应用场景的不同URLLC低时延需求，URLLC业务通过不同的子载波间隔与微时隙组合来抢占不同范围的时频资源块。子载波间隔和微时隙作为两个重要的低时延实现方法，分别通过降低每个符号的持续时间和降低一个持续时间中所包含的符号数量来降低时延。本发明中根据突发URLLC业务的低时延需求，选择合适的子载波间隔与微时隙组合，确定该URLLC所对应的时频资源块类型。
在一种实现方式中，所述步骤S200具体为：根据多样化的URLLC业务时延需求，对预设子载波间隔和预设微时隙的不同取值进行相互组合，得到不同的时频资源块类型；每一种时频资源块类型，所选的子载波间隔决定符号的持续时间，所选的微时隙决定包含的符号数量，以满足不同的URLLC业务时延需求。
也就是说，本发明采用面向多样化低时延需求的灵活时频资源块设计方法。现有技术仅考虑复用在URLLC的用户都具有相同的时延需求，相应的时频资源块都是一个形状的。本发明通过子载波间隔与微时隙来灵活设计时频资源块，时频资源块可以具有多种不同的形状，以满足不同的URLLC业务需求，更能匹配智能制造中的混合业务场景。
具体地，考虑在5G NR支持的下一代基站(gNB)将服务eMBB类业务用户终端ε＝{1，2，...，E}与URLLC类业务用户终端
Figure BDA0003906878080000081
如图2所示，gNB通过下行通信向用户发送数据，用户共存于相同的时频资源内。eMBB与URLLC用户具有不同的传输速率、可靠性以及时延业务需求，因此两类业务时间尺度不同，eMBB提供大数据带宽，主要应用于智能制造中的高清视频监控、虚拟现实等业务中，由于对时延要求不高，通常使用时隙(timeslot)作为时间尺度来进行资源分配；URLLC是突发的小数据量业务，主要应用于产线的离散自动运动控制、安全预警等业务中，具有很高的低时延要求，通常使用微时隙(mini-timeslot)作为时间尺度进行资源分配。
对于URLLC时延敏感类业务，如图3所示，通过两种方式来降低时延：(1)微时隙：每个URLLC数据包都使用一个微时隙来传输，一个微时隙可包含2、4或7个OFDM符号，因此传输持续时间要远小于传统时隙的14个OFDM符号。(2)子载波间隔SCS：可通过选择不同的参数μ＝0，1，2，3，4，来获得不同的子载波间隔Δf＝2μ×15kHz，参数μ越大，一个OFDM符号的持续越短(1/2μ/14ms)。
由于本发明考虑了URLLC用户具有不同的时延需求，因此通过子载波间隔与微时隙来灵活设计时频资源块(resource block，RB)，来满足多样化时延。URLLC复用在已分配的持续时间为T，带宽为W的eMBB用户的时频资源上，同5G NR每个资源块包含12个连续的子载波。本发明以三种子载波间隔15kHz、30kHz、60kHz(μ＝0，1，2)与两种微时隙(2，4个OFDM符号)为例相互组合构成不同类型的时频资源块(RB)。如图4所示，每个资源单元在频率轴上的带宽为β＝180kHz(12×15kHz)，在时间轴上的持续时间为τ＝1/28ms(2/2μ/14ms)。该资源单元作为最小时频单位所组成的不同类型的时频资源块，共6类：1×8形状的RB Type-1(4个OFDM符号的微时隙与15kHz的子载波间隔)；1×4形状的RB Type-2(2个OFDM符号的微时隙与15kHz的子载波间隔)；2×4形状的RB Type-3(4个OFDM符号的微时隙与30kHz的子载波间隔)；2×2形状的RB Type-4(2个OFDM符号的微时隙与30kHz的子载波间隔)；4×2形状的RB Type-5(4个OFDM符号的微时隙与60kHz的子载波间隔)；4×1形状的RB Type-6(2个OFDM符号的微时隙与60kHz的子载波间隔)。从RB Type-1开始，从上到下，从左到右依次编号，设
Figure BDA0003906878080000091
分别表示RB Type-1所有候选资源块的时间和频率的序号集合，这里N＝8为资源块中的资源单元数量；同理，RB Type-2所有候选资源块的时间和频率的序号集合为
Figure BDA0003906878080000092
RB Type-3所有候选资源块的时间和频率的序号集合为
Figure BDA0003906878080000093
Figure BDA0003906878080000094
其余类型的候选资源块的时频序号集合也可以依次获得。将
Figure BDA0003906878080000095
和
Figure BDA0003906878080000096
定义为时频维度上的所有类型的候选资源块集合，
Figure BDA0003906878080000097
Figure BDA0003906878080000098
不同的时频资源块可以满足URLLC用户不同的时延与可靠性要求。
在对eMBB用户进行时频资源分配时，与LTE相同，5G NR中每帧持续时间仍然是10ms，且一帧由10个子帧组成(Subframe)，每个子帧的持续时间(即每时隙的持续时间)为1ms，时域被分为连续的传输时间间隔(Transmission Time Interval，TTI)，一个TTI，
Figure BDA0003906878080000099
可能包括一个或多个时隙，基站在每个TTI的开始进行eMBB用户的资源调度，调度的时频资源块
Figure BDA00039068780800000910
如图5所示，每个用户所能分到的时间x轴和频率y轴的通信资源叫做时频资源。不同的用户要给他们分不同的时频资源，这样就能保证类似用户1和用户2发的信息不互相干扰。eMBB类的大带宽业务，需要在一段时间内有高的吞吐量，所以预先为eMBB业务分配时频资源。图6中x轴的每一个TTI对应于一个或多个eMBB用户的时隙。在TTI1中的某一时刻有URLLC业务出现时，如果让该URLLC业务等到下一个TTI2再分配时频资源，长等待实际无法满足URLLC的低时延要求；但是如果提前给这类业务分配专属的时频资源，由于其是偶发出现的，就会浪费通信资源。因此，当接收到URLLC业务需要马上抢占已经分配给eMBB的时频资源。
考虑URLLC的资源调度，假设URLLC类业务在传输时间内遵循泊松过程(Poissionprocess)，到达速率为λ。URLLC数据包到达后可以立即安排在正在进行的eMBB传输上的下一个微时隙(mini-time slot)中，以满足URLLC的低时延需求。因此URLLC会抢占正在进行的eMBB传输的下一个微时隙的时频资源。
现有的穿孔(puncturing)与叠加(superposition)两种抢占机制，由于这两种抢占机制有各自的适用情况(例如穿孔适用于两类用户信道状态相差不大时，并以牺牲eMBB性能为代价；叠加适用于两类用户信道状态差异较大时，并会影响URLLC的可靠性)，本发明综合考虑了两类抢占机制，以匹配各类场景和性能需求。
步骤S200之后为：步骤S300、预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示。
假设已调度的eMBB业务时频资源内，第(t，w)个资源块存在URLLC/eMBB复用，
Figure BDA0003906878080000101
通过控制URLLC功率分配因子
Figure BDA0003906878080000102
来确定复用在第e个eMBB的第l个URLLC采取何种抢占机制，该资源块上eMBB的功率分配因子为
Figure BDA0003906878080000103
具体地，本发明综合考虑两类抢占机制。现有技术仅考虑了穿孔或叠加的资源抢占方法，但两种方法使用的情况并不相同，例如穿孔适用于两类用户信道状态相差不大时，并以牺牲eMBB性能为代价；叠加适用于两类用户信道状态差异较大时，并会影响URLLC的可靠性。
具体地，本发明通过功率分配因子使得URLLC用户可以灵活选择任意抢占方法，
Figure BDA0003906878080000104
表示第l个URLLC用户抢占第e个用户的第(t，w)个资源块。(1)当功率分配因子
Figure BDA0003906878080000105
时代表URLLC业务对时频资源块进行穿孔抢占，即该资源块上eMBB的功率为0，所述时频资源块完全由URLLC业务占据；(2)当功率分配因子
Figure BDA0003906878080000106
时代表URLLC业务对时频资源块进行叠加抢占，eMBB和URLLC采用PR-NOMA的方式共享该资源块，所述时频资源块被eMBB业务和URLLC业务共享，且
Figure BDA0003906878080000107
的大小决定了哪种业务分配更大比例的功率；(3)
Figure BDA0003906878080000108
表示第l个URLLC用户没有抢占第e个用户的第(t，w)个资源块。
步骤S300之后为：步骤S400、若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型。
在一种实现方式中，如图6所示，所述步骤S400具体包括：
步骤S410、根据线性传输速率损失模型，得到被URLLC业务抢占后的eMBB实际可达速率；
步骤S420、基于有限块长编码理论得到所述URLLC业务的传输速率，根据所述传输速率计算所述URLLC业务的可靠性约束和时延约束；
步骤S430、以最大化所有eMBB业务的实际可达速率，满足所述URLLC业务的可靠性约束和时延约束为优化目标，得到目标eMBB业务和所述URLLC业务的资源分配参数与功率分配因子；
步骤S440、根据所述资源分配参数与功率分配因子，确定URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型。
由于eMBB和URLLC分别采用了时隙与微时隙作为时间尺度，经典的香农信息论可达容量准则仅适用于eMBB类用户，这种无限块长编码理论的不可避免地带来了较高延迟，因此基于有限块长编码理论的传输模型是满足URLLC低时延业务需求的必要理论基础。当eMBB/URLLC混合业务共存时，需要考虑基于有限块长与无限块长编码的传输理论。
本发明考虑由于URLLC业务抢占eMBB通信资源而造成的eMBB用户传输速率的损失，确定传输速率损失函数，考虑资源分配参数和功率分配因子，并结合无限块长编码理论和有限块长编码理论分别得到eMBB用户和URLLC用户的传输速率。
具体地，eMBB用户的业务基于传统无限块长传输理论，且考虑了由于URLLC穿孔抢占带来的eMBB数据速率损失(data rate loss)，通过线性传输速率损失函数，得到被抢占后的eMBB实际可达速率为：
Figure BDA0003906878080000111
其中，所述β为时频单元对应的频率值，所述τ为时频单元对应的时间值；所述
Figure BDA0003906878080000112
为第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔所分配的时频资源中被URLLC业务抢占的时频单元总数；
Figure BDA0003906878080000113
其中，所述t和w表示第(t，w)个时频资源块，所述
Figure BDA0003906878080000114
表示时间集合，所述
Figure BDA0003906878080000115
表示频率集合，所述l表示第l个URLLC业务，所述L表示URLLC业务的集合，所述
Figure BDA0003906878080000116
为功率分配因子；
预设抢占机制的功率分配因子为：
Figure BDA0003906878080000117
在已分配时频资源的第e个eMBB业务上，对于接收到的URLLC业务，由于其短报文和低时延的特点，基于有限块长编码理论得到第l个URLLC业务的传输速率为：
Figure BDA0003906878080000118
其中，所述β(t，w)为第(t，w)个时频资源块对应的频率值，所述τ(t，w)为第(t，w)个时频资源块对应的时间值，所述
Figure BDA0003906878080000119
为信干噪比，所述Vl为信道色散，所述Dl为第l个URLLC业务对应微时隙中包含的符号数，所述ε表示传输错误概率，所述Q-1(ε)为高斯Q函数的逆函数。
所述优化目标最大化所有eMBB业务的实际可达速率。
Figure BDA0003906878080000121
其中
Figure BDA0003906878080000122
为第e个eMBB业务在第I个传输时间间隔的实际可达速率，ε为所有eMBB业务集合。
URLLC受时延和可靠性约束，这里通过确保其中断概率小于阈值Θmax(Θmax＜＜1)实现可靠性约束。L(i)代表了第i个TTI达到的URLLC报文，URLLC的可靠性约束可定义为：
Figure BDA0003906878080000123
其中，所述
Figure BDA0003906878080000124
为URLLC业务的中断概率，所述θmax为预设阈值，所述re，l(i)表示URLLC业务传输速率，所述Le(i)表示第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔到达的URLLC业务总数，所述ζ表示URLLC报文大小；
所述URLLC业务的时延约束为：
Figure BDA0003906878080000125
其中，所述
Figure BDA0003906878080000126
为功率分配因子，所述τ(t，w)为第(t，w)个时频资源块对应的时间值，所述
Figure BDA0003906878080000127
为第l个URLLC业务的时延需求。
步骤S400之后为：步骤S500、按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。
具体地，所述URLLC业务抢占的是当前时频资源上的下一个微时隙，以满足所述URLLC业务的时延需求。
联合优化eMBB与URLLC调度、基于灵活的资源块并综合穿孔/叠加资源抢占机制的资源分配、基于功率分配，优化目标是最大化eMBB用户的实际可达速率，同时保证URLLC用户的可靠性与时延约束，提高了稳定的服务质量，提高了频谱效率。为了得到问题的有效解，利用divide-and-conquer策略，划分为两个资源分配子问题，即基于时隙的eMBB资源调度子问题和基于微时隙的URLLC资源调度子问题。
本发明达到了以下有益效果：第一、考虑了多样化的URLLC时延需求。通过不同的子载波间隔与微时隙的组合，灵活设计时频资源块的形状，以满足不同URLLC用户的不同时延要求。第二、考虑了灵活的URLLC资源抢占机制。当突发的URLLC业务复用在eMBB用户已分配时频资源时，根据不同应用场景的不同需求，通过功率分配因子来灵活选择采用穿孔或叠加的抢占方式，并设计相应的功率分配方案，以匹配更多的智能制造混合业务场景。第三、现有的经典的香农信息论可达容量准则并不适用于低时延的URLLC，因此本发明的eMBB与URLLC分别采用无限块长编码理论与有限块长编码理论的设计联合传输模型。第四、考虑到因抢占而导致的eMBB传输速率损失函数，以最大化eMBB可达速率为目标，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型。从而提升了服务质量与系统频谱效率，促进了5G甚至未来6G通信在智能制造这一垂直领域的应用与落地。
进一步地，如图7所示，基于上述5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，本发明还相应提供了一种5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配装置，可在基站运行，包括：
预分配模块100，用于对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源；
划分模块200，用于根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型；
抢占模块300，用于预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示；
优化模块400，用于若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型；
实施模块500，用于按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。
本发明还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程序，所述计算机程序能够被执行以用于实现如上所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法的步骤。
综上所述，本发明公开的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，包括：对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源；根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型；预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示；若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型；按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。本发明通过预设抢占机制对eMBB和URLLC混合业务进行了灵活调度与资源分配，提升了eMBB用户的传输速率，并且满足了URLLC用户的多样化低时延需求。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，包括：
对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源；
根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型；
预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示；
若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型；
按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。
2.根据权利要求1所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，所述对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源，包括：
在预设传输时间内，获取每个eMBB业务的传输速率；
根据每个所述eMBB业务的传输速率，对eMBB业务进行时频资源预分配处理；
确定每个eMBB业务的资源分配参数。
3.根据权利要求1所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，所述根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型，包括：
根据多样化的URLLC业务时延需求，对预设子载波间隔和预设微时隙的不同取值进行相互组合，得到不同的时频资源块类型；
每一种时频资源块类型，所选的子载波间隔决定符号的持续时间，所选的微时隙决定包含的符号数量，以满足不同的URLLC业务时延需求。
4.根据权利要求1所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，所述预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示，包括：
URLLC业务对时频资源块进行穿孔抢占，功率分配因子等于1，所述时频资源块完全由URLLC业务占据；
URLLC业务对时频资源块进行叠加抢占，功率分配因子大于0且小于1，所述时频资源块被eMBB业务和URLLC业务共享；
URLLC业务无法抢占时频资源块，功率分配因子等于0。
5.根据权利要求2所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，所述若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型，包括：
根据线性传输速率损失模型，得到被URLLC业务抢占后的eMBB实际可达速率；
基于有限块长编码理论得到所述URLLC业务的传输速率，根据所述传输速率计算所述URLLC业务的可靠性约束和时延约束；
以最大化所有eMBB业务的实际可达速率，满足所述URLLC业务的可靠性约束和时延约束为优化目标，得到目标eMBB业务和所述URLLC业务的资源分配参数与功率分配因子；
根据所述资源分配参数与功率分配因子，确定URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型。
6.根据权利要求5所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，所述被URLLC业务抢占后的eMBB实际可达速率为：
Figure FDA0003906878070000021
其中，第b个频率资源区间属于授权频率资源区间的集合B，具有相同的带宽W；所述T为传输时间间隔的长度；所述
Figure FDA0003906878070000022
为资源分配系数；所述
Figure FDA0003906878070000023
为信干燥比；
Figure FDA0003906878070000024
所述β为时频单元对应的频率值，所述τ为时频单元对应的时间值；所述
Figure FDA0003906878070000025
为第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔所分配的时频资源中被URLLC业务抢占的时频单元总数；
Figure FDA0003906878070000026
其中，所述t和w表示第(t,w)个时频资源块，所述
Figure FDA0003906878070000027
表示时间集合，所述
Figure FDA0003906878070000028
表示频率集合，所述l表示第l个URLLC业务，所述L表示URLLC业务的集合，所述
Figure FDA0003906878070000029
为功率分配因子；
预设抢占机制的功率分配因子为：
Figure FDA0003906878070000031
7.根据权利要求6所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，在已分配时频资源的第e个eMBB业务上，对于接收到的URLLC业务，基于有限块长编码理论得到第l个URLLC业务传输速率为：
Figure FDA0003906878070000032
其中，所述β(t,w)为第(t,w)个时频资源块对应的频率值，所述τ(t,w)为第(t,w)个时频资源块对应的时间值，所述
Figure FDA0003906878070000033
为信干噪比，所述Vl为信道色散，所述Dl为第l个URLLC业务对应微时隙中包含的符号数，所述ε表示传输错误概率，所述Q-1(ε)为高斯Q函数的逆函数。
8.根据权利要求7所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法，其特征在于，所述优化目标为：
Figure FDA0003906878070000034
其中，
Figure FDA0003906878070000035
为第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔的实际可达速率，ε为所有eMBB业务集合。所述优化目标最大化所有eMBB业务的实际可达速率；
所述URLLC业务的可靠性约束为：
Figure FDA0003906878070000036
其中，所述
Figure FDA0003906878070000037
为URLLC业务的中断概率，所述θmax为预设阈值，所述re,l(i)表示URLLC业务传输速率，所述Le(i)表示第e个eMBB业务在第i个传输时间间隔到达的URLLC业务总数，所述ζ表示URLLC报文大小；
所述URLLC业务的时延约束为：
Figure FDA0003906878070000038
其中，所述
Figure FDA0003906878070000041
为功率分配因子，所述τ(t,w)为第(t,w)个时频资源块对应的时间值，所述
Figure FDA0003906878070000042
为第l个URLLC业务的时延需求。
9.一种5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配装置，其特征在于，包括：
预分配模块，用于对eMBB业务进行资源预分配处理，确定每个eMBB业务对应的时频资源；
划分模块，用于根据多样化的URLLC业务时延需求对所述时频资源进行时频资源块划分，得到不同的时频资源块类型；
抢占模块，用于预设抢占机制，突发URLLC业务选用不同的抢占机制抢占eMBB业务预分配的时频资源，所述抢占机制采用功率分配因子表示；
优化模块，用于若接收到URLLC业务，以最大化所有eMBB业务的实际可达速率为目标，以URLLC业务的可靠性约束和时延约束为约束条件，确定所述URLLC业务抢占的目标eMBB业务、抢占机制以及时频资源块类型；
实施模块，用于按照所述抢占机制及所述时频资源块类型，控制所述URLLC业务对所述目标eMBB业务的时频资源进行抢占。
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程序，所述计算机程序能够被执行以用于实现如权利要求1～8任意一项所述的5G新空口下混合业务的综合调度与资源分配方法的步骤。
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