一種基于LTE技術的物聯網上行鏈路資源分配方法與流程

本發明涉及一種無線通信領域的資源分配方法，特別是一種以LTE為回程網絡的上行資源分配方法。
背景技術：
：隨著智能感知、識別技術和無線通信技術的發展，物物相聯的概念已逐步深入人心，物聯網也被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。但是當前的物聯網只是將許多物理對象連接起來，可以相互進行通信、數據交換，并實現各類監測控制功能.這些網絡大多面向具體需求、采用專用協議，解決了各個網絡所有者當前關注的問題。而實現大規模的物物相聯仍是物聯網發展的一個趨勢。第三代合作伙伴計劃(The3rdGenerationPartnershipProject，簡稱為3GPP)長期演進(LongTermEvolution，簡稱為LTE)系統采用基站集中調度的方式來控制用戶設備(UserEquipment，簡稱為UE)的物理上行共享信道(PhysicalUplinkSharedChannel，簡稱為PUSCH)傳輸。LTE系統的上行信道資源分配以資源塊(ResourceBlock，簡稱為RB)為單位。資源塊用于描述物理信道(PhysicalChannel)到資源單元(ResourceElement，簡稱為RE)的映射。系統中定義了兩種資源塊：物理資源塊(PhysicalResourceBlock，簡稱為PRB)和虛擬資源塊(VirtualResourceBlock，簡稱為VRB)。一個物理資源塊PRB在頻域上占個連續的子載波(subcarrier)，其中子載波間隔為15kHz，即一個PRB在頻域上的寬度為180kHz。LTE幀長為10ms，每個幀又分為10個子幀(subframe)，每個子幀長為1ms，被稱為傳輸時間間隔(簡稱為TTI)，一個PRB在時域上占1個時隙(slot，0.5ms)，一個VRB具有與PRB相同的結構和大小。資源分配時，位于一個子幀內兩個時隙上的一對VRB是被一起分配的。LTE系統中，PUSCH采用連續資源分配(contiguousresourceallocation)方式，即一個UE的PUSCH在頻域上占有一段連續的帶寬，是整個上行系統帶寬的一部分。LTE的資源分配可在時域和頻域上進行。在時域上，每一個TTI進行一次資源分配；在頻域上是基于多個RB進行分配，RB在頻域上的寬度為180kHz。總的上行RB數目隨上行鏈路帶寬的變化而變化，具體見表1。LTE作為下一代無線通信的核心技術，也必然成為實現物聯網的主要核心技術之一。表1資源塊數目和信道帶寬的映射表信道帶寬(MHz)1.435101520RB數目NRB615255075100隨著物聯網技術的發展，物聯的需求也不斷增大，但物聯網通信的數據模式和要求是不同于傳統的LTE網絡。物聯網通信往往具有基于群組的通信，較低的移動性，小數據量傳輸，低功耗等特點。對于具體的應用，對通信速率和延時的要求也不盡相同。因此，在進行通信資源分配時，必須考慮到不同用戶的需求，滿足不同用戶的服務質量(簡稱為QoS)要求。現有的LTE上行鏈路的資源分配方案沒有針對物聯網的特點。物聯網通信有以下特點：1、物聯網的用戶終端數量非常龐大，而且有些終端節點由于電源和通信模塊的受限，并不能直接和eNB進行通信；2、單個感知節點傳輸的數據量普遍較小，小的數據傳輸往往會造成無線資源的利用率不高，并提出利用網關節點收集來自感知節點的信息并轉發，從而提高系統的利用率；3、LTE定義了1-9種不同的分類業務(簡稱為QCI)，但對于物聯網應用來說，分類數目太多反而會降低系統的性能。技術實現要素：本發明的目的是提出一種基于LTE技術的物聯網上行鏈路資源分配算法，為不同的應用提供QoS保障。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種基于LTE技術的物聯網上行鏈路資源分配方法，該物聯網采用兩級的網絡結構，包括底層及核心網，其中，底層是由各類感知控制設備相連構成的感知延伸網絡，感知延伸網絡通過網關節點和核心網相連，網關節點負責收集來自感知控制設備的數據，并把這些數據傳送給位于核心網的基站，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、定義N種不同的服務質量需求，N≥2；步驟2、在時域上，每一個傳輸時間間隔都執行一次資源分配算法，基站(eNB)根據用戶的服務質量需求對用戶進行差別化服務；在頻域上，由基站(eNB)根據各用戶提交的需求確定分配的資源塊數目，分配的資源是連續的資源塊，對于任意的第i個傳輸時間間隔，包括以下步驟：步驟2.1、將可用的資源塊數目nRB_avl初始化為NRB；步驟2.2、網關節點根據自己接收到的來自感知控制設備的數據流發送一個請求速率信息Rreq_k給基站；步驟2.3、基站根據來自用戶的服務質量需求，將用戶分為N個子集，所有子集按照優先級進行排序；步驟2.4、計算第i個傳輸時間間隔預分配給每個用戶的資源塊數目，其中，用戶k的資源塊數目為nk，k∈{1，…，k，…K}，K為總的用戶數目：Lk表示分配給用戶k的資源塊集合，假設所有的NRB都分配給用戶k，則Lk為所有的資源塊集合，利用下面公式計算得到每個資源塊能提供的速率rk：式中，B表示每個資源塊的帶寬；γeff，k表示有效的信噪比，|Lk|表示分配給用戶k的資源塊集合的基數，γk，l表示用戶k在第1個資源塊上的信噪比，pk，l表示用戶k在第1個資源塊上的發射功率，hk，l表示用戶k在第1個資源塊上的信道增益，σ2表示加性高斯白噪聲功率；則第i個傳輸時間間隔預分配給用戶k的資源塊數目nk＝Rreq_k/rk，并計算得到用戶k累計需分配的資源塊數目bk，bk＝bk+nk；步驟2.5、根據步驟2.4計算得到的需要分配給每個用戶的資源塊數目，按照優先級順序依次為步驟2.3確定的N個子集內的每個用戶分配資源塊，對于任意子集內的所有用戶而言，依據最近一次服務時間，按先后順序排序，最近一次服務時間最早的，排在最前面。優選地，在所述步驟1中定義3種不同的服務質量需求：第一種、需要可靠的速率和延遲保障，具有最高優先級；第二種、需要一定的速率和延遲保障，但到達速率沒有第一種高，且對速率的要求低于第一種，具有第二高的優先級；第三種、無速率和延遲要求，具有最低優先級。優選地，在所述步驟2.3中，將用戶分為3個子集：第一子集(S1)包含所有第一種服務質量需求的用戶，具有最高優先級；第二子集(S2)包含所有第二種服務質量需求的用戶，具有第二高的優先級；第三子集(S3)包含所有第三種服務質量需求的用戶，具有最低的優先級。優選地，在所述步驟2.5中，先分配第一子集(S1)內的所有用戶，對于第一子集(S1)內的用戶j而言，其累計需分配的資源塊數目為bj，若可用的資源塊數目nRB_avl＞bj，則分配連續的bj個資源塊給用戶j；若可用的資源塊數目nRB_avl＞0，再分配第二子集(S2)內的所有用戶；若可用的資源塊數目nRB_avl＞0，再分配第三子集(S3)內的所有用戶。本發明提出了一種基于LTE技術實現物聯的解決方案，并給出了在這種方案下基于QoS的上行鏈路資源的分配方法。在資源匱乏的條件下，優先給時延敏感類用戶分配資源，滿足此類用戶的帶寬需求；在資源充足的情況下，又能根據用戶的實際需求，按需給各用戶分配資源；在滿足QoS的基礎上，最大化系統的資源利用率。附圖說明圖1為本發明中的物聯網采用的網絡模型示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。如圖1所示，本發明中的物聯網是一個兩級的網絡結構。其中，底層是由各類感知控制設備(簡稱為IoTD)，如RFID、GPS、視頻監控系統、各類型傳感器等相連構成的感知延伸網絡。感知延伸網絡通過網關節點(簡稱為IoTG)和核心網相連。IoTG負責收集來自IoTD的數據，并把該數據傳送給基站(簡稱為eNB)。本發明還定義了三種不同的QoS需求：class1：需要可靠的速率和延遲保障，這一類數據的到達速率往往非常高；class2：需要一定的速率和延遲保障，但到達速率沒有class1高，且對速率的要求低于class1；class3：無速率和延遲要求。在時域上，每一個TTI都執行一次資源分配算法，eNB根據用戶的QoS需求對用戶進行差別化服務。class1具有最高的優先級；class2次之；class3的優先級最低。在頻域上，由eNB根據各用戶提交的需求確定分配的RB數目。分配的資源是連續的RB。對于任意的第i個TTI，執行如下算法：步驟1、將可用的資源塊數目nRB_avl初始化為NRB。步驟2、IoTG根據自己接收到的來自IoTD的數據流發送一個請求速率信息Rreq_k給eNB。步驟3、eNB根據來自用戶的QoS需求，將用戶分為3個子集：S1、S2、S3。其中S1包括所有優先級為class1的用戶，S2包括所有優先級為class2的用戶，S3包括所有優先級為class3的用戶。步驟4、計算第i個TTI預分配給每個用戶的資源塊數目，其中，用戶k的資源塊數目為nk，k∈{1，…，k，…K}，K為總的用戶數目：Lk表示分配給用戶k的資源塊集合，假設所有的NRB都分配給用戶k，則Lk為所有的資源塊集合，利用下面公式計算得到每個資源塊能提供的速率rk：式中，B表示每個資源塊的帶寬；γeff，k表示有效的信噪比，|Lk|表示分配給用戶k的資源塊集合的基數，γk，l表示用戶k在第1個資源塊上的信噪比，pk，l表示用戶k在第1個資源塊上的發射功率，hk，l表示用戶k在第1個資源塊上的信道增益，σ2表示加性高斯白噪聲功率；則第i個傳輸時間間隔預分配給用戶k的資源塊數目nk＝Rreq_k/rk，并計算得到用戶k累計需分配的資源塊數目bk，bk＝bk+nk；步驟5、根據步驟4計算得到的需要分配給每個用戶的資源塊數目，按照優先級順序依次為步驟2確定的3個子集內的每個用戶分配資源塊，對于任意子集內的所有用戶而言，依據最近一次服務時間，按先后順序排序，最近一次服務時間最早的，排在最前面。先分配第一子集S1內的所有用戶，對于第一子集S1內的用戶j而言，其累計需分配的資源塊數目為bj，若可用的資源塊數目nRB_avl＞bj，則分配連續的bj個資源塊給用戶j；若可用的資源塊數目nRB_avl＞0，再分配第二子集S2內的所有用戶；若可用的資源塊數目nRB_avl＞0，再分配第三子集S3內的所有用戶。本發明利用LTE構成回程網絡，將不同的感知網絡進行互聯，通過LTE技術將獨立的感知網絡和主干網相聯，實現物聯網；本發明利用網關節點建立感知節點和eNB間的數據傳輸，感知節點先將數據發送給對應的網關節點，再由網關節點將數據轉發給eNB。本發明只需設計相關的網關節點，在網關節點實現不同的接口，分別實現與感知節點和eNB的通信，即能實現將現有多樣化的感知網絡與LTE網絡互連，便于整合現有的傳感網技術；根據感知網絡的應用特點，定義了時延敏感，時延一般性敏感和無時延要求三種QoS需求，解決了LTE9種不同的分類業務QCI對物聯網應用而言分類數目太多反而會降低系統性能的問題。本發明也可以和現有的LTE分類業務QCI通過映射整合。本發明基于以上基礎，設計了基于QoS的上行鏈路資源調度算法，在資源匱乏的條件下，優先給時延敏感類用戶分配資源，滿足此類用戶的帶寬需求；在資源充足的情況下，又能根據用戶的實際需求，按需給各用戶分配資源；在滿足QoS的基礎上，最大化系統的資源利用率。當前第1頁1 2 3