一种基于LTE技术的物联网上行链路资源分配方法与流程

本发明涉及一种无线通信领域的资源分配方法，特别是一种以LTE为回程网络的上行资源分配方法。
背景技术：
：随着智能感知、识别技术和无线通信技术的发展，物物相联的概念已逐步深入人心，物联网也被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。但是当前的物联网只是将许多物理对象连接起来，可以相互进行通信、数据交换，并实现各类监测控制功能.这些网络大多面向具体需求、采用专用协议，解决了各个网络所有者当前关注的问题。而实现大规模的物物相联仍是物联网发展的一个趋势。第三代合作伙伴计划(The3rdGenerationPartnershipProject，简称为3GPP)长期演进(LongTermEvolution，简称为LTE)系统采用基站集中调度的方式来控制用户设备(UserEquipment，简称为UE)的物理上行共享信道(PhysicalUplinkSharedChannel，简称为PUSCH)传输。LTE系统的上行信道资源分配以资源块(ResourceBlock，简称为RB)为单位。资源块用于描述物理信道(PhysicalChannel)到资源单元(ResourceElement，简称为RE)的映射。系统中定义了两种资源块：物理资源块(PhysicalResourceBlock，简称为PRB)和虚拟资源块(VirtualResourceBlock，简称为VRB)。一个物理资源块PRB在频域上占个连续的子载波(subcarrier)，其中子载波间隔为15kHz，即一个PRB在频域上的宽度为180kHz。LTE帧长为10ms，每个帧又分为10个子帧(subframe)，每个子帧长为1ms，被称为传输时间间隔(简称为TTI)，一个PRB在时域上占1个时隙(slot，0.5ms)，一个VRB具有与PRB相同的结构和大小。资源分配时，位于一个子帧内两个时隙上的一对VRB是被一起分配的。LTE系统中，PUSCH采用连续资源分配(contiguousresourceallocation)方式，即一个UE的PUSCH在频域上占有一段连续的带宽，是整个上行系统带宽的一部分。LTE的资源分配可在时域和频域上进行。在时域上，每一个TTI进行一次资源分配；在频域上是基于多个RB进行分配，RB在频域上的宽度为180kHz。总的上行RB数目随上行链路带宽的变化而变化，具体见表1。LTE作为下一代无线通信的核心技术，也必然成为实现物联网的主要核心技术之一。表1资源块数目和信道带宽的映射表信道带宽(MHz)1.435101520RB数目NRB615255075100随着物联网技术的发展，物联的需求也不断增大，但物联网通信的数据模式和要求是不同于传统的LTE网络。物联网通信往往具有基于群组的通信，较低的移动性，小数据量传输，低功耗等特点。对于具体的应用，对通信速率和延时的要求也不尽相同。因此，在进行通信资源分配时，必须考虑到不同用户的需求，满足不同用户的服务质量(简称为QoS)要求。现有的LTE上行链路的资源分配方案没有针对物联网的特点。物联网通信有以下特点：1、物联网的用户终端数量非常庞大，而且有些终端节点由于电源和通信模块的受限，并不能直接和eNB进行通信；2、单个感知节点传输的数据量普遍较小，小的数据传输往往会造成无线资源的利用率不高，并提出利用网关节点收集来自感知节点的信息并转发，从而提高系统的利用率；3、LTE定义了1-9种不同的分类业务(简称为QCI)，但对于物联网应用来说，分类数目太多反而会降低系统的性能。技术实现要素：本发明的目的是提出一种基于LTE技术的物联网上行链路资源分配算法，为不同的应用提供QoS保障。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于LTE技术的物联网上行链路资源分配方法，该物联网采用两级的网络结构，包括底层及核心网，其中，底层是由各类感知控制设备相连构成的感知延伸网络，感知延伸网络通过网关节点和核心网相连，网关节点负责收集来自感知控制设备的数据，并把这些数据传送给位于核心网的基站，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、定义N种不同的服务质量需求，N≥2；步骤2、在时域上，每一个传输时间间隔都执行一次资源分配算法，基站(eNB)根据用户的服务质量需求对用户进行差别化服务；在频域上，由基站(eNB)根据各用户提交的需求确定分配的资源块数目，分配的资源是连续的资源块，对于任意的第i个传输时间间隔，包括以下步骤：步骤2.1、将可用的资源块数目nRB_avl初始化为NRB；步骤2.2、网关节点根据自己接收到的来自感知控制设备的数据流发送一个请求速率信息Rreq_k给基站；步骤2.3、基站根据来自用户的服务质量需求，将用户分为N个子集，所有子集按照优先级进行排序；步骤2.4、计算第i个传输时间间隔预分配给每个用户的资源块数目，其中，用户k的资源块数目为nk，k∈{1，…，k，…K}，K为总的用户数目：Lk表示分配给用户k的资源块集合，假设所有的NRB都分配给用户k，则Lk为所有的资源块集合，利用下面公式计算得到每个资源块能提供的速率rk：式中，B表示每个资源块的带宽；γeff，k表示有效的信噪比，|Lk|表示分配给用户k的资源块集合的基数，γk，l表示用户k在第1个资源块上的信噪比，pk，l表示用户k在第1个资源块上的发射功率，hk，l表示用户k在第1个资源块上的信道增益，σ2表示加性高斯白噪声功率；则第i个传输时间间隔预分配给用户k的资源块数目nk＝Rreq_k/rk，并计算得到用户k累计需分配的资源块数目bk，bk＝bk+nk；步骤2.5、根据步骤2.4计算得到的需要分配给每个用户的资源块数目，按照优先级顺序依次为步骤2.3确定的N个子集内的每个用户分配资源块，对于任意子集内的所有用户而言，依据最近一次服务时间，按先后顺序排序，最近一次服务时间最早的，排在最前面。优选地，在所述步骤1中定义3种不同的服务质量需求：第一种、需要可靠的速率和延迟保障，具有最高优先级；第二种、需要一定的速率和延迟保障，但到达速率没有第一种高，且对速率的要求低于第一种，具有第二高的优先级；第三种、无速率和延迟要求，具有最低优先级。优选地，在所述步骤2.3中，将用户分为3个子集：第一子集(S1)包含所有第一种服务质量需求的用户，具有最高优先级；第二子集(S2)包含所有第二种服务质量需求的用户，具有第二高的优先级；第三子集(S3)包含所有第三种服务质量需求的用户，具有最低的优先级。优选地，在所述步骤2.5中，先分配第一子集(S1)内的所有用户，对于第一子集(S1)内的用户j而言，其累计需分配的资源块数目为bj，若可用的资源块数目nRB_avl＞bj，则分配连续的bj个资源块给用户j；若可用的资源块数目nRB_avl＞0，再分配第二子集(S2)内的所有用户；若可用的资源块数目nRB_avl＞0，再分配第三子集(S3)内的所有用户。本发明提出了一种基于LTE技术实现物联的解决方案，并给出了在这种方案下基于QoS的上行链路资源的分配方法。在资源匮乏的条件下，优先给时延敏感类用户分配资源，满足此类用户的带宽需求；在资源充足的情况下，又能根据用户的实际需求，按需给各用户分配资源；在满足QoS的基础上，最大化系统的资源利用率。附图说明图1为本发明中的物联网采用的网络模型示意图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图1所示，本发明中的物联网是一个两级的网络结构。其中，底层是由各类感知控制设备(简称为IoTD)，如RFID、GPS、视频监控系统、各类型传感器等相连构成的感知延伸网络。感知延伸网络通过网关节点(简称为IoTG)和核心网相连。IoTG负责收集来自IoTD的数据，并把该数据传送给基站(简称为eNB)。本发明还定义了三种不同的QoS需求：class1：需要可靠的速率和延迟保障，这一类数据的到达速率往往非常高；class2：需要一定的速率和延迟保障，但到达速率没有class1高，且对速率的要求低于class1；class3：无速率和延迟要求。在时域上，每一个TTI都执行一次资源分配算法，eNB根据用户的QoS需求对用户进行差别化服务。class1具有最高的优先级；class2次之；class3的优先级最低。在频域上，由eNB根据各用户提交的需求确定分配的RB数目。分配的资源是连续的RB。对于任意的第i个TTI，执行如下算法：步骤1、将可用的资源块数目nRB_avl初始化为NRB。步骤2、IoTG根据自己接收到的来自IoTD的数据流发送一个请求速率信息Rreq_k给eNB。步骤3、eNB根据来自用户的QoS需求，将用户分为3个子集：S1、S2、S3。其中S1包括所有优先级为class1的用户，S2包括所有优先级为class2的用户，S3包括所有优先级为class3的用户。步骤4、计算第i个TTI预分配给每个用户的资源块数目，其中，用户k的资源块数目为nk，k∈{1，…，k，…K}，K为总的用户数目：Lk表示分配给用户k的资源块集合，假设所有的NRB都分配给用户k，则Lk为所有的资源块集合，利用下面公式计算得到每个资源块能提供的速率rk：式中，B表示每个资源块的带宽；γeff，k表示有效的信噪比，|Lk|表示分配给用户k的资源块集合的基数，γk，l表示用户k在第1个资源块上的信噪比，pk，l表示用户k在第1个资源块上的发射功率，hk，l表示用户k在第1个资源块上的信道增益，σ2表示加性高斯白噪声功率；则第i个传输时间间隔预分配给用户k的资源块数目nk＝Rreq_k/rk，并计算得到用户k累计需分配的资源块数目bk，bk＝bk+nk；步骤5、根据步骤4计算得到的需要分配给每个用户的资源块数目，按照优先级顺序依次为步骤2确定的3个子集内的每个用户分配资源块，对于任意子集内的所有用户而言，依据最近一次服务时间，按先后顺序排序，最近一次服务时间最早的，排在最前面。先分配第一子集S1内的所有用户，对于第一子集S1内的用户j而言，其累计需分配的资源块数目为bj，若可用的资源块数目nRB_avl＞bj，则分配连续的bj个资源块给用户j；若可用的资源块数目nRB_avl＞0，再分配第二子集S2内的所有用户；若可用的资源块数目nRB_avl＞0，再分配第三子集S3内的所有用户。本发明利用LTE构成回程网络，将不同的感知网络进行互联，通过LTE技术将独立的感知网络和主干网相联，实现物联网；本发明利用网关节点建立感知节点和eNB间的数据传输，感知节点先将数据发送给对应的网关节点，再由网关节点将数据转发给eNB。本发明只需设计相关的网关节点，在网关节点实现不同的接口，分别实现与感知节点和eNB的通信，即能实现将现有多样化的感知网络与LTE网络互连，便于整合现有的传感网技术；根据感知网络的应用特点，定义了时延敏感，时延一般性敏感和无时延要求三种QoS需求，解决了LTE9种不同的分类业务QCI对物联网应用而言分类数目太多反而会降低系统性能的问题。本发明也可以和现有的LTE分类业务QCI通过映射整合。本发明基于以上基础，设计了基于QoS的上行链路资源调度算法，在资源匮乏的条件下，优先给时延敏感类用户分配资源，满足此类用户的带宽需求；在资源充足的情况下，又能根据用户的实际需求，按需给各用户分配资源；在满足QoS的基础上，最大化系统的资源利用率。当前第1页1 2 3