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CN111970703A - NB-IoT中的一种上行通信资源优化的方法 - Google Patents

NB-IoT中的一种上行通信资源优化的方法 Download PDF

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CN111970703A
CN111970703A CN202010587670.3A CN202010587670A CN111970703A CN 111970703 A CN111970703 A CN 111970703A CN 202010587670 A CN202010587670 A CN 202010587670A CN 111970703 A CN111970703 A CN 111970703A
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CN
China
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devices
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tti
iot
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Pending
Application number
CN202010587670.3A
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English (en)
Inventor
裴二荣
王振民
朱冰冰
张茹
杨光财
荆玉琪
周礼能
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Chongqing University of Post and Telecommunications
Original Assignee
Chongqing University of Post and Telecommunications
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/02—Resource partitioning among network components, e.g. reuse partitioning
    • H04W16/10—Dynamic resource partitioning

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明属于窄带物联网(Narrowband Internet of Things,NB‑IoT)领域，涉及NB‑IoT中的一种上行通信资源优化的方法。该方法在有限的上行通信资源中，根据系统中的实时负载情况，对窄带物理接入信道(Narrowband physical random access channel,NPRACH)和窄带物理上行共享信道(Narrowband physical uplink shared channel,NPUSCH)进行资源优化。具体步骤如下：S1：设置流量到达模型，设备最大重复次数；S2：第i个传输时间间隔(Transmission time interval,TTI)，根据最大容量准则控制接入的设备数；S3：根据接入设备数量得到成功传输的设备和丢包设备数；S4：预估t+1时隙的活跃设备数；S5：i←i+1，跳转至S2。本发明能够有效降低前导码的碰撞概率，同时能够获得良好的吞吐量性能，减少上行通信资源浪费。

Description

NB-IoT中的一种上行通信资源优化的方法
技术领域：
本发明属于窄带物联网领域，涉及NB-IoT中的一种上行通信资源优化的方法。
背景技术：
在NB-IoT系统中，数据通信主要由上行信道完成，如何合理利用上行资源，使服务设备数最多一直是研究的一个方向。大多数文献研究主要集中在如何降低前同步码冲突，通常假设NPUSCH的资源足够。然而，在实际系统中，因为上行信道的资源总数是固定的。如果更多的资源被分配给NPUSCH，则分配给NPRACH的资源将相应地减少。反过来，这会影响可用前同步码的数量。另一方面，一些NPUSCH可能被浪费在冲突的前同步码上，这进一步降低了资源使用的效率。
因此，针对实时的网络负载情况和信道资源情况，设计一个良好的接入控制机制是很有必要的，它能控制合理的设备接入，有助于提高信道的资源利用率，同时减少浪费在碰撞前导码上的NPUSCH资源，最大化设备接入吞吐量，降低通信时延。
1.发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种资源有限的动态接入控制算法，基站通过负载评估算法，可根据网络实时业务负载，在有限的上行资源中,保证 NPRACH和NPUSCH的合理利用，最大化系统总吞吐量，提高上行资源利用率。
我们拓展了传统的前导码，使它能传输UE ID(user equipment identity,用户设备信息)信息和NPRACH上的CRC(cyclic redundancy check,循环冗余校验)。所有UE的ID信息和CRC都映射到保护频带中相同的保留子载波。UE ID的长度和映射子载波的位置是预定义的。给定每个UE具有唯一的ID，当一个以上的UE选择相同的前同步码并在相同的预定义子载波上发送它们的ID时，由于干扰，基站不能正确地解码UE ID。因此，eNB认为冲突发生并且不会将NPUSCH 调度到该前同步码，可以避免资源浪费。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种资源有限的动态接入控制算法，该方法包括以下步骤：
S1：设置流量到达模型，设备最大重复次数；
S2：根据最大容量准则控制第i个TTI的接入的设备数；
S3：根据接入设备数量得到成功传输的设备和丢包设备数；
S4：预估第i+1个TTI的活跃设备数；
S5：i←i+1，跳转至S2。
进一步，在步骤S1中，模拟设备突发接入的业务场景，使用Beta(3,4)分布进行流量建模。在激活周期时间TA内，有i个TTI，发起接入的NB-IoT终端设各密度函数公式为:
Figure BDA0002555257320000021
每个传输时间间隔新到达设备数量为：
Figure BDA0002555257320000022
其中，N为激活时间内发送的设备总数。
为保证NB-IoT系统通信的准确性和高覆盖，一般用多次重复的方式来弥补。当设备传输重复的次数越多，其传输的结果越准确。本场景中，所有设备位于同一个覆盖等级，设备重复传输的次数最多为8次。当设备连续传输8次仍未成功，则丢弃该数据，并且上一TTI传输失败的设备将在下一TTI进行传输，无等待时间。
进一步，在步骤S2中。为了保证接入成功率最高，使用最优ACB(Access ControlBarring,接入控制限制)机制。当接入设备数不大于前导码个数时，ACB 因子可以设为1。当接入设备数量大于前导码个数时，则ACB因子的设置应该控制接入设备数量等于前导码个数时，此时接入的设备数量最大，即ACB因子为：
ρi＝min(1,M/Ni)
其中，M为前导码数量，Ni为第i个TTI中的激活设备数量。
最大容量准则是接入成功的前导码数量等于可以分配的PUSCH信道时，资源利用率最大。根据最优ACB机制，当上行资源为Q，前导码所占资源为η， PUSCH信道所占资源为μ，则最优接入的设备数量为：
Figure BDA0002555257320000031
进一步，在步骤S3中，成功的概率为ps，则成功的设备为
Figure BDA0002555257320000032
进一步，在步骤S4中，第i个TTI，接入成功的数量为
Figure BDA0002555257320000033
总设备数量Ni，新到达设备数量为
Figure BDA0002555257320000034
丢弃的设备数为
Figure BDA0002555257320000035
则i+1个TTI活跃设备数量为:
Figure BDA0002555257320000036
2.附图说明
为了使发明的目的，技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为NB-IoT上行链路资源图；
图2为NB-IoT设备通信示意图。
3.具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
NB-IoT中数据传输主要发生在上行链路，但是上行信道的资源是一定的，主要包括为NPRACH和NPUSCH两个信道资源，如图1所示。其中，NPRACH 负责设备随机接入，NPUSCH负责数据传输。
如图2所示，一个设备通信意味着要进行随机接入和数据传输两个过程。其中，NRACH占用的资源过多，导致接入设备的数据不能全部传输。反之，前导码数量减少，碰撞的概率增加，减小吞吐量，额外增加上行资源消耗。提出一种上行通信信道优化算法，动态控制接入设备数量，最大化成功通信设备数量。与一般的接入控制算法比较，考虑了有限的上行资源的有限性。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种资源有限的动态接入控制算法，该方法法包括以下步骤：
S1：设置流量到达模型，设备最大重复次数；
S2：根据最大容量准则控制第i个TTI的接入的设备数；
S3：根据接入设备数量得到成功传输的设备和丢包设备数；
S4：预估第i+1个TTI的活跃设备数；
S5：i←i+1，跳转至S2。
进一步，在步骤S1中，模拟设备突发接入的业务场景，使用Beta(3,4)分布进行流量建模。在激活周期时间TA内，有i个TTI，发起接入的NB-IoT终端设各密度函数公式为:
Figure BDA0002555257320000041
每个传输时间间隔新到达设备数量为：
Figure BDA0002555257320000042
其中，N为激活时间内发送的设备总数。
为保证NB-IoT系统通信的准确性和高覆盖，一般用多次重复的方式来弥补。当设备传输重复的次数越多，其传输的结果越准确。本场景中，所有设备位于同一个覆盖等级，其设备重复传输的次数最多为8次。当设备连续传输8次仍未成功，则丢弃该数据，并且上一TTI传输失败的设备将在下一TTI进行传输，无等待时间。
进一步，在步骤S2中。为了保证接入成功率最高，使用最优ACB(Access ControlBarring,接入控制限制)机制。当接入设备数不大于前导码个数时，ACB 因子可以设为1。当接入设备数量大于前导码个数时，则ACB因子的设置应该控制接入设备数量等于前导码个数时，此时接入的设备数量最大，即ACB因子为：
ρi＝min(1,M/Ni)
其中，M为前导码数量，Ni为第i个TTI中的激活设备数量。
最大容量准则是接入成功的前导码数量等于可以分配的PUSCH信道时，资源利用率最大。根据最优ACB机制，当上行资源为Q，前导码所占资源为η， PUSCH信道所占资源为μ，则最优接入的设备数量为：
Figure BDA0002555257320000043
进一步，在步骤S3中，成功的概率为ps，则成功的设备为
Figure BDA0002555257320000044
进一步，在步骤S4中，第i个TTI，接入成功的数量为
Figure BDA0002555257320000045
总设备数量Ni，新到达设备数量为
Figure BDA0002555257320000046
丢弃的设备数为
Figure BDA0002555257320000047
则i+1个TTI活跃设备数量为:
Figure BDA0002555257320000051
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.NB-IoT中的一种上行通信资源优化的方法，该方法包括以下步骤：
S1：设置流量到达模型，设备最大重复次数；
S2：根据最大容量准则控制第i个TTI的接入的设备数；
S3：根据接入设备数量得到成功传输的设备和丢包设备数；
S4：预估第i+1个TTI的活跃设备数；
S5：i←i+1，跳转至S2。
进一步，在步骤S1中，模拟设备突发接入的业务场景，使用Beta(3,4)分布进行流量建模。在激活周期时间TA内，有i个TTI，发起接入的NB-IoT终端设各密度函数公式为:
Figure FDA0002555257310000011
每个传输时间间隔新到达设备数量为：
Figure FDA0002555257310000012
其中，N为激活时间内发送的设备总数。
为保证NB-IoT系统通信的准确性和高覆盖，一般用多次重复的方式来弥补。当设备传输重复的次数越多，其传输的结果越准确。本场景中，所有设备位于同一个覆盖等级，其设备重复传输的次数最多为8次。当设备连续传输8次仍未成功，则丢弃该数据，并且上一TTI传输失败的设备将在下一TTI进行传输，无等待时间。
进一步，在步骤S2中。为了保证接入成功率最高，需要控制接入设备，可以使用ACB(Access Control Barring,接入控制限制)机制。当接入设备数不大于前导码个数时，ACB因子可为1。当接入设备数量大于前导码个数时，则控制接入设备数量等于前导码个数时，此时接入的设备数量最大，即ACB因子为：
ρi＝min(1,M/Ni)
其中，M为前导码数量，Ni为第i个TTI中的激活设备数量。
最大容量准则是接入成功的前导码数量等于可以分配的PUSCH信道时，资源利用率最大。根据最优ACB机制，当上行资源为Q，前导码所占资源为η，PUSCH信道所占资源为μ，则最优接入的设备数量为：
Figure FDA0002555257310000021
进一步，在步骤S3中，成功接入的设备概率为ps，则成功的设备为
Figure FDA0002555257310000022
进一步，在步骤S4中，第i个TTI，接入成功的数量为
Figure FDA0002555257310000023
总设备数量Ni，新到达设备数量为
Figure FDA0002555257310000024
丢弃的设备数为
Figure FDA0002555257310000025
则i+1个TTI活跃设备数量为:
Figure FDA0002555257310000026
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