基于NB-IoT的低轨卫星物联网的资源调度方法

本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种基于nb-iot的低轨卫星物联网的资源调度方法。

背景技术：

1、nb-iot技术,即窄带物联网，lte rel-13引入该技术以支持低数率机器类型通信。nb-iot占用180khz带宽，这与lte的帧结构中一个资源块的带宽是一样的。相比lte中以prb为基本资源调度单位，nb-iot的上行共享物理信道npusch以灵活的时频资源组合进行调度，调度的基本单位称作资源单元(resource unit，ru)。

2、近年来，作为地面通信网络的扩大与补充，近地轨道(low-earth-orbit，leo)卫星通信系统得到了快速发展。基于nb-iot的低轨卫星物联网由于其较低的传输损耗和时延的特点，且可以通过星座方式对地球实现无缝覆盖的优势，为偏远地区用户的接入提供了一个有前景的解决方案，成为辅助地面网络实现万物互联的可靠选择。为了解决低轨卫星物联网存在的诸多问题，有必要充分考虑低轨卫星的特点，同时保证用户的qos需求设计资源调度算法。

3、目前绝大部分基于nb-iot的资源调度方法都是在地面场景下，包括以最小化系统的能耗为目标，提出的一种超可靠通信的高能效上行资源单元调度；以及以最大化系统服务设备数为目标设计的一种基于用户qos需求的动态上行资源调度算法。由于没有考虑低轨卫星的特点，因此不适合高速运动的低轨卫星物联网场景。此外，针对卫星物联网场景提出的基于nb-iot的高效的上行数据传输资源调度策略没有考虑到不同用户间qos需求的多样性，也没有充分利用nb-iot的特性。

4、有鉴于此，有必要设计一种基于nb-iot的低轨卫星物联网的资源调度方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于nb-iot的低轨卫星物联网的资源调度方法，能够降低资源调度过程中的浪费，提高系统的吞吐量。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于nb-iot的低轨卫星物联网的资源调度方法，包括如下步骤：

3、s1、根据3gpp tr25.913规范支持的最大差分多普勒频移计算沿卫星运动方向的最大距离，确定分组数，对卫星覆盖范围内的用户分组；

4、s2、遍历每一组用户，根据组中用户的信道条件以及待传数据量来确定组内每个用户ru类型和所需ru数量的可行二元组集合，ru用于表示资源单元；

5、s3、根据可靠性和时延qos约束，得到每个可行二元组对应的ru上行传输重复次数，将二元组升级为三元组；

6、s4、基于用户在资源池占据最小时频资源原则，确定用户占用资源的最佳三元组参数，所述三元组参数包括最佳ru类型、所需ru数量及ru上行传输重复次数；

7、s5、按照单位时频资源的待传数据量，对用户进行降序排序；

8、s6、按所述s5中的排序依次调度，调度前基于所述s4确定的三元组参数计算选择特定子载波集的资源浪费函数，基于资源浪费最小原则确定分配给用户的时频位置；

9、s7、调度完成后，更新子载波的可用调度子帧及资源分配状态矩阵；

10、s8、判断所有子载波下调度子帧是否耗尽，若耗尽则该组用户完成调度，否则重复所述s6；

11、s9、判断是否遍历完所有的卫星覆盖范围内用户分组，若没有遍历完成所有的卫星覆盖范围内用户分组，则重复所述s2。

12、作为本发明的进一步改进，所述s1中对分组数ngroup进行计算，公式如下：

13、

14、

15、其中，是沿卫星运动方向的差分多普勒频移，根据3gpp tr25.913要求，最大值为950hz；f用于表示载频，ws用于表示卫星在eci坐标系下的角速度，re用于表示地球半径，c用于表示光速，r用于表示卫星轨道半径，d用于表示沿卫星方向最大距离；dcell用于表示小区直径，对进行向上取整以确定分组数ngroup。

16、作为本发明的进一步改进，所述s2确定ru类型和所需ru数量的可行二元组集合，具体包括如下步骤：

17、s21、根据用户信道条件，确定每个用户的链路信噪比

18、

19、其中，用于表示用户的链路信噪比，eirp用于表示发射天线的有效同向辐射功率，gr用于表示天线增益，t用于表示等效系统温度，gr/t用于表示在具有天线增益gr和等效系统温度t的接收机处的性能图，fspl为自由空间传播损耗，aloss和adloss分别表示由于气体、雨衰等引起的大气损失和由于馈线链路引起的额外损失，k用于表示玻尔兹曼常数，bw用于表示通信带宽，h_rice(db)用于表示莱斯信道中多径引起的小尺度衰落的叠加；

20、s22、根据卫星成功解码用户数据条件，确定ru类型和调制编码方案mcsi的可行组合的集合ai：

21、

22、其中，用于表示ru类型，mcsi用于表示调制编码方案，ai用于表示可行组合的集合，j表示可行组合的索引，mcsi,j分别用于表示特定索引j下的ru类型和调制编码方案，snr表示解调门限，bler用于表示系统的误块率；

23、s23、基于3gpp ts36.213，根据待传数据量di，mcsi获取每个用户的所需ru数量由于mcsi和一一对应，二元组集合ai更新为其中，di用于表示待传数据量，用于表示用户的所需ru数量，用于表示在特定索引j下的用户的所需ru数量。

24、作为本发明的进一步改进，所述s3具体为：基于用户的时延约束以及可靠性约束计算到允许的ru上行传输重复次数并将ai升级为三元组集合，即公式如下：

25、

26、其中，用于表示ru上行传输重复次数，ri用于表示每个用户的可靠性要求，di用于表示每个用户的时延要求，用于表示数据单次传输的成功率，表示ru类型是时所需的时隙数，l是0到7范围内的整数。

27、作为本发明的进一步改进，所述s4中的最佳三元组参数的具体公式如下：

28、

29、其中，ai*、分别用于表示最佳三元组、最佳ru类型、最佳ru数以及最佳重复次数。

30、作为本发明的进一步改进，所述s5中按照单位时频资源的待传数据量，对用户进行降序排序，具体公式如下：

31、

32、其中，areai用于表示用户的时频资源的面积，分别用于表示所述s4确定的最佳ru数量、最佳重复次数以及ru类型，表示ru类型是时所需的时隙数，dend表示最后一个用户的待传数据量，areaend表示最后一个用户的时频资源面积。

33、作为本发明的进一步改进，所述s6具体为：定义一个函数表示用户的ru被分配在特定子载波集上的潜在资源浪费，按s5提供的顺序依次调度，每次调度前基于s4确定的参数计算选择特定子载波集的资源浪费函数，基于资源浪费最小原则来确定分配给用户的时频位置；包括如下步骤：

34、s61、考虑资源调度中的dci延迟约束，即每个用户只能在npdcch资源分配的k0子帧后进行npusch资源分配，计算每个用户的最佳k0，公式如下：

35、

36、其中，k0用于表示nb-iot中窄带物理下行控制信道npdcch和窄带物理上行共享信道npusch子帧间的延迟，表示用户的最佳k0，用于表示dci子帧索引，用于表示可选子载波集合，sk用于表示第k个子载波的最早可用调度子帧，不考虑dci调度延迟的条件下，为用户在选定子载波集上的最早可用资源分配开始时间；考虑dci调度延迟的条件下，用户在选定子载波集的最早可用资源分配开始时间为用于表示用户在选定子载波集的最早可用资源分配开始时间；

37、s62、定义函数用于反映uei的rus被分配在子载波集上的潜在资源浪费，公式如下：

38、

39、其中，(·)+＝max{·,0}，输出大于等于0的值；

40、s63、基于公式(9)，uei具有最小的最佳子载波集时，公式如下：

41、

42、其中，是当使用确定的最佳ru类型时，所有可用子载波集组成的集合，用于表示用户具有最小的最佳子载波集；

43、通过uei的最佳子载波集，得到uei的起始调度时间为对应的

44、作为本发明的进一步改进，所述s7具体为：每次调度完，更新每个子载波的可用调度子帧以及资源分配状态矩阵o，其中使用b×w×n的矩阵o用于表示系统资源分配的状态，b表示总的可用子载波数，w表示总的可用子帧数，n表示总用户数。ob,w,i＝1用于表示子载波b下的子帧w己被分配给了用户i,否则ob,w,i＝0。

45、本发明的有益效果是：本发明基于nb-iot的低轨卫星物联网的资源调度方法首先针对用户间的较大差分多普勒频移，对用户进行分组，对于每组用户考虑qos约束，利用了nb-iot的重复发送机制，显著提升了算法性能。通过确定用户的时隙数、子载波数以及调度顺序，然后基于最小资源浪费原则确定用户的时频资源位置，同时考虑信令对资源调度的影响；有效地降低了资源调度过程中的浪费，提高了系统吞吐量，解决了海量物联网终端在请求无线资源进行通信且资源受限的问题。