基于LSTM的上行链路紧急资源分配方法、系统及设备

本技术涉及网络通信领域，具体而言，本技术涉及基于lstm的上行链路紧急资源分配方法、系统及设备。

背景技术：

1、工业应用数据业务根据其时序要求的不同，可分为周期业务和非周期业务两种类型。在工厂自动化系统中，周期业务是由控制器和现场设备(传感器和执行器)之间的快速数据交换产生的。例如传感器周期性的向控制器上传测量值，控制器定期的向执行器下发控制指令。这类业务的传输有紧迫的延迟要求，且对可靠性要求较高，但数据量很小，通常只有几个字节。工业非周期性业务通常是由外部的紧急事件触发的，例如检测到安全威胁等，这种情况下传输的数据量同样是有限的，但也面临严苛的延迟和可靠性要求。

2、这两种业务是工业系统中最典型的业务，周期业务要求周期性的传输数据，而非周期业务要求在极短的时间延迟内将紧急数据传输至目的地，当这两类业务需要协同传输时，现有的方案大都倾向于为非周期数据预留资源以满足其传输需求，问题在于非周期数据并非每时每刻都存在，因此这种方案显然会浪费资源，降低带宽利用率；而用于解决资源浪费问题的穿孔传输机制原理是只为周期数据提供传输资源，当非周期数据到来时允许非周期数据覆盖或占用周期数据的传输资源以满足非周期数据的严格传输要求，这种方案的弊端在于会严重影响周期数据的服务质量，降低系统的性能，因此制定高效的无线资源调度机制以满足各种数据共存时互不干扰、稳定可靠地传输，保障系统安全稳定的运行是一个很大的挑战。同时紧急数据和周期数据在无线网络中的协同传输是亟待解决的关键性问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了上行链路紧急资源分配方法、系统及设备，该资源分配方法基于lstm递归网络架构实现，本发明的技术方案是一种灵活高效的5g上行紧急业务资源预留和分配机制，利用基于预测的方式来计算和预留下一个时隙分配给紧急业务的资源，并利用基于竞争的多重复传输机制来传输数据量小的紧急数据。

2、本发明的第一个方面，提出了一种基于lstm的上行链路紧急资源分配方法，该资源分配方法基于lstm递归网络架构实现，并具体包括如下步骤：

3、实时获取多个节点发送的数据，并对数据进行解析，判断是否存在紧急数据，若存在，则执行基于lstm递归网络架构的资源分配，否则执行基于平稳状态下数据传输的资源分配；

4、在执行基于lstm递归网络架构的资源分配之前，预先构建lstm递归网络架构模型，包括：采集多类型的历史上行链路数据并进行预处理后作为模型的输入；确定模型的输入层、lstm层和输出层的节点数量，选择激活函数后进行模型训练，最后进行模型的测试，使得利用该lstm递归网络模型进行实时激活预测，并根据预测结果执行基于lstm递归网络架构的资源分配。

5、作为本发明进一步的改进，实时获取多个节点发送的数据，并对数据进行解析，判断是否存在紧急数据的步骤包括，预先部署多个节点，并将多个节点配置为用于传输周期性检测数据的np个节点，以及，用于传输紧急数据的ns个节点，解析数据后，若为来自ns个节点传输的紧急数据，判断出存在紧急数据，若为来自np个节点传输的数据，则判断出不存在紧急数据。

6、作为本发明进一步的改进，执行基于lstm递归网络架构的资源分配的步骤还包括构建t时刻的激活率λt表达式，如下式所示：

7、

8、其中，{λt|t＝1,2,...,p}表示紧急数据在过去p个传输周期上的激活率，{ξj|j＝1,2,...,q}表示方差为σ2的白噪声，{θj|j＝1,2,...,q}表示模型参数中待估计的白噪声，表示模型参数中待估计的激活率。

9、作为本发明进一步的改进，执行基于lstm递归网络架构的资源分配的步骤包括执行对于周期数据的资源分配和非周期数据的资源分配，其中，

10、对于周期数据的资源分配包括在一个时间长度为t的传输周期内动态地为周期数据分配传输资源，在总资源带宽w下设定周期数据传输的资源数量为(1-ηi)w，ηi表示紧急数据的资源占用比例，当周期数据的可用带宽减少时，在延迟范围内缩短重传资源池的大小来重新为周期数据分配资源块，在带宽发生变化后，通过分析周期数据的传输失败率计算来进行资源分配；

11、对于非周期的紧急数据传输，采用基于竞争的方式进行传输在预留的资源池中，每个用户随机选择一个子信道来传输其数据，采用多重复的传输机制，用户设备在连续的时隙随机选择子信道发送β个数据包的副本，预留给紧急数据的带宽为ηiw，并通过匹配出最小的带宽min(ηiw)来进行资源分配；

12、作为本发明进一步的改进，通过分析周期数据的传输失败率计算来进行资源分配的步骤包括：

13、在带宽变化后，假设在当前传输周期内一个时间长度为τ的tti时间内能传输的用户数量为mi，则一个传输周期内能传输的最大用户数量为则周期数据的传输失败率计算分析过程如下：

14、(1)当mi_max≤np时，表示当前留给周期用户的资源不能保证每个周期数据包都有传输机会，此时最多能传输mi_max个用户的数据包，剩余的k个用户注定传输失败，且无重传资源池可用，此时mi_max个用户的传输错误率为：

15、

16、则周期用户传输失败率表示如下

17、

18、上式中，k＝np-mi_max，ρ1表示第一次传输的链路丢失率，表示没有资源可以传输导致的传输失败，表示在传输过程中的失败率；

19、(2)当时，当前资源量并不足以满足周期用户接收ack和进行重传，但满足所有的周期用户能完成第一次数据包的传输，此时周期用户传输的失败率就是第一次传输的失败率：

20、

21、(3)当时，表示每个周期用户都至少有一次传输机会，且有重传机会，与平稳情况下的传输情况相同，则在截止时间的限制内，容纳重传的用户数为周期用户重传时的失败率为：

22、

23、此时周期用户传输失败的概率为：pi_err＝p1pi_2；

24、其中，n表示其它(np-1)个用户中传输失败的用户数量，tack表示等待接收ack所需要的时间，表示小于等于x的最大整数，表示大于等于x的最小整数。

25、作为本发明进一步的改进，通过匹配出最小的带宽min(ηiw)来进行资源分配的步骤包括：

26、预留给紧急资源的带宽ηiw在一个tti能传输的数据包个数则当前传输周期内可传输紧急数据包的总数量为：每个紧急用户传输β个数据包，假设当前用户有j个数据包不与其他用户发生碰撞概率为pc(i,j)，也即其他用户没有数据传输或者传输了但没有占用当前j个数据包所占用的资源块，则：

27、

28、因此当前用户与其它(ns-1)个用户没有发生碰撞的概率为：

29、

30、在考虑链路丢失的情况下，紧急用户传输失败的概率为：

31、

32、此时为满足紧急数据的qos所需要的最小带宽应满足：

33、min(ηiw)

34、c1:tdelay＜t

35、c2:pfail≤pf

36、其中，c1表示紧急数据需要在延迟要求范围内完成传输，tdelay表示紧急数据完成传输所需的时间，c2表示紧急数据传输的丢失率需足够小以满足可靠性要求，匹配出最小的ηi使得在限制条件下ηiw最小，基于预先设定的优先延迟要求，上式中条件c1始终满足；c2为非线性约束条件；

37、在此紧急状态下，紧急数据和周期数据在争相占用带宽，因此当前带宽利用率为：αurg＝1。

38、作为本发明进一步的改进，匹配出最小的ηi使得在限制条件下ηiw最小的步骤包括，构建惩罚函数f(ηi,u)＝ηiw-u(pfail-pf)，u是很小的正数，进行转换后在可行域为s＝{ηi|0＜ηi＜1}的无约束线性规划问题minf(ηi,u)，再通过梯度下降法求解最优解ηi。

39、作为本发明进一步的改进，执行基于平稳状态下数据传输的资源分配的步骤包括，

40、假设紧急数据和周期数据数据包的大小相同为bbit，在一个时间长度为τ的tti的时间内能传输的数据包的数量即一个tti服务的周期节点数量为m，其中m＜np，周期设备能忍受的延迟限制为t，等待接收ack所需的时间为tack,则在截止时间的限制内，容纳重传的用户数为：

41、

42、其中表示小于等于x的最大整数，表示大于等于x的最小整数；

43、由于各周期节点占用独立的资源块进行数据传输，数据包传输过程相互独立，则周期节点传输数据包的链路丢失符合二项分布(np,ρ)，其中ρ为链路丢失概率；周期节点i在延迟限制t时间内的传输分为第一次专用资源的传输和收到nack后第二次在重传资源池内传输两个阶段；若周期节点在两个阶段都传输失败，则判定为该节点在当前周期传输失败；

44、假设第一次传输的链路丢失率为ρ1，周期节点在第一次的专用资源块上传输失败的概率为：

45、

46、若第一次传输失败的节点会在资源块数量为mres的资源池内重传，假设在第一次传输过程中其它(np-1)个节点有n个节点数据包传输失败，且在第二次传输的链路丢失率为ρ2，重传输失败的概率为：

47、

48、此时，周期用户数据包传输的失败率为pp_err＝p1p2，资源利用率：αsta＝(1-η)。

49、本发明的第二个方面，本发明提出了一种基于lstm的上行链路紧急资源分配方法的分配系统，该分配系统基于lstm递归网络架构实现，包括单个基站和一组传感器节点组成，其中，

50、基站实时获取多个传感器节点发送的数据，并对数据进行解析，判断是否存在紧急数据，若存在，则执行基于lstm递归网络架构的资源分配，否则执行基于平稳状态下数据传输的资源分配；

51、在执行基于lstm递归网络架构的资源分配之前，预先构建lstm递归网络架构模型，包括：采集多类型的历史上行链路数据并进行预处理后作为模型的输入；确定模型的输入层、lstm层和输出层的节点数量，选择激活函数后进行模型训练，最后进行模型的测试，使得利用该lstm递归网络模型进行实时激活预测，并根据预测结果执行基于lstm递归网络架构的资源分配。

52、第三方面，本发明还提出了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；以及与所述一个或多个处理器关联的存储器，所述存储器用于存储程序指令,所述程序指令在被所述一个或多个处理器读取执行时，执行第一方面所述的方法的步骤。

53、本发明提出了一种基于lstm的上行链路紧急资源分配方法、系统及设备，本发明的技术方案对于没有紧急数据传输平稳状态，采用免授权的5g上行自由传输方案，大幅减少数据地端对端传输延迟，并能进一步提高传输的可靠性。对于需要传输紧急数据的紧急状态，利用lstm递归神经网络根据紧急数据的历史传输周期的激活率预测下一传输周期的紧急数据激活率，根据预测激活率动态的为周期数据和紧急数据预留资源，并采用基于竞争的方案来完成紧急数据的传输，以在满足紧急数据传输条件的前提下最小化对周期数据传输的影响，最大化系统的资源利用率。