專利名稱：一種hsdpa系統(tǒng)的分組調(diào)度和信道分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用的分組調(diào)度和信道資源分配技術(shù)。
背景技術(shù)：
為了提高UMTS/WCDMA系統(tǒng)的分組數(shù)據(jù)傳輸能力，3GPP在其Release 5協(xié)議規(guī)范中增加了高速下行共享傳輸信道(HS-DSCH)對分組業(yè)務(wù)的支持，同時對原有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)做出了有利于高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)整將無線資源管理功能從RNC(Radio Network Controller)轉(zhuǎn)移到更加靠近空中接口的Node B，提出了高速下行分組接入(HSDPA)的3.5G系統(tǒng)概念。與較早版本Release 99中的下行分組數(shù)據(jù)傳輸模式相比，HSDPA采用了由Node B控制的物理層快速信道自適應(yīng)和混合反饋重傳等多種無線傳輸增強(qiáng)技術(shù)，以實現(xiàn)HSDPA系統(tǒng)對10.7Mbps峰值比特速率的支持。
Release 5協(xié)議除了引入自適應(yīng)調(diào)制編碼(adaptive modulation and coding)，混合反饋重傳(hybrid automatic repeat request)，快速小區(qū)選擇(fast cell selection)和MIMO(multiple input andmultiple output)的HSDPA增強(qiáng)技術(shù)外，調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)體系實現(xiàn)了對快速調(diào)度(fast scheduling)技術(shù)的支持。HSDPA系統(tǒng)可以以2ms的調(diào)度周期精度對無線資源進(jìn)行調(diào)配。HSDPA系統(tǒng)MAC層的分組調(diào)度和資源分配策略將在很大程度上影響系統(tǒng)的無線資源利用效率。
隨著無線通信技術(shù)及其業(yè)務(wù)的不斷進(jìn)展，在HSDPA系統(tǒng)中實現(xiàn)對多媒體業(yè)務(wù)的支持已是大勢所趨。如何對多種業(yè)務(wù)共存環(huán)境下的分組隊列進(jìn)行合理調(diào)度，為每種業(yè)務(wù)分配恰當(dāng)?shù)馁Y源份額(信道數(shù))既是為用戶業(yè)務(wù)提供可靠QoS保證的要求同時也是提高系統(tǒng)資源利用率的需求。
現(xiàn)有的輪詢(Round Rubin)算法，其采用固定的順序為分組用戶提供輪流服務(wù)，能在單一業(yè)務(wù)環(huán)境下為分組用戶提供服務(wù)機(jī)會上的絕對公平；公平比(Proportional fair)算法以用戶的實時信道傳輸能力和用戶獲得的平均傳輸速率之比來確定用戶的服務(wù)順序，其在兼顧系統(tǒng)容量的同時為用戶提供了分組傳輸速率上的公平性。雖然這兩種方法能在單一業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境下為分組用戶提供一定程度的服務(wù)公平，但是不能在多業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境下為不同的分組用戶提供有差別的QoS保證。而對于一些實時分組調(diào)度算法，如Modified Largest Weighted Delay Firs和Exponential rule等，其調(diào)度策略考慮的是分組業(yè)務(wù)的傳輸時延，吞吐量和丟包率QoS要求，而并未考慮分組業(yè)務(wù)實時得到的QoS水平。由于這類算法不能對業(yè)務(wù)的QoS水平進(jìn)行監(jiān)測，不能根據(jù)業(yè)務(wù)獲得的當(dāng)前QoS水平與期望QoS之間的差值為分組業(yè)務(wù)提供與其狀態(tài)相匹配的調(diào)度份額，通常會出現(xiàn)在分組傳輸過程中不能有效的將“急需”服務(wù)分組隊列從一般的隊列中區(qū)分開來，導(dǎo)致多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用中時延要求較高業(yè)務(wù)分組的丟包率上升，獲得較差分組傳輸速率的分組業(yè)務(wù)得不到及時服務(wù)，引起調(diào)度資源的浪費(fèi)和系統(tǒng)容量的降低。有鑒于此，針對HSDPA系統(tǒng)的多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用，需要一種既能合理調(diào)度分組隊列，為不同類型分組業(yè)務(wù)提供可靠QoS保證，又可以有效利用系統(tǒng)資源的分組調(diào)度和與之相匹配的信道分配方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決HSDPA系統(tǒng)中現(xiàn)有的分組調(diào)度方法在多業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境下不能根據(jù)業(yè)務(wù)實時QoS狀態(tài)作合理調(diào)度，且系統(tǒng)資源利用效率較低的不足，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于HSDPA系統(tǒng)多媒體業(yè)務(wù)環(huán)境下基于QoS業(yè)務(wù)監(jiān)測的分組調(diào)度及信道分配方法，同時采用多用戶分集提高系統(tǒng)資源利用效率。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的基本思路是設(shè)計出一個以業(yè)務(wù)QoS要求和業(yè)務(wù)獲得的當(dāng)前QoS水平為基礎(chǔ)的調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)，以及時的對業(yè)務(wù)QoS水平做出調(diào)整，避免盲目調(diào)度造成調(diào)度資源的浪費(fèi)，實現(xiàn)對調(diào)度機(jī)會的按需分配；同時，在資源分配方案中采用固定大小的調(diào)度緩沖區(qū)，利用基于分組傳輸時延保證的多用戶分集碼道分配策略提高系統(tǒng)吞吐量。
本發(fā)明所提及的多媒體業(yè)務(wù)包括實時業(yè)務(wù)(如音頻業(yè)務(wù)和食品業(yè)務(wù)等)和非實時業(yè)務(wù)(如www業(yè)務(wù)等)。所提及的多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用指的是實時和非實時無線分組業(yè)務(wù)共存的業(yè)務(wù)環(huán)境。業(yè)務(wù)QoS參數(shù)通常包括分組傳輸時延，時延抖動，期望吞吐量，誤碼率等。本發(fā)明主要利用其中兩個主要業(yè)務(wù)QoS參數(shù)分組傳輸時延和業(yè)務(wù)期望吞吐量。
通常，HSDPA的Node B調(diào)度器以分組隊列的形式對分組業(yè)務(wù)流進(jìn)行管理。每個用戶的每類分組業(yè)務(wù)流對應(yīng)于調(diào)度器內(nèi)的一個分組隊列。調(diào)度器根據(jù)特定的分組調(diào)度方法確定分組隊列的服務(wù)順序，采用給定的信道分配方案為已調(diào)度的分組隊列分配傳輸信道。本發(fā)明亦采用這種分組調(diào)度和信道分配的框架。
本發(fā)明技術(shù)方案為一種HSDPA系統(tǒng)的分組調(diào)度和信道分配方法，由周期性的分組調(diào)度過程和信道分配過程組成，其特征在于，所述分組調(diào)度過程包括以下順序步驟步驟1.計算HSDPA系統(tǒng)中所有用戶待傳分組隊列的調(diào)度優(yōu)先級分組隊列的調(diào)度優(yōu)先級由隊列列首分組的已等待時間和業(yè)務(wù)分組傳輸時延界決定的時延優(yōu)先級項以及由該隊列獲得的平均分組傳輸速率和業(yè)務(wù)期望吞吐量決定的吞吐量優(yōu)先級項共同確定。可將分組調(diào)度過程的調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)表示為Pi,j(t)=αj·t-ti,jTj+βj·u(rj-r‾i,j)·rj-r‾i,jrj]]>其中Pi，j(t)用戶i的j類業(yè)務(wù)分組隊列在調(diào)度時刻t得到的調(diào)度優(yōu)先級；Tjj類業(yè)務(wù)分組傳輸時延界；ti，j用戶i的j類分組隊列列首分組生成時刻；αj，βj時延優(yōu)先級項和吞吐量優(yōu)先級項加權(quán)系數(shù)，且αj+βj＝1；rjj類分組業(yè)務(wù)期望吞吐量；u(·)單位階躍函數(shù)，即 ri，j用戶i的的j類分組業(yè)務(wù)隊列在調(diào)度時刻t前的統(tǒng)計時間kT(T為分組調(diào)度或信道分配周期，k為正整數(shù)的系數(shù))內(nèi)獲得的平均分組傳輸速率。
根據(jù)以上調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)計算出HSDPA系統(tǒng)中所有用戶待傳分組隊列的優(yōu)先級，然后將分組隊列按照優(yōu)先級高低排序。
步驟2.根據(jù)當(dāng)前調(diào)度周期調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組用戶數(shù)s(初始調(diào)度周期下s＝0)，從排序后的隊列中選取(M-s)個(M為調(diào)度緩沖區(qū)可以允許的最大用戶數(shù))高優(yōu)先級用戶的隊列列首分組進(jìn)入調(diào)度緩沖區(qū)，參與當(dāng)前信道分配周期內(nèi)的信道分配。
所述信道分配過程包括以下順序步驟步驟3.若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)s個剩余分組用戶中含有重傳分組(若上一個信道分配周期的分組傳輸過程中出現(xiàn)不可糾正的傳輸差錯，緩沖區(qū)內(nèi)會出現(xiàn)重傳分組)，則為重傳分組分配所需信道數(shù)nrt；若nrt大于HSDPA系統(tǒng)總的信道數(shù)N，則按照重傳分組用戶信道條件的優(yōu)劣將所有信道N分配給具有較好信道條件的重傳分組，然后執(zhí)行步驟6.；若nrt小于HSDPA系統(tǒng)總的信道數(shù)N，則執(zhí)行步驟4.。
設(shè)緩沖區(qū)內(nèi)用戶i的j類業(yè)務(wù)重傳分組大小為pi，jrt，則重傳該分組需要的信道數(shù)為ni,jrt=pi,jrtRi(t)]]>(其中Ri(t)為采用HARQ方式確定的單位調(diào)度周期內(nèi)信道傳輸能力)，為了傳輸用戶i的所有業(yè)務(wù)重傳分組需要的信道數(shù)為 而發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)所有用戶重傳分組需要的信道數(shù)則為nrt=Σinirt.]]>若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)s個剩余分組用戶中不含有重傳分組，則直接執(zhí)行步驟4.。
步驟4.采用傳輸時延保證的信道分配準(zhǔn)則為緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組分配傳輸信道設(shè)緩沖區(qū)內(nèi)用戶i的j類業(yè)務(wù)剩余分組大小為pi，jrm，該分組生成時間為ti，j，則為了保證在j類業(yè)務(wù)要求的分組傳輸時延界內(nèi)將該分組傳輸完畢，按照當(dāng)前信道分配周期用戶i的信道傳輸能力Ci(t)(Ci(t)=r~i(t)·T,]]>其中， 為信道的實時傳輸速率，T為分組調(diào)度或信道分配周期)，需要為該分組分配的信道數(shù)為 則為了傳輸用戶i的所有業(yè)務(wù)剩余分組需要的信道數(shù)為 則為了傳輸緩沖區(qū)內(nèi)所有用戶的剩余分組需要的信道數(shù)目為nrm=Σinirm.]]>若nrm≥N-nrt，則按照比例分配剩余信道，即用戶i在這種情況下獲得的用于傳輸剩余分組的信道數(shù)目為 然后執(zhí)行步驟6.；若nrm＜N-nrt，則執(zhí)行步驟5.。
步驟5.以用戶信道條件為準(zhǔn)則依次為具有高信道容量的用戶分組分配傳輸信道，直至將剩余信道分配完畢。
步驟6.進(jìn)行信道分配統(tǒng)計、加載分組比特并傳輸，分組傳輸完成后更新調(diào)度緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，此時若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組用戶數(shù)s大于緩沖區(qū)最少用戶門限S，則返回步驟3.；若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組用戶數(shù)s小于緩沖區(qū)最少用戶門限S，則返回步驟1.。
本發(fā)明的有益效果是，采用考慮業(yè)務(wù)分組傳輸時延和業(yè)務(wù)傳輸速率QoS要求及業(yè)務(wù)已獲QoS水平的調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)，可以在混合業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境中為每類業(yè)務(wù)分配及時的調(diào)度機(jī)會；通過調(diào)整時延和吞吐量在調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)中的權(quán)重，可以實現(xiàn)對多種實時和非實時混合業(yè)務(wù)應(yīng)用的調(diào)度需求；在固定大小的調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)，對剩余分組采用傳輸時延最低限度保證的信道分配策略和對剩余信道采用最大用戶信道容量分配準(zhǔn)則，實現(xiàn)了在確保業(yè)務(wù)分組傳輸時延的同時利用多用戶分集提高了系統(tǒng)吞吐量。


圖1為本發(fā)明所述的一種HSDPA系統(tǒng)的分組調(diào)度和信道分配方法流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合3G系統(tǒng)典型的語音，視頻流和交互類WWW混合業(yè)務(wù)應(yīng)用實例對算法應(yīng)用中的參數(shù)設(shè)置作示例說明。
表I列出了以上業(yè)務(wù)類型的分組傳輸時延界及業(yè)務(wù)期望吞吐量QoS參數(shù)。將這些參數(shù)分別代入算法說明第一步給出的調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)中，可以分別得到針對這三種不同業(yè)務(wù)的分組隊列優(yōu)先級計算準(zhǔn)則。由于語音和視頻流業(yè)務(wù)為實時分組業(yè)務(wù)，而WWW業(yè)務(wù)為非實時業(yè)務(wù)，為了更好的為實時業(yè)務(wù)提供分組傳輸時延保證，可以將語音和視頻流業(yè)務(wù)的時延優(yōu)先級加權(quán)系數(shù)αj設(shè)為0.8，而將WWW業(yè)務(wù)的時延優(yōu)先級加權(quán)系數(shù)αj設(shè)為0.5。在對平均分組傳輸速率ri，j進(jìn)行統(tǒng)計時，可將統(tǒng)計時間kT設(shè)為2s(調(diào)度周期或信道分配周期T為2ms)。
在HSDPA系統(tǒng)中，用于分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺罏閿U(kuò)頻因子為16的擴(kuò)頻碼信道。通常，將其中一個碼道用來傳輸系統(tǒng)信令，剩下的15個碼道作為分組業(yè)務(wù)傳輸信道，于是系統(tǒng)中總的信道數(shù)N＝15。
設(shè)定緩沖區(qū)可以允許的最大用戶數(shù)M以及緩沖區(qū)最少用戶門限S是用來利用多用戶分集提高系統(tǒng)吞吐量。仿真結(jié)果表明當(dāng)S＝M-1時，可以獲得較高的系統(tǒng)容量。M應(yīng)在可用碼道數(shù)內(nèi)取值，較小的M會造成信道浪費(fèi)，較大的M取值不能有效利用多用戶分集。在所給的業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境下，可以將M設(shè)為5。
采用上述算法參數(shù)設(shè)置，本發(fā)明所述算法在為三類業(yè)務(wù)提供可靠QoS保證同時，還可以獲得較現(xiàn)有輪詢，公平比，Modified Largest Weighted Delay Firs和Exponential rule分組調(diào)度算法更高的系統(tǒng)容量。
表I 語音，視頻流及WWW業(yè)務(wù)QoS參數(shù)

權(quán)利要求
1.一種HSDPA系統(tǒng)的分組調(diào)度和信道分配方法，由周期性的分組調(diào)度過程和信道分配過程組成，其特征在于，所述分組調(diào)度過程包括以下順序步驟步驟1.計算HSDPA系統(tǒng)中所有用戶待傳分組隊列的調(diào)度優(yōu)先級分組調(diào)度過程的調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)為Pi,j(t)=αj·t-ti,jTj+βj·u(rj-r‾i,j)rj-r‾i,jrj]]>其中Pi，j(t)用戶i的j類業(yè)務(wù)分組隊列在調(diào)度時刻t得到的調(diào)度優(yōu)先級；Tjj類業(yè)務(wù)分組傳輸時延界；ti，j用戶i的j類分組隊列列首分組生成時刻；αj，βj時延優(yōu)先級項和吞吐量優(yōu)先級項加權(quán)系數(shù)，且αj+βj＝1；rjj類分組業(yè)務(wù)期望吞吐量；u(·)單位階躍函數(shù)，即 用戶i的的j類分組業(yè)務(wù)隊列在調(diào)度時刻t前的統(tǒng)計時間kT(T為分組調(diào)度或信道分配周期，k為正整數(shù)的系數(shù))內(nèi)獲得的平均分組傳輸速率；根據(jù)以上調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)計算出HSDPA系統(tǒng)中所有用戶待傳分組隊列的優(yōu)先級，然后將分組隊列按照優(yōu)先級高低排序；步驟2.根據(jù)當(dāng)前調(diào)度周期調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組用戶數(shù)s(初始調(diào)度周期下s＝0)，從排序后的隊列中選取(M-s)個(M為調(diào)度緩沖區(qū)可以允許的最大用戶數(shù))高優(yōu)先級用戶的隊列列首分組進(jìn)入調(diào)度緩沖區(qū)，參與當(dāng)前信道分配周期內(nèi)的信道分配；所述信道分配過程包括以下順序步驟步驟3.若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)s個剩余分組用戶中含有重傳分組，則為重傳分組分配所需信道數(shù)nrt；若nrt大于HSDPA系統(tǒng)總的信道數(shù)N，則按照重傳分組用戶信道條件的優(yōu)劣將所有信道N分配給具有較好信道條件的重傳分組，然后執(zhí)行步驟6.；若nrt小于HSDPA系統(tǒng)總的信道數(shù)N，則執(zhí)行步驟4.；若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)s個剩余分組用戶中不含有重傳分組，則直接執(zhí)行步驟4.；步驟4.采用傳輸時延保證的信道分配準(zhǔn)則為緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組分配傳輸信道設(shè)緩沖區(qū)內(nèi)用戶i的j類業(yè)務(wù)剩余分組大小為pi，jrm，該分組生成時間為ti，j，則為了保證在j類業(yè)務(wù)要求的分組傳輸時延界內(nèi)將該分組傳輸完畢，按照當(dāng)前信道分配周期用戶i的信道傳輸能力Ci(t)(Ci(t)=r~i(t)·T,]]>其中， 為信道的實時傳輸速率，T為分組調(diào)度或信道分配周期)，需要為該分組分配的信道數(shù)為 則為了傳輸用戶i的所有業(yè)務(wù)剩余分組需要的信道數(shù)為 則為了傳輸緩沖區(qū)內(nèi)所有用戶的剩余分組需要的信道數(shù)目為nrm=Σinirm.]]>若nrm≥N-nrt，則按照比例分配剩余信道，即用戶i在這種情況下獲得的用于傳輸剩余分組的信道數(shù)目為 然后執(zhí)行步驟6.；若nrm＜N-nrt，則執(zhí)行步驟5.；步驟5.以用戶信道條件為準(zhǔn)則依次為具有高信道容量的用戶分組分配傳輸信道，直至將剩余信道分配完畢；步驟6.進(jìn)行信道分配統(tǒng)計、加載分組比特并傳輸，分組傳輸完成后更新調(diào)度緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，此時若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組用戶數(shù)s大于緩沖區(qū)最少用戶門限S，則返回步驟3.；若調(diào)度緩沖區(qū)內(nèi)剩余分組用戶數(shù)s小于緩沖區(qū)最少用戶門限S，則返回步驟1.；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種HSDPA系統(tǒng)的分組調(diào)度和信道分配方法，其特征在于，所述步驟3.為重傳分組分配所需信道數(shù)nrt的計算方法為設(shè)緩沖區(qū)內(nèi)用戶i的j類業(yè)務(wù)重傳分組大小為pi，jrt，則重傳該分組需要的信道數(shù)為ni,nrt=pi,jrtRi(t)]]>(其中Ri(t)為采用HARQ方式確定的單位調(diào)度周期內(nèi)信道傳輸能力)，為了傳輸用戶i的所有業(yè)務(wù)重傳分組需要的信道數(shù)為 而發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)所有用戶重傳分組需要的信道數(shù)則為nrt=Σinirt;]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種HSDPA系統(tǒng)的分組調(diào)度和信道分配方法，其特征在于，所述HSDPA系統(tǒng)總的信道數(shù)N＝15，所述分組調(diào)度周期或信道分配周期T為2ms，所述統(tǒng)計時間kT為2s，所述調(diào)度緩沖區(qū)可以允許的最大用戶數(shù)M為5，所述調(diào)度緩沖區(qū)最少用戶門限S最好為M-1。
全文摘要
一種HSDPA系統(tǒng)的分組調(diào)度和信道分配方法，屬于無線通信領(lǐng)域中多媒體業(yè)務(wù)環(huán)境下分組調(diào)度和資源分配技術(shù)。由周期性的分組調(diào)度過程和信道分配過程組成。調(diào)度過程以業(yè)務(wù)QoS要求和業(yè)務(wù)當(dāng)前QoS水平為基礎(chǔ)設(shè)計調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)進(jìn)行分組調(diào)度。信道分配過程首先為重傳分組分配信道，然后采用傳輸時延保證的信道分配準(zhǔn)則為剩余分組分配信道，最后以用戶信道條件為準(zhǔn)則分配剩余信道。本發(fā)明可以在混合業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境中為每類業(yè)務(wù)分配及時的調(diào)度機(jī)會；可以實現(xiàn)對多種實時和非實時混合業(yè)務(wù)應(yīng)用的調(diào)度需求；實現(xiàn)了在確保業(yè)務(wù)分組傳輸時延的同時利用多用戶分集提高了系統(tǒng)吞吐量。本發(fā)明可以應(yīng)用于HSDPA提供多媒體業(yè)務(wù)QoS保證的無線資源調(diào)配。
文檔編號H04B7/26GK1925460SQ20061002190
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者徐斌陽, 李少謙 申請人:電子科技大學(xué)