CN101568154B - 调度优先级的确定方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调度优先级的确定方法，包括：在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量；基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系；基于所述确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。相应的，本发明还公开了一种调度优先级的确定装置，采用本发明方案，能够在满足吞吐量要求的前提下，尽量满足调度公平性的要求。

Description

调度优先级的确定方法及其装置 

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种调度优先级的确定方法及其装置。 

背景技术

在无线通信环境中，为了在大负荷环境下更高效地利用有限的无线资源，分组调度日益成为一个重要课题。在调度算法的研究中，需要考虑的两个重要因素是：吞吐量和公平性。吞吐量包括小区吞吐量和用户吞吐量；公平性可以认为是各用户占用信道资源的统计分布结果。分组调度要解决的基本问题是：当多个用户的分组业务流等待接受服务时，必须确定合理的服务规则，安排流的服务顺序和服务时间，以满足各个业务流的服务质量(QoS，Quality ofService)要求。现有的调度方案在每个调度周期的流程如图1所示，在每个调度周期开始时，每个用户检测信道的状况，并把检测到的信道状况信息汇报给调度器，其中用户汇报给调度器的信道状况信息一般指的是用户端检测到的信干噪比(SINR，Signal to Interference plus Noise Ratio)；然后调度器按照资源调度方案确定调度的结果，使接入点与被调度上的用户进行数据传输，从而完成整个资源调度的过程。综上所述，“调度方案”可以概括为给所有用户确定优先级并且根据优先级选择用户的过程。 

在众多无线调度方案中，比较常用的正比公平(Proportional Fair)算法主要是把以长期平均速率归一化的移动台瞬时最大传输速率(即移动台瞬时最大传输速率与长期平均速率的比率)作为调度的优先级指标，如(1)式所示。在一定程度上平衡了效率和公平性两个问题，能够满足3GPP2的公平性准则，是一种较常用的方案。 

$Q_i\left(n\right)=\frac{r_i^{\mathrm{\α}}\left(n\right)}{R_i\left(n\right)}---\left(1\right)$

在(1)式中，α为调节系数，i为用户标识ID，n为调度时刻数(TTI number)，r_i(n)为第i个用户在第n个TTI所能支持的最大传输速率(根据用户汇报的信干噪比预测得出)，R_i(n)为该用户在滑动时间窗口内的平均速率，Q_i(n)则为用户的总体优先级。调度器选择优先级最高的一个或多个用户分配相应的资源。 

在特定环境下，对于某些特殊的业务，很重要的一个QoS需求是，在效率达到一定程度的前提下，对公平性还会有更细致的、定量的要求。在IEEE802.16m评估方法草案(Draft 802.16m Evaluation Methodology Document.IEEEC80216m-07_080r1)中有这样一种“最小平均吞吐量公平性准则(MinimumAverage Throughput Fairness Criterion)”，如图2所示(横轴是用户的归一化吞吐量，纵轴是累积分布函数(CDF，Cumulative Distribution Function))，它的最小归一化吞吐量(以所有用户平均吞吐量归一化的该用户的平均吞吐量)和最大的超出(outage)概率是定量、可变的，分别由{k，z}设定，即允许有不超过概率k的用户的归一化吞吐量小于z。故该准则可简称为“可变公平性准则”。超出概率和最小归一化吞吐量的覆盖率是互补的，即二者之和为1。根据各种业务的不同需求，调整这两个参数以满足各自的QoS要求。它要求系统中用户的吞吐量CDF曲线(例如图中的曲线)应该位于这条改进的公平性线段(例如图中的线段)的右侧。比起一般的正比公平准则，可变公平性准则除了对公平性和吞吐量两个因素有定性的要求外，还有了粗略的定量要求。然而现有技术中的资源调度方案，还不能实现在效率达到一定程度的前提下，尽量满足调度公平性的要求。 

发明内容

本发明提供了一种调度优先级的确定方法及其装置，以能在满足吞吐量要求的前提下，尽量满足调度公平性的要求。 

本发明实施例提供一种调度优先级的确定方法，包括：在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量；基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系；基于所述确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。 

本发明实施例提供一种调度优先级的确定装置，包括：第一获取单元，用于在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量；确定单元，用于基于该用户设备当前的归一化吞吐量及第一获取单元获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系；调整单元，用于基于确定单元确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。 

本发明实施例提出的调度优先级的确定方法，通过在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量，基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，并基于所述确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级，从而能够实现在满足吞吐量要求的前提下，尽量满足调度公平性的要求。 

附图说明

图1为现有调度方案在每个调度周期的流程图； 

图2为满足可变公平性准则的吞吐量CDF曲线图； 

图3为本发明实施例提出的调度优先级的确定方法的流程示意图； 

图4为本发明实施例提出的第一种效用函数的曲线示意图； 

图5为本发明实施例提出的第二种效用函数的曲线示意图； 

图6为本发明实施例提出的第三种效用函数的曲线示意图； 

图7为本发明实施例提出的调度优先级的确定装置的结构示意图； 

图8为本发明实施例提出的调度优先级的确定装置中确定单元的具体结构示意图； 

图9为采用本发明实施例提出的调度优先级的确定方法进行资源调度的流程示意图。 

具体实施方式

本发明实施例提出的调度优先级的确定方案是在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量，基于该用户设备当前的归一化吞吐量及获取的最小归一化吞吐量，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，并基于所述确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。 

虽然可变公平性准则在IEEE 802.16m中提出，但它可适用于数据通信系统领域内的所有系统，给特定的QoS要求提供了一个有效的尺度。本发明实施例提出的调度优先级的确定方案的目标是：在保证大多数用户满足归一化最低速率(允许有一定的超出概率)的前提下，满足一定的用户间公平性，此外再尽可能大地提高系统吞吐量。即满足可变公平性准则的要求。 

下面结合说明书附图来具体说明本发明方案。 

本发明实施例提出的调度优先级的确定方法的流程如图3所示，具体的流程说明如下： 

步骤31：在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量； 

步骤32：获取该用户设备的最大允许超出概率； 

其中，获取最小归一化吞吐量和/或最大允许超出概率的过程，可以是由用户设备将自身的最小归一化吞吐量和/或最大允许超出概率要求上报给基站调度器；也可以是由基站调度器从服务器中获得。 

步骤33：判断所述获取的最大允许超出概率是否大于预设值； 

步骤34：若是，则基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小 归一化吞吐量，在预先设置的第一种关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述第一种关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的第一种关系； 

步骤35：若否，则基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的第二种关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述第二种关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的第二种关系。 

步骤36：基于所述确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。 

说明：在步骤31之后，也可以直接基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系；并转到步骤36执行。 

步骤36中基于确定出的调整参量，调整用户设备的调度优先级的过程可以是：将用户设备的调度优先级乘以所述确定出的调整参量；当然也可以是将用户设备的调度优先级加上所述确定出的调整参量。本发明下述实施例以将用户设备的调度优先级乘以所述确定出的调整参量为例来说明。即根据可变公平性准则的要求，基于归一化吞吐量来构造一个效用函数(即最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系)，把基于该效用函数计算得到的调整参量作为一个因子，跟正比公平的优先级计算公式相乘，其目的是改造正比公平算法，采用基于效用函数的方法，使之能够定量满足可变公平性的要求，并且定性满足超出概率的要求。 

本发明实施例提出的调度优先级的确定方法的主要思想是：在正比公平算法的基础上，优先考虑低吞吐量用户，当用户的平均速率低于可变公平性准则要求时增加其优先级，使被调度上的概率增大。但并不是强制其被调度上，在它的信道状况确实特别差或者优先级很低的时候也不会被调上的。而对于高吞吐量用户，由正比公平算法一般即能保证其公平性，不需要由效用函数来调节。 并且每个用户的归一化平均吞吐量将动态更新，调整参数的值也随之变化，从而实时保证满足QoS要求。 

$Q_i\left(n\right)=\frac{r_i^{\mathrm{\α}}\left(n\right)}{R_i\left(n\right)}*U_i(n,x)---\left(2\right)$

上述(2)式为采用本发明实施例提出的调度优先级的确定方法后确定的优先级计算公式(针对某一个特定的资源块)。其实质是在正比公平算法优先级计算式上乘以一项调整参量。α为调节系数，i为用户ID，n为调度时刻数(TTI number)，r_i(n)为第i个用户在第n个TTI所能支持的最大传输速率，R_i(n)为该用户在滑动时间窗口内的平均速率，x为此时的以所有用户平均速率归一化的该用户的平均速率(即该用户的平均速率除以所有用户平均速率)，U_i(n，x)为该用户设备调度优先级的调整参量，Q_i(n)则为总体优先级。 

由于分母R_i(n)在正比公平算法里面是为了体现它的长期平均速率，而U_i(n，x)也同样包含有一部分这种功能。所以可以将分母的R_i(n)去除，构成以下表达式，更简洁： 

$Q_i\left(n\right)=r_i^{\mathrm{\α}}\left(n\right)*U_i^{\′}(n,x)---\left(3\right)$

其中 

$U_i^{\′}(n,x)=\frac{U_i(n,x)}{R_i\left(n\right)}---\left(4\right)$

从(3)式可以看出，本方案的实质是把用户能支持的最高瞬时速率的公平性加权值作为调度的优先级。其中式子的第一项影响吞吐量，第二项影响公平性。每个用户计算出该表达式的值作为优先级，最后系统把这个资源块分配给优先级最高的用户用以本TTI的传输。 

理论上来说，只要在x(n)≤k时有U_i(n，x)≥1，就可以简单地达到本调度方案的目的，即提高低吞吐量用户的优先级，使之被调上的概率增大。但是，如果能根据具体情况细致地安排U_i(n，x)的形状和趋势以及函数的各种特性，则可以 更精确并且定量地满足可变公平性的要求。 

效用函数U_i(n，x)在整个定义域应该是递减的(但不一定要严格递减)。因为对吞吐量越低的用户越应该采用更大的加权值，这样才能使所有用户都趋向于满足公平性要求。 

下面介绍预先设置的最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的几种关系，即介绍几种效用函数。 

1、当获取的最大允许超出概率大于预设值时，采用第一种关系来确定该用户设备调度优先级的调整参量，所述第一种关系为：在当前归一化吞吐量不小于最小归一化吞吐量时，调整参量为1；否则调整参量大于1，且调整参量随着当前归一化吞吐量的增加而减小，且减小的幅度变大。 

例如选择效用函数为： 

$U(n,x)=\left\{\begin{array}{c}1+b*{(1-\frac{x\left(n\right)}{k})}^{\frac{1}{2}},x\left(n\right)\≤k,k>0,b>0\\ 1,x\left(n\right)>k\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中n为调度时刻数，x(n)为用户设备的当前归一化吞吐量，k为用户设备的最小归一化吞吐量，U(n，x)为用户设备当前调度优先级的调整参量，b为常数。 

式5中取k＝0.2，b＝5时，效用函数的曲线如图4所示，函数特性为单调递减、连续的分段函数，前一段是严格上凸函数，后一段是一条平行于x轴的射线，两段分界于最大允许超出概率点处。 

该效用函数的适用范围是：对覆盖率要求较低(即最大允许超出概率大于预设值)的数据业务。在x(n)≤k时，函数是上凸、可微、一阶导小于零的。此时，表示在小于设定的最低平均速率时，函数对平均速率较大的用户的加权差异更大。 

2、当获取的最大允许超出概率大于预设值时，采用第一种关系来确定该用户设备调度优先级的调整参量，所述第一种关系为：在当前归一化吞吐量不 小于最小归一化吞吐量时，以及当前归一化吞吐量小于最小归一化吞吐量时，调整参量均大于1，且调整参量随着当前归一化吞吐量的增加而减小，且在当前归一化吞吐量大于最小归一化吞吐量时，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加，减小的幅度变小；反之，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加，减小的幅度变大。 

例如选择效用函数为： 

U(n，x)＝1+b-b×(1+e^-a[x(n)-k])^-1，a＞0，b＞0，k＞0(6) 

其中n为调度时刻数，x(n)为用户设备的当前归一化吞吐量，k为用户设备的最小归一化吞吐量，U(n，x)为用户设备当前调度优先级的调整参量，a与b为常数。 

式6中取k＝0.2，b＝5，a＝20时，效用函数的曲线如图5所示，函数特性为连续的Z形函数，前一段为上凸函数，后一段为下凸函数，拐点为超出概率点(或位于这个点的左边)。Z形函数的适用范围类似于上凸函数。 

3、当获取的最大允许超出概率不大于预设值时，采用第二种关系来确定该用户设备调度优先级的调整参量，所述第二种关系为：在当前归一化吞吐量不小于最小归一化吞吐量时，以及当前归一化吞吐量小于最小归一化吞吐量时，调整参量均大于1，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加而减小，且减小的幅度变小。 

例如选择效用函数为： 

$U(n,x)=1+b*e^{-\frac{x\left(n\right)}{k}},$ k＞0，b＞0(7) 

其中n为调度时刻数，x(n)为用户设备的当前归一化吞吐量，k为用户设备的最小归一化吞吐量，U(n，x)为用户设备当前调度优先级的调整参量，b为常数。 

式7取k＝0.2，b＝5时，效用函数的曲线如图6所示，函数特性为严格递减的连续的下凸函数。 

该效用函数的适用范围为：对覆盖率要求较高(即最大允许超出概率不大于预设值)的数据业务。函数曲线的一阶导大于零，即对于平均速率较低的用户采用更强的加权差异。 

上述针对各种业务以及系统配置的不同需求和不同特点，构造了三种不同效用函数的方案，分别为上凸、下凸和Z形函数。需要说明的是，函数的趋势、形状以及一阶导和二阶导特性是主要的，函数的具体形式则是次要的，即同一类型的函数可以有很多种不同的具体形式。作为例子的三种函数的具体形式是考虑到方便函数各参量的可调而构造的。画出的几个函数图形中的参数选择只是示意，具体取值应视实际情况而定。 

实际运用时，根据不同系统场景配置和不同业务的特殊需要，可以灵活选择合适的效用函数，以达到结果的最优化。 

采用本发明实施例提出的调度优先级的确定方案，进行资源调度的流程如图7所示，在每次调度开始前，所有用户通过上行反馈信道将自己检测到的信道状况信息以及QoS要求报告给调度器；调度器根据用户的QoS要求，选择一种效用函数(式5、式6、式7式为可选的典型效用函数)；调度器根据所选的效用函数，确定出各用户设备调度优先级的调整参量，从而确定出此时各用户的调度优先级；调度器比较所有用户的优先级，给优先级最高的一个或多个用户分配资源块；分配到资源的用户设备与接入点间进行数据传输，至此调度过程结束。 

本发明实施例提出了一种调度优先级的确定装置，如图8所示，包括：第一获取单元81，用于在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量；确定单元82，用于基于该用户设备当前的归一化吞吐量及第一获取单元81获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系；调整单元83，用于基于确定单元82确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。 

所述调度优先级的确定装置还包括第二获取单元84，用于获取该用户设备的最大允许超出概率； 

所述确定单元82如图9所示，具体包括：判断子单元821，用于判断第二获取单元84获取的最大允许超出概率是否大于预设值；第一确定子单元822，用于在判断子单元821的判断结果为是时，基于该用户设备当前的归一化吞吐量及第一获取单元81获取的最小归一化吞吐量，在所述预先设置的关系包含的第一关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量；第二确定子单元823，用于在判断子单元821的判断结果为否时，基于该用户设备当前的归一化吞吐量及第一获取单元81获取的最小归一化吞吐量，在所述预先设置的关系包含的第二关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量。 

本发明实施例提出了一种新的复杂度低且高效的基于最小归一化平均吞吐量公平性准则(可变公平性准则)的调度方案，能够定量满足可变公平性的要求。本发明实施例提出的调度信息的确定方法，可应用有线及无线数据通信领域内的所有系统，应用范围比较广。 

本发明实施例针对无线资源调度中的最小归一化平均吞吐量公平性准则(可变公平性准则)，采用构造效用函数的方法，提出了一种复杂度低且高效的调度方案，能够定量满足该准则的要求。可根据不同的应用场景选取合适的效用函数以满足相应的QoS要求，并给出了各类效用函数的适用范围。本发明的方案可应用于数据通信系统领域内的所有系统。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (16)

1.一种调度优先级的确定方法，其特征在于，包括： 

在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量； 

基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系； 

基于所述确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括获取该用户设备的最大允许超出概率； 

所述确定该用户设备调度优先级的调整参量，具体包括： 

判断所述获取的最大允许超出概率是否大于预设值； 

若是，则基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，在所述预先设置的关系包含的第一关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量； 

若否，则基于该用户设备当前的归一化吞吐量及所述获取的最小归一化吞吐量，在所述预先设置的关系包含的第二关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量。 

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一关系为： 

在当前归一化吞吐量不小于最小归一化吞吐量时，调整参量为1；否则调整参量大于1； 

所述基于确定出的调整参量，调整用户设备的调度优先级为： 

将用户设备的调度优先级乘以所述确定出的调整参量。 

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当前归一化吞吐量小于最小归一化吞吐量时，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加而减小。 

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当前归一化吞吐量小于最小归一化吞吐量时，所述调整参量随着当前归一化吞吐量的增加，减小的幅度变 大。 

6.如权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，所述第一关系具体为：

其中n为调度时刻数，x(n)为用户设备的当前归一化吞吐量，k为用户设备的最小归一化吞吐量，U(n，x)为用户设备当前调度优先级的调整参量，b为常数。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一关系为：

在当前归一化吞吐量不小于最小归一化吞吐量时，以及当前归一化吞吐量小于最小归一化吞吐量时，调整参量均大于1；

所述基于确定出的调整参量，调整用户设备的调度优先级为：

将用户设备的调度优先级乘以所述确定出的调整参量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加而减小。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在当前归一化吞吐量大于最小归一化吞吐量时，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加，减小的幅度变小；

反之，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加，减小的幅度变大。

10.如权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，所述第一关系具体为：

U(n，x)＝1+b-b×(1+e^-a[x(n)-k])^-1，a＞0，b＞0，k＞0

其中n为调度时刻数，x(n)为用户设备的当前归一化吞吐量，k为用户设备的最小归一化吞吐量，U(n，x)为用户设备当前调度优先级的调整参量，a与b为常数。

11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二关系为：

在当前归一化吞吐量不小于最小归一化吞吐量时，以及当前归一化吞吐量 小于最小归一化吞吐量时，调整参量均大于1；

所述基于确定的调整参量，调整用户设备的优先级为：

将用户设备的优先级乘以所述确定的调整参量。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加而减小。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，调整参量随着当前归一化吞吐量的增加，减小的幅度变小。

14.如权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于，所述第二关系具体为：

k＞0，b＞0

其中n为调度时刻数，x(n)为用户设备的当前归一化吞吐量，k为用户设备的最小归一化吞吐量，U(n，x)为用户设备当前调度优先级的调整参量，b为常数。

15.一种调度优先级的确定装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于在用户设备被调度时，获取该用户设备的最小归一化吞吐量；

确定单元，用于基于该用户设备当前的归一化吞吐量及第一获取单元获取的最小归一化吞吐量，在预先设置的关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量，所述关系为最小归一化吞吐量和当前归一化吞吐量与调度优先级的调整参量之间的关系；

调整单元，用于基于确定单元确定出的调整参量，调整该用户设备的调度优先级。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括第二获取单元，用于获取该用户设备的最大允许超出概率； 

所述确定单元具体包括： 

判断子单元，用于判断第二获取单元获取的最大允许超出概率是否大于预 设值； 

第一确定子单元，用于在判断子单元的判断结果为是时，基于该用户设备当前的归一化吞吐量及第一获取单元获取的最小归一化吞吐量，在所述预先设置的关系包含的第一关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量； 

第二确定子单元，用于在判断子单元的判断结果为否时，基于该用户设备当前的归一化吞吐量及第一获取单元获取的最小归一化吞吐量，在所述预先设置的关系包含的第二关系中，确定出该用户设备调度优先级的调整参量。 

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