CN100411324C - 移动通信系统中基于负载的自适应速率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的技术用于移动通信系统中，在相互竞争的服务请求之间高效、合理、实时地分配和调度资源，在保证系统不过载的同时提高速率控制方法对系统资源的利用效率，易于实现，应用方式灵活。本发明通过精确的跟踪系统负载状况的变化、实时的判断速率调整趋势和计算速率调整概率，并随之做出及时、有效的速率控制策略，使速率控制方法在避免系统过载的前提下，对系统资源的利用更为合理和充分。

Description

移动通信系统中基于负载的自适应速率控制方法

技术领域

本发明涉及一种移动通信系统中的速率控制方法，特别针对在支持多种数据传输速率的移动通信系统内、处于不同传输条件下的服务请求之间分配传输速率，从而在满足各请求的服务质量的同时，提高系统的整体使用效率。速率控制通过调整为不同用户分配的速率实现资源的合理分配和调度，因此，速率控制也是调度策略的一种实现方法。

背景技术

随着移动通信的蓬勃发展，各种新业务层出不穷，其中数据业务的发展尤为迅速。而无线频谱资源和传播环境的局限性在一定程度上影响了数据业务传输速率的提高。因此，如何充分利用系统资源、为用户提供尽可能高的传输速率成为移动通信领域的研究热点。速率控制技术的提出很好的解决了这个问题。该方法根据各个服务请求当前的传输速率、系统资源当前的利用状况，可以结合特定的概率选择方法，对各服务的传输速率进行及时、有效的调整，从而使系统资源得到充分利用。

速率控制方法中两个重要的判断依据是：系统资源利用状况和概率选择方法。资源利用状况的衡量标准和概率的取值都会对速率控制的结果产生重要影响。高效的速率控制方法必须使用简单、易测量的衡量标准和合理的概率取值。通常的速率控制技术采用系统可用功率、系统负载和系统剩余容量等参数作为系统资源利用状况的标准衡量，基于固定概率进行速率调整。固定概率的调整方法易于实现，但是并不能动态的适应系统资源利用状况的变化。

发明内容

为了跟踪系统负载情况，并实时调整速率控制概率以适应资源利用状况的变化，本发明人提出了一种基于系统负载、自适应的调整速率升降概率的速率控制方法。其基本原则是根据当前系统的负载值判断应该升速率还是降速率传输，并根据负载门限值计算出升速率或降速率的概率，依此概率调整速率，并参考系统可用功率提供的最大速率，确定下一周期的传输速率。

本发明具体的实现步骤是：

步骤1：在网络侧统计每个控制方的负载值。

步骤2：根据步骤1中的负载值确定每个控制方的过载指示比特，指示比特指明了当前基站的接收机是否过载，如过载，则要求其所接收的来自用户端的功率降低，反之可以提高。

步骤3：根据用户端关联的控制方集合(简称控制集)内每个控制方的过载指示比特确定用户端在该控制方中应该采取的速率调整策略：升速率或者降速率。

步骤4：根据步骤1中统计的负载值、步骤3中确定的速率调整策略以及负载门限值，计算每个控制方所控制的用户端速率调策略的概率取值，即升速率的概率上限或降速率的概率下限。

步骤5：根据用户端控制集内每个控制方的过载指示比特和速率调整概率，确定速率控制方法决定的速率值。

步骤6：根据系统可用功率计算每个用户端允许传输的最大速率值。

步骤7：选择步骤5和步骤6中较小的速率值作为最终确定的传输速率。

在下一个速率控制周期开始后，重复步骤1到步骤7。

上面步骤3中根据每个控制方不同的负载情况确定速率调整策略，并在步骤4中根据当前负载值和负载门限值实时确定速率调整概率的极限值。对于升速率计算得到的是概率上限，若升速率的概率大于此概率上限，则会导致该控制方过载；对于降速率计算得到的是概率下限，若降速率的概率小于此概率下限，同样也会导致该控制方过载。步骤7将可用功率对速率的支持因素考虑进来。本发明通过实时测量和概率计算，跟踪系统负载情况，并及时采取措施防止系统过载和保证对系统资源的充分利用。

附图说明

结合以下附图以及具体实例对发明所做的详细描述将便于理解本发明的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1是表示本发明在CDMA2000示例中的工作步骤；

图2是表示本发明在CDMA2000示例中，扇区平均负载值与采用固定概率时扇区平均负载值的曲线图以及增长比例曲线。每个扇区具有两个话音用户和若干个数据用户。横坐标轴表示每个扇区数据用户个数，纵坐标轴表示扇区的平均负载和负载增长百分比。

图3是表示本发明在图2所对应的CDMA2000示例中，扇区平均吞吐量与采用固定概率时扇区平均吞吐量的曲线图以及吞吐量增长百分比。

具体实施方式

因为移动通信中数据业务的实现方案很多，为了便于理解，在此使用一种有代表性且普遍适用的例子——CDMA2000建议(由3GPP2制定)来阐述本发明所提出的速率控制方法。本发明对于所有具有这个示例中基本特征的应用场合普遍适用。

使用公式(1)计算用户i对激活集扇区j的负载贡献：

${\mathrm{\η}}_{i,j}=\frac{1}{1+\frac{W}{{(E_b/N_o)}_i\×R_i\×{\mathrm{\υ}}_i}}---\left(1\right)$

其中，W为系统带宽，E_b/N_o为用户的比特能量与背景热噪声功率谱密度之比，R_i为传输速率，υ_i为话音激活因子。对于数据用户，话音激活因子为1。根据3GPP2的“1xEV-DVEvaluation Methodology(V13)”一文，取话音用户的话音激活因子为0.406。

扇区的负载值等于所有以该扇区为激活集的用户负载贡献之和：

${\mathrm{Load}}_j=\underset{j\∈\mathrm{ActiveSet}\left(i\right)}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\η}}_{i,j}---\left(2\right)$

扇区过载指示比特的判断方法为：

${\mathrm{OLB}}_j=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{Load}}_j<{\mathrm{Load}}_{\mathrm{TH}}\\ 1& {\mathrm{Load}}_j\&GreaterEqual;{\mathrm{Load}}_{\mathrm{TH}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

3GPP2的“IS-2000Release C Simulation Configuration Specification”一文中规定了最大负载值，也就是负载的门限值Load_TH为0.45。当扇区负载大于0.45时，表明当前扇区负载较大，用户应降速率传输；反之，说明当前扇区有剩余资源，用户可以升速率传输。但是升速率和降速率要依照一定的概率，不能所有用户同时升速率或降速率。如果所有用户同时降速率，会导致系统资源突然空闲，这种空闲在下一次速率控制周期中，又会引起所有用户升速率，从而导致系统过载。如此往复，系统在空闲与过载状态下波动，造成系统的不稳定。本发明的主要方法就是通过调整升、降速率的概率，使系统的负载值尽可能的接近但是不超过门限值。速率调整概率的计算方法详述如下。

对于扇区j允许用户升速率的情况，即当前Load_j＜Load_TH，设用户i当前速率为R_i、速率上升为当前速率两倍的概率为 $p_i^{\&UpArrow;}(0\&le;p_i^{\&UpArrow;}\&le;1),$ 保持当前速率R_i的概率为1-p_i ^↑。使用速率估计函数Ev(R_i，p_i ^↑)计算下一周期的速率并带入负载计算公式。在本示例中使用下一个速率控制周期内传输速率的数学期望函数做为速率估计函数： $\mathrm{Ev}(R_i,p_j^{\&UpArrow;})=\stackrel{\&OverBar;}{R_{\&UpArrow;}}=2\&times;R_i\&times;p_j^{\&UpArrow;}+R_i\&times;(1-p_j^{\&UpArrow;})=R_i\&times;(1+p_j^{\&UpArrow;}).$ 将R_↑带入负载计算公式，得到

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{Load}}_j}=\underset{j\&Element;\mathrm{ActiveSet}\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{1+\frac{W}{{(E_b/N_o)}_i\&times;(1+p_j^{\&UpArrow;})\&times;R_i\&times;{\mathrm{\&upsi;}}_i}}---\left(4\right)$

公式(4)为变量 $p_j^{\&UpArrow;}(0\&le;p_j^{\&UpArrow;}\&le;1)$ 的增函数。求解满足Load_j＜Load_TH条件下的最大概率p_j ^↑，即为使扇区j不过载的最大升速率概率。

对于扇区j要求用户降速率的情况，即当前Load_j≥Load_TH，设用户i将速率降为R_i/2的概率为 $p_j^{\&DownArrow;}(0\&le;p_j^{\&DownArrow;}\&le;1),$ 保持当前速率R_i的概率为1-p_j ^↓。同样使用下一个速率控制周期内传输速率的数学期望函数做为速率估计函数： $\mathrm{Ev}(R_i,p_j^{\&DownArrow;})=\stackrel{\&OverBar;}{R_{\&DownArrow;}}=R_i\&times;p_j^{\&DownArrow;}/2+R_i\&times;(1-p_j^{\&DownArrow;})=R_i\&times;(1-p_j^{\&DownArrow;}/2).$ 将每个用户R_↓带入负载计算公式中，得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{Load}}_j}=\underset{j\&Element;\mathrm{ActiveSet}\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{1+\frac{W}{{(E_b/N_o)}_i\&times;(1-p_j^{\&DownArrow;}/2)\&times;R_i\&times;{\mathrm{\&upsi;}}_i}}---\left(5\right)$

公式(5)为变量 $p_j^{\&DownArrow;}(0\&le;p_j^{\&DownArrow;}\&le;1)$ 的减函数。求解满足Load_j＜Load_TH的最小概率值p_j ^↓作为使扇区j由过载转变为恰好不过载的降速率概率，从而实现对系统资源的充分利用。

根据“1xEV-DV Evaluation Methodology(V13)”，用户的激活集中最多可以包含三个扇区。为了满足每个激活扇区不过载的要求，只有当所有激活扇区要求升速率时，用户才升速率传输，并且最终的升速率概率为所有升速率概率的最小值。只要有一个激活集扇区要求用户降速率，用户则降速率传输，降速率的概率取所有降速率概率的最大值。因此，用户最终确定的过载指示比特可以表示为其激活集扇区过载指示比特之和：

${\mathrm{OLB}}_i=\underset{j\&Element;\mathrm{ActiveSet}\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{OLB}}_j---\left(6\right)$

用户i的概率选择方法表示为：

$\begin{array}{cc}{p}_i^{\&UpArrow;}=\underset{\mathrm{RA}{B}_j=0}{\underset{j\&Element;\mathrm{ActiveSet}\left(i\right)}{\min }{p}_j^{\&UpArrow;}}& ({\mathrm{OLB}}_i=0)\end{array}$ (7)

$\begin{array}{cc}{p}_i^{\&DownArrow;}=\underset{\mathrm{RA}{B}_j=0}{\underset{j\&Element;\mathrm{ActiveSet}\left(i\right)}{\min }{p}_j^{\&DownArrow;}}& ({\mathrm{OLB}}_i=1)\end{array}$

随机产生均匀分布在[0，1]范围内的随机数，若此随机数小于p_i ^↑(p_i ^↓)，则用户将下一个速率控制周期内的速率上升(下降)为当前速率的2倍(1/2倍)。

此外，本发明中也考虑到了系统可用功率对速率的限制。选择当前可用功率可支持的最大传输速率与速率控制得到的传输速率中较小的速率作为最终速率。

综合以上可以看出，本发明提出的针对系统负载状况实时调整速率升降概率的自适应算法，具有如下特点：

1.以提高系统资源的整体利用效率为目的，对于数据业务而言即获得更大的系统吞吐量。

2.避免系统过载现象的发生，同时也保证系统的稳定性。

3.考虑高实时性，随着系统状况的不断变化，实时调整速率升降概率，避免固定概率情况下的盲目性。

4.对具体的实现方式和协议规范不敏感，具备兼容性。

总之，本发明是一种灵活实用的资源分配与调度技术，其目的是以简单的结构和易实现的方法提高移动通信中资源分配和速率调整的效率。

Claims (11)

1. 一种用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，基于包括系统中的通信设备、可用发射功率和通信频段的通信资源，针对由各通信资源的不同划分和组合而构成的通信信道，网络侧控制方以系统基本信息和用户端的状态信息为决策依据，这些状态信息包括：系统带宽、用户端传输速率及信道状况、激活因子，进而根据系统设计目标所规定的使系统资源利用效率和用户端获得的服务质量最优化的准则，在各个用户之间动态的调整和分配传输速率；在各用户间动态调整和分配传输速率的过程中，采用了自适应概率选择方法，通过根据当前负载状况和负载门限值计算的概率，使用户端实时的调整速率变化的概率，从而精确的跟踪系统负载状况的变化，并做出相应的调整以适应负载变化，使系统负载与门限值之差的极限为0，但是系统负载并不超过门限值，也就是说在系统不过载的前提下，充分利用系统资源；基于负载的自适应速率控制方法的基本实现步骤为：

1、计算网络侧控制方的负载，并将此负载与负载门限相比较，根据比较结果设定该控制方的过载指示比特：负载大于负载门限，设置过载指示比特以表明当前系统处于过载状态，负载小于负载门限，设置过载指示比特表明当前系统尚有剩余资源；

2、依据过载指示比特确定控制方所控制的用户端速率调整趋势：若过载指示比特指明系统尚有空闲资源则升速率，反之则降速率；

3、根据当前负载、负载门限、速率调整趋势以及速率估计函数计算扇区内用户端应该采用的速率调整概率；

4、对于每个用户，根据该用户的一个或多个网络侧控制方的综合状况，确定用户端的过载指示比特和速率调整概率；为了保证每个控制方都不过载，升速率的概率为控制方升速率概率中的最小值，降速率的概率为控制方降速率概率中的最大值；

5、用户端依据每个用户的过载指示比特和步骤4中确定的升或降速率的概率，确定每个用户在下一个控制周期内的传输速率；

6、选择系统可用功率允许的用户端最大传输速率与速率控制方法确定的传输速率中较小的速率作为最终传输速率。

2. 如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其特征在于：网络侧所依据的信息包括系统基本信息和用户端的状态信息，即包含了资源的分配调度处理和速率控制方法所依据的信息。

3. 如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其中，用户端的特征在于代表相互竞争的服务请求，这些服务请求由掌握资源调度的速率控制方进行调度并被分配相应的系统资源允许的传输速率，在调度和分配速率的过程中，网络侧根据使系统中资源利用效率和用户端获得的服务质量指标达到最优化的准则，动态的调整用户端速率变化的概率，用户端依照此概率及自身所处的状况，包括各控制方状态及用户自身状态，调整用户自身的传输速率。

4.  如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其中的网络侧控制方的作用就是接收和处理用户端报送给它的进行速率控制时所依据的信息，并做出决策将网络侧控制方所掌握的控制信息告知用户端。

5.  如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其特征在于：设定网络侧控制方计算速率调整概率的动态准则，该准则包括动态升速率概率和降速率概率的计算，通过设定动态准则避免用户端同时升速率或降速率引起系统负载的急剧变化，以及由此引起的连锁反应对系统稳定性的不利影响。

6.  如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其特征在于：设定用户端的速率控制准则，该准则包括用户端过载指示比特和相应的速率调整概率的确定，并通过速率调整概率的选择准则保证了在满足每个控制方不过载的前提下，充分的利用系统资源。

7.  如权利要求5中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其中网络侧控制方计算速率调整概率的动态准则的特征在于：使用下个周期内用户端的速率估计函数，代替概率计算时所使用的负载计算式中的用户端传输速率。

8.  如权利要求5中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其中网络侧控制方计算速率调整概率的动态准则中的升速率概率计算的特征在于：以满足控制方不过载为前提的、所有可用概率的最大值来提高用户端的传输速率，实现网络侧负载增加并接近但不超过负载门限，从而实现对网络资源的充分利用。

9. 如权利要求5中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其中网络侧控制方计算速率调整概率的动态准则中的降速率概率计算的特征在于：以满足控制方不过载为前提的、所有可用概率的最小值来降低用户端的传输速率，使得网络侧的负载接近并低于负载门限，在解决网络侧过载现象的同时，实现对网络资源的充分利用。

10. 如权利要求6中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，其中属于用户端速率控制准则的速率调整概率选择的特征在于：在多个网络侧控制方所计算的速率调整概率中，选择满足该用户端所有网络侧控制方均不过载、且使每个控制方负载与负载门限之差的绝对值最小的概率；当用户端过载指示比特指示用户升速率时，选择允许用户升速率的控制方计算的升速率概率中最小的概率；当用户端过载指示比特指示用户降速率时，选择所有要求用户降速率的控制方计算的降速率概率中最大的概率。

11. 如权利要求7中所述的用于移动通信资源分配和调度的速率控制方法，属于用户端的速率估计函数的特征在于：表征了用户端速率的统计特性。

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