CN100423589C - 移动通信系统中下行链路多信道分组联合调度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在UMTS通信系统下行链路中对用于分组业务的专用传输信道进行分组联合调度的方法，所述方法包括：a)在每个DCH调度周期之前，根据预定的DCH联合分组调度约束条件，对每个DPCH的传输格式组合进行预选择处理，以确定每个DPCH可用的传输格式组合集合；b)将用于非实时分组业务的DCH的总的下行发射功率约束为不超过所述调度周期内下行总功率预算中的可调度功率；c)基于DCH传输的公平性和DCH所承载业务的QoS要求，确定DCH联合分组调度最优化问题中各DCH相应的权值；d)采用0-1规划算法，基于步骤a)，b)和c)的结果，计算对应每个DCH可调度输出的最大比特数。根据本发明，保证了不同专用信道的公平性、优先级和QoS、并在总的数据吞吐量最大。

Description

移动通信系统中下行链路多信道分组联合调度的方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信系统中下行链路分组调度的有关技术，特别涉及UMTS(通用移动通信系统)下行链路中，用于分组业务的专用类型传输信道联合最优分组调度的方法和装置。

技术背景

UMTS(通用移动通信系统)系统是无线技术采用WCDMA(宽带码分多址)的第三代移动通信系统。在图1所示的UMTS无线接入网(UTRAN)系统结构中，无线网络控制器(RNC)通过Iu接口与核心网相连，RNC之间则通过Iur接口相连，一个RNC则与一个或多个节点B(Node B)通过Iub接口相连。一个Node B包含一个或多个小区，小区是用户设备(UE)(图中未示出)无线接入的基本单元，其中UE与UTRAN之间的无线接口为Uu接口(图中未示出)。

在UMTS的标准化组织3GPP(第三代合作项目)的协议文献中，与UMTS无线接口协议相关主要有TS25.2XX与TS25.3XX等系列规范。在图2所示的UMTS无线接口协议结构中，位于底层的是物理(PHY)层，在控制平面，物理层之上分别是媒体接入控制(MAC)层、无线链路控制(RLC)层和无线资源控制(RRC)层，在用户平面，无线接口协议由物理层、MAC层、RLC层和分组数据汇聚协议(PDCP)层构成，其中PDCP层仅用于分组交换(PS)域。物理层提供的信道为物理信道，MAC层与RLC层之间的信道为逻辑信道，MAC层与物理层之间的信道为传输信道。

在R99版本UMTS无线接入网(UTRAN)中，控制类型逻辑信道有BCCH(广播控制信道)、PCCH(寻呼控制信道)、DCCH(专用控制信道)、CCCH(公共控制信道)等，业务类型逻辑信道有DTCH(专用业务信道)、CTCH(公共业务信道)等。上行链路传输信道包括RACH(随机接入信道)、CPCH(公共分组信道)、DCH(专用信道)等，下行链路传输信道包括BCH(广播信道)、PCH(寻呼信道)、FACH(前向接入信道)、DSCH(下行共享信道)及DCH等。MAC层的一个主要功能是将逻辑信道映射为传输信道，图3给出了下行链路逻辑信道与传输信道的映射关系。

根据3GPP的规范3GPP TS 25.212、3GPP TS 25.302等文献，每个传输信道伴随的传输格式指示(TFI)对应了该传输信道传输格式集(TFS)中的一种传输格式。在每个传输时间间隔(TTI)，如图4所示，上层按一定的传输格式组合(TFC)将各个传输信道的传输块(TB)传送到物理层，物理层将这些来自不同传输信道的TFI信息合并为传输格式组合指示(TFCI)，并在编码后在物理信道的TFCI字段上传输，接收端则通过解码该TFCI字段，从而能够正确接收各个传输信道。

在UMTS中，影响下行链路容量和覆盖等性能的主要原因是下行功率受限。一个小区下行链路总的最大发射功率是由基站功率放大器的额定输出功率确定的，该功率一般可以划分为固定的静态功率、不可调度功率和可调度功率等部分，如图5所示。其中，固定的静态功率用于小区公共导频、同步、寻呼等下行公共控制信道，该部分功率是由小区配置等参数决定的；不可调度功率是会话类型和流类型等实时业务占用的功率，这类业务即使允许选择一定的速率但速率本身仍要求是恒定的，因此该部分功率是不可调度的；可调度功率部分主要用于交互或背景类型非实时(NRT)分组业务，这类业务允许速率动态变化，因此，其占用的功率是可调度的。

当使用DCH传输交互或背景类型NRT分组数据时，多个不同用户承载分组业务的DCH的总功率构成了上述不可调度功率，但在UTRAN侧下行方向，对每一个UE，均有一个DCH的功能实体MAC-d与之相对应，而不同UE的MAC-d实体之间是相互独立的。因此，每个小区须采用一个总调度单元，对该小区中所有的用于NRT分组数据传输的DCH进行联合分组调度。但是，现有的UMTS中下行链路分组调度的技术主要是针对公共或共享类型信道如FACH/DSCH等提出的，公共或共享类型信道的调度基本上可以归结为多个输入数据流共享一个带宽资源有限的输出信道的问题。实际上，针对这一类通信中常见的调度问题，目前已有大量成熟有效的算法，典型地如Round-Robin、WFQ(Weighted Fair Queueing)、WF²Q(Worst-case Fair Weighted Fair Queueing)等，可以参考“H.Zhang，Service disciplines for guaranteed performance service inpacket-switching networks，Proceedings of the IEEE，vol.83，pp.1374-1396，Oct.1995”以及“V.Bharghavan，S.Lu and T.Nandagopal，Fair queueing in wireless networks：Issues andApproaches，IEEE Personal Communication，Vol.6，No.1，pp.44-53，February 1999”等文献。

发明内容

为了解决现有技术中尚缺乏针对UMTS下行链路中用于分组业务的专用信道联合分组调度的有效、优化的方法，本发明的一个目的是提供一种计算量小、保证不同专用信道的公平性、优先级和QoS(服务质量)、并在总的数据吞吐量最大的意义上最优的下行链路专用信道联合分组调度方法以及实现该方法的装置。

本发明再一个目的是解决在规划下行链路DCH联合分组调度时遇到的计算复杂、耗时和不完善的技术问题，而将此问题转化为带约束的最优化问题，从而能优化下行链路专用信道联合分组调度方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种在UMTS通信系统下行链路中对用于分组业务的专用传输信道进行分组联合调度的方法，其中逻辑信道中的专用业务信道DTCH映射为传输信道中的专用信道DCH，N个专用信道DCH在各自的输入队列中排队等待输出到对应的M个专用物理信道DPCH，其中M≤N；所述对DCH进行分组联合调度的方法包括以下步骤：

a)确定每个DPCH可用的传输格式组合集合的步骤；其中包括：

将优先级高的分组放到相应DCH的输入缓冲队列的前端；

基于DPCH的传输格式组合集合TFCS、激活的DCH以及DCH输入队列的长度对TFCS进行预选择处理，得到每个DPCH在当前调度周期中的可用传输格式组合的集合TFCS_m ⁽²⁾，其中所述预选择处理包括：

i)选择每个DCH被调度输出的传输块大小和数量满足该DCH对应的TFCS的限制的TFC集合 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(0\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(0\right)},$ 其中m＝1，2，…M，S_m为第m个DPCH的TFC的维度，即有S(m)个DCH多路复用在第m个DPCH上；

ii)判断每个DPCH中的每个DCH是否在当前调度周期中已被激活，如果某DCH已被激活，则从该DCH对应DPCH的经步骤(i)后得到的可用TFC集合中，去除所有不包含此DCH正在被使用的传输格式的传输格式组合，此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(1\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(1\right)},$ 其中m＝1，2，…M；

iii)从每个DPCH经步骤(ii)后得到的可用TFC集合中，进一步去除满足如下条件的所有传输格式组合：该TFC至少包含一个传输格式，指示当前调度周期内其对应的DCH上可传输的比特数，大于相应DCH的当前输入缓冲队列长度，经此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(2\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(2\right)},$ 其中m＝1，2，…M；

b)将用于非实时分组业务的DCH的总的下行发射功率

约束为不超过所述调度周期内下行总功率预算中的可调度功率，即最大允许功率值P_k ^Scheduled，其中P_k，n为第k个调度周期第n个DCH所需的平均发射功率，P_k ^Scheduled为第k个调度周期内在下行链路功率预算中分配给承载非实时分组业务的专用信道的最大允许功率，以及，计算第k个调度周期内第n个DCH的平均发射功率P_k，n与该DCH在此调度周期中被调度输出的比特数R_k，n的比例系数的预测/估计值

c)利用第n个DCH所承载的业务优先级确定静态权值w_n ^QoS；

利用记录的每个DCH调度结果，计算第k个调度周期内第n个DCH的平均调度指数η_k，n，并根据下述公式确定所述动态权值w_k，n ^Fair：

$w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}$ 或 $w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}};$

其中，所述平均调度指数η_k，n通过以下方法之一进行确定：

i)对过去第k-l个调度周期中第n个DCH的调度指数的平滑滤波： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{k-l,n},$ 其中L为参与平滑滤波的以往的调度周期数，第k-l个调度周期中第n个DCH的“调度指数”定义为：

${\mathrm{\η}}_{k-l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{k-l,n}}{\max \left\{R_{k-l,n}\right\}}& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}\≠0\\ 1& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}=0\end{array}\right.$

其中，R_k-l，n为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数，max{R_k-l，n}为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的可调度比特的离散有限域中的最大值；

ii)对方法i)中的所述公式进行调整： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{l-1}{\mathrm{\η}}_{k-l,n},$ 其中因子λ∈(0，1]；或者

iii)采用一阶无限脉冲响应滤波器进行平滑滤波：η_k，n＝(1-β)·η_k-1，n+β·η_k-1，n，其中滤波系数β∈[0，1]；

基于DCH传输的公平性和DCH所承载业务的QoS要求，使用动态权值w_k，n ^Fair和静态权值w_n ^QoS的乘积确定DCH联合分组调度目标函数中的权值，其中所述DCH联合分组调度目标函数被定义为： $J_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{k,n}{R}_{k,n},$ 其中，J_k为第k个调度周期的目标函数，w_k，n是第k个调度周期中第n个DCH对应的权值，R_k，n为待求解的第k个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数；

d)采用0-1规划算法，基于步骤a)，b)和c)的结果，将求解DCH联合分组调度目标函数最大化转化为最小化目标函数的0-1规划，并进一步将0-1规划转化为线性规划进行处理，以计算出每个DCH调度输出的比特数；其中，将DCH联合分组调度的目标函数转化成为的0-1规划的最小化目标函数定义为：

$J=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(W_{m,l}\·q_{m,l}),$

约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}S+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(C_{m,i}\·q_{m,i})=P^{\mathrm{Scheduled}},S\≥0\\ \underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{m,i}=1,q_{m,i}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},m=\mathrm{1,2},,...M\end{array}\right.$

其中，S为松弛变量。

参数W_m，i及C_m，i由下式给出：

$W_{m,i}=-\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[w_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)].$

$C_{m,i}=\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[{\hat{c}}_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]$

根据公式： $R_{m,j}=\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}[q_{m,i}\·r_{m,j}\left(i\right)],$ 计算每个DCH最优调度输出比特数R_m，j，其中：

q_m，i为0-1指示变量，且q_m，i∈{0，1}，i＝1，2，…，D_m，其中D_m为DPCH_m可用TFC集合TFCS_m ⁽²⁾的元素个数，q_m，i分别与所述集合中的每个元素相对应；

将复用到同一个DPCH的DCH作为一组，M个DPCH共有M组DCH，每组包含S_m(m＝1，2，…M)个DCH，分别按其在相应DPCH_m的TFC中出现的顺序依次编号为DCH_m，1，DCH_m，2，…，

且R_n，w_n，

也相应标记为R_m，j，w_m，j

其中j＝1，2，…，S_m，r_m，j(i)为TFCS_m ⁽²⁾中第i个TFC包含的第j个DCH的传输格式所指示的当前调度周期内该DCH上可传输的比特数。

根据本发明的另一个方面，提出了一种在UMTS通信系统下行链路中对用于分组业务的专用传输信道进行分组联合调度的装置，其中逻辑信道中的专用业务信道DTCH映射为传输信道中的专用信道DCH，而N个专用信道DCH在各自的输入队列中排队等待输出到对应的M个专用物理信道DPCH，其中M≤N；所述对DCH进行分组联合调度的装置包括：预选择处理单元、功率约束比例系数计算单元、目标函数权值计算单元以及基于0-1规划的最优分组调度计算单元，其中：

预选择处理单元，用于确定每个DPCH可用的传输格式组合集合并进一步包括：

优先级排队模块，用于将优先级高的分组放到相应DCH的输入缓冲队列的前端；

TFCS预选择处理模块，用于基于DPCH的传输格式组合集合TFCS、激活的DCH以及DCH输入队列的长度对TFCS进行预选择处理，得到每个DPCH在当前调度周期中的可用传输格式组合的集合TFCS_m ⁽²⁾，其中所述预选择处理包括：

i)选择每个DCH被调度输出的传输块大小和数量满足该DCH对应的TFCS的限制的TFC集合 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(0\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(0\right)},$ 其中m＝1，2，…M，S_m为第m个DPCH的TFC的维度，即有S(m)个DCH多路复用在第m个DPCH上；

ii)判断每个DPCH中的每个DCH是否在当前调度周期中已被激活，如果某DCH已被激活，则从该DCH对应DPCH的经步骤(i)后得到的可用TFC集合中，去除所有不包含DCH正在被使用的传输格式的传输格式组合，此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(1\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(1\right)},$ 其中m＝1，2，…M；

iii)从每个DPCH经步骤(ii)后得到的可用TFC集合中，进一步去除满足如下条件的所有传输格式组合：该TFC至少包含一个传输格式，指示当前调度周期内其对应的DCH上可传输的比特数，大于相应DCH的当前输入缓冲队列长度，经此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(2\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(2\right)},$ 其中m＝1，2，…M；

功率约束比例系数计算单元，用于将用于非实时分组业务的DCH的总的下行发射功率

约束为不超过所述调度周期内下行总功率预算中的可调度功率，以及计算第k个调度周期内第n个DCH的平均发射功率P_k，n与该DCH在此调度周期中被调度输出的比特数R_k，n的比例系数的预测/估计值

目标函数权值计算单元，用于基于DCH传输的公平性和DCH所承载业务的QoS要求，确定DCH联合分组调度目标函数中的权值，并包括：

动态权值计算模块，用于基于每个DCH公平性要求，根据记录的每个DCH调度结果，计算第k个调度周期内第n个DCH的平均调度指数η_k，n，并根据下述公式确定所述动态权值w_k，n ^Fair：

$w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}$ 或 $w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}};$

其中，所述平均调度指数η_k，n通过以下方法之一进行确定：

i)对过去第k-l个调度周期中第n个DCH的调度指数的平滑滤波： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{k-l,n},$ 其中L为参与平滑滤波的以往的调度周期数，第k-l个调度周期中第n个DCH的“调度指数”定义为：

${\mathrm{\η}}_{k-l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{k-l,n}}{\max \left\{R_{k-l,n}\right\}}& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}\≠0\\ 1& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}=0\end{array}\right.$

其中，R_k-l，n为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数，max{R_k-l，n}为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的可调度比特的离散有限域中的最大值；

ii)对方法i)中的所述公式进行调整： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{l-1}{\mathrm{\η}}_{k-l,n},$ 其中因子λ∈(0，1]；或者

iii)采用一阶无限脉冲响应滤波器进行平滑滤波：η_k，n＝(1-β)·η_k-1，n+β·η_k-1，n，其中滤波系数β∈[0，1]；；

静态权值计算模块，用于基于每个DCH所承载的业务优先级来确定静态权值；

乘法器，用于将每个DCH的动态权值与静态权值相乘而得出用于目标函数的权值；

其中所述DCH联合分组调度目标函数被定义为： $J_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{k,n}{R}_{k,n},$ 其中，J_k为第k个调度周期的目标函数，w_k，n是第k个调度周期中第n个DCH对应的权值，R_k，n为待求解的第k个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数；

基于0-1规划的最优分组调度计算单元，用于计算最优分解调度结果，所述基于0-1规划的最优分组调度计算单元进一步包括：

0-1规划参数计算模块，用于采用线性规划算法，基于预选择处理单元、功率约束比例系数计算单元、目标函数权值计算单元的输出结果，将求解DCH联合分组调度目标函数最大化转化为最小化目标函数的0-1规划并计算0-1规划问题中的参数W_m，i及C_m，i；

线性规划计算模块，用于利用参数W_m，i，C_m，i及当前调度周期内的可调度功率预算，计算下行链路DCH联合分组调度0-1规划问题的最优的指示变量的解向量；以及

DCH调度输出比特计算模块，用于利用线性规划计算模块输出的指示变量的最优解，计算每个DCH在当前调度周期被调度输出的比特数；

其中，将DCH联合分组调度的目标函数转化成为的0-1规划的最小化目标函数定义为：

$J=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(W_{m,i}\·q_{m,i})$

约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}S+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(C_{m,i}\·q_{m,i})=P^{\mathrm{Scheduled}},S\≥0\\ \underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{m,i}=1,q_{m,i}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},m=\mathrm{1,2},,...M\end{array}\right.$

其中，S为松弛变量。

参数W_m，i及C_m，i由下式给出：

$W_{m,i}=-\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[w_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)].$

$C_{m,i}=\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[{\hat{c}}_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]$

根据公式： $R_{m,j}=\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}[q_{m,i}\·r_{m,j}\left(i\right)],$ 计算每个DCH最优调度输出比特数R_m，j，其中：

q_m，i为0-1指示变量，且q_m，i∈{0，1}，i＝1，2，…，D_m，其中D_m为DPCH_m可用TFC集合TFCS_m ⁽²⁾的元素个数，q_m，i分别与所述集合中的每个元素相对应；将复用到同一个DPCH的DCH作为一组，M个DPCH共有M组DCH，每组包含S_m(m＝1，2，…M)个DCH，分别按其在相应DPCH_m的TFC中出现的顺序依次编号为DCH_m，1，DCH_m，2，…，

且R_n，w_n，

也相应标记为R_m，j，w_m，j

其中j＝1，2，…，S_m，r_m，j(i)为TFCS_m ⁽²⁾中第i个TFC包含的第j个DCH的传输格式所指示的当前调度周期内该DCH上可传输的比特数。

根据本发明的UMTS系统中下行链路DCH联合分组调度的方法和装置，实现了：(a)最大化每次调度输出的总的数据流量，从而最大限度地有效利用无线资源，同时，在无线资源有限的条件下，为用户提供最大的数据传输速率；(b)保证各个DCH传输的公平性，保证了每个用户都能获得尽可能最大的数据传输速率；以及(c)反映并保证DCH的优先级要求。

附图说明

以下通过实例，结合附图描述本发明的具体实施方式，其中：

图1示出了应用本发明的UTRAN通信系统的网络结构的示意图；

图2示出了应用本发明的UTRAN通信系统的无线接口协议结构的示意图；

图3示出了应用本发明的UTRAN通信系统中下行链路逻辑信道与传输信道的映射关系；

图4示出了应用本发明的UTRAN通信系统中传输信道、传输块与传输格式组合的示意图；

图5示意示出了UTRAN通信系统中下行链路发射功率的组成；

图6示意示出了UTRAN通信系统中下行链路DCH到DPCH的分组调度模型；

图7示意示出了UTRAN通信系统中下行链路DCH与DPCH之间的对应关系；

图8是根据本发明的下行链路DCH分组联合调度装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，本领域技术人员通过以下结合附图对本发明的技术方案的更详细的描述，可以更好地理解本发明的技术方案。

参照附图6，附图6示意示出了UTRAN通信系统中下行链路DCH到DPCH的分组调度模型。在图6所示UMTS下行链路DCH分组调度模型中，N个DCH(分别标号为DCH#1，DCH#2，DCH#3，....DCH#N)在各自的输入队列中排队等待输出到对应的M个专用物理信道(DPCH)(分别标号为DPCH#1，DPCH#2，DPCH#3，....DPCH#M)，每个DPCH的最大允许速率是由其扩频因子决定的，由于一个DPCH上可能多路复用一个或多个DCH，因此M≤N。在UMTS中，物理信道的帧长为10ms，而TTI的长度可能为10ms、20ms、40ms及80ms，由于不同UE的DCH的TTI不同，因此，下行链路DCH联合分组调度每隔10ms进行一次调度并把每个DCH被调度的传输块发送到物理层。本发明解决下行链路DCH联合分组调度问题的出发点，是将此问题转化为带约束的最优化问题。

首先，下行链路DCH联合分组调度的目标主要有：(a)最大化每次调度输出的总的数据流量；(b)保证各个DCH传输的公平性；(c)反映并保证DCH的优先级要求。其中，最大化每次调度输出的总的数据流量是分组调度的基本要求，从而最大限度地有效利用无线资源，另一方面，在无线资源有限的条件下，为用户提供最大的数据传输速率。保证各个DCH传输的公平性是分组调度的另一个要求，因为上述第一个目标最大化的是总的数据流量，而不是每一个DCH的数据流量，为了从每个用户的角度都能获得最大的数据传输速率，公平性必须得到充分的保证。同时，不同的DCH可能存在不同的优先等级，这种优先级主要是由于DCH所承载业务的优先级等因素所决定的，例如，根据3GPP的规范TS23.107，UMTS交互类型业务的QoS具有“Traffic Handling Priority”，(业务处理优先级)属性，由于分组调度主要影响了分组数据业务的时延、数据速率等QoS性能，因此，下行链路DCH联合分组调度应反映并保证DCH的QoS等级要求。由业务QoS需求不同而产生的优先级实际上是一种静态优先级，另外，在每个调度周期，其它因素也可能产生动态的优先级，一个典型的例子是AM(应答模式)RLC中的状态PDU(协议数据单元)分组。AM模式的RLC采用ARQ(自动重传请求)技术以牺牲时延为代价提供低错误率的无线承载能力，由于NRT分组业务是时延不敏感但对差错敏感的业务，因此一般都采用AM模式的RLC。状态PDU用于AM模式RLC实体的接收端向发送端发送ARQ应答信息，因此，为了减少时延应以较高的优先级传输。

另一方面，下行链路DCH联合分组调度还应满足如下约束条件：(a)在每个调度周期(这里为10ms)，所有用于NRT分组业务的DCH的总的下行发射功率，应不超过该周期内下行总功率预算中的可调度功率值；(b)在每个调度周期，每个DCH被调度输出的传输块大小和数量，应满足该DCH对应的传输格式组合集(TFCS)的限制；(c)由于不同的DCH具有不同的TTI，而调度是以一个无线帧为周期的，因此，在一个调度周期，当某DCH已经被激活，即若在前面的调度周期中该DCH已经有一定数量的传输块被调度输出，在当前调度周期内，该DCH不能被重新调度新的传输块，而应该等待该DCH的下一个TTI到来时才能进行新的调度；(d)在每个调度周期，一个DCH被调度输出的传输块数量，除了取决于调度系统外，还与在输入队列中等待传输的数据数量有关，为了避免在RLC层产生不必要的浪费无线传输带宽的填充(Padding)比特，DCH调度应使得调度所选定的该DCH的传输格式对应的传输容量，不超过当前调度周期内该DCH输入队列中所有需要传输的数据的数量。

1.DCH联合分组调度的目标函数

根据上述DCH联合分组调度的目标，本发明提出采用如下的线性目标函数来求解最优的分组调度输出：

$J_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{k,n}{R}_{k,n}---\left(1\right)$

其中，J_k为第k个调度周期的目标函数，w_k，n是第k个调度周期中第n个DCH对应的权值，R_k，n为待求解的第k个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数，如下所述它的值域是一个离散有限域。如前所述，由业务QoS需求不同而产生的优先级是一种静态优先级，因此，本发明将该优先级表述为上述目标函数的静态权值部分。同时，为了反映上述DCH联合分组调度目标中DCH传输的公平性的要求，本发明提出将公平性表征为上述目标函数的动态权值部分，即有：

$w_{k,n}=w_n^{\mathrm{QoS}}\·w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}---\left(2\right)$

其中w_n ^QoS为第n个DCH对应的其所承载业务的优先级决定的静态权值，w_k，n ^Fair为第k个调度周期中第n个DCH对应的反映该DCH公平性要求的动态权值。

需要特别说明的是，公平性是与DCH速率无关的，因为一个DCH的传输速率，是由其对应的DPCH的带宽或扩频因子决定的，高速率和低速率的DCH都应当获得相同的公平的被调度输出的机会。因此，本发明提出为了反映各个DCH传输的公平性要求，使用历史的(即过去一段时间内的)该DCH被调度的频度和每次调用的相对数量，即“调度指数”来确定上述反映DCH公平性要求的动态权值w_k，n ^Fair。根据本发明，第k-l个调度周期中第n个DCH的“调度指数”定义为：

${\mathrm{\η}}_{k-l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{k-l,n}}{\max \left\{R_{k-l,n}\right\}}& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}\≠0\\ 1& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，R_k-l，n为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数，max{R_k-l，n}为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的可调度比特的离散有限域中的最大值。显然，η_k-l，n的值间于0～1之间，由于R_k-l，n的值域本身是一个离散有限域，因此η_k-l，n的值域也是一个离散有限域。根据上述“调度指数”的定义，该参数是与DCH_n本身的速率无关的量，它反映了DCH_n在第k-l个调度周期中被调用的程度。

通过对第n个DCH的过去一段时间内的调度指数的滤波，即得到该DCH的历史平均调度指数η_k，n。根据本发明，优选地可以使用以下三种滤波平滑方法之一：

$\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{k-l,n}& \left(4a\right)\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{l-1}{\mathrm{\η}}_{k-l,n}& \left(4b\right)\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=(1-\mathrm{\β})\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k-1,n}+\mathrm{\β}\·{\mathrm{\η}}_{k-1,n}& \left(4c\right)\end{array}\right.$

式中，L为参与平滑滤波的以往的调度周期数，遗忘因子λ∈(0，1]，该因子的作用在于调节过去的调度指数在滤波中的重要性，该因子越接近0过去的调度指数所起的作用越小，当λ＝1时式(4b)即成为式(4a)所表示的L段平均。式(4c)实际上表示采用一阶IIR(无限脉冲响应)滤波器来进行平滑滤波，其中滤波系数β∈[0，1]。

利用式(4)求得DCH_n的经滤波平滑的历史调度指数η_k，n后，根据本发明，反映该DCH在当前调度周期中的公平性要求的动态权值w_k，n ^Fair，即可以用η_k，n的单调降函数来表征。优选地，可以采用以下两种计算方法之一确定动态权值w_k，n ^Fair：

$\left\{\begin{array}{cc}{w}_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}& \left(5a\right)\\ w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}}& \left(5b\right)\end{array}\right.$

在式(5b)中，为防止η_k，n过小造成数值的稳定性问题，还可以用一个门限值限制最大权值。

最后，对于上述因ARQ等因素产生的动态优先级，本发明并不将此类优先级作为目标函数的权值，而是采用如下的队列管理技术来反映该动态优先级：以AM模式RLC的状态PDU调度为例，对任何一个DCH的输入缓冲队列，一旦接收到含有状态PDU的分组，立即把此分组放到该DCH的输入缓冲队列的最前面，从而使得该状态PDU得到优先的传输机会。

2.DCH联合分组调度的约束条件

根据前述DCH联合分组调度的约束条件，每个调度周期内所有用于NRT分组业务的DCH的总的下行发射功率，应不超过该周期内下行总功率预算中的可调度功率值，该约束条件可以表达为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,n}\text{\≤}{P}_k^{\mathrm{Scheduled}}---\left(6\right)$

式中P_k，n为第k个调度周期第n个DCH所需的平均发射功率，P_k ^Scheduled为第k个调度周期内在下行链路功率预算中分配给承载NRT分组业务的专用信道的最大允许功率。

忽略速率匹配等因素的影响，在下行方向，一个无线帧内DCH的平均发射功率，可以近似地表示为该DCH的比特速率与一个比例系数之积，其中该DCH的比特速率即对应此无线帧调度周期内该DCH被调度输出的比特数，但是，由于无线信道的传播损耗和多径衰落等因素，其比例系数在每个无线帧是动态变化。为此，本发明提出利用线性预测滤波器估计当前调度周期的比例系数，例如，较简单地可以采用一阶α跟踪器/预测器：

${\hat{c}}_{k,n}(1-\mathrm{\α})\·{\hat{c}}_{k-1,n}+\mathrm{\α}\·c_{k-1,n}---\left(7\right)$

其中，滤波器系数α∈[0，1]，表示第k个调度周期内第n个DCH的平均发射功率与该DCH被调度输出的比特数的比例系数的预测/估计值，而c_k-1，n是利用第k-1个调度周期内第n个DCH实际发射功率的测量值与实际被调度输出的比特数之比计算得到的。这样，式(6)给出的DCH联合分组调度的功率约束条件可以进一步表示为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{c}}_{k,n}{R}_{k,n}\≤P_k^{\mathrm{Scheduled}}---\left(8\right)$

为了满足前面分析的其它DCH联合分组调度的约束条件，本发明提出在每个调度周期的开始之前，直接利用这些约束条件对每个DPCH的TFCS进行预选择处理，每个DCH的离散有限值域，即可由对应DPCH的经预选择处理后的可使用的TFC的集合来确定。

(1).约束条件(b)(即在每个调度周期，每个DCH被调度输出的传输块大小和数量应满足该DCH对应的TFCS的限制)实际上给出了每个DPCH的TFCS，该步骤无需在每个调度周期都执行，除非RRC修改或重配，否则每个DPCH的TFCS在每个调度周期都是相同的。经此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(0\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(0\right)},$ 其中m＝1，2，…M，S_m为第m个DPCH的TFC的维度，即有S(m)个DCH多路复用在第m个DPCH上；

(2).根据约束条件(c)(即在一个调度周期，当某DCH已经被激活，若在前面的调度周期中该DCH已经有一定数量的传输块被调度输出，在当前调度周期内，该DCH不能被重新调度新的传输块，而应该等待该DCH的下一个TTI到来时才能进行新的调度)，逐一判断每个DPCH中的每个DCH是否在当前调度周期中已被激活，如果某DCH已被激活，则应从该DCH对应DPCH的经步骤(1)后得到的可用TFC集合中，去除所有不包含此DCH正在被使用的传输格式的传输格式组合。经此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(1\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(1\right)},$ 其中m＝1，2，…M；

(3).根据约束条件(d)(即DCH调度应使得调度所选定的该DCH的传输格式对应的传输容量，不超过当前调度周期内该DCH输入队列中所有需要传输的数据的数量)，从每个DPCH经步骤(2)后得到的可用TFC集合中，进一步去除满足如下条件的所有传输格式组合：该TFC至少包含一个传输格式，指示当前调度周期内其对应的DCH上可传输的比特数，大于相应DCH的当前输入缓冲队列长度。经此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(2\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(2\right)},$ 其中m＝1，2，…M。

这样，利用每个DPCH的经上述TFCS预选择处理得到的可用TFC集合TFCS_m ⁽²⁾，就能确定每个DCH的离散有限值域。但需注意的是，当多个DCH复用在一个DPCH上时，由此得到的该DPCH的所有DCH的值域空间是耦合的，它们受TFCS_m ⁽²⁾所给出的有限组合的约束。

3.将DCH联合分组调度转化为0-1规划问题

利用前面的分析结果，在第k个调度周期(以下为清晰起见均省略下标k)，DCH联合分组调度可以表达为以下在离散有限域中采用线性约束及线性目标函数的数学规划问题：

求最优解R_n，n＝1，2，…N，最大化目标函数 $J=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{R}_n,$ 其中，R_n应满足约束条件： $\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{c}}_n{R}_n\≤P^{\mathrm{Scheduled}},$ 且R_n∈Ψ_n，其中Ψ_n为离散有限域。

如果不限定变量的值域，上述问题就是典型的线性规划问题，针对线性规划问题的简单高效的计算方法即是工程中广泛采用的单纯形法。然而，当变量只能在离散有限域中取值时，目前尚缺乏系统的有效的计算方法。搜索类型的算法是解决此类问题的基本方法，但当变量数目及其值域空间较大时，计算量将非常大而难以实用，另外，复用在相同DPCH上的DCH值域空间的耦合也使问题的求解变得更加复杂。为此，本发明采用下面的变量转换技术将上述问题转化为易于求解的一类特殊的组合优化问题，即0-1规划问题。

为了便于表述，如图7所示，将复用到同一个DPCH的DCH作为一组，M个DPCH共有M组DCH，每组包含S_m(m＝1，2，…M)个DCH，它们分别按其在相应DPCH_m的TFC中出现的顺序依次编号为DCH_m，1，DCH_m，2，…，

上述最优化问题中的R_n，w_n，

也相应标记为R_m，j，w_m，j，

其中j＝1，2，…，S_m，显然：

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m=N---\left(9\right)$

若DPCH_m可用TFC集合TFCS_m ⁽²⁾元素个数为D_m，引入D_m个新的0-1指示变量q_m，i∈{0，1}，i＝1，2，…，D_m，分别与该集合中的每个元素相对应，则：

$R_{m,j}=\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}[q_{m,i}\·r_{m,j}\left(i\right)],$ 且满足指示约束： $\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{m,i}=1---\left(10\right)$

其中r_m，j(i)为TFCS_m ⁽²⁾中第i个TFC包含的第j个DCH的传输格式所指示的当前调度周期内该DCH上可传输的比特数。这样，利用新引入的0-1指示变量，不但去除了复用在同一DPCH上的DCH值域空间的耦合，同时上述最优化问题也转化为以下等效的0-1规划问题：

最小化目标函数：约束条件： $\left\{\begin{array}{c}S+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(C_{m,i}\·q_{m,i})=P^{\mathrm{Scheduled}},S\≥0\\ \underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{m,i}=1,q_{m,i}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},m=\mathrm{1,2},,...M\end{array}\right.$

$J=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(W_{m,i}\·q_{m,i})$

其中，上述0-1规划问题中参量W_m，i及C_m，1可以由下式求得：

$\left\{\begin{array}{cc}{W}_{m,i}=-\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[w_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]& \left(11a\right)\\ C_{m,i}=\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[{\hat{c}}_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]& \left(11b\right)\end{array}\right.$

注意到为了将上述0-1规划问题表示为标准的形式，引入了松弛变量S，并将求解目标函数最大化转换为最小化目标函数。一旦求得上述0-1规划问题的最优解，即可由式(10)求得当前调度周期的各个DCH最优的调度输出比特数。

4.转换0-1规划问题为线性规划问题

0-1规划问题目前仍然没有通用的求解方法，一般的算法都是针对某一类特殊的问题而提出的。注意到文献“A.K.Khandani，Linear(Zero-one)programming approach to fixed-rate entropy-coded vectorquantisation，IEE Proceedings of Communication，Vol.146，No.5，Oct.1999，pp275-282”中提出了一类0-1规划问题的求解方法，虽然该0-1规划问题在上述文献中是针对固定速率熵编码矢量量化中最优比特分配的应用，但是，该文献为此应用建立的基于0-1规划问题的数学模型，与本发明提出的DCH联合分组调度的0-1规划问题是完全相同的。因此，该文献针对该0-1规划问题的结论和计算方法，可以直接应用于本发明，该文献全文在此引述作为参考。

根据上述文献第2.1节的结论，可以直接放松上述0-1规划问题中指示变量0-1约束，而将该0-1规划问题作为典型的线性规划问题进行求解，而最优解总是能保证最多只有两个指示变量间于0和1之间，而其它指示变量正好是0或者是1，而对于此间于0和1之间的两个指示变量，可以采用近似的方法直接量化为0或1，而对最优解的影响很小且可以忽略。这样，根据线性规划的有关理论，采用高效的单纯形法，大约经过(M+1)～2(M+1)次迭代就可以求解上述0-1规划问题。

除了通用的线性规划计算方法外，上述文献还针对此0-1规划问题的特殊性，提出了一种计算量进一步减小的快速算法求解对应的线性规划问题。详细的算法可以参考上述文献第2.2节。

5.本发明提出的DCH联合分组调度方法总结

在以上对本发明提出的下行链路DCH联合分组调度方法的论述中，尚未讨论以下两种可能的实际情况：一是不同的DTCH可能在MAC层多路复用在一个DCH上，二是传输非实时分组业务的DCH可能和传输实时业务，如AMR(自适应多速率)语音的DCH多路复用在一个DPCH上。

对第一种情况，考虑到复用在DCH上的各个DTCH具有QoS需求相同，并且各个DTCH通过时分复用方式共享相同的该DCH传输带宽的特点，本发明提出对此情况，先采用典型的Round-Robin、WFQ或WF²Q等调度算法，对相应DCH进行DTCH的调度分配，然后即可采用本发明的方法进行下行链路DCH联合分组调度。

对第二种情况，根据本发明，只需将相应DPCH上的传输非实时分组业务的DCH和传输实时业务的DCH分开处理，即在功率约束中只考虑传输非实时分组业务的DCH的影响，在确定可用的TFC集合时只使用传输非实时分组业务DCH传输格式构成的降维的TFC，从而仍然可应用本发明提出的下行链路DCH联合分组调度方法。

综合上述，根据本发明提出的下行链路DCH联合分组调度装置如图8所示。根据本发明，该装置主要由四个功能单元组成，即TFCS预选择处理单元、功率约束中比例系数计算单元、目标函数权值计算单元和基于0-1规划的最优分组调度计算单元，该装置每个调度周期运行一次，得到各个DCH的在每个调度周期的调度输出结果。

如图8所示，在每个调度周期，TFCS预选择处理单元中，对由多个不同的DTCH多路复用的DCH，先采用常用的Round-Robin、WFQ或WF²Q等调度算法，对相应DCH进行DTCH的调度分配，之后，对每个DCH的输入缓冲队列，基于AM模式RLC的状态PDU等动态优先级的要求，将相应高优先级分组放到相应DCH的输入缓冲队列的最前面，然后，基于相应DPCH的TFCS、DCH是否激活及DCH输入缓冲队列的长度等约束条件进行预处理，得到每个DPCH在当前调度周期中的可用TFC的集合，具体处理步骤如前所述。相应的，在所述TFCS选择处理单元当中，可以包括一个或多个模块，用于分别或共同完成相应的处理，例如包括：DTCH调度模块，用于采用Round-Robin、WFQ或WF²Q调度算法对DCH进行DTCH调度分配；优先级排队模块，用于将AM模式RLC的状态PDU等优先级高的分组放到相应DCH的输入缓冲队列的前端；以及TFCS预选择处理模块，用于基于DPCH的传输格式组合集合TFCS、激活的DCH以及DCH输入队列的长度对TFCS进行预选择处理，得到每个DPCH在当前调度周期中的可用传输格式组合集合TFCS_m ⁽²⁾。

在每个调度周期，功率约束比例系数计算单元中，首先计算当前调度周期以前的调度周期内每个DCH实际发射功率的测量值与记录的实际被调度输出的比特数之比，然后利用线性预测滤波器估计/预测当前调度周期内每个DCH对应的比例系数，其中，线性预测滤波器典型地可以采用式(7)所给出的一阶α跟踪器/预测器。

在每个调度周期，目标函数权值计算单元中，首先利用记录的每个DCH的历史调度输出，根据式(3)、(4)计算每个DCH的平均调度指数，然后根据式(5)计算目标函数中反映每个DCH公平性要求的动态权值；另一方面，利用每个DCH所承载业务的优先级等信息，确定目标函数中反映每个DCH的QoS优先级的静态权值。最后，将得到的静态权值和动态权值相乘，得到原目标函数中的权值。在所述目标函数权值计算单元中，也可以包括一个或多个模块，用于分别或共同完成相应的处理，例如包括：动态权值计算模块，用于基于每个DCH公平性要求，根据记录的每个DCH调度结果计算目标函数中的动态权值；静态权值计算模块，用于基于每个DCH所承载的业务优先级来确定静态权值；乘法器，用于将每个DCH的动态权值与静态权值相乘而得出用于目标函数的权值。

在每个调度周期，在得到TFCS预选择处理单元、功率约束中比例系数计算单元及目标函数权值计算单元的输出结果后，由基于0-1规划的最优分组调度计算单元计算对应每个DCH可调度输出的最大比特数。根据本发明的一个实施方式，在所述0-1规划优化计算单元中，也可以包括一个或多个模块，用于分别或共同完成相应的处理，例如可以包括0-1规划参数计算模块，用于根据式(11)计算下行链路DCH联合分组调度0-1规划问题中的参量W_m，i及C_m，i；线性规划计算模块，用于利用参数W_m，i，C_m，i及当前调度周期内的可调度功率预算，计算下行链路DCH联合分组调度0-1规划问题的最优的指示变量的解向量，其中，当前调度周期内的可调度功率预算值是由该小区无线资源管理模块的下行链路功率分配单元提供的；以及DCH调度输出比特计算模块，用于利用线性规划计算模块输出的指示变量的最优解，根据式(10)计算每个DCH在当前调度周期被调度输出的比特数。

根据本发明提出的图8所示下行链路DCH联合分组调度装置，TFCS预选择处理单元、功率约束中比例系数计算单元与目标函数权值计算单元可以用不同的硬件或软件并行，或用相同的硬件或软件串行方法实现，其中并行实现可以更好地满足分组调度的实时性需要。另外，0-1规划问题的线性规划计算单元是本发明中主要的计算量密集单元，可以采用专用的硬件或软件单元实现高速运算，以满足下行链路DCH联合分组调度实时性的要求。

以上通过结合附图对本发明的UMTS通信系统中下行链路DCH分组联合调度的方法和装置进行了阐述，但本发明并不限于用于UMTS通信系统，对于具有类似信道结构的其它信道，本发明的原理同样适用。本领域技术人员知道，依据本发明原理，可以对本发明作出各种修改、改进，而不脱离本发明随附权利要求的范围。

Claims (11)

1. 一种在UMTS通信系统下行链路中对用于分组业务的专用传输信道进行分组联合调度的方法，其中逻辑信道中的专用业务信道DTCH映射为传输信道中的专用信道DCH，而N个专用信道DCH在各自的输入队列中排队等待输出到对应的M个专用物理信道DPCH，其中M≤N；其特征在于，所述对DCH进行分组联合调度的方法包括以下步骤：

a)确定每个DPCH可用的传输格式组合集合的步骤；其中包括：

将优先级高的分组放到相应DCH的输入缓冲队列的前端；

基于DPCH的传输格式组合集合TFCS、激活的DCH以及DCH输入队列的长度对TFCS进行预选择处理，得到每个DPCH在当前调度周期中的可用传输格式组合的集合TFCS_m ⁽²⁾，其中所述预选择处理包括：

i)选择每个DCH被调度输出的传输块大小和数量满足该DCH对应的TFCS的限制的TFC集合 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(0\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(0\right)},$ 其中m＝1，2，…M，S_m为第m个DPCH的TFC的维度，即有S(m)个DCH多路复用在第m个DPCH上；

ii)判断每个DPCH中的每个DCH是否在当前调度周期中已被激活，如果某DCH已被激活，则从该DCH对应DPCH的经步骤(i)后得到的可用TFC集合中，去除所有不包含此DCH正在被使用的传输格式的传输格式组合，此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(1\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(1\right)}$ ，其中m＝1，2，…M；

iii)从每个DPCH经步骤(ii)后得到的可用TFC集合中，进一步去除满足如下条件的所有传输格式组合：该TFC至少包含一个传输格式，指示当前调度周期内其对应的DCH上可传输的比特数，大于相应DCH的当前输入缓冲队列长度，经此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(2\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(2\right)}$ ，其中m＝1，2，…M；

b)将用于非实时分组业务的DCH的总的下行发射功率约束为不超过所述调度周期内下行总功率预算中的可调度功率，即最大允许功率值P_k ^Scheduled，其中P_k，n为第k个调度周期第n个DCH所需的平均发射功率，P_k ^Scheduled为第k个调度周期内在下行链路功率预算中分配给承载非实时分组业务的专用信道的最大允许功率，以及，计算第k个调度周期内第n个DCH的平均发射功率P_k，n与该DCH在此调度周期中被调度输出的比特数R_k，n的比例系数的预测/估计值

c)利用第n个DCH所承载的业务优先级确定静态权值w_n ^QoS；

利用记录的每个DCH调度结果，计算第k个调度周期内第n个DCH的平均调度指数η_k，n，并根据下述公式确定所述动态权值w_k，n ^Fair：

$w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}$ 或 $w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}};$

其中，所述平均调度指数η_k，n通过以下方法之一进行确定：

i)对过去第k-l个调度周期中第n个DCH的调度指数的平滑滤波： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{k-l.n},$ 其中L为参与平滑滤波的以往的调度周期数，第k-l个调度周期中第n个DCH的“调度指数”定义为：

${\mathrm{\η}}_{k-l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{k-l,n}}{\max \left\{R_{k-l,n}\right\}}& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}\≠0\\ 1& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}=0\end{array}\right.$

其中，R_k-l，n为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数，max{R_k-l，n}为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的可调度比特的离散有限域中的最大值；

ii)对方法i)中的所述公式进行调整： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{l-1}{\mathrm{\η}}_{k-l,n},$ 其中因子λ∈(0，1]；或者

iii)采用一阶无限脉冲响应滤波器进行平滑滤波：η_k，n＝(1-β)·η_k-l，n+β·η_k-l，n，其中滤波系数β∈[0，1]；

基于DCH传输的公平性和DCH所承载业务的QoS要求，使用动态权值w_k，n ^Fair和静态权值w_n ^QoS的乘积确定DCH联合分组调度目标函数中的权值，其中所述DCH联合分组调度目标函数被定义为： $J_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{k,n}{R}_{k,n},$ 其中，J_k为第k个调度周期的目标函数，w_k，n是第k个调度周期中第n个DCH对应的权值，R_k，n为待求解的第k个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数；

d)采用0-1规划算法，基于步骤a)，b)和c)的结果，将求解DCH联合分组调度目标函数最大化转化为最小化目标函数的0-1规划，并进一步将0-1规划转化为线性规划进行处理，以计算出每个DCH调度输出的比特数；其中，将DCH联合分组调度的目标函数转化成为的0-1规划的最小化目标函数定义为：

$J=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(W_{m,i}\·q_{m,i}),$

约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}S+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(C_{m,i}\·q_{m,i})=P^{\mathrm{Scheduled}},S\≥0\\ \underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{m,i}=1,q_{m,i}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},m=\mathrm{1,2},...M\end{array}\right.$

其中，S为松弛变量.

参数W_m，i及C_m，i由下式给出：

$W_{m,i}=-\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[w_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]$

$C_{m,i}=\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[{\hat{c}}_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]$

根据公式： $R_{m,j}=\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}[q_{m,i}\·r_{m,j}\left(i\right)],$ 计算每个DCH最优调度输出比特数R_m，j，其中：

q_mi为0-1指示变量，且q_m，i∈{0，1}，i＝1，2，…，D_m，其中D_m为DPCH_m可用TFC集合TFCS_m ⁽²⁾的元素个数，q_m，i分别与所述集合中的每个元素相对应；

将复用到同一个DPCH的DCH作为一组，M个DPCH共有M组DCH，每组包含S_m(m＝1，2，…M)个DCH，分别按其在相应DPCH_m的TFC中出现的顺序依次编号为DCH_m，1，DCH_m，2，…，

且R_n，w_n，也相应标记为R_m，j，w_m，j，其中j＝1，2，…，S_m，r_m，j(i)为TFCS_m ⁽²⁾中第i个TFC包含的第j个DCH的传输格式所指示的当前调度周期内该DCH上可传输的比特数.

2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述优先级高的分组是：应答模式无线链路控制层的状态协议数据单元分组.

3. 根据权利要求1的方法，其特征在于，在步骤a)中的所述预选择处理之前，还包括当多个DTCH在MAC层多路复用在一个DCH上时，采用Round-Robin、WFQ或WF²Q调度算法对DCH进行DTCH调度分配的步骤.

4. 根据权利要求1的方法，其特征在于，利用线性预测滤波器通过下述公式，预测/估计当前调度周期内的比例系数

${\hat{c}}_{k,n}=(1-\mathrm{\α})\·{\hat{c}}_{k-1,n}+\mathrm{\α}\·c_{k-1,n},$

其中α为滤波器系数，并且α∈[0，1]；而c_k-l，n是利用第k-l个调度周期内第n个DCH实际发射功率的测量值与实际被调度输出的比特数的比值.

5. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述步骤a)，b)，c)以并行方式进行操作.

6. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述调度周期为物理信道的帧长.

7. 一种在UMTS通信系统下行链路中对用于分组业务的专用传输信道进行分组联合调度的装置，其中逻辑信道中的专用业务信道DTCH映射为传输信道中的专用信道DCH，而N个专用信道DCH在各自的输入队列中排队等待输出到对应的M个专用物理信道DPCH，其中M≤N；其特征在于，所述对DCH进行分组联合调度的装置包括：预选择处理单元、功率约束比例系数计算单元、目标函数权值计算单元以及基于0-1规划的最优分组调度计算单元，其中：

预选择处理单元，用于确定每个DPCH可用的传输格式组合集合并进一步包括：

优先级排队模块，用于将优先级高的分组放到相应DCH的输入缓冲队列的前端；

TFCS预选择处理模块，用于基于DPCH的传输格式组合集合TFCS、激活的DCH以及DCH输入队列的长度对TFCS进行预选择处理，得到每个DPCH在当前调度周期中的可用传输格式组合的集合TFCS_m ⁽²⁾，其中所述预选择处理包括：

i)选择每个DCH被调度输出的传输块大小和数量满足该DCH对应的TFCS的限制的TFC集合 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(0\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(0\right)},$ 其中m＝1，2，…M，S_m为第m个DPCH的TFC的维度，即有S(m)个DCH多路复用在第m个DPCH上；

ii)判断每个DPCH中的每个DCH是否在当前调度周期中已被激活，如果某DCH已被激活，则从该DCH对应DPCH的经步骤(i)后得到的可用TFC集合中，去除所有不包含此DCH正在被使用的传输格式的传输格式组合，此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(1\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(1\right)}$ ，其中m＝1，2，…M；

iii)从每个DPCH经步骤(ii)后得到的可用TFC集合中，进一步去除满足如下条件的所有传输格式组合：该TFC至少包含一个传输格式，指示当前调度周期内其对应的DCH上可传输的比特数，大于相应DCH的当前输入缓冲队列长度，经此步骤后得到的每个DPCH的可用TFC集合标记为 ${\mathrm{TFCS}}_m^{\left(2\right)}={\left\{({\mathrm{TF}}_1,{\mathrm{TF}}_2,...,{\mathrm{TF}}_{S_m})\right\}}_m^{\left(2\right)}$ ，其中m＝1，2，…M；

功率约束比例系数计算单元，用于将用于非实时分组业务的DCH的总的下行发射功率

约束为不超过所述调度周期内下行总功率预算中的可调度功率，以及计算第k个调度周期内第n个DCH的平均发射功率P_k，n与该DCH在此调度周期中被调度输出的比特数R_k，n的比例系数的预测/估计值

目标函数权值计算单元，用于基于DCH传输的公平性和DCH所承载业务的QoS要求，确定DCH联合分组调度目标函数中的权值，并包括：

动态权值计算模块，用于基于每个DCH公平性要求，根据记录的每个DCH调度结果，计算第k个调度周期内第n个DCH的平均调度指数η_k，n，并根据下述公式确定所述动态权值w_k，n ^Fair：

$w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}$ 或 $w_{k,n}^{\mathrm{Fair}}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}};$

其中，所述平均调度指数η_k，n通过以下方法之一进行确定：

i)对过去第k-l个调度周期中第n个DCH的调度指数的平滑滤波： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{k-l,n},$ 其中L为参与平滑滤波的以往的调度周期数，第k-l个调度周期中第n个DCH的“调度指数”定义为：

${\mathrm{\η}}_{k-l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{k-l,n}}{\max \left\{R_{k-l,n}\right\}}& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}\≠0\\ 1& \max \left\{R_{k-l,n}\right\}=0\end{array}\right.$

其中，R_k-l，n为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数，max{R_k-l，n}为第k-l个调度周期中第n个DCH对应的可调度比特的离散有限域中的最大值；

ii)对方法i)中的所述公式进行调整： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{k,n}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{l-1}{\mathrm{\η}}_{k-l,n},$ 其中因子λ∈(0，1]；或者

iii)采用一阶无限脉冲响应滤波器进行平滑滤波：η_k，n＝(1-β)·η_k-l，n+β·η_k-l，n，其中滤波系数β∈[0，1]；；

静态权值计算模块，用于基于每个DCH所承载的业务优先级来确定静态权值；

乘法器，用于将每个DCH的动态权值与静态权值相乘而得出用于目标函数的权值；

其中所述DCH联合分组调度目标函数被定义为： $J_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{k\; n}}{R}_{k,n},$ 其中，J_k为第k个调度周期的目标函数，w_k，η是第k个调度周期中第n个DCH对应的权值，R_k，n为待求解的第k个调度周期中第n个DCH对应的调度输出的比特数；

基于0-1规划的最优分组调度计算单元，用于计算最优分解调度结果，所述基于0-1规划的最优分组调度计算单元进一步包括：

0-1规划参数计算模块，用于采用线性规划算法，基于预选择处理单元、功率约束比例系数计算单元、目标函数权值计算单元的输出结果，将求解DCH联合分组调度目标函数最大化转化为最小化目标函数的0-1规划并计算0-1规划问题中的参数W_m，i及C_m，i；

线性规划计算模块，用于利用参数W_m，i，C_m，i及当前调度周期内的可调度功率预算，计算下行链路DCH联合分组调度0-1规划问题的最优的指示变量的解向量；以及

DCH调度输出比特计算模块，用于利用线性规划计算模块输出的指示变量的最优解，计算每个DCH在当前调度周期被调度输出的比特数；

其中，将DCH联合分组调度的目标函数转化成为的0-1规划的最小化目标函数定义为：

$J=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(W_{m,i}\·q_{m,i})$

约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}S+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}(C_{m,i}\·q_{m,i})=P^{\mathrm{Scheduled}},S\≥0\\ \underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{m,i}=1,q_{m,i}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},m=\mathrm{1,2},...M\end{array}\right.$

其中，S为松弛变量.

参数W_m，i及C_m，i由下式给出：

$W_{m,i}=-\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[w_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]$

$C_{\mathrm{m\; i}}=\underset{j=1}{\overset{S_m}{\mathrm{\Σ}}}[{\hat{c}}_{m,j}\·r_{m,j}\left(i\right)]$

根据公式： $R_{m,j}=\underset{i=1}{\overset{D_m}{\mathrm{\Σ}}}[q_{m,i}\·r_{m,j}\left(i\right)],$ 计算每个DCH最优调度输出比特数R_m，j，其中：

q_m，i为0-1指示变量，且q_m，i∈{0，1}，i＝1，2，…，D_m，其中D_m为DPCH_m可用TFC集合TFCS_m ⁽²⁾的元素个数，q_m，i分别与所述集合中的每个元素相对应；将复用到同一个DPCH的DCH作为一组，M个DPCH共有M组DCH，每组包含S_m(m＝1，2，…M)个DCH，分别按其在相应DPCH_m的TFC中出现的顺序依次编号为DCH_m，1，DCH_m，2，…，

且R_n，w_n，

也相应标记为R_m，j，w_m，j，

其中j＝1，2，…，S_m，r_m，j(i)为TFCS_m ⁽²⁾中第i个TFC包含的第j个DCH的传输格式所指示的当前调度周期内该DCH上可传输的比特数.

8. 根据权利要求7的装置，其特征在于，所述预选择处理单元进一步包括：

DTCH调度模块，用于当多个DTCH在MAC层多路复用在一个DCH上时，采用Round-Robin、WFQ或WF²Q调度算法对DCH进行DTCH调度分配.

9. 根据权利要求7的装置，其特征在于，所述功率约束比例系数计算单元还包括：

线性预测滤波器，用于基于以前调度周期内每个DCH实际发射功率的测量值与记录的实际被调度输出的比特数的比值，下述公式，估计当前调度周期内每个DCH的功率约束比例系数，

${\hat{c}}_{k,n}=(1-\mathrm{\α})\·{\hat{c}}_{k-l,n}+\mathrm{\α}\·c_{k-l,n},$

其中α为滤波器系数，并且α∈[0，1]；而c_k-l，n是利用第k-l个调度周期内第n个DCH实际发射功率的测量值与实际被调度输出的比特数的比值.

10. 根据权利要求7的装置，其特征在于，所述预选择处理单元、功率计算单元、目标函数权值计算单元采用并行方式进行操作.

11. 根据权利要求7的装置，其特征在于，所述装置的调度周期为物理信道的帧长.

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