CN100534067C - 在ofdma系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法 - Google Patents

Abstract

一种用于OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，是通过对多载波系统中比例公平算法-C-MC-PFS算法的时延抖动性能进行改进，来完成对频率资源的分配；包括下列五个操作步骤：(1)划分资源和设置初始化参数的准备阶段，(2)信道状态信息反馈阶段，(3)RB资源分配阶段，(4)数据传输阶段，(5)数据包时延估计阶段。本发明方法在调度过程中考虑了用户的信道状况和业务的实际传送速率，保持了良好的比例公平特性。其创新之处主要有两点：引入时延控制机制和数据包时延的估算，该方法能够为传输层提供比较平滑的数据速率，并能够较好地保持C-MCPFS算法的有效性和公平性。

Description

在OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法

技术领域

本发明涉及一种用于OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，属于无线通信中的资源调度技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，无线网络与Internet的融合成为今后通信发展的主流趋势，传统的以电路交换业务为主的蜂窝网已经开始沿着全IP的网络结构不断发展。在这样的网络结构中，全部业务都将基于分组交换，所有数据包都需要由系统统一进行调度。

资源调度对于保障无线通信系统的性能起着关键性的作用。一方面，从系统吞吐量来看，考虑到不同用户所处的地理环境的差异，要尽量将资源分配给信道状况较好的用户，实现对无线资源的有效利用；另一方面，要保证各类用户不同的服务质量QoS(Quality-of-Service)要求，实现资源公平、合理的分配。

在分组网络中，最主要的QoS要求之一体现在业务数据包对时延的容忍程度，按照这一原则，通常将一般的分组数据业务划分为实时业务和非实时业务。实时业务对数据包的时延比较敏感，如VOIP(Voice over IP)、视频流等业务，但是此类业务对丢包率没有严格的要求，传输层一般采用UDP(User DatagramProtocol)协议；非实时业务对时延要求较低，如FTP、HTTP等业务，对于此种类型的业务，需要严格保证数据传送的可靠性，所以传输层一般采用TCP(Transfer Control Protocol)协议。本发明主要考虑非实时业务的调度。

由于具有良好的抗频率选择特性，OFDM(正交频分复用)技术已经成为解决下一代无线宽带接入的主流技术之一，并且已经被3GPP LTE(Long termevolution)、IEEE 802.16等各大标准采纳为物理层关键技术。以OFDM为基础的正交频分多址OFDMA技术可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。在正交频分多址OFDMA系统中，将整个频带划分为若干近似平坦衰落的子带，在同一个传输时间间隔TTI(Transmission time interval)内，可以同时选取多个用户利用不同的频带进行数据传输。与单载波系统相比，从系统角度来看，在调度过程中，除了可以利用用户信道状况的时域特性获得一定的多用户分集增益，OFDMA系统的多信道并行传输特性还进一步在频域拓展了多用户分集增益的空间。从用户角度来看，由于利用不同的频段进行数据传输，可以获得一定的频率分集增益，结合一定的频域交织及纠错编码技术，可以大大提高数据传输的可靠性。

针对无线网络的资源调度问题，尤其是单载波系统，已经有大量的研究成果，其中最具有代表性的三种算法是最大载干比(Max C/I)算法，轮询(Roundrobin)算法和比例公平(Proportional fair)算法。在最大载干比算法中，在每一个调度时刻，系统都选取当前信道状况最好的用户进行数据传输，这种调度机制能够极大地提高系统的吞吐量，具有良好的有效性；但是存在极大的不公平性，因为大部分离基站较远的用户由于接收信号的载干比较低，基本上得不到数据传输的机会。轮询算法依次调度系统中的用户进行数据传输，严格保证了资源分配的公平性，但是由于没有考虑用户的信道状况，很可能将资源分配给信道状况非常恶劣的用户，不能够实现对无线资源的有效利用。

所以，在实际的调度过程中，要兼顾系统与用户的要求，必须对资源分配的有效性和公平性进行折中处理。为实现这一目标，IS-95/CDMA2000 1x HDR(High data rate)系统首先引入比例公平算法(＂CDMA/HDR：A bandwidthefficient high speed data service for nomadic users＂，IEEE Comm.Magazine，July，2000.)。关于比例公平，在经济学上已经给出了严格的定义。对于任何一种无线网络资源的调度算法S，当算法P满足 $\mathrm{\Σ}(R_i^{\left(S\right)}-R_i^{\left(P\right)})/R_i^{\left(P\right)}\≤0,i\∈U$ 时，即达到了比例公平的目标，此时系统中任何一个用户性能的提高必然导致系统整体性能的下降。其中U表示系统中的用户集合，

分别表示采用调度算法S，P时，用户i的数据速率。此外，比例公平的基本目标是使目标函数 $\mathrm{\Σ}\log \left(R_i^{\left(S\right)}\right),i\∈U$ 达到最大，其中效用函数log(·)用于反映用户对数据传输速率的满意程度；上述目标函数就是要使系统中所有用户的效用之和达到最大。对于单载波系统，要达到上述目标，在每一个调度时刻，需要按照 $j=\arg {\max }_i{r}_i/\stackrel{\‾}{R_i},i\∈U$ 来选取用户j进行数据传输，其中r_i表示用户i当前支持的最大数据速率，

表示用户i达到的平均数据速率。比例公平算法在利用用户信道状态信息的同时，考虑了每个用户实际的数据传输速率，尽量保证在用户信道状况相对较好的情况下传输数据，既体现了用户之间的公平性，又在一定程度上实现了无线资源的有效利用。

一般情况下，单载波系统HDR在同一个调度时刻，只有一个用户进行数据传输。而在OFDMA系统中，由于将整个频带划分为多个并行传输的子带，在同一时刻可以有多个用户传输数据。所以在调度过程中，不仅要考虑信道状况的时域特性，还需要体现出信道的频率选择性。多载波条件下的比例公平通过 $P=\arg {\max }_S\underset{i\∈U}{\mathrm{\Π}}(1+\underset{k\∈C_i}{\mathrm{\Σ}}{r}_{i,k}/(T-1)\stackrel{\‾}{R_i}),i\∈U$ 实现最优解(参见《A proportional fairscheduling for multicarrier transmission systems》，刊于IEEE Commun.Lett.，vol.9，no.3，pp.210-212，Mar.2005.)，其中r_i，k表示当前时刻用户i在子带k支持的最大数据速率，

表示用户的平均数据速率，T表示用户平均数据速率的更新周期，在一定程度上反映了算法对信道状态变化的敏感程度，若T较小，对信道的变化比较敏感，反之亦然。从上式可看出，多载波条件下比例公平的最优解问题是一个组合优化问题，由于该问题的组合膨胀特性，实现的复杂度较高，难以在工程中实现。

一种比较简单的C-MC-PFS(Conventional multi-carrier proportional fairscheduling)算法(参见《System level performance of OFDMA forward link withproportional fair scheduling》，刊于in Proc.IEEEPIMRC，vol.2，Sept.2004，pp.1384-1388.)比较容易在实际系统中实现，该算法是HDR系统中的比例公平算法在多载波系统中的一个简单扩展。在每一调度时刻，依次为各个频带按照 $k\left(n\right)=\arg {\max }_k{r}_{k,n}\left(t\right)/R_k^{\′}\left(t\right)$ 选择用户，即在用户信道状况较好的时候传输数据，其中r_k.n(t)表示用户k在频带n上支持的数据速率，表示截至t时刻用户k的平均数据速率。该算法通过简单实用的扩展实现了多载波系统的比例公平，对于本发明有较大的参考价值。

由于比例公平算法不考虑具体的QoS要求，一般适用于非实时业务，如FTP、HTTP等。此类业务对数据包的时延没有严格的要求，但是需要在传输层使用TCP协议来保证传输的可靠性。TCP通过超时重传或快速重传来降低业务的丢包率，当发送端在预先设定的重传超时时间RTO(Retransmission Timeout)内没有收到所发出的数据包的正确应答信号，就认为该数据包在网络中已经丢失，需要在发送端进行重传。RTO是根据已经传输的数据包的回程时间RTT(Round trip time)估算得到的，在一定程度上反映了当前的网络带宽，所以如果数据包之间的RTT变化比较剧烈，就很难估算后续数据包的RTO。如果估算值过小，将会频繁地引起不必要的重传，浪费系统带宽；反之，则会造成发送端过长的等待，极大地影响了用户的数据速率。

在蜂窝网中，数据包的时延主要包括两部分：接入网时延和核心网时延。接入网时延主要决定于系统所采用的无线资源管理策略，核心网时延主要决定于路由器所采用的排队策略及网络的负载状况。本发明主要考虑接入网部分的调度算法对数据包时延特性的影响。传统的C-MC-PFS在考虑用户信道状况的同时，保证了用户吞吐量之间的协调，对资源利用的有效性和公平性进行了很好的折中处理。但是由于用户信道状况的动态变化，极有可能造成用户资源分配的不稳定，从而引起数据包时延的不稳定，造成传输层性能的恶化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于OFDMA系统中保证非实时业务的数据包时延稳定性的调度方法，该方法能够为传输层提供比较平滑的数据速率，并能够较好地保持C-MCPFS算法的有效性和公平性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于正交频分复用多址OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：该方法通过对多载波系统中使用的传统多载波比例公平调度C-MC-PFS(conventionalmulti-carrier proportional fairness scheduling)算法的时延抖动性能进行改进，来完成对频率资源的分配；所述方法包括下列步骤：

(1)准备阶段：划分频域和时域资源，以及资源调度的最小单位，确定调度周期，并且确立功率资源分配和所采用的自适应调制编码方案的原则；

(2)信道状态信息反馈阶段：为了获知用户当前在每个资源块RB上可支持的数据速率，利用移动台的上行反馈信道传输信道状态信息，即对每个RB上的载干比进行多比特量化，并对量化信息进行反馈，且在反馈过程中，要兼顾反馈的精度和效率；

(3)RB资源分配阶段：在每个调度时刻，根据用户的信道状态信息、已经传输的数据速率、已传数据包的时延信息和当前传输时间间隔TTI内用户已分配到的RB数目，分别对每个RB计算用户的优先级，然后将RB分配给优先级最高的用户；即在C-MC-PFS算法基础上引入数据包时延信息，以便根据用户已经传输的数据包的时延以及当前数据包所经历的时延来调节用户的优先级，更好地控制时延抖动；

(4)数据传输阶段：在每一个TTI内，当所有的RB都分配好后，根据用户分配到的各个RB上的信道状况计算等效信噪比，由此选择合适的调制编码方式；然后根据所选调制编码方式的效率计算用户当前TTI内可传送的数据量，并将用户数据映射到相应的RB上，再更新用户的平均数据传输速率；

(5)数据包时延估计阶段：在比例公平的条件约束下，根据用户已经传送的数据包的时延信息，在当前信道状态下，估算用户传送下一个数据包所需要的时间，用于在后续的调度过程中控制数据包的时延；该时延反映了用户当前的实际传输能力，能够在保持比例公平性能基础上控制数据包的时延。

所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：将OFDMA系统相邻的若干个子载波划分为一个子带，在时域上设置数量为大于1的自然数N个OFDM符号构成一个子帧，则频域上的一个子带和时域上的N个符号间隔构成一次资源调度的最小单位-资源块RB(Resource block)；在每个传输时间间隔TTI进行时延稳定性能的调度，即在每个子帧内执行一次调度；在同一个调度时刻，一个RB只分配给一个用户，且每个用户分配到的各个RB都采用相同的编码调制方式，每个子带上以平均分配方式进行功率分配和不考虑重传数据包。

所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：在每个传输时间间隔TTI内，移动台测量每个RB上的平均载干比SINR(Signal to interference and noise ratio)，并采用多比特进行量化，其中多比特的个数N为按照SINR的分布情况进行灵活选取的自然数，反馈频率取决于信道变化的快慢程度，要尽量减小上行的信令开销和移动台的功耗，并在反馈的精度和效率之间选取较好的折中。

所述多比特量化的比特个数N为4，即每个RB上的SINR采用4比特量化，用于代表信道的16种状态，并由移动台进行反馈。

所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)根据用户当前时刻在每个RB上支持的数据速率和已经传输的平均数据速率，以及当前正要传送的数据包所经历的时延，来控制数据包之间的时延抖动，为此对尚未分配的RB计算用户的优先级，再将这些RB分配给优先级最高的用户；其中用户优先级的计算公式，即第m个RB上的优先级最高的第j个用户的选择准则为： $j=\arg {\max }_i\frac{{\left(\exp \left(\frac{D_{H,i}-D_{E,i}}{D_{E,i}}\right)\right)}^a}{{\left(\max (1,{\mathrm{OP}}_i)\right)}^b}\×\frac{r_{i,m}\left(t\right)}{R_i^{\′}\left(t\right)},$ 式中，D_H，i为第i个用户当前正在传送的数据包的时延，D_E，i是根据已经传送的数据包的时延估计出的传送下一个数据包所需要的时间，OP_i是在当前TTI内第i个用户已经占用的RB的数目，a，b分别为抖动控制因子和资源占用控制因子的权重系数，自然数i、j分别是用户序号，r_i，m(t)是第i个用户在第m个RB上支持的数据速率，

是设定的一段时间内第i个用户的平均传输速率，其计算公式为： $R_i^{\′}\left(t\right)=(1-\frac{1}{T_c})\×R_i^{\′}(t-1)+\frac{1}{T_c}\×r_i,$ 式中，r_i为当前TTI内，当所有RB分配完毕后，用户根据所分配的所有RB上的信道状况进行自适应调制编码AMC(Adaptivemodulation and coding)后计算得到的传输速率；T_c是用于反映用户平均数据速率更新快慢的参数，该参数既要体现出信道状态的变化，又要保证设定时间内资源分配的公平性，通常设置为1000(TTI)；

(32)控制同一个TTI内的资源分配公平性：为防止用户在一个TTI内过多占用RB资源，引入资源占用控制因子(max(1，OP_i))^b，每当用户分配到一个RB，则在对后续RB计算优先级的过程中，要降低该用户的优先级；即若第i个用户在第m个RB上的优先级最高，则更新OP_i，OP_i＝OP_i+1，使得该分配到一个RB的第i个用户在分配下一个RB时，该用户的优先级有所降低；如果当前TTI内所有RB都已分配完，则转入下一步骤(4)，否则返回步骤(31)，继续分配剩余的RB资源。

所述优先级计算公式中的抖动控制因子JCF(Jitter Control Factor)是(exp((D_H，i-D_E，i)/D_E，i))^a，用于控制数据包之间的时延抖动；若当前正要传送的数据包的时延小于估算的时延，则降低用户的优先级，反之，则提高其优先级。

所述抖动控制因子JCF对控制数据包之间的时延抖动起着重要作用，在用户优先级的计算公式 $j=\arg {\max }_i\frac{{\left(\exp \left(\frac{D_{H,i}-D_{E,i}}{D_{E,i}}\right)\right)}^a}{{\left(\max (1,{\mathrm{OP}}_i)\right)}^b}\×\frac{r_{i,m}\left(t\right)}{R_i^{\′}\left(t\right)},$ 中，抖动控制因子的权重系数a的数值大小直接决定时延抖动性能的好坏，a的数值是根据实际需要设置为：0.01、0.03或0.05，若对时延抖动的要求严格，需要增大a的值；反之，减小a的值。

所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)对于每个分配到RB的用户根据信道状况进行自适应调制编码：在工程实践中，为容易实现和减少信令开销，对每个用户的所有RB采用相同的调制编码方式；由于每个RB上的SINR不同，先要根据信道容量公式为每个用户计算等效信噪比： ${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{Ei}}=2^{\frac{1}{K_i}\underset{j=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{i,j})}-1,$ 式中，SNR_Ei为第i个用户的等效信噪比，SINR_i，j为第i个用户在第j个RB上的载干比，K_i为第i个用户分配到的RB的个数；然后根据上述等效信噪比选择相对应的调制编码方式；

(42)根据所选择的编码调制方式计算当前TTI用户的数据传输速率：r_i＝η×K_i×M×N/TTI，其中，η为调制编码的效率，即每个载波上所承载的信息比特数，K_i为第i个用户分配到的RB的个数，M为每个RB上子载波的数目，N为每个TTI所包含的OFDM符号数；再利用该当前用户的数据传输速率r_i和上述步骤(31)的计算公式对设定时间内该用户的平均数据传输速率

进行更新。

所述步骤(5)进一步包括下列操作内容：设用户i当前数据包已传送的比特数为Bits_ri，完整数据包的数量为Bits_p，按照下述公式更新Bits_r：Bits_ri＝mod(Bits_ri+η×K_i×M×N，Bits_p)，式中，mod表示取模运算；若Bits_ri满足下式：(Bits_ri+η×K_i×M×N)/Bits_p≥1，表示当前数据包已经传送完毕，并且进入下一个数据包的传输；再根据下述公式来估算传送下一个数据包所需要的时延： $D_{E,i}=(1-\frac{1}{S_u})\×D_{E,i}^{\′}+\frac{1}{S_u}\×D_{H,i}^{\′},$ 式中，D_E，i为估算出的下一个数据包的传输时延，为传送完上一个数据包估算出的时延，

为当前传送完的数据包所经历的时延，S_u为反映时延更新速度的时延的更新参数。

所述估算传送下一个数据包所需要的时延的计算公式中的时延的更新参数S_u的数值不宜过小，以避免后续数据包的时延跟踪困难，但数值也不宜过大，以体现出用户信道状况的变化，通常S_u的取值为2000(TTI)。

综合上述，本发明是一种借助C-MC-PFS的基本思想，针对非实时业务，为OFDMA系统提供的保障数据传输速率稳定性的调度方法。本发明的调度方法在调度的过程中考虑了用户的信道状况和业务的实际传送速率，保持了良好的比例公平特性。该方法的创新之处主要有两点：一是引入一定的时延控制机制，若当前正要传送的数据包的时延小于估算的时延，就降低用户的优先级；反之，就提高优先级，能够很好地控制数据包之间的时延抖动的范围。另一创新点是引入数据包时延的估算，在比例公平原则的约束下，利用已经传输的数据包的时延信息，估算出传送下一个数据包所需要的时延，用于反映用户在当前信道的传输能力，也就是利用估算出的时延来控制后续数据包的时延抖动，从而能够很好地保持传统的比例公平算法的特性。通过本发明实施例的仿真试验结果可以看出，本发明的调度方法不但使数据包的时延抖动性能有了大幅度的改善，且与传统的比例公平算法相比较，有效性和公平性方面的性能都没有明显的下降。因此，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明用于OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法的实现流程方框图。

图2是本发明用于OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法的吞吐量性能比较示意图

图3是本发明用于OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法的时延抖动性能比较示意图

图4～图6分别是代表距离基站三种不同地理位置的用户数据包时延的分布情况示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例仿真情况对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明用于OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法的五个操作步骤或阶段：

(1)资源划分、参数初始化的准备阶段：划分频域和时域资源，以及资源调度的最小单位，确定调度周期，并且确立功率资源分配和所采用的自适应调制编码方案实施的基本原则；

具体内容是将OFDMA系统相邻的若干个子载波划分为一个子带，在时域上设置数量为大于1的自然数N个OFDM符号构成一个子帧，则频域上的一个子带和时域上的N个符号间隔构成一次资源调度的最小单位-资源块RB；在每个传输时间间隔TTI进行时延稳定性能的调度，即在每个子帧内执行一次调度；在同一个调度时刻，一个RB只分配给一个用户，且每个用户分配到的各个RB都采用相同的编码调制方式，每个子带上以平均分配方式进行功率分配和不考虑重传数据包。

(2)信道状态信息反馈阶段：利用移动台的上行反馈信道传输信道状态信息，获知用户当前在每个资源块RB上可支持的数据速率，再对每个RB上的载干比进行多比特量化和反馈；且在反馈过程中，要兼顾反馈的精度和效率；

具体内容是：在每个传输时间间隔TTI内，各个移动台根据下行导频测量每个子载波上的SINR，计算得到每个RB上的平均载干比SINR，并对SINR采用4比特量化，代表RB的16种信道状态，然后移动台根据实际需要和终端能力反馈所有或部分RB上的SINR及对应RB的标识ID。反馈频率取决于信道的快慢程度，要尽量减小上行的信令开销和移动台的功耗，并在反馈的精度和效率之间选取较好的折中。

(3)RB资源分配阶段：在每个调度时刻，根据用户的信道状态信息、已经传输的数据速率、已传数据包的时延信息和当前传输时间间隔TTI内用户已分配到的RB数目，分别对每个RB计算用户的优先级，然后将RB分配给优先级最高的用户(或按照用户优先级的高低将RB分配给不同的用户)；即在C-MC-PFS算法基础上引入数据包时延信息，以便根据用户已经传输的数据包的时延来调节用户的优先级，更好地控制时延抖动；

作为调度的信息，需要将用户在每个RB上的SINR换算成最大可支持的数据传输速率，本发明建议采用较精确的信息论信道容量的计算方法。然后依次为每个RB选择优先级最大的用户进行数据传输。优先级计算公式中的抖动控制因子JCF(exp((D_H，i-D_E，i)/D_E，i))^a对控制数据包之间的时延抖动起着关键性的作用。若当前正要传送的数据包的时延小于估计的时延，适当降低用户的优先级；反之，就提高优先级。优先级计算中的抖动控制因子的权重参数a的大小直接决定了时延抖动性能的好坏。a可根据实际的需要进行设置，例如0.01、0.03、0.05等；若对时延抖动的要求比较严格，需要增大a的值。当然，稳定的数据包时延是以一定的吞吐量的损失为代价的。优先级计算中的资源占用控制因子权重参数b设置为1。它是为了避免某一用户在一个调度时刻过多的占用频带资源，而为每个用户在一个TTI内可分配的频带资源设置的一个上限。本发明所采用的办法是在优先级的计算中引入资源占用控制因子(max(1，OP_i))^b，即每当用户i分配到一个频段，OP_i就会增加1，在分配下一个RB时，用户i的优先级就会有所降低，这样在一定程度上保证了在同一个调度时刻频域资源分配的公平性。

(4)数据传输阶段：在每一个TTI内，当所有的RB都分配好后，将用户数据映射到相应的RB上；再根据用户分配到的各个RB上的信道状况计算等效信噪比，由此选取合适的调制编码方式，并根据所选调制编码方式的效率计算用户当前TTI内可传送的数据量，然后更新用户的平均数据传输速率；

若在当前TTI内所有RB已经分配完成，需要为每个被调度的用户根据各个RB的信道状况计算可以传送的数据量，此时首先要选择调制编码方式。在实际通信系统中，考虑到工程实现的复杂度和避免过多的信令开销，一般对同一用户的所有RB采用相同的调制编码方式，所以需要根据单个用户所有RB上的载干比计算出等效信噪比(可由操作步骤(41)中的计算公式得到)。再根据计算得到的等效信噪比，查询下面的表1，选择相对应的合适的调制编码方案，计算当前TTI内可以传送的数据量和瞬时数据速率，并且根据操作步骤(31)中的平均数据速率的计算公式更新用户的平均数据速率。其中参数T_c反映了用户数据速率更新的快慢，既要体现出信道状态的变化，又要保证一定时间内资源分配的公平性，参数T_c一般设置为1000(TTI)。

表1 调制编码方案：

 

AMC级别	信噪比(dB)	编码速率	调制类型	效率(η)
					1	-3.4	1/4	BPSK	0.25
2	-0.4	1/2	BPSK	0.5
					3	2.2	1/2	QPSK	1
4	5.2	3/4	QPSK	1.5
					5	7.6	2/3	8PSK	2
6	10.9	3/4	16QAM	3
					7	14.5	2/3	64QAM	4

(5)数据包时延估计阶段：在比例公平的条件约束下，根据用户已经传送的数据包的时延信息和在当前信道状态下，估算用户传送下一个数据包所需要的时间，用于在后续的调度过程中控制数据包的时延；该时延反映了用户当前的实际传输能力，能够在保持比例公平性能基础上控制数据包的时延。

根据操作步骤(42)计算得到在所选择的调制编码方式下用户在当前TTI内可以传送的数据量，再在该步骤计算更新当前数据包已经传输的比特数。若判断当前数据包已经传送完毕，则进入下一个数据包的传输，并根据公式 $D_{E,i}=(1-\frac{1}{S_u})\×D_{E,i}^{\′}+\frac{1}{S_u}\×D_{H,i}^{\′},$ 估算传送下一个数据包所需要的时间。数据包时延的估计和测算对保持比例公平的特性和控制时延抖动有很重要的作用。在比例公平原则的约束下，估计出传送下一个数据包所需要的时延，反映了用户在当前信道的传输能力，为后续数据包的传输时延的控制提供了很有价值的信息。上述公式中的S_u为时延的更新参数，反映了时延更新的速度。S_u的更新不宜过快，因为会造成后续数据包的时延跟踪困难，另一方面，又要体现出用户信道状况的变化，S_u的取值一般为2000(TTI)。

参见图2和图3，介绍本发明的一个试验的实施例情况，并将本发明中提出的数据包稳定时延比例公平(SD-PF，stable rate-proportional fair)的调度方法与C-MC-PFS算法的性能进行比较。假设一个10M带宽的OFDMA系统中，可用的数据自载波数目为600，分成24个子带，每个子带有25个子载波，每个TTI由7个OFDM符号组成，参数b选取1，T_c选1000，S_u选2000，a依次选取0.01、0.03、0.05来对性能进行比较。

各个移动台向基站发送下行信道状态信息。首先，在每个TTI内，移动台通过下行导频测量各个RB上的平均载干比，然后根据信道状态变化的快慢、实际的业务需求以及移动台自身的能力来反馈各个RB上的信息，如果信道变化较快，可以尽量缩减反馈周期；若业务量较大，可以反馈较多的RB信息。

表1给出了各种调制编码方案选取的门限值，在每个TTI内，当根据上述准则计算完各个RB上的优先级之后，得到RB的移动台根据所分配的各个RB上的载干比而计算得到等效信噪比，再根据表1所规定的门限值选取合适的调制编码方式。

选取传输方案后，发送端根据所选择的调制编码方式的效率计算当前TTI内可以传送的数据量，并且更新平均数据速率，没有被调度的用户同样需要更新此项参数，只是更新过程中瞬时数据速率设置为0。当判断用户在当前TTI内传送完一个数据包，需要更新包的估计时延，用于在后续调度过程中控制数据包的时延抖动。

参见图3所示的传统的比例公平方式和本发明方法在不同的权重参数a的情况下时延抖动性能的比较示意图，为了对时延抖动做出直观的评价，定义了时延抖动指示DVI(delay variation indicator)的计算公式： ${\mathrm{DVI}}_{i,j}=(D_{i,j}-\stackrel{\‾}{D_i})/\stackrel{\‾}{D_i}$ ，其中，DVI_i，j表示第i个用户第j个数据包的时延抖动指示，D_i，j表示第i个用户第j个数据包的时延，

表示第i个用户所有数据包的平均时延。根据试验的实施例仿真结果可以看出，如果采用传统的比例公平算法(性能曲线用密集的细虚线表示)，数据包之间的时延波动比较剧烈；如果采用本发明的调度方法，随着a的值不断增大，数据包的时延趋于平滑。这对于传输层的TCP控制有着至关重要的作用。如果时延抖动过于剧烈，TCP很难估计后续数据包的传输超时时间RTO，如果估计得过小，将会频繁地引起不必要的重传，浪费系统带宽；反之，则会造成发送端过长的等待，极大地影响了用户的数据速率，从而带来系统性能的下降。

参见图4～图6，这三个图分别给出了地理位置不同的三个用户采用不同调度方法时的数据包时延分布。其中图4代表离基站比较近的用户，图6表示小区的边缘用户，图5代表的用户介于上述两者之间。可以看出，采用传统的比例公平算法，时延分布范围较大，采用本发明的调度方法，随着权重参数a的数值增大，时延分布趋于集中。由于对时延抖动的控制，在一定程度上损失了用户及系统的吞吐量，这一点可以从图2中看出。所以随着a的增大，由于用户平均速率的降低，数据包的平均时延会有所增加，时延分布会相应地向右偏移。从下面的表2可以看出，系统吞吐量的损失并不显著，与传统的比例公平算法相比较，当a为0.05时，吞吐量的损失不到18％，而此时时延抖动性能有了很大程度的改善，这对于TCP层数据速率的保证有着很重要的意义，因为剧烈的时延抖动带来的频繁重传会引起上层业务数据包吞吐量的严重降低，所以牺牲一定的链路层的吞吐量来换取相对稳定的数据包时延是很有意义的。

表2 系统吞吐量比较：

 

算法	C-MC-PFS	SD-PF(a＝0.01)	SD-PF(a＝0.03)	SD-PF(a＝0.05)
					吞吐量(Mbps)	33.04	32.08	29.94	27.21

总之，本发明的调度方法在保持有效性和公平性的基础上，通过在其实现步骤中引入一定的时延抖动控制机制，在很大程度上降低了时延变化的动态范围，能够为传输层提供比较平滑的数据速率，并且实现简单，具有较高的工程应用价值。

Claims (10)

1、一种用于正交频分复用多址OFDMA系统中保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：该方法通过对多载波系统中使用的传统多载波比例公平调度C-MC-PFS算法的时延抖动性能进行改进，来完成对频率资源的分配；所述方法包括下列步骤：

(1)准备阶段：划分频域和时域资源，以及资源调度的最小单位，确定调度周期，并且确立功率资源分配和所采用的自适应调制编码方案的原则；

(2)信道状态信息反馈阶段：为了获知用户当前在每个资源块RB上可支持的数据速率，利用移动台的上行反馈信道传输信道状态信息，即对每个RB上的载干比进行多比特量化，并对量化信息进行反馈，且在反馈过程中，要兼顾反馈的精度和效率；

(3)RB资源分配阶段：在每个调度时刻，根据用户的信道状态信息、已经传输的数据速率、已传数据包的时延信息和当前传输时间间隔TTI内用户已分配到的RB数目，分别对每个RB计算用户的优先级，然后将RB分配给优先级最高的用户；即在C-MC-PFS算法基础上引入数据包时延信息，以便根据用户已经传输的数据包的时延以及当前数据包所经历的时延来调节用户的优先级，更好地控制时延抖动；

(4)数据传输阶段：在每一个TTI内，当所有的RB都分配好后，根据用户分配到的各个RB上的信道状况计算等效信噪比，由此选择合适的调制编码方式；然后根据所选调制编码方式的效率计算用户当前TTI内可传送的数据量，并将用户数据映射到相应的RB上，再更新用户的平均数据传输速率；

(5)数据包时延估计阶段：在比例公平的条件约束下，根据用户已经传送的数据包的时延信息，在当前信道状态下，估算用户传送下一个数据包所需要的时间，用于在后续的调度过程中控制数据包的时延；该时延反映了用户当前的实际传输能力，能够在保持比例公平性能基础上控制数据包的时延。

2、根据权利要求1所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：将OFDMA系统相邻的若干个子载波划分为一个子带，在时域上设置数量为大于1的自然数N个OFDM符号构成一个子帧，则频域上的一个子带和时域上的N个符号间隔构成一次资源调度的最小单位-资源块RB；在每个传输时间间隔TTI进行时延稳定性能的调度，即在每个子帧内执行一次调度；在同一个调度时刻，一个RB只分配给一个用户，且每个用户分配到的各个RB都采用相同的编码调制方式，每个子带上以平均分配方式进行功率分配和不考虑重传数据包。

3、根据权利要求1所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：在每个传输时间间隔TTI内，移动台测量每个RB上的平均载干比SINR，并采用多比特进行量化，其中多比特的个数N为按照SINR的分布情况进行灵活选取的自然数，反馈频率取决于信道变化的快慢程度，要尽量减小上行的信令开销和移动台的功耗，并在反馈的精度和效率之间选取较好的折中。

4、根据权利要求3所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述多比特量化的比特个数N为4，即每个RB上的SINR采用4比特量化，用于代表信道的16种状态，并由移动台进行反馈。

5、根据权利要求1所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)根据用户当前时刻在每个RB上支持的数据速率和已经传输的平均数据速率，以及当前正要传送的数据包所经历的时延，来控制数据包之间的时延抖动，为此对尚未分配的RB计算用户的优先级，再将这些RB分配给优先级最高的用户；其中用户优先级的计算公式，即第m个RB上的优先级最高的第j个用户的选择准则为： $j={\arg \max }_i\frac{{\left(\exp \left(\frac{D_{H,i}-D_{E,i}}{D_{E,i}}\right)\right)}^a}{{\left(\max (1,{\mathrm{OP}}_i)\right)}^b}\×\frac{r_{i,m}\left(t\right)}{R_i^{\′}\left(t\right)},$ 式中，D_H，i为第i个用户当前正在传送的数据包的时延，D_E，i是根据已经传送的数据包的时延估计出的传送下一个数据包所需要的时间，OP_i是在当前TTI内第i个用户已经占用的RB的数目，a，b分别为抖动控制因子和资源占用控制因子的权重系数，自然数i、j分别是用户序号，r_i，m(t)是第i个用户在第m个RB上支持的数据速率，

是设定的一段时间内第i个用户的平均传输速率，其计算公式为： $R_i^{\′}\left(t\right)=(1-\frac{1}{T_c})\×R_i^{\′}(t-1)+\frac{1}{T_c}\×r_i,$ 式中，r_i为当前TTI内，当所有RB分配完毕后，用户根据所分配的所有RB上的信道状况进行自适应调制编码AMC后计算得到的传输速率；T_c是用于反映用户平均数据速率更新快慢的参数，该参数既要体现出信道状态的变化，又要保证设定时间内资源分配的公平性，通常设置为1000(TTI)；

(32)控制同一个TTI内的资源分配公平性：为防止用户在一个TTI内过多占用RB资源，引入资源占用控制因子(max(1，OP_i))^b，每当用户分配到一个RB，则在对后续RB计算优先级的过程中，要降低该用户的优先级；即若第i个用户在第m个RB上的优先级最高，则更新OP_i，OP_i＝OP_i+1，使得该分配到一个RB的第i个用户在分配下一个RB时，该用户的优先级有所降低；如果当前TTI内所有RB都已分配完，则转入下一步骤(4)，否则返回步骤(31)，继续分配剩余的RB资源。

6、根据权利要求5所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述优先级计算公式中的抖动控制因子JCF是(exp((D_H，i-D_E，i)/D_E，i))^a，用于控制数据包之间的时延抖动；若当前正要传送的数据包的时延小于估算的时延，则降低用户的优先级，反之，则提高其优先级。

7、根据权利要求6所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述抖动控制因子JCF对控制数据包之间的时延抖动起着重要作用，在用户优先级的计算公式 $j={\arg \max }_i\frac{{\left(\exp \left(\frac{D_{H,i}-D_{E,i}}{D_{E,i}}\right)\right)}^a}{{\left(\max (1,{\mathrm{OP}}_i)\right)}^b}\×\frac{r_{i,m}\left(t\right)}{R_i^{\′}\left(t\right)}$ 中，抖动控制因子的权重系数a的数值大小直接决定时延抖动性能的好坏，a的数值是根据实际需要设置为：0.01、0.03或0.05，若对时延抖动的要求严格，需要增大a的值；反之，减小α的值。

8、根据权利要求1所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)对于每个分配到RB的用户根据信道状况进行自适应调制编码：在工程实践中，为容易实现和减少信令开销，对每个用户的所有RB采用相同的调制编码方式；由于每个RB上的SINR不同，先要根据信道容量公式为每个用户计算等效信噪比： ${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{Ei}}=2^{\frac{1}{K_i}\underset{j=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{i,j})}-1,$ 式中，SNR_Ei为第i个用户的等效信噪比，SINR_i，j为第i个用户在第j个RB上的载干比，K_i为第i个用户分配到的RB的个数；然后根据上述等效信噪比选择相对应的调制编码方式；

(42)根据所选择的编码调制方式计算当前TTI用户的数据传输速率：r_i＝η×K_i×M×N/TTI，其中，η为调制编码的效率，即每个载波上所承载的信息比特数，K_i为第i个用户分配到的RB的个数，M为每个RB上子载波的数目，N为每个TTI所包含的OFDM符号数；再利用该当前用户的数据传输速率r_i和上述步骤(31)的计算公式对设定时间内该用户的平均数据传输速率

进行更新。

9、根据权利要求1所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述步骤(5)进一步包括下列操作内容：设用户i当前数据包已传送的比特数为Bits_ri，完整数据包的数量为Bits_p，按照下述公式更新Bits_ri：Bits_ri＝mod(Bits_ri+η×K_i×M×N，Bits_p)，式中，mod表示取模运算；若Bits_ri满足下式：(Bits_ii+η×K_i×M×N)/Bits_p≥1，表示当前数据包已经传送完毕，并且进入下一个数据包的传输；再根据下述公式来估算传送下一个数据包所需要的时延： $D_{E,i}=(1-\frac{1}{S_{\mathrm{it}}})\×D_{E,i}^{\′}+\frac{1}{S_{\mathrm{it}}}\×D_{H,i}^{\′},$ 式中，D_E，i为估算出的下一个数据包的传输时延，为传送完上一个数据包估算出的时延，

为当前传送完的数据包所经历的时延，S_u为反映时延更新速度的时延的更新参数。

10、根据权利要求9所述的保证非实时业务数据包时延稳定性的调度方法，其特征在于：所述估算传送下一个数据包所需要的时延的计算公式中的时延的更新参数S_u的数值不宜过小，以避免后续数据包的时延跟踪困难；但数值也不宜过大，以体现出用户信道状况的变化，通常S_u的取值为2000(TTI)。

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