CN100550819C - 用于基于一个相对的吞吐量分布范围将数据分组传输至移动终端的多门限调度器 - Google Patents

Abstract

取决于维护在移动终端之间的公平和维持要求的QoS水平的整体系统的表现，本发明提供了不同调度标准。本发明对于多载波系统特别有效。其中必须考虑用于发射调度后的数据的载波来进行调度。在一个实施例中，本发明为所有由给定的基站10服务的移动终端确定吞吐率的分布范围，并以此做为调度标准的基础。优选地，使用标准偏差计算以测量吞吐量的分布范围。与移动终端的集体组相关的吞吐量的标准偏差表示了关于移动终端的集体组的平均吞吐量在最低和最高的吞吐量之间的差异。

Description

用于基于一个相对的吞吐量分布范围将数据分组传输至移动终端的多门限调度器

本申请要求受益于2001年6月5号申请的临时序列号为60/296101的申请，其公开文本由此包括在此整体中作为参考。

发明领域

本发明涉及无线通信，并尤其涉及调度用于从一个基站向一个或多个移动终端传输的数据。

本发明技术背景

分配例如时间或频率的通信资源的无线通信网络需要一个调度器(scheduler)以选择要发射的数据。当多个用户竞争这些资源时，调度器必须分析输入的数据，并确定具有最高传输优先级的数据。传统地，优先级是基于最大化整体系统的吞吐量(throughput)或维持特定的服务质量(QoS)水平以确保以及时的方式传输数据。当最大化吞吐量时，具有较好的信道条件的用户比具有较差的信道条件的用户更有优势。因此具有较为不利的信道条件的用户通常被赋予较低的优先级。结果，那些具有差的信道条件的用户倾向于较低的QoS水平。相反尽量保持特定的QoS水平经常导致不必要的低的系统吞吐量。

很多调度器单独地基于从移动终端反馈的信息中导出的载波对干扰比率(CIRs)对分组区分优先顺序。这些调度器最大化系统吞吐量而不考虑公平或最小吞吐量要求，并典型地为最靠近基站的用户调度传输。试图提供某种程度的公平的调度器使用导致差的系统吞吐量的基本调度标准。在支持多媒体无线互联网服务方面现有的调度器还有很多问题。进一步，大多数调度器并非为多载波操作而设计，这使得它们不适合多载波-数据和语音(MC-DV)环境。

这些现有的调度技术未能提供一个自适应的调度标准，其能够进化以满足无线通信环境不断变化的需求以在确保用户间某种程度的公平的同时优化吞吐量。因此，当在用户间确保公平时，需要自适应调度技术以优化吞吐量。为了在维护所期望的公平程度的同时最大化整体系统的吞吐量，对于这些能够优化多载波分集的调度技术还存在进一步的需求。

发明概述

取决于在移动终端中维护公平以及维持要求的QoS水平的整体系统表现，本发明提供了不同的调度标准。本发明对多载波系统特别有效，其中调度也必须考虑用于发射调度的数据的载波。在一个实施例中，本发明为所有由给定的基站服务的移动终端确定吞吐率的分布范围，并以在其上的调度标准作为基础。优选地，可利用标准偏差计算来测量吞吐量的分布范围。与移动终端集体组(collective group)相关的吞吐量的标准偏差表示了关于移动终端的集体组的平均吞吐量在最低和最高的吞吐量之间的差异。

与高标准偏差关联的吞吐量表示某些移动终端正在经历很低的吞吐量，而同时其它的终端正在经历相对高的吞吐量，并且不公平调度的潜在可能性增加了。同样地，用于在累积的吞吐量尝试中较高的标准偏差的调度标准是在较低吞吐量的移动终端上增添较高的优先级。相反，随着标准偏差降低，当大部分移动终端的吞吐量接近平均的累积吞吐量，调度标准应当着重整体的吞吐量，并因此为可最大化吞吐量的移动终端选择调度，而不是确保具有较低的吞吐量的移动终端得到公平对待。

当尝试最大化吞吐量时，可使用最大的载波对干扰比率(CIR)调度，其中基于CIR等为一个与最有利的信道条件相关的载波和移动终端的组合调度数据。可选地，可使用成比例的公平调度代替或结合最大CIR调度。成比例的公平调度通过使用与最强的信号电平相关的载波调度至移动终端的传输，以尝试利用信道的时间变化。那些本领域的技术人员将可识别与本发明的概念相兼容的其它的调度标准。

在阅读了下面结合附图的优选实施例的详细描述之后，本领域的技术人员将认识到本发明的范围并意识到本发明的其他方面。

附图说明

包括在说明书中并形成了此说明书的一部分的附图说明了本发明的几个方面，并与描述一起解释了本发明的原理。

图1是依据本发明的一个实施例的无线通信环境的框图表示。

图2是依据本发明的一个实施例的流程图

图3A到3D说明了依据本发明的一个实施例的四种调度模式。

优选实施例的详细描述

下面说明的实施例提供了可使得本领域的技术人员实现本发明的必要信息，并说明了实现本发明的最优的方式。根据附图读了下面的描述后，那些本领域的技术人员就可以理解本发明的概念，并认识到这些概念的应用不仅在于这里所特别描述的。可以理解这些概念和应用落入公开的文本和附属的权利要求的范围。

参照图1，无线网络在选择的覆盖区域或小区内使用例如基站10的接入点，以协助与例如移动终端12的接入终端进行通信。基站10的各个组都由通信网络14所支持，此网络可包括移动交换中心，公共交换电话网(PSTN)，分组交换网或以上的组合。通信网络14用于从或向基站10传送分组。分组可以以直接分组交换的方式或在电路交换的平台顶端上进行通信。对于本发明而言，分组以何种方式传送到基站10并不是关键的。

在从基站10到选择的移动终端12的前向链路通信期间，基站10必须确定把从通信网络14接收到的分组中的数据发射到移动终端12的方式和顺序。在多载波系统中，基站10也需要确定传输分组的载波或信道。因此，基站10将包括具有控制平面18的控制系统16，控制平面控制通过数据平面20的数据流。为了与移动终端12通信，在控制平面18的控制下，数据平面20将处理通过网络接口22从通信网络14接收到的分组。分组被处理成单元，它们被送到无线电频率(RF)收发信机电路24进行传输。为了清楚起见，术语“分组”指由基站10从通信网络14接收的分组数据。术语“单元”指从基站10向移动终端12发射的分组数据。一个单元可包括一个或多个分组的所有或任何部分。尽管单元可直接相应于分组，但是单元更适宜地是给定的大小，其中分组的大小可以各不相同。单元可包括语音，视频，或传统的数据。

从基站10到选择的移动终端12的前向链路可包括一个或多个信道，这些信道可被分成规定的时隙。RF收发信机电路24配置为调制由控制平面18指示的给定的单元，并在一个单个时隙内通过一个或多个天线26发射调制的单元。RF收发信机电路24优选地配置为基于信道的条件，移动终端12的容量，或要求的传输标准而执行不同的调制合编码技术。正如所注释的，RF收发信机电路24可通过多个不同的载波发射单元。那些本领域的技术人员将可认识到各种可能的调制技术，以及在给定的时隙内可以发射多个单元。

控制平面18包括一个调度器28，该调度器被配置为基于下面将进一步详细说明参数进行排序，并控制把单元发送到移动终端12的顺序。在操作期间，接收用于任何数量的移动终端12的分组，并将分组存储到与数据平面20相关联的缓冲器30中。缓冲器30被分离成多个队列，每个队列与给定的移动终端12相关联。如果分组不直接对应于单元，输入的分组被处理成期望的单元。单元按它们被接收到的顺序被存储在各个相应的队列，优选地，队列使用先进先出(FIFO)的配置。

取决于维护在移动终端12之间的公平和维持要求的QoS水平的整体系统的表现，本发明提供了不同调度标准。本发明对于多载波系统特别有效，其中调度必须考虑用于发射调度后的数据的载波。在一个实施例中，本发明为所有的由给定的基站10服务的移动终端12确定吞吐率的分布范围，并以此做为调度标准的基础。优选地，使用标准偏差计算以测量吞吐量的分布范围。与移动终端12的集体组相关的吞吐量的标准偏差表示了关于移动终端12的集体组的平均吞吐量在最低和最高的吞吐量之间的差异。因此，与高标准偏差关联的吞吐量表示某些移动终端12正在经历很低的吞吐量，而某些正在经历很高的吞吐量，并且不公平调度的潜在可能性增加了。同样地，用于在累积的吞吐量尝试中更高的标准偏差的调度标准是在较低吞吐量的移动终端12上增添更高的优先级。相反，随着标准偏差降低，当大部分移动终端的吞吐量接近平均的累积吞吐量时，调度标准应当着重整体的吞吐量，并因此为可最大化吞吐量的移动终端选择调度，而不是确保具有较低的吞吐量的移动终端12得到公平地对待。

在根据本发明的一个实施例的示范过程的概述之后将提供进一步的细节。参照图2的流程图，根据一个实施例说明调度器28的操作。在一个正在进行的基础上，将发射的单元放置在用于相应的移动终端12的队列中(步骤100)。进一步，当从移动终端12报告返回时，调度器28可为每个载波和每个移动终端12连续地监测信道条件(步骤102)。一般地，信道条件表示用于多载波中每一个从基站10到移动终端12的传输信道的质量。吞吐率可以是实际或估算的数据吞吐率，信道条件或它们的组合的函数。

信道条件可连续变化并可使用任何数量的技术确定。例如，载波对干扰比率(CIR)，它表示了载波信号能量对干扰能量的度量，可从移动终端12反馈给基站10。调度器28将优选地为每个载波和移动终端12连续地跟踪信道条件。调度器28也将为每个移动终端12监测吞吐量(步骤104)。

假设基站10为M个有效的移动终端12服务。在时隙n用于所有移动终端12的累积的吞吐量由向量Λ(n)表示，如

等式1

Λ(n)＝[Λ₀(n)，Λ₁(n)，…，Λ_M-1(n)]

由于信道变异，例如路径损耗，阴影衰退和Rayleigh衰减，吞吐量的显著变化将在任何给定的时间在不同的移动终端12之间出现。这些变化严重地降低了吞吐性能和与之相关的QoS。为了评估吞吐量性能，确定了在时隙n用于所有移动终端12的累积的吞吐量的标准偏差，σ_th(n)。累积的吞吐量的标准偏差，σ_th(n)定义如下：

等式2 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}\left(n\right)=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\{{\mathrm{\Λ}}_m\left(n\right)-\mathrm{\μ}\left(n\right)\}}^2}$

其中μ(n)是时隙n的累积的吞吐量的均值，可由等式3给出：

等式3 $\mathrm{\μ}\left(n\right)=\frac{1}{M}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Λ}}_m$

为了计算标准偏差σ_th(n)，每个移动终端12使用N通用导频信号监测N个独立载波的信道条件，并确定N个独立的CIR。CIR然后被发送到基站10。基站10将生成CIR矩阵，Г(n)(步骤106)，它可表示为

等式

基于与每个信道条件相关联的自适应的调制和编码(AMC)，CIR矩阵可映射为传输速率矩阵，R，它表示了用于每个移动终端12和每个载波的可能的吞吐量(步骤108)，传输速率矩阵R可表示为

等式5

通过使用合成的传输速率矩阵R(n)，以及最大CIR用户调度，调度器28可估算在下一个时隙n的累积的用户吞吐量(步骤110)，如由等式6所给出的

等式6 $\underset{\‾}{\overset{^}{\mathrm{\Λ}}}\left(n\right)=\left[\begin{array}{cccc}{\widehat{\mathrm{\Λ}}}_0\left(n\right),& {\widehat{\mathrm{\Λ}}}_1\left(n\right),& ...& {\widehat{\mathrm{\Λ}}}_{M-1}\left(n\right)\end{array}\right]$

其中

等式7 ${\widehat{\mathrm{\Λ}}}_m\left(n\right)={\mathrm{\Λ}}_m(n-1)+\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k,m}\left(n\right)\·R_{k,m}\left(n\right)$

并且其中对于第m个用户的第k个有效载波而言α_k，m(n)＝1，并且对于第m个用户的第k无效载波α_k，m(n)＝0。或对于第m个用户的第k个有效载波α_k，m(n)＝p，而对于第m个用户的第k个无效载波α_k，m(n)＝1-p，p是小于单元的正数。使用估算的吞吐量

调度器28可以很容易地获得估算的吞吐量的标准偏差

(步骤112)，并接着使用基于估算的吞吐量的标准偏差选择的调度标准对用于选择的移动终端12的传输的单元和在选择的载波上进行调度(步骤114)。

例如，下面详细说明一个在三载波环境中的多门限(N＝3)自适应调度标准。有三个门限值，就有了调度标准的四个分类。在该例子中，最大的CIR调度指示调度器将系统地选择具有最大CIR的载波和移动终端12直到每个可用的载波具有一个已调度的用于在给定的时隙n中传输的单元。下面是结合图3A-3D的示范性的调度标准：

●如果 ${\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{th}}\left(n\right)\≤{\mathrm{\σ}}_1^{\left(\max \right)},$ 为三个载波中的每一个使用最大CIR调度(图3A)。

●如果 ${\mathrm{\&sigma;}}_1^{\left(\max \right)}<{\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{\mathrm{th}}\left(n\right)\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_2^{\left(\max \right)},$ 确定一个具有最小接收到的吞吐量的移动终端12并在最优载波上为确定的移动终端12分配一个时隙。对剩余的两个载波使用最大CIR调度(图3B)。

●如果 ${\mathrm{\&sigma;}}_2^{\left(\max \right)}<{\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{\mathrm{th}}\left(n\right)\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_3^{\left(\max \right)},$ 确定两个具有最小接收到的吞吐量的移动终端12并在第一和第二最优载波上为这些移动终端12分配两个时隙。对剩余的载波使用最大CIR调度(图3C)；以及

●如果 ${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{\mathrm{th}}\left(n\right){>\mathrm{\&sigma;}}_3^{\left(\max \right)},$ 确定三个具有最小接收到的吞吐量的移动终端12并在这些载波上为这些移动终端12分配三个时隙。不再使用最大CIR调度(图3D)。

这里σ_k ^(max)是吞吐量标准偏差的门限值，由此流服务性能可以很容易地被控制在一个期望的σ_N ^(max)水平下，k＝1，2，….，N。

为了定义吞吐量标准偏差的门限值σ_k ^(max)，设置了两个变量σ_L和σ_H。如果 ${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{\mathrm{th}}\left(n\right)<{\mathrm{\&sigma;}}_L,$ 应该使用最大CIR调度，而如果 ${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{\mathrm{th}}\left(n\right)>{\mathrm{\&sigma;}}_H,$ 则不得不终止最大CIR调度。例如，基于σ_L和σ_H，确定吞吐量σ_k ^(max)标准偏差的门限值，并且可表示为：

等式8 ${\mathrm{\&sigma;}}_k^{\left(\max \right)}={\mathrm{\&sigma;}}_L+(k-1)\&CenterDot;\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_H-{\mathrm{\&sigma;}}_L}{N-1}\right),k=\mathrm{1,2},....,N.$

如上可见，本发明观察多个用户的吞吐量的分布范围以确定调度标准。随着分布范围的降低，CIR调度量增加。随着分布范围的增加，在调度中，优先考虑较低的吞吐量的移动终端。尽管上面的例子执行标准偏差以为每个移动终端12的吞吐量的相对分布范围提供统计分析，本领域的技术人员将认识到可采用其他技术和算法用于分析吞吐量的相对分布范围和选择基于其上的标准。

作为上述的最大CIR调度的备选，可使用成比例公平调度。成比例公平调度通过调度传输至移动终端12的使用与最强的信号电平关联的载波的传输，尝试利用信道的时间变化。例如，移动终端12可基于信号水平或信道质量请求某些数据速率，而基站10将基于请求的数据速率向移动终端12发送数据。当要求成比例公平调度时，将基于请求的数据速率与在一个给定的窗口上的平均的吞吐率的比率，调度传输至移动终端12的数据。后者有利于这些具有更好的发射大量数据的能力的移动终端。

本发明的这些方面可以使用可选择的不同于上面详细描述的等式和关系来实现。本领域的技术人员将认识到对本发明的优选实施例的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为在这里公开的概念和后面的权利要求的范围中。

Claims (20)

1.一种在无线通信环境中用于调度向移动终端传输的数据的方法，包括：

a)确定在移动终端之中相对的吞吐量分布范围；

b)基于相对的吞吐量分布范围选择多个调度标准中的一个调度标准；以及

c)基于选择的调度标准对用于所述移动终端的单元的传输进行调度。

2.根据权利要求1的方法，其中利用n个载波中的一个与移动终端进行通信。

3.根据权利要求2的方法，其中一个用于较高吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的第一标准要求选择至少一个与较低吞吐量相关联的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至至少一个移动终端的单元的传输。

4.根据权利要求3的方法，其中一个用于较低吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的第二标准要求选择至少一个其余的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至至少一个移动终端的单元的传输。

5.根据权利要求2的方法，其中：

a)一个用于低吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的第一标准要求在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至选择的移动终端的单元的传输；

b)一个用于中间吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的中间标准要求选择至少一个与较低吞吐量相关联的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至至少一个移动终端的单元的传输；以及

c)一个用于高吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的最终标准要求选择与最低吞吐量相关联的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至选择的移动终端的单元的传输。

6.根据权利要求2的方法，其中通过计算用于移动终端的累积吞吐量的标准偏差计算吞吐量分布范围。

7.根据权利要求6的方法，进一步包括：

a)确定每个移动终端和每个载波的信道条件；

b)基于相应的信道条件以及编码和调制速率估算每个移动终端和每个载波的传输速率；

c)估算每个移动终端的累积吞吐量；以及

d)确定累积吞吐量的标准偏差。

8.根据权利要求2的方法，其中

a)多个调度标准中所选的一个调度标准的一个第一调度标准对每个载波使用最大载波干扰比率或成比例公平调度；以及

b)多个调度标准中所选的一个调度标准的一个第二调度标准选择至少一个与较低吞吐量相关联的移动终端，并在一最佳可用的载波上调度用于该至少一个移动终端的单元传输，其中用于其余的移动终端的调度使用最大载波干扰比率或成比例公平调度。

9.根据权利要求8的方法，其中用于多个调度标准中所选的一个调度标准的一个第三调度标准的调度选择具有最低吞吐量的n个移动终端，并在最佳可用的载波上调度用于选择的移动终端的单元传输。

10.一个在无线通信环境中用于调度传输至移动终端的数据的系统，包括一个控制面板和调度器，所述调度器包括：

a)用于确定在移动终端之中相对的吞吐量分布范围的部件；

b)用于基于吞吐量分布范围从多个调度标准中选择一个的部件；以及

c)用于基于选择的调度标准对用于移动终端的单元的传输进行调度的部件。

11.根据权利要求10的系统，其中利用n个载波中的一个与移动终端进行通信。

12.根据权利要求11的系统，其中一个用于较高吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的第一标准要求选择至少一个与较低吞吐量相关联的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至至少一个移动终端的单元的传输。

13.根据权利要求12的系统，其中一个用于较低吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的第二标准要求选择至少一个其余的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至至少一个移动终端的单元的传输。

14.根据权利要求11的系统，其中：

a)一个用于低吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的第一标准要求在与最佳信道条件相关联的载波上调度传输至选择的移动终端的单元的传输；

b)一个用于中间吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的中间标准要求选择至少一个与较低吞吐量相关联的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至至少一个移动终端的单元的传输；以及

d)一个用于高吞吐量分布范围的多个调度标准中所选的一个调度标准的最终标准要求选择与最低吞吐量相关联的移动终端，并且在与最佳信道条件或最强信号电平相关联的载波上调度传输至选择的移动终端的单元的传输。

15.根据权利要求11的系统，其中通过计算用于移动终端的累积吞吐量的标准偏差计算吞吐量分布范围。

16.根据权利要求15的系统，其中调度器还包括：

a)用于确定每个移动终端和每个载波的信道条件的部件；

b)用于基于相应的信道条件以及编码和调制速率估算每个移动终端和每个载波的传输速率的部件；

c)用于估算每个移动终端的累积吞吐量的部件；以及

d)用于确定累积吞吐量的标准偏差的部件。

17.根据权利要求11的系统，其中

a)多个调度标准中所选的一个调度标准的一个第一调度标准对每个载波使用最大载波干扰比率或成比例公平调度；以及

b)多个调度标准中所选的一个调度标准的一个第二调度标准选择至少一个与较低吞吐量相关联的移动终端，并在一最佳可用的载波上调度用于该至少一个移动终端的单元的传输，其中用于其余的移动终端的调度使用最大载波干扰比率或成比例公平调度。

18.根据权利要求17的系统，其中用于多个调度标准中所选的一个调度标准的一个第三调度标准的调度选择具有最低吞吐量的n个移动终端，并在最佳可用的载波上调度用于选择的移动终端的单元传输。

19.一种在无线通信环境中用于调度传输至移动终端的数据的方法，包括：

a)确定在多个载波上的多个移动终端之间在一个连续时隙中的估算的吞吐量的标准偏差；

b)基于标准偏差从多个调度标准中选择一个；以及

c)基于选择的用于多个载波的每一个的连续时隙的调度标准，调度用于移动终端的单元的传输。

20.根据权利要求19的方法，其中多个调度标准中的至少一个把用于多个具有最低吞吐率的移动终端的至少一个的调度列入优先，并为其余载波的其中之一调度多个与最佳信道条件或最强信号电平相关联的移动终端中的至少一个。

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