CN101009875A - 一种多天线系统中基于满意度的多用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明多天线系统中基于满意度的多用户调度方法，特征是认知层将用户业务质量特征和调度器的调度结果映射为用户业务满意度权系数，调度器根据用户业务满意度权系数和物理层汇报的用户信道信息进行调度，用户业务满意度权系数更新周期大于调度器工作周期；本发明联合考虑用户的业务质量需求及其信道质量，通过惩罚机制避免特定用户占用超出其需求的带宽，更有效的为用户分配令其满意的资源，使各种业务质量要求的用户获得满意的服务。与现有的调度方法相比，本文提出的方法在保证用户服务质量的同时，更好的利用系统资源。

Description

一种多天线系统中基于满意度的多用户调度方法

技术领域：

本发明属于移动通信多用户调度技术领域，特别涉及多天线系统中基于满意度的多用户调度方法。

背景技术：

随着宽带无线接入系统(IEEE802.16)、中国超三代无线通信系统(FUTUREBeyond3G)等宽带无线通信系统的出现与成熟，如何更有效地利用来之不易的带宽，更好地为用户提供丰富的多媒体服务，成为一个重要的研究方向，而调度方法正是其中一个关键问题。调度方法的好坏左右着一个无线通信系统最终体现给用户的性能，即便物理层能够提供数十兆比特的带宽，如果没有一个优秀的调度方法来将他们合理地分配给有着不同需求的用户，也只能是对带宽的浪费。多用户调度特别是不同服务质量(QoS)需求用户的调度是目前移动通信领域广泛研究的课题，也是提高无线资源利用率和提高通信服务质量的有效方法。

据美国《国际电子与电气工程师协会无线通信期刊》(IEEE Wireless Communication，Hossam Fattah，Oct，2002，76-83页)介绍，对于不同的应用，不同业务的服务质量可分为保证的(guaranteed)和尽力传输(best effort)两个大类。对于保证类业务，系统提供统计意义上的高于某个值的吞吐率或者低于某个门限的时延；对于尽力传输类业务，系统不提供任何服务承诺，仅“尽力”去服务。典型业务的服务质量参数包括恒定速率(CBR)、实时可变速率(rt-VBR)、非实时可变速率(nrt-VBR)和不指定速率(UBR)等。已有的调度方法大多以最大化系统吞吐率、最大化系统公平度，或两者的某种折衷为目的。然而，对于一个现实的系统，公平性或系统吞吐率未必是最佳的衡量标准。最大化系统吞吐率的调度方式不考虑用户的服务质量需求，无法为用户提供满意的服务；最大化系统公平性的方式无视用户的信道状况，会带来较大的系统吞吐率的损失，以最大化吞吐率和最大化公平性的某种折衷为准则，在多种服务质量用户并存的系统中，往往也无法同时保障各类不同服务质量用户的服务满意度。

《国际电子与电气工程师协会车用技术秋季会议》(Vehicular TechnologyConference(Fall)，LosAngeles，CA，USA，2004，4878-4882页)介绍的一种基于子信道的调度方法用于随机波束成型(RBF)系统，由该随机波束成型技术引入的信道波动增加了信道质量较差的用户获得调度的机会，以子信道为颗粒进行调度提高了资源利用率。但是当系统中存在多种服务质量需求的用户时，其中的调度方法无法为各种用户提供令其满意的通信服务。

发明内容：

本发明提出一种多天线系统中基于满意度的多用户调度方法，为多种不同服务质量需求用户提供令其满意的服务，同时通过调度周期和满意度更新周期的差异避免用户占用超出其需求的资源，保证较高的系统吞吐率，充分利用系统资源。

本发明多天线系统中基于满意度的多用户调度方法，基站包括物理层模块、媒体访问控制(MAC)层模块、网络层模块，其中MAC层模块包含调度器及MAC层数据面模块；基站装配不少于两根发送天线；用户终端装配有接收天线，其接收机进行信道估计并将信道信息反馈回基站物理层；基站通过其物理层获得下行信道的信道状态信息；基站调度器利用从物理层获得的各用户的下行信道状态信息和用户的服务质量参数进行调度，将信道资源分配给各用户，所述服务质量参数通过网络层从应用层获得；基站的MAC层数据面模块根据调度的结果将数据送往基站的物理层模块发送；物理层模块采用随机波束成型技术将用户的发送数据与从一个酉阵中取出的列向量相乘再将其送往各天线发送给移动台；其特征在于：基站设有认知层模块，其通过网络层模块从应用层获得用户业务服务质量需求，包括业务的最大速率需求、最小速率需求和最大时延需求；并根据用户业务满意度权系数公式，通过业务最大速率需求、最小速率需求、最大时延需求以及从调度器获得的用户平均速率和平均时延计算出每个用户的业务满意度权系数，并存放在认知层模块的业务满意度权系数表中；调度器每时隙工作一次，每两个或两个以上时隙从认知层模块更新一次用户业务满意度权系数，所述更新满意度权系数即将认知层模块的用户业务满意度权系数表复制到调度器内的用户满意度权系数表中；调度器每个时隙从物理层更新一次用户信道状态信息，该用户信道状态信息可以是用户接收信噪比或用户信道容量或其他等效信道指示；不同业务的权重在系统初始化时设定；调度器每个时隙对所有用户分别计算其业务权重、业务满意度权系数和信道状态信息的乘积，并选择该乘积最大的用户作为获得调度的用户；调度器选择获得调度的用户后，重新计算该用户的业务满意度权系数并将其存入调度器内部的用户业务满意度权系数表中，同时调度器统计每个用户业务的平均速率和平均时延存存入调度器内的用户业务平均速率与平均时延表中；

所述用户业务满意度权系数由以下公式计算：

w_ik(n)＝Fn(1+Δ-s_i，k)            (F1)

$\mathrm{Fn}\left(a\right)=\left\{\begin{array}{cc}a& a\&GreaterEqual;0\\ 0& a<0\end{array}\right.---\left(F2\right)$

$s_{i,k}=\left\{\begin{array}{cc}\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}}{r_{i,k,\mathrm{tar}}}\right)\&times;(1-{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}}{d_{i,k}}\right)}^2)& {\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}\&GreaterEqual;r_{i,k,\mathrm{tar}}\mathrm{and}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}\&le;d_{i,k,\mathrm{tar}}\\ {\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}-r_{i,k,\min }}{r_{i,k,\mathrm{tar}}-r_{i,k,\min }}\right)}^2\&times;(1-{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}}{d_{i,k}}\right)}^2)& r_{i,k,\min }\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}\&le;r_{i,k,\mathrm{tar}}\mathrm{and}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}<d_{i,k,\mathrm{tar}}\\ 0& {\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}<r_{i,k,\min }\mathrm{or}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}>d_{i,k,\mathrm{tar}}\end{array}\right.---\left(F3\right)$

式(F1)中w_i，k(n)是第n时隙业务i用户k的满意度权系数，Δ取0.01；式(F3)中

是该业务用户获得的平均速率，r_i，k，tar是该业务用户的最大速率需求，r_i，k，min是该业务用户的最小速率需求，

是该业务用户获得调度的平均时间间隔，d_i，k为该业务用户最大时延需求。

以下通过分析本发明方法所依据的原理，并与现有技术相比较来说明本发明的优点。

不同服务质量要求的用户，对时延，速率的要求不同，如文件传输协议(FTP)等不指定速率业务，对最低速率没有要求，对时延的要求也不严格；而视频会议等实时变速率业务对时延较敏感，一旦某个分组超出时延要求，则丢弃该分组，同时，该类业务对速率也有要求，这种要求包括两个参数：最大速率和最小速率。通常，由于视频编码的存在，最小速率会比最大速率低一些，一旦该业务获得的服务速率低于最小速率，则会造成明显的停顿和失真，使用户感到不“满意”。

本发明定义用户业务满意度s_i，k为：

$s_{i,k}=\left\{\begin{array}{cc}\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}}{r_{i,k,\mathrm{tar}}}\right)\&times;(1-{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}}{d_{i,k}}\right)}^2)& {\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}\&GreaterEqual;r_{i,k,\mathrm{tar}}\mathrm{and}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}\&le;d_{i,k,\mathrm{tar}}\\ {\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}-r_{i,k,\min }}{r_{i,k,\mathrm{tar}}-r_{i,k,\min }}\right)}^2\&times;(1-{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}}{d_{i,k}}\right)}^2)& r_{i,k,\min }\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}\&le;r_{i,k,\mathrm{tar}}\mathrm{and}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}<d_{i,k,\mathrm{tar}}\\ 0& {\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}<r_{i,k.\min }\mathrm{or}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}>d_{i,k,\mathrm{tar}}\end{array}\right.---\left(F3\right)$

s_i，k≥0表示第i种业务的第k个用户的业务满意度，当用户对该业务感觉不满意时，s_i，k＝0，当用户对业务感觉满意时s_i，k＝1，当用户业务获得了超出其需求的速率时，该值表现为一个超过1的正数，此时应对其进行惩罚，即在一定时间内不再调度该用户业务，其超过1的部分越多表明该用户需要的惩罚也越多。用户的平均调度时延越接近其最大时延要求，该用户的满意度越小。

对于未指定速率业务，如果无最小速率要求，则r_i，k，min＝0，则式(F3)退化为：

$s_{i,k}=\left\{\begin{array}{cc}{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}}{r_{i,k,\mathrm{tar}}}\right)}^{\mathrm{\&Omega;}}\&times;(1-{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}}{d_{i,k}}\right)}^{\mathrm{\&Psi;}})& \mathrm{else}\\ 0& {\stackrel{\&OverBar;}{d}}_{i,k}>d_{i,k,\mathrm{tar}}\end{array}---\left(F4\right)\right.$

本发明中采用系统平均满意度概念，定义：

$S=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{W_i}{K_i}\underset{k=1}{\overset{k_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{i,k}---\left(F5\right)$

I表示系统中存在的业务种类，W_i是第i种业务的权重，该权重与运营商为客户提供的服务级别有关。K_i表示系统中第i种业务用户的个数，s_i，k即第i种业务的第k个用户的业务满意度。

S∈[0，1]，当系统中所有用户都满意时，S应等于1，反之则为0。调度的目标就是最大化系统平均满意度，同时联合考虑用户的服务质量需求和其信道质量，为用户分配令其满意的资源，并通过惩罚机制防止特定用户占用超出其需求的带宽，从而实现系统资源的合理分配，提高系统资源利用率。

基于满意度的多用户调度方法在随机波束成型系统中的应用问题归结如下：

$\max \left\{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{W_i}{K_i}\underset{k=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{i,k}\right\}---\left(F6\right)$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{k_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{n,j,k}=M_t,\&ForAll;n\&Element;T$

$\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_i=1---\left(F7\right)$

式(F7)中n是时隙号，T是系统运行时间内时隙号的集合。M_t是随机波束成型系统中并行发射的子流数。式(F6)中，W_i是第i种业务的权重，K_i是第i种业务用户的数量。x_n，i，k为调度结果，当第n时隙业务i的第k个用户获得调度则x_n，i，k＝1，优化目标中，W_i和K_i在特定的系统中通过准入控制和优先级设定可以为常数，s_i，k是第i种业务的第k个用户的业务满意度，其值与用户获得的平均速率和调度时延有关，同时，为了在满足用户服务质量要求的同时，尽可能减少因调度服务质量需求高而链路性能差的用户造成的系统吞吐率的损失，在调度器选择用户时还应考虑用户当前的信道质量。

本发明中用户调度的代价函数表达为：

$F_{i,k}\left(n\right)=W_{i,k}*w_{i,k}*{\hat{R}}_{i,k}\left(n\right)---\left(F8\right)$

其中w_i，k即认知层给出的业务i的第k个用户业务满意度权系数。 是物理层通过反馈链路获得的第i种业务用户k的信道容量。W_i，k是第i种业务的用户k的业务类型权重，默认为1，即不同业务间权重相同。

在随机波束成型系统中，假设基站有N_i个发射天线，各天线信道衰落统计独立。系统中共有N个用户，每用户接收天线数目为1。用户接收信号为 $r_k\left(f\right)=\sqrt{\mathrm{\&rho;}}{H}_k\left(t\right)s\left(t\right)+n\left(t\right),t\&Element;[(n-1)T,\mathrm{nT}]$

s(t)＝B(n)(1/M_t)^1/2x(t)，是基站发送的信号，M_t是基站发射的并行子流数，其中B(n)＝[b₁(n)，b₂(n)，...，b_Mt(n)]，b_i(n)取自一个酉阵，子流间等功率发射。H_k(n)＝[h_1，k(n)，h_2，k(n)，，...，h_N，k(n)]，是信道矩阵，其中h_i，k(n)是基站第i个天线到第k个移动台接收机的信道增益，设其为独立同分布的复高斯随机变量，分布为CN(0，1)，n(n)是复高斯白噪声，分布为CN(0，1)。假设通道在一个时隙内保持不变。设E{s(t)^Hs(t)}＝1则天线接收处平均信噪比正好为ρ。为此在经过波束成型向量加权后，等效接收信噪比为：

${\hat{r}}_{i,k}=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{h}}_{i,k}\left(n\right)\left|\right|}^2=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\left|\right|H_k\left(n\right)b_i\left(n\right)\left|\right|}^2---\left(F9\right)$

则该用户接收机可以获得的最大速率为

${\hat{R}}_{i,k}\left(t\right)={\log }_2(1+{\hat{r}}_{i,k})---\left(F10\right)$

式(F8)中的第i种业务用户k的满意度权系数w_i，k为

w_i，k(n)＝Fn(1+Δ-s_i，k)           (F11)

$\mathrm{Fn}\left(a\right)=\left\{\begin{array}{cc}a& a\&GreaterEqual;0\\ 0& a<0\end{array}\right.---\left(F12\right)$

s_i，k是第i种业务用户k的业务满意度。Δ是权重更新时的惩罚门限，当用户的满意度超出该1+Δ时，认为用户获得了超出其需求的服务，从而将该用户的权重在本次调度周期内置为零，从而对其进行惩罚。s_i，k中的 是第i种业务用户k的业务经调度获得的平均速率，在此采用加权的指数低通方法计算：

${\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}(n+1)=(1-\frac{1}{t_c}){\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{i,k}\left(n\right)+\frac{1}{t_c}{R}_{i,k}^{\&prime;}\left(n\right)---\left(F13\right)$

R_i，k(n)是n时隙业务i的用户k调度获得的速率。t_c是调度器的时间窗，为常数。

在式(F3)中，用户的满意度描述可以分为两个因子，第一个因子为速率满意度因子，第二个为时延满意度因子。用户的满意度越低，则该用户的w_i，k(t)越大。

调度器的调度准则为：

${(i,k)}^{*}=\underset{i,k}{\arg \max \left(F_{i,k}\left(n\right)\right)}---\left(14\right)$

即每次调度时选择当前代价函数最大的用户。

调度器工作时，用户的时延因子，平均速率，目标速率及当前信道容量都将影响调度的结果。当用户获得了超出其需求的资源调度后，即其满意度超出1时，式(F12)中的Fn即惩罚函数会为0，则在下次满意度权系数更新前，该用户不会得到调度，这是一种对获得超出需求的资源用户的惩罚，从而避免了过多的资源被某些优先级别高(信道好或时延要求严格等)的用户长期占有。因此满意度权系数的更新周期较调度器工作周期慢。

调度器调度工作的过程中，用户的代价函数中包括其信道容量，即当两个用户的满意度权系数相近时，信道好的用户会获得调度。同时由于惩罚措施的存在，避免了少数服务质量需求高的用户长期占用系统资源，故调度时可以在最大化系统满意度的同时减少系统吞吐率的损失。在统计实时变速率业务满意度时，当用户获得的速率低于最小保证速率即判定该用户不满意。随着用户数的增多最大化系统吞吐率调度、正比公平调度、最大最小公平调度等方法无法保证用户对时延的需求，当用户增多到一定程度时，实时变速率业务用户会因为调度时延超出其容忍界限而导致用户不满意。而基于满意度的多用户调度方法则不同，当系统中用户需求的资源超出了系统的总资源时，实时变速率业务会因为其时延的敏感使得满意度下降，此时用户代价函数值式(F8)升高，使时延敏感用户更容易获得调度；同时，由于惩罚时间的存在，又不会使实时变速率用户占用全部的系统资源，从而保证了对时延不敏感的不指定速率业务用户的服务，因此从系统满意度来看，本发明基于满意度的多用户调度方法优于最大化系统吞率调度、正比公平调度、最大最小公平度调度等方法。

如果需要保证实时变速率业务在用户数较多时的服务质量，而给实时变速率业务额外的权重，那么本发明基于满意度的多用户调度方法将在调度时偏向于选择不满意的实时变速率业务用户，从而进一步保证这些用户的服务质量。通过与本发明所述的惩罚机制结合，又可以避免实时变速率业务用户抢占所有系统资源，保证其他业务用户获得服务。

本发明多天线系统中基于满意度的多用户调度方法，由于采用基于满意度的调度准则，可以保障用户的服务质量；通过采用调度周期和满意度更新周期不同的策略，实现对获得超出需求用户的惩罚，避免了部分高优先级用户占用过多系统资源；通过采用调度代价函数中包含用户信道容量的策略，实现了调度时对频谱利用率的考虑，提高了系统吞吐率。通过下面列举的本发明的实施例可以看出，本发明比最大化系统吞吐率的调度方法损失了较少的吞吐率，但明显好于正比公平调度方法，同时在系统满意度方面，明显好于其他方法。

附图说明：

图1是本发明中的调度器结构示意图。

图2是本发明中的调度周期与用户业务满意度权系数更新周期关系图。

图3是采用满意度调度和随机波束成型的下行多用户系统用户数与吞吐率曲线。

图4是采用满意度调度和随机波束成型的下行多用户系统用户数与系统满意度曲线。

图5是采用满意度调度和随机波束成型的下行多用户系统对实时变速率业务加权调度的系统用户数与吞吐率曲线。

图6是采用满意度调度和随机波束成型的下行多用户系统对实时变速率业务加权调度的系统用户数与满意度曲线。

具体实施方式：

以下结合附图说明本方法的实施例。

实施例1：

本实施例以中国Future计划B3G FDD系统框架为例，基站包括物理层模块、媒体接入层模块、网络层模块，其中媒体接入层包含调度器及媒体接入层数据面模块并设有8根发射天线；用户终端装配有接收天线，并包含物理层模块、媒体接入层模块、网络层模块、应用层模块，其物理层包含接收机和发送模块，并装配有1根接收天线，接收机进行信道估计并将信道信息反馈回基站物理层；信道为一个宽带的非频率选择性(设经过正交频分复用等技术平坦化)衰落信道，带宽为20MHz；每个用户只有一种业务，该业务为文件传输协议(FTP)业务或者视频会议业务；FTP业务需求的最大带宽为10Mbps，最大时延为1s，实时流媒体业务以现在典型的视频会议为例，最大带宽需求为2Mbps，最小速率为1Mbps，最大时延为50ms，将业务的实际带宽需求映射为业务需要的吞吐率，则FTP业务吞吐率需要为10/20＝0.5(bps/Hz)，实时变速率业务目标速率为2/20＝0.1(bps/Hz)，最小速率映射为1/20＝0.05(bps/Hz)。系统帧长8.375ms，每帧含10个时隙，即每时隙长度0.8375ms，则FTP业务的最大调度时延映射为1200个时隙，而流媒体业务的最大调度时延映射为60个时隙；所有用户业务权重W_k＝1，即不同用户业务权重相同；调度器每时隙工作一次，工作周期T_s为1个时隙0.8375ms，用户业务满意度权系数每帧更新一次，即业务满意度更新周期T_w为10个时隙8.375ms。

图1给出了本发明中的调度器结构示意图：

应用层1将用户业务数据3发往基站2的网络层模块4；认知层模块6从网络层模块4获取用户业务服务质量特征5，从调度器模块9获得调度器的用户统计信息11，并计算出用户业务满意度权系数7；媒体访问控制(MAC)层20中的调度器模块9根据从认知层模块6获得的业务满意度权系数7和从物理层模块14获得的用户信道状态信息19进行调度，并将调度结果10输出给MAC层数据面模块12；MAC层数据面模块12根据调度结果10将由网络层数据8生成的MAC层数据13送往物理层模块14；物理层模块14通过基站天线15发送信号，用户接收机17通过用户天线16接收基站信号，并将信道反馈信息18发送给基站2的物理层模块14。

下行链路工作流程如下：

第一步：应用层模块1将用户业务数据3发往基站2的网络层模块4。

第二步：认知层模块6通过网络层模块1从应用层模块1获取用户业务的服务质量特征信息5。包括用户的最大速率r_k，tar、最小速率r_k，min，最大时延d_k，tar。

第三步：认知层模块6将当前时隙号除以满意度权系数更新周期，如果余数为0，则重新计算所有用户满意度权系数，认知层模块6从调度器模块获得用户统计信息11，包括

和

，根据用户业务满意度公式：

$s_k=\left\{\begin{array}{cc}\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{r}}{r_{k,\mathrm{tar}}}\right)\&times;(1-{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_k}{d_k}\right)}^2)& {\stackrel{\&OverBar;}{r}}_k\&GreaterEqual;r_{k,\mathrm{tar}}\mathrm{and}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_k\&le;d_{k,\mathrm{tar}}\\ {\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{r}-r_{k,\min }}{r_{k,\mathrm{tar}}-r_{k,\min }}\right)}^2\&times;(1-{\left(\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_k}{d_k}\right)}^2)& r_{k,\min }\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_k\&le;r_{k,\mathrm{tar}}r\mathrm{and}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_k<d_{k,\mathrm{tar}}\\ 0& {\stackrel{\&OverBar;}{r}}_k<r_{k,\min }\mathrm{or}{\stackrel{\&OverBar;}{d}}_k>d_{k,\mathrm{tar}}\end{array}\right.---\left(F3\right)$

计算用户的满意度s_k，再通过w_k(n)＝Fn(1+Δ-s_k)计算出用户业务满意度权系数，并存储到用户业务满意度权系数表中。其中Δ＝0.01，Fn为：

$\mathrm{Fn}\left(a\right)=\left\{\begin{array}{cc}a& a\&GreaterEqual;0\\ 0& a<0\end{array}\right.---\left(F2\right)$

第四步：调度器模块9将当前时隙号除以满意度权系数更新周期，如果余数为0，则从认知层模块6的用户满意度权系数表中复制各用户的满意度权系数到调度器9内部的满意度权系数表中。

第五步：调度器模块9通过认知层模块6提供的满意度权系数w_k(n)和物理层模块14汇报的用户信道状态信息

19进行调度。由 $F\left(n\right)=W_k*w_k\left(n\right)*{\hat{R}}_k\left(n\right)$ 生成用户的代价函数值。调度器选择所有用户中代价函数值最大的作为本次获得调度的用户，将调度结果10送往MAC层数据面模块12，立即更新获得调度用户的满意度权系数存储到调度器的用户业务满意度权系数表中，同时统计所有用户的平均时延 和平均速率

第六步：MAC层数据面模块12根据调度结果10，将网络层模块4送来的网络层数据8转换成MAC层数据13送往物理层模块14。

第七步：物理层模块14将MAC层数据通过多根通过基站天线15，采用随机波束成型技术发送。发送信号为s(t)＝b(t)(1/M_t)^1/2x(t)，t∈[(n-1)T，nT]其中x(n)是用户发送的信号，b(n)取自一个酉阵，即波束成形矩阵，M_t为随机波束成型并行发送子流数，本实施例为1。

第八步：用户接收机模块17通过用户天线模块16接收基站信号，接收数据为 $r_k\left(f\right)=\sqrt{\mathrm{\&rho;}}{H}_k\left(f\right)s\left(f\right)+n_k\left(f\right),f\&Element;[(n-1)T,\mathrm{nT}],$ 其中H_k(t)＝[h_1，k(t)，h_2，k(t)，，...，h_N，k(t)]是信道矩阵，h_i，k(t)是基站第i个天线到第k个用户接收机的信道增益，n_k(t)是加性复高斯白噪声；用户接收机计算经过波束成型矢量加权后的等效接收信噪比为： ${\hat{r}}_k\left(t\right)=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{h}}_k\left(t\right)\left|\right|}^2=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\left|\right|H_k\left(t\right)b\left(n\right)\left|\right|}^2,$ 并将等效接收信噪比作为信道反馈信息18反馈给基站2的物理层模块14。

第九步：基站物理层模块14用公式 ${\hat{R}}_k\left(n\right)={\mathrm{iog}}_2(1+{\hat{r}}_k\left(n\right))$ 计算出用户的信道容量作为用户信道状态信息19提供给调度器模块9。

认知层存在的目的是将应用层的服务质量参数和调度器的调度结果映射为用户业务满意度权系数提供给调度器，简化调度器的工作复杂度同时保证用户获得较高的满意度。

图2给出了调度周期与用户业务满意度权系数更新周期关系图。如图2所示：时间轴上方的单向箭头为业务满意度权系数更新时刻w，时间轴下方的单向箭头为调度器工作时刻s，认知层的满意度权系数更新周期T_w大于调度器的工作时隙周期T_s，且T_w为T_s的整数倍(本实施例中为10倍)，其目的是利用两个周期的不同对获得超出服务质量需求的用户进行惩罚，调度器每次调度完成后，立即更新获得调度的用户的满意度权系数w_k，在用户业务满意度权系数更新时刻w，由认知层实体更新本次满意度更新周期内未获得调度的用户的满意度权系数；由于满意度权系数更新周期大于调度器调度周期，当用户在一个T_w中满意度s_k＞＝1+Δ时，则在T_w中的剩余几个时隙中该用户将不再获得调度，由此实现了对获得超出满意度门限的用户的惩罚，从而防止了少数用户长期占用系统资源，提高了系统资源利用率。

图3、图4给出了本实施例系统中75％的用户是FTP用户，25％为实时变速率业务用户，两种业务拥有相同权重时，随用户数增加系统吞吐率和系统满意度的变化情况。图3中采用基于满意度的多用户调度方法的系统吞吐率曲线c较最大载波干扰比(MAX-CI)调度方法曲线d有一定的降低，但是仍然在一个较高的水平，在用户数较多时明显高于正比公平(PF)调度方法曲线b，同时比起最大化公平度的最大最小公平(MMF)调度方法曲线a，则有较大提高。

再看系统满意度，图4中在用户数很少时，系统中的资源足够丰富，所以四种方法调度的结果都能满足用户的服务质量需求。随着用户数增多，用户需求的资源远远超出系统能够提供的资源，各方法系统满意度都在降低。在系统中用户达到80个时，除了基于满意度的多用户调度方法曲线e外的三种方法(正比公平方法曲线f、最大载干比方法曲线g、最大最小公平方法曲线h)都有一个明显的转折，而基于满意度的多用户调度方法则在用户数达到120时采用明显的下降。因此本发明基于满意度的多用户调度方法可以在保证服务质量的同时为更多用户提供满意的服务。

如果需要保证实时变速率业务在用户数较多时的服务质量，则需要给实时变速率业务额外的权重，为此将式(F8)中的W_k给予不同的赋值，取FTP业务的W_k＝1，实时变速率业务的W_k分别为1.1、1.2。

采用满意度调度和随机波束成型的下行多用户系统对实时变速率业务加权调度的系统用户数与吞吐率曲线如图5所示。其中曲线i是未加权的基于满意度的多用户调度方法吞吐率，曲线j是对实时变速率业务加权1.1的吞吐率，曲线k是对实时变速率业务加权1.2的吞吐率，可见，给实时变速率业务的用户增加了额外的权重后，导致系统的吞吐率有一定下降。这是因为随着用户的增加，大量的用户满意度很低，由于对实时变速率业务给予了额外的权重，则调度器在选择用户时，偏向于选择不满意的实时变速率用户，从而缩小了可选用户集合，对于随机波束成型这样的系统，这就意味着多用户分集增益的减小，并带来系统吞吐率的降低。随着系统中用户数的增加，实时变速率用户数目也在增加，即多用户分集增益增大，故在用户数接近200时，两种加权的调度方式系统吞吐率都有增加。

图6是采用满意度调度和随机波束成型的下行多用户系统对实时变速率业务加权调度的系统用户数与满意度曲线。其中曲线m是未加权的基于满意度的多用户调度方法系统满意度，曲线n是对实时变速率业务加权1.1的系统满意度，曲线o是对实时变速率业务加权1.2的系统满意度，由于实时变速率业务获得了额外的权重，所以在用户数较多时，不满意的实时变速率用户获得了更多的调度机会，避免了实时变速率用户因调度时延而导致的满意度为0。

随着用户数的增加，实时变速率业务始终可以获得令其满意的平均速率和调度时延，从而保证了系统满意度在一个较高的水平。对实时变速率用户加权使得系统满意度不会出现突然的降低，而是随着用户数的增加缓慢的下降。给实时变速率业务加不同的权重可以使其获得不同的调度优先权，权重越高，获得的服务越受到保证，同时对FTP业务的影响也越大。

由此可见，采用对实时变速率业务加权的基于满意度的多用户调度方法，可以更好的保障实时变速率业务的服务质量，该方法可以推广到对某些特殊用户提供加权的调度，保证其通信质量，对于系统运营商具有实用意义。

Claims (1)

1.一种多天线系统中基于满意度的多用户调度方法，基站包括物理层模块、媒体访问控制层模块、网络层模块，其中媒体访问控制层模块包含调度器及媒体访问控制层数据面模块；基站装配不少于两根发送天线；用户终端装配有接收天线，其接收机进行信道估计并将信道信息反馈回基站物理层；基站通过其物理层获得下行信道的信道状态信息；基站调度器利用从物理层获得的各用户的下行信道状态信息和用户的服务质量参数进行调度，将信道资源分配给各用户，所述服务质量参数通过网络层从应用层获得；基站的媒体访问控制层数据面模块根据调度的结果将数据送往基站的物理层模块发送；物理层模块采用随机波束成型技术将用户的发送数据与从一个酉阵中取出的列向量相乘再将其送往各天线发送给移动台；其特征在于：基站设有认知层模块，其通过网络层模块从应用层获得用户业务服务质量需求，包括业务的最大速率需求、最小速率需求和最大时延需求；并根据用户业务满意度权系数公式，通过业务最大速率需求、最小速率需求、最大时延需求以及从调度器获得的用户平均速率和平均时延计算出每个用户的业务满意度权系数，并存放在认知层模块的业务满意度权系数表中；调度器每时隙工作一次，每两个或两个以上时隙从认知层模块更新一次用户业务满意度权系数，所述更新满意度权系数即将认知层模块的用户业务满意度权系数表复制到调度器内的用户满意度权系数表中；调度器每个时隙从物理层更新一次用户信道状态信息，该用户信道状态信息可以是用户接收信噪比或用户信道容量或其他等效信道指示；不同业务的权重在系统初始化时设定；调度器每个时隙对所有用户分别计算其业务权重、业务满意度权系数和信道状态信息的乘积，并选择该乘积最大的用户作为获得调度的用户；调度器选择获得调度的用户后，重新计算该用户的业务满意度权系数并将其存入调度器内部的用户业务满意度权系数表中，同时调度器统计每个用户业务的平均速率和平均时延存存入调度器内的用户业务平均速率与平均时延表中；

所述用户业务满意度权系数由以下公式计算：

w_i，k(n)＝Fn(1+Δ-s_i，k)    (F1)

$\mathrm{Fn}\left(a\right)=\left\{\begin{array}{cc}a& a\&GreaterEqual;0\\ 0& a<0\end{array}\right.---\left(F2\right)$

式(F1)中w_i，k(n)是第n时隙业务i用户k的满意度权系数，Δ取0.01；式(F3)中 是该业务用户获得的平均速率，r_i，k，tar是该业务用户的最大速率需求，r_i，k，min是该业务用户的最小速率需求，

是该业务用户获得调度的平均时间间隔，d_i，k为该业务用户最大时延需求。

Images