CN101415242B - 一种宽带无线接入的非实时业务的调度系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种宽带无线接入的非实时可变速率NRTVR业务的调度系统，包括调度信息模块、多优先级调度数据库以及调度决策模块；其中，调度信息模块将其内保存的MS含有连接的NRTVR业务的业务优先级的调度信息及时更新；多优先级调度数据库存储按业务优先级将新连接排列的调度队列；调度决策模块据系统目标选择严格优先级调度或集成优先级调度策略及WFQ或PFS调度方法，并据调度信息模块中的调度信息，对调度队列中的连接进行调度优先级的选择，并对被选择的连接进行数据调度和带宽分配。本发明能够实现带宽分配的长期公平性或兼顾系统数据吞吐量与公平性的目标。

Description

一种宽带无线接入的非实时业务的调度系统及方法

技术领域

本发明涉及宽带无线接入系统业务的调度技术，尤其涉及全球微波接入互操作性(WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access)系统中非实时业务的调度系统及方法。

背景技术

宽带无线接入系统的发展非常迅速，其对资源分配的要求也越来越高。一般来说，由基站(BS，Base Station)将资源按照一定的策略分配给移动台(MS，Mobile Station)使用。在无线环境下的分组调度方法一般需要考虑以下几点：

(1)无线链路的可变性

即各种干扰和衰落以及移动台的位置变化可能引起传输链路的变化，从而影响数据传输的情况。

(2)公平性

公平性的定义和目标在无线环境下变得更加不明确，公平性应考虑链路状态及其后对较差链路状态的用户的补偿措施。

(3)服务质量(QoS，Quality of Service)

不同业务类型的QoS需求不一样，实施起来的方式也不一样，需要在调度时分别考虑。

(4)数据吞吐量和信道使用率

带宽是无线网络最珍贵的资源，分组调度方法应该致力于最大吞吐量及无线信道的使用率，以提高系统的收益；

(5)能力约束及实用性

考虑到移动台的能量是有限制的，调度方法应该尽量简单实用，故需要移动台提供的信道及控制信息应尽量少。

非实时可变速率(NRTVR，Non-Real-Time Variable-Rate)业务是IEEE802.16协议定义的一种非实时数据传输业务，支持非周期变长分组的非实时数据流，例如，有保证最小速率(即最小预留速率)要求的因特网接入。BS提供比实时可变速率(RTVR，Real-Time Variable-Rate)业务更长的周期或不定期的单播请求机会。可以使用竞争请求(多播或广播)机会，甚至被主动授权。NRTVR业务还支持的QoS参数有业务优先级，即同一业务等级下又排列出的优先级别(0～7)，通常，低优先级的业务流可能会比高优先级的业务流滞后服务。

根据上面的情况，对NRTVR业务的调度应该尽量达到以下几点要求：

(1)带宽的分配比较公平；

(2)整个系统的数据吞吐量比较高；

(3)调度方法的实现比较简单。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带无线接入的非实时业务的调度系统及方法，以满足IEEE 802.16系统中NRTVR业务的调度的要求，既能保持带宽的分配长期公平，也能同时兼顾高系统数据吞吐量与公平性的结合，且实现起来较为简单，适用于多优先级的调度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带无线接入的非实时业务的调度系统，包括依次相连的调度信息模块、多优先级调度数据库以及调度决策模块；其中：

调度信息模块，用于将其内保存的移动台含有连接的非实时可变速率业务的业务优先级的调度信息及时进行更新；

多优先级调度数据库，用来作为存储空间，以存储按调度信息模块中更新的业务优先级将需调度的新连接排列的调度队列；

调度决策模块，还与调度信息模块连接，用于根据调度信息模块中的调度信息，计算调度队列中所有连接的调度优先级，并从中选取调度优先级最大的相应的连接作为被选择的连接，再对被选择的连接进行数据调度和带宽分配。

进一步地，调度决策模块根据系统目标选择严格优先级调度或集成优先级调度策略，并选择加权公平队列或比例公平调度方法完成调度优先级的计算。

进一步地，所述系统还包括与调度决策模块连接的调度输出模块，用于根据调度决策模块的运作结果，对被选择的连接的数据进行处理，即读取该连接服务数据单元中的数据，并根据分配的所述带宽预组协议数据单元，然后交由后续模块进行处理。

进一步地，调度信息模块的调度信息，还包括调制编码方式MPR、重复编码次数REP、历史平均流量和实时流量、最小预留速率、窗口值以及业务优先级的权重。

进一步地，调度决策模块取当前系统的可用带宽和连接上的需求带宽中的较小值作为分配的带宽；其中，连接在一帧中的需求带宽依据连接的最小预留速率、上一次调度到目前所述帧的间隔以及帧的长度计算获得。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带无线接入的非实时业务的调度方法，包括如下步骤：

(a)保存并及时更新移动台的含有连接的非实时可变速率业务的业务优先级的调度信息；

(b)根据更新的调度信息，将新建立的连接按其被更新的业务优先级挂在多优先级调度数据库中；其中，相同业务优先级的连接置入调度队列中排列；

(c)根据调度信息，对调度队列中的连接进行调度优先级的选择，对被选择的连接进行数据调度和带宽分配。

进一步地，所述方法还包括步骤：

(d)根据步骤(c)的调度及所述带宽分配，对被选择的连接的数据进行处理，即读取该连接服务数据单元中的数据，并根据分配的带宽预组协议数据单元，然后交由后续模块进行处理。

进一步地，步骤(a)调度信息还包括调制编码方式MPR、重复编码次数REP、历史平均流量和实时流量、最小预留速率以及配置参数的窗口值。

进一步地，步骤(c)根据当前系统的实现目标选择调度策略；若选择严格优先级调度策略，则先对业务优先级高的连接进行调度，相同业务优先级的连接按调度优先级选择，即调度队列为当前业务优先级最高的调度队列；若选择集成优先级调度策略，则调度队列为所有连接的调度队列，即将业务优先级折算到调度优先级中。

进一步地，步骤(c)根据当前系统的实现目标选择调度方法，若选择加权公平队列方法，则根据连接的业务优先级及其权重以及最小预留速率，计算调度队列中所有连接的调度优先级，并从中选取调度优先级最大的相应的连接作为被选择的连接；或者，若选择比例公平调度方法，则根据连接的：业务优先级及其权重、当前信道条件以及当前的历史流量，计算调度队列中所有连接的调度优先级，并从中选取调度优先级最大的相应的连接作为被选择的连接。

进一步地，当前信道条件通过连接当前的MPR及REP计算获得；当前的历史流量通过连接的上一次调度的历史平均流量、上一次调度的实时流量以及窗口值计算获得。

进一步地，步骤(c)取当前系统的可用带宽和连接的需求带宽中的较小值作为分配的带宽；其中，连接在一帧中的需求带宽依据连接的最小预留速率、上一次调度到目前帧的间隔以及帧的长度计算获得。

与现有技术相比较，本发明调度系统及方法首先引入了多优先级调度数据库，并可以在严格优先级调度和集成优先级调度策略之间进行灵活的切换；其次，本发明通过对WFQ和PFS调度方法进行选择，可以实现长期带宽分配的公平性或兼顾系统数据吞吐量与公平性的目标，同时可以随时更新调度策略，以便根据系统的需求进行多目标调度。

附图说明

图1是本发明宽带无线接入的非实时业务的调度系统结构示意图；

图1a是本发明采用严格优先级调度策略的选择示意图；

图1b是本发明采用集成优先级调度策略的选择示意图；

图2是本发明宽带无线接入的非实时业务的调度方法流程图。

具体实施方式

本发明宽带无线接入的非实时业务的调度系统及方法，是通过调度信息模块将每个MS连接进行调度后的信息进行保存，在每次对连接进行调度之前将这些信息进行更新，以便后续在进行连接的调度优先级选择时参用。调度决策模块根据当前系统的实现的目标选择严格优先级调度和集成优先级调度策略，并通过采用WFQ或者PFS调度方法，对在多优先级调度数据库中按不同业务优先级排列的调度队列中的连接进行调度优先级计算，并从中选择最大优先级的连接对其进行数据调度和带宽分配。最后，由调度输出模块，对调度的连接进行数据预组，并交由后续模块进行处理。

以下通过具体实施例和附图对本发明上述技术方案进行详细阐述。

如图1所示，本发明宽带无线接入的非实时业务的调度系统100包括依次连接的调度信息模块110、多优先级调度数据库120、调度决策模块130以及调度输出模块140；其中：

调度信息模块110，用于将其内保存的MS的信道条件及历史流量等相关信息及时进行更新。

系统将MS各连接调度后的上述信息都要保存起来，以备下次调度时参用；在本次调度前，应将上一次调度保存的信息，连同本次调度初始化的一些必要数据一起更新。上述信息具体包括以下内容：

①调制编码方式，该信息会根据系统实际的编码方式及其编码速率换算成一个数值，记为MPR，以供调度时使用。具体如表1中所示。

表1调制编码方式对应的MPR

调制方式和编码速率	MPR(每个Slot可承载的数据)
		QPSK 1/2	6
QPSK 3/4	9
		16QAM 1/2	12
16QAM 3/4	18
		16QAM 3/5	14.4
16QAM 4/5	19.2
		64QAM 1/2	18
64QAM 2/3	24
		64QAM 3/4	27
64QAM 5/6	30

②重复编码次数，记为REP，根据各个MS的实际使用情况，可以分别取值为1、2、4和6。

上述两个参数，即MPR和REP，是用于计算MS连接的信道条件的，如公式(1)所述。而信道条件ChCond_i则是用于通过PFS调度方法进行连接i(即第i连接)的调度优先级选择的一个必要的参数。

$\mathrm{ChC}{\mathrm{ond}}_i=\frac{{\mathrm{MPR}}_i}{{\mathrm{REP}}_i}---\left(1\right)$

③历史平均流量和实时流量，在每个连接的数据调度完成之后，调度信息模块110要根据公式(2)及时更新MS各连接的历史平均流量，以备调度决策模块130采用PFS调度方法计算调度优先级时所用。

$R_k\left(t\right)=(1-\frac{1}{t_c})\·R_k(t-1)+\left(\frac{1}{t_c}\right)\·\mathrm{Trans}\_{\mathrm{Rate}}_k(t-1)---\left(2\right)$

式中：

R_k(t)是连接当前的平均流量，R_k(t-1)是连接上一次调度的历史平均流量；

Trans_Rate_k是上一次调度的实时流量；

t_c是窗口值，表示上一次调度与本次调度之间的取值，即t_c值越大，表示越参重上一次调度的因素；相反，t_c值越小，表示越参重本次调度的因素。在本实施例中，t_c可以取值为20。

④QoS参数，包括最小预留速率、最大维持速率、业务优先级和请求/传输策略。在业务流建立和更改的时候要对QoS参数进行更新。

⑤各种配置参数，包括窗口值大小、优先级权重等，可以随时更新并以备之后的调度过程所用。

多优先级调度数据库120，用来作为将需调度的新连接按NRTVR业务的业务优先级排列的调度队列的存储空间。

系统在新建连接的时候，根据该连接在调度信息模块110保存的NRTVR业务优先级(共有0～7级；其中，最高级为第7级，最低级为第0级)，将其放入不同的调度队列(0～7)，即相同业务优先级的连接，排列成调度队列，请参见图1a和图1b。

调度决策模块130，还与上述调度信息模块110连接，用于根据系统目标选择不同的调度策略和调度方法，并根据调度信息模块110中的信息，来计算多优先级调度数据库120中的连接(业务优先级队列中的连接或所有连接，取决于调度策略)的调度优先级，从中选择计算值最大的一个，并对其相应的连接进行数据调度和带宽分配。

所谓业务优先级，是指连接的同一业务级别(譬如话音呼叫)来排列的优先级(譬如紧急呼叫、普通呼叫等)；所谓调度优先级，则是指对连接进行调度而计算排列的优先级。

系统可以根据运营商的运营模式结合具体情况，来确定采用哪种调度策略。

如果采用严格优先级调度策略，则在多优先级调度数据库120中，先对业务优先级高的连接进行调度，相同业务优先级的连接按调度优先级进行选择和调度，如图1a所示。即每次只在当前最高业务优先级队列中进行选择调度，直到该优先级队列中的连接全部调度完毕，才进入下一个次高业务优先级队列中进行选择调度，以此类推。

如果采用集成优先级调度策略，则将多优先级调度数据库120中所有连接的业务优先级折算到调度优先级中，按调度优先级进行调度，如图1b所示。即从所有调度队列中选择出一个连接进行调度，同时将业务优先级作为权重折算到调度优先级中。

譬如全球通和神州行两种运营模式，前者显然要比后者的业务优先级高。因而，在一般情况下，系统选用严格优先级调度策略来为这两种模式的连接进行调度。而在无线上网过程中，当神州行连接申请下载的数据量，远远超过全球通连接申请下载的数据量，这时，系统就可以根据获益大小来考虑采用集成优先级调度策略。

调度决策模块130根据当前系统的实现目标，选择加权公平队列(WFQ，Weight Fair Queue)或比例公平调度(PFS，Proportional Fair Scheduling)作为当前的调度方法，根据WFQ或PFS算法计算出连接的调度优先级，然后选择其中调度优先级值最高的连接进行调度。如果调度完该连接后还有剩余带宽，则继续选择次高调度优先级的连接进行调度，以此类推，直到所有连接调度完毕或者带宽耗尽则退出。

①根据WFQ调度方法的调度优先级由公式(3)算出：

$W_i=\frac{p_i{r}_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_i{r}_i}---\left(3\right)$

式中：

i为连接的序号，分母求和符号下的i表示求所有连接的p_ir_i之和；

W_i为调度优先级；

p_i＝(TrafficPriority_i+1)*α，为对业务优先级的折算优先级；

TrafficPriority_i是第i连接的业务优先级，取值范围0～7；

α为业务优先级的权重，可以根据系统的需要灵活配置；

比如系统中已有全球通、神州行、动感地带三种业务模式，对应的业务优先级分别为4、3、2。在客户群体及市场变化的情况下，动感地带用户上升为比神州行更高的优先级，此时就可以将神州行业务的α值设为0.7，将动感地带业务的α值设为1.5，以动态调整这两个业务的优先级关系。

r_i为第i个连接的QoS的最小预留速率。

由上述公式(3)可以看出，WFQ调度方法主要是求第i连接考虑了各种因素的优先级在所有连接中所占权重。

②根据PFS调度方法的调度优先级，由公式(4)算出：

$P_i\left(t\right)=p_i\×\frac{\mathrm{ChC}{\mathrm{ond}}_i\left(t\right)}{{\mathrm{Th}}_i\left(t\right)}---\left(4\right)$

式中：

p_i＝(TrafficPriority_i+1)*α；

TrafficPriority_i是第i连接的业务优先级，取值范围0～7；

α为业务优先级的权重，可以根据系统需要灵活配置；

${\mathrm{ChCond}}_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{MPR}}_i\left(t\right)}{{\mathrm{REP}}_i\left(t\right)}$ 表示第i连接的当前的信道条件；

Th_i(t)＝R_i(t)，表示第i连接当前的历史流量。

由公式(4)可以看出，PFS调度方法其调度优先级计算，是以连接的信道条件和业务优先级为正比，以其历史流量为反比，意味着连接的信道条件越好，其调度优先级越高；或流量越大，其调度优先级越低等等；也就是将连接的信道条件及流量因素引入优先权选择机制。

譬如系统内连接大都是以包月计费方式，系统目标以保持带宽分配的长期公平性为主，可选择WFQ调度方法。譬如系统内连接大多以流量计费方式，则系统目标以兼顾系统数据吞吐量与带宽分配的公平性为主，则可选择PFS调度方法。

③为选择的连接进行调度的时候，需要根据当前系统的可用带宽(即系统总共具有的带宽减去已分配使用的带宽)和连接上的需求带宽，取二者中的较小值分配给该连接使用。

每个连接在一帧中的需求带宽BW可以根据下面公式(5)中的速率估计算法得到：

$\mathrm{BW}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r_i\&times;\mathrm{framelength}}{1000\&times;8}\&times;5,& \mathrm{interval}>5\\ \frac{r_i\&times;\mathrm{framelength}}{1000\&times;8}\&times;\mathrm{interval},& 0<\mathrm{interval}\&le;5\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中：

r_i为QoS的最小预留速率；

interval为上一次调度之后到目前帧的间隔；

framelength为帧长度，目前的取值为5ms。

调度输出模块140，用于根据调度决策模块130的运作结果，对计算选择的连接进行处理，即读取该连接上的服务数据单元(SDU，Service DataUnit)中的数据，根据分配的带宽预组协议数据单元(PDU，Protocol DataUnit)，然后将结果发给后续的模块进行处理。

本发明非实时业务的调度方法包括以下步骤：

步骤A，保存MS的信道条件及历史流量等相关信息并及时更新；

保存及更新的调度信息，主要有各个MS的调制编码方式及重复编码次数、功率提升Boosting、历史平均流量、实时流量、业务流的QoS参数(包括最小预留速率、最大维持速率、业务优先级、请求/传输策略等)以及各种配置参数等。

步骤B，根据保存及更新的调度信息，将新建立的NRTVR业务连接按其业务优先级(0～7)挂在多优先级调度数据库中，其中，相同业务优先级的连接进入调度队列(0～7)中按序排列；

步骤C，调度决策模块根据当前系统的实现目标选择严格优先级调度及集成优先级调度策略，并选择WFQ或PFS作为当前的调度方法，然后由该方法选择一个连接进行数据的调度和带宽分配；

步骤D，调度输出模块根据调度决策模块的运作结果，对该连接上的数据预组PDU，即读取该连接上SDU中的数据，根据分配的带宽预组PDU，然后交由后续模块进行处理。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以前述权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种宽带无线接入的非实时业务的调度系统，包括依次相连的调度信息模块、多优先级调度数据库以及调度决策模块；其中：

所述调度信息模块，用于将其内保存的移动台含有连接的非实时可变速率业务的业务优先级的调度信息及时进行更新；

所述多优先级调度数据库，用来作为存储空间，以存储按所述调度信息模块中更新的所述业务优先级将需调度的新连接排列的多个调度队列，每个调度队列由相同业务优先级的连接排列而成；

所述调度决策模块，还与所述调度信息模块连接，用于根据系统目标选择不同的调度策略和调度方法，并根据所述调度信息模块中的所述调度信息，计算所述多优先级调度数据库中的连接的调度优先级，并从中选取所述调度优先级最大的相应的连接作为被选择的连接，再对所述被选择的连接进行数据调度和带宽分配；如果采用严格优先级调度策略，则在多优先级调度数据库中，先对业务优先级高的连接进行调度，相同业务优先级的连接按调度优先级进行选择和调度；如果采用集成优先级调度策略，则将多优先级调度数据库中所有连接的业务优先级折算到调度优先级中，按调度优先级进行调度。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调度决策模块根据系统目标选择加权公平队列或比例公平调度方法完成所述调度优先级的计算。

3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述调度决策模块连接的调度输出模块，用于根据所述调度决策模块的运作结果，对所述被选择的连接的数据进行处理，即读取该连接服务数据单元中的数据，并根据分配的带宽预组协议数据单元，然后交由后续模块进行处理。

4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调度信息模块的所述调度信息，还包括调制编码方式MPR、重复编码次数REP、历史平均流量和实时流量、最小预留速率、窗口值以及所述业务优先级的权重。

5.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，所述调度决策模块取当前系统的可用带宽和连接上的需求带宽中的较小值作为分配的带宽；其中，所述连接在一帧中的所述需求带宽依据所述连接的所述最小预留速率、上一次调度到目前所述帧的间隔以及所述帧的长度计算获得。

6.一种宽带无线接入的非实时业务的调度方法，包括如下步骤：

(a)保存并及时更新移动台的含有连接的非实时可变速率业务的业务优先级的调度信息；

(b)根据更新的所述调度信息，将新建立的连接按其被更新的所述业务优先级挂在多优先级调度数据库中；其中，相同所述业务优先级的连接置入相同的调度队列中排列，调度队列有多个；

(c)根据所述调度信息，对所述多优先级调度数据库中的连接进行调度优先级的选择，对被选择的连接进行数据调度和带宽分配，其中，根据当前系统的实现目标选择调度策略，如果采用严格优先级调度策略，则在多优先级调度数据库中，先对业务优先级高的连接进行调度，相同业务优先级的连接按调度优先级进行选择和调度；如果采用集成优先级调度策略，则将多优先级调度数据库中所有连接的业务优先级折算到调度优先级中，按调度优先级进行调度。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

(d)根据步骤(c)的所述数据调度及所述带宽分配，对所述被选择的连接的数据进行处理，即读取该连接服务数据单元中的数据，并根据分配的带宽预组协议数据单元，然后交由后续模块进行处理。

8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述调度信息还包括调制编码方式MPR、重复编码次数REP、历史平均流量和实时流量、最小预留速率以及配置参数的窗口值。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(c)根据当前系统的实现目标选择调度方法；若选择加权公平队列方法，则根据所述连接的所述业务优先级及其权重以及最小预留速率，计算所述多优先级调度数据库中的连接的所述调度优先级，并从中选取所述调度优先级最大的相应的连接作为所述被选择的连接；或者，若选择比例公平调度方法，则根据所述连接的业务优先级及其权重、当前信道条件以及当前的历史流量，计算多优先级调度数据库中的连接的所述调度优先级，并从中选取所述调度优先级最大的相应的连接作为所述被选择的连接。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述当前信道条件通过所述连接当前的所述MPR及所述REP计算获得；所述当前的历史流量通过所述连接的上一次调度的所述历史平均流量、上一次调度的所述实时流量以及所述窗口值计算获得。

11.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(c)取当前系统的可用带宽和所述连接的需求带宽中的较小值作为分配的带宽；其中，所述连接在一帧中的需求带宽依据所述连接的所述最小预留速率、上一次调度到目前所述帧的间隔以及所述帧的长度计算获得。

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