CN102378386B - 一种lte上行链路无线资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种LTE上行链路无线资源调度方法属于移动通信的技术领域。方法包括以下步骤：101步，在每个调度时刻，建立人对人(H2H)用户队列和机器对机器(M2M)用户队列；102步，基站调度器优先对H2H队列中的用户进行调度；103步，在对H2H队列中的用户调度完成后，仍然有剩余的资源块(RB)，再对M2M用户队列中的用户进行调度。本发明旨在解决未来有海量M2M通信用户存在时，优先保障H2H通信业务的服务质量(Qos)和用户间公平性，同时充分考虑M2M的业务特性，最大限度地利用时间、频率二维资源，为M2M用户提供服务，提高LTE上行链路的传输性能。

Description

一种LTE上行链路无线资源调度方法

1.技术领域

本发明涉及移动通信的技术领域，具体地说，本发明涉及3GPP长期演进(Long Term Evolution，LTE)上行链路无线资源调度方法。

2.背景技术

M2M是Machine-to-Machine的简称，是一种面向智能终端的信息交换和通信类型。从广义上说，M2M包括机器对机器(Machine-to-Machine)、人对机器(Man-to-Machine)、机器对人(Machine-to-Man)、移动网络对机器(Mobile-to-Machine)之间的信息交换与通信，它涵盖了所有可以实现的，在人、机器、系统之间进行信息交换的技术和手段，也就是广泛意义上的物联网，未来将广泛应用于各行各业以及人们的日常生活中。据权威机构估计，未来M2M通信终端的数量将远远超过人与人(H2H)通信的终端数量，因此M2M通信有着巨大的发展潜力。

M2M业务可以通过移动通信网、有线局域网、无线局域网等多种承载网络部署，其中，移动通信网络具有覆盖范围广、接入方便等优势，是M2M业务最便捷、最常用的承载网络，鉴于移动M2M业务巨大的市场潜力，世界上各大电信运营商都将M2M通信作为未来发展的重中之重。3GPP LTE作为UMTS网络的长期演进，是移动通信网络的下一代演进网络，旨在提供更高的数据速率、更低的传输时延、更大的系统容量和覆盖范围以及更低的运营成本。LTE下行链路采用正交频分多址接入(OFDMA)，上行链路采用单载波频分多址接入(SC-FDMA)，在时间维度上，将时间轴划分为10ms的无线帧，1ms的子帧和0.5ms的时隙；在频率维度上，将系统带宽划分为宽度15k Hz的子载波和12个连续子载波构成的资源块(RB，Resource Block)，为了充分利用系统的时间、频率二维资源，下行链路和上行链路的业务信道均采用共享信道的方式，在每个子帧开始时，由基站调度器根据一定的调度原则将系统资源分配给合适的用户，使得在尽量满足用户业务Qos和用户间公平性的前提下，最大化系统的总吞吐量。为了使每个用户知道自己分配了哪些子载波，以使用户在其上接收(下行链路)和发送(上行链路)数据，基站调度器要将资源分配信息和传输格式信息通过下行控制信道告知用户，在频率维度上，如果以子载波为单位分配资源，则调度信息的信令开销将会非常大，而由12个连续子载波构成的RB的频率选择性衰落并不明显，因而为了减少信令开销，LTE标准规定将RB作为资源分配的最小单位。

未来M2M通信终端的数量至少要比H2H通信终端的数量多出两个数量级，M2M终端将通过3GPP LTE的接入网络(E-UTRAN)的上行链路接入网络，并通过LTE的核心网与M2M终端的中心服务器或者其他M2M终端进行通信，M2M业务种类繁多，大多数业务特性与传统的语音业务和数据业务截然不同，已有的LTE上行链路调度算法均没有考虑有海量M2M终端存在的情况，也没有综合考虑M2M通信的业务特性，若仍然采用已有的LTE上行链路调度算法，将会严重影响上行链路的传输性能以及H2H通信的Qos保障。

3GPP TR 22.368详细介绍了机器类通信的类别和特性，通过对各类M2M业务特性的分析，绝大多数M2M通信都可以看作是小数据业务，即每次只发送很少量的数据比特，只发送一个或者几个数据包即可完成本次业务数据传输，而且从宏观上看，它们都没有很高的时延要求，只有很少量的实时视频监控等实时性要求较高的业务。

3.发明内容

已有的LTE上行链路调度算法均没有考虑未来有海量M2M终端存在的情况，也没有综合考虑M2M通信的业务特性，未来在有海量M2M终端存在的情况下，一方面M2M通信将对H2H通信产生严重的影响，另一方面不能够合理利用上行链路无线资源。本发明要解决的技术问题是，在此背景下提出一种新的LTE上行链路无线资源调度方法，使得未来在有大量M2M业务存在的情况下，优先保障H2H业务的Qos和用户间公平性，同时充分考虑M2M业务的小数据特性，最大限度地利用时间、频率二维资源，为M2M用户提供服务，从而提高LTE上行链路的传输性能，最大限度地满足人与人通信与机器对机器通信的需求。

一种LTE上行链路无线资源调度方法，包括以下步骤：

101步，在每个调度时刻，基站调度器遍历所有已建立连接的用户，将有上行数据发送请求的用户归入不同的用户队列，所述用户队列为H2H用户队列和M2M用户队列；

102步，基站调度器首先对H2H用户队列中的用户进行调度，以确保H2H通信的优先级，优先保障H2H用户通信的服务质量；

103步，在对H2H用户队列调度完成后，仍然有剩余资源时再对M2M用户队列中的用户进行调度，以合理利用LTE上行链路无线资源，提高LTE上行链路的传输性能。

在101步中，所述的H2H用户队列，是传统的人与人通信用户和业务实时性要求较高的机器用户；所述的M2M用户队列，是除去业务实时性要求较高的机器用户外的所有M2M用户。

在102步中，所述的对H2H用户队列中的用户进行调度，包括以下子步骤：

201步，构建用户-资源块度量矩阵，计算每个资源块分配给每个用户的优先级；

202步，从所述用户-资源块度量矩阵中选择有最大度量值的单元，此单元对应的用户为当前用户，将所述最大度量值对应的资源块分配给当前用户，判断当前用户分配的资源块是否能承载用户请求发送的数据量，如果能，则当前用户的资源分配结束；

203步，如果不能，以当前用户资源块集合中的资源块位置为起点，向前或向后搜索与已分配的资源块相连续的，且尚未分配出去的资源块，对每个搜索到的资源块，只有当前用户相对于其它用户仍然有最大度量值，才将此资源块分配给当前用户。如此反复搜索，直到为当前用户分配的资源块能够承载用户请求发送的数据量，或者没有满足要求的资源块。

204步，当前用户资源分配结束后，跳回202步调度一个新的用户为其分配资源，直到H2H用户队列中的用户被调度完或者资源块被分配完。

在103步中，所述的再对M2M用户队列中的用户进行调度，方法为分阶段调度方法；所述分阶段调度方法为：定义一个时间窗口T，设定时延门限kT(0＜k＜1)，在每个时间窗口T开始时，将M2M用户队列中数据包时延超过时延门限kT的用户加入超时机器用户队列，并对超时机器用户队列中的用户进行轮询调度，直到超过时延门限的所有数据包被发送完，此阶段定义为轮询调度阶段；继而进行最大效用调度，直到下一个时间窗口到达，此阶段定义为最大效用调度阶段。

采用所述分阶段调度策略的原因是：只采用最大效用调度，可以最大化LTE上行链路的吞吐量，然而可能会有一些用户因为信道质量或者其它的原因始终得不到调度而造成太大的时延，因而提出分阶段调度策略，定义一个相对于传输时间间隔TTI较长的时间窗口T，在时间窗口T内的绝大多数时间采用最大效用调度，以提高上行链路的吞吐量，有很小一部分时间采用轮询调度，对超过时延门限的用户进行调度，以防止某些用户始终得不到调度。

所述的轮询调度阶段，其调度方法为：按顺序为超时机器用户队列中的每个用户分配信道质量最好的资源块，直到超时机器用户队列中所有用户的数据包都被发送出去，轮询调度阶段结束。

所述的最大效用调度阶段，其调度方法为：对剩余的每个资源块，选择能够利用它传输最多数据比特的用户，并将它分配给该用户，且一个机器用户每次调度只分配一个资源块，直到所有剩余的资源块都分配完或者M2M用户队列中的所有用户都已被调度。

在完成如前所述的对H2H用户队列和M2M用户队列的调度后，如果仍然有剩余资源块，将剩余资源块分配给仍然有数据等待发送的用户。

将剩余资源块分配给仍然有数据等待发送的用户的方法为：

401步，从仍然有数据等待发送的用户中选择一个作为当前用户，所述选择当前用户的方法，可以根据每个用户在每个资源块上的调度优先级顺序选择，也可以根据每个用户等待发送的数据量多少选择，而不限于这些种方法。

402步，根据当前用户资源块集合中已分配的资源块位置，向前后相邻的资源块扩张，如果相邻的资源块尚未分配给任何用户，则将此资源块分配给当前用户，判断当前用户的资源块集合所能承载的数据量是否小于当前用户请求发送的数据量，若判断为否，则当前用户的资源分配结束，跳到601步选择一个新的当前用户继续分配资源；若判断为是，则跳到602步继续为当前用户扩张资源，直到与当前用户资源块集合中的资源块相邻的资源块都已经被分配出去，然后跳回601步选择一个新的当前用户为其扩张资源，直到所有的资源块都被分配完，或者所有用户的数据都被发送完。

本发明的有益效果是，使得未来在有大量M2M业务存在的情况下，优先保障H2H业务的Qos和用户间公平性，同时充分考虑M2M业务的小数据特性，最大限度地利用时间、频率二维资源，为M2M用户提供服务，从而提高LTE上行链路的传输性能，最大限度地满足人与人通信和机器对机器通信的需求。

附图说明

此处说明的附图是为了提供对本发明技术方案的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，附图中：

图1为本发明LTE上行链路无线资源调度方法的总体流程图；

图2为本发明实施例中对H2H用户队列的调度方法流程图；

图3为本发明实施例中对M2M用户队列的调度方法流程图；

图4为本发明实施例中时间窗口T以及时延门限的图示说明；

图5为本发明实施例中的UE-RB度量矩阵示意图；

图6为本发明实施例中的UE-RB效用矩阵示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，本发明的LTE上行链路无线资源调度方法总体上包含以下步骤：

步骤101，在每个调度时刻，基站调度器遍历所有已建立连接的用户，将有上行数据发送请求的用户归入不同的用户队列。

所述用户队列为H2H用户队列和M2M用户队列，H2H用户队列中不仅包含等待发送数据的H2H用户，而且包含有较高实时性数据要发送的M2M用户，特别地，如实时视频监控业务，M2M用户队列中包含等待发送数据的M2M用户。

步骤102，基站调度器优先对H2H用户队列中的用户进行调度，以确保H2H用户业务的优先级和服务质量。

步骤103，在对H2H用户队列调度完成后，仍然有剩余资源时再对M2M用户队列中的用户进行调度，以合理利用LTE上行链路无线资源，提高LTE上行链路的传输性能。

如图2所示，步骤102中所述优先对H2H用户队列中的用户(UE)进行调度的方法包含以下子步骤：

步骤201，构建UE-RB度量矩阵(见图5)和UE-RB效用矩阵(见图6)，计算每个用户在每个RB上的度量值和效用值。

所述用户(UE)为H2H用户队列中的用户，所述RB为当前所有可以动态分配的RB。所述度量值为用户调度优先级，即每个RB分配给每个用户的优先级，度量值的计算方法可以是比例公平算法、M-LWDF算法，而不限于这些算法。所述效用值为当前传输时间间隔(TTI)每个用户在每个RB上能够传输的数据比特的上限值，也就是由信道质量决定的传输块(TB)大小，所述效用值的计算方法为，基站端根据上行链路的信道估计获得每个用户在每个RB上的有效信干燥比(SINR)，根据SINR确定每个用户在每个RB上的调制编码格式(MCS)，然后根据MCS索引获得此效用值的大小，这是本领域普通技术人员容易理解和实现的。

步骤202，从所述UE-RB度量矩阵中选择有最大度量值的UE-RB单元，最大度量值对应的用户为当前用户，初始化当前用户的RB集合，初始化后当前用户的RB集合为空，所述RB集合为用户分配的物理资源块列表。

步骤203，将最大度量值对应的RB分配给当前用户，并加入到当前用户的RB集合，然后将此RB上所有用户的度量值修改为0。最大度量值预示着对所有的RB，当前用户在此RB上有最好的信道质量，能够发送最多的数据。判断当前用户的RB集合所能承载的数据量是否小于当前用户请求发送的数据量，若判断为否，即为当前用户分配的RB可以将当前用户请求发送的数据发送完，则当前用户的资源分配结束；若判断为是，即为当前用户分配的RB不能够将当前用户请求发送的数据发送完，则跳到步骤204继续为当前用户分配资源。

步骤204，以当前用户RB集合中的资源块位置为起点，向前或向后搜索与已分配的RB相连续的，且尚未分配出去的RB，对每个搜索到的RB：

若当前用户相对于其它用户仍然有最大度量值，即在此RB上，当前用户相比其它用户有最高的使用优先级，则将此RB分配给当前用户，加入到当前用户的RB集合中，并将此RB上所有用户的度量值修改为0，然后判断当前用户的RB集合所能承载的数据量是否小于当前用户请求发送的数据量，若判断为否，即为当前用户分配的RB可以将当前用户请求发送的数据发送完，则当前用户的资源分配结束；若判断为是，即为当前用户分配的RB不能够将当前用户请求发送的数据发送完，则跳回步骤204继续为当前用户分配资源。

若在此RB上有另外的用户获得更大的度量值，则当前用户在此方向上的资源分配扩张停止。若前后两个方向上的资源分配扩张都停止，则当前用户的资源分配结束，否则跳回步骤204继续为当前用户分配资源。

在循环执行步骤204后，当前用户的资源分配结束，

若还有剩余的RB未被分配，且H2H用户队列中还有未被调度的用户，转到步骤202继续执行。

若没有剩余的RB，即此前的调度将所有的RB都分配出去了，则此次调度结束。

若还有剩余的RB未被分配，且H2H用户队列中没有未被调度的用户，则开始对M2M用户队列中的用户进行调度。

由于已将实时视频监控等实时性要求较高的M2M业务归入H2H用户队列进行调度，剩余的M2M业务基本都可以看作是小数据业务，且对时延要求都不高，通过对小数据业务特性的分析和大量流量仿真实验，小数据业务的平均长度只有几十比特(包含PDCP/RLC/MAC协议栈各层的包头)，调度时每次只为一个M2M用户分配一个RB就可以满足绝大多数M2M用户业务的传输需求，因此为了快速高效地为M2M用户分配资源，每次调度到一个M2M用户时，只为其分配一个RB。为了防止某个用户因为信道质量或者其它的原因始终得不到调度而造成太大的时延，本发明提出分阶段调度策略，在不同的阶段对M2M用户队列采用不同的调度策略。

如图4所示，所述的分阶段调度策略为，定义一个时间窗口T，时间窗口T为相对传输时间间隔较长的时间，轮询调度阶段在一个时间窗口中持续的时间要远远小于最大效用调度阶段持续的时间，因此可以在避免某些用户始终得不到调度的前提下最大化上行链路的吞吐量。

设定时延门限kT(0＜k＜1)，所述时间窗口T和时延门限kT由M2M业务数据包时延概率密度函数确定，使时延超过时延门限的数据包的概率小于一定值，且时延极限(1+k)T满足绝大多数M2M业务的时延需求。在每个时间窗口T开始时，将M2M用户队列中数据包时延超过时延门限kT的用户加入超时M2M用户队列，然后对其进行轮询调度，直到超过时延门限的所有数据包被发送完，此阶段定义为轮询调度阶段；继而进行最大效用调度，直到下一个时间窗口到达，此阶段定义为最大效用调度阶段。

如图3所示：步骤103中对M2M用户队列中的用户(UE)进行分阶段调度的具体方法和步骤为：判断当前TTI所在的调度阶段，如果是轮询调度阶段，转到步骤301执行；如果是最大效用调度阶段，转到步骤302(图3中省略)执行。

步骤301，在每个时间窗口T开始时，建立超时M2M用户队列，对超时M2M用户队列中的用户进行轮询调度，直到超时M2M用户队列中所有用户的数据包都被发送出去，轮询调度阶段结束，如果本次调度还有剩余的RB，则跳到步骤302执行最大效用调度。

所述超时M2M用户队列为：在每个时间窗口T的开始处，遍历M2M用户队列，将数据包延时超过时延门限kT的用户加入到超时M2M用户队列。

所述的轮询调度为：按顺序为超时M2M用户队列中的每个用户分配信道质量最好的RB，所述RB为H2H用户队列调度结束后剩余的可动态分配的RB。

步骤302，如图6所示，构建UE-RB度量矩阵，计算每个用户在每个RB上的度量值，然后转到步骤303执行最大效用调度。

所述用户(UE)为M2M用户队列中的用户，所述RB为当前所有可以动态分配的RB，也就是H2H用户队列调度结束后剩余的RB。所述度量值为当前传输时间间隔(TTI)，每个用户在每个RB上能够传输的数据比特的上限值，也就是由信道质量决定的传输块(TB)大小，所述度量值的计算方法为，基站端根据上行链路的信道估计获得每个用户在每个RB上的有效信干燥比(SINR)，根据SINR确定每个用户在每个RB上的调制编码格式(MCS)，然后根据MCS索引获得此度量值的大小，这是本领域普通技术人员容易理解的。

步骤303，对每个RB，选择能够利用它传输最多数据比特的用户，并将它分配给该用户，且一个M2M用户每次调度只分配一个RB，直到所有剩余的RB都分配完或者M2M用户队列中的所有用户都已被调度。这样每个RB都能够得到最大效率的利用，因此可以提高系统的总吞吐量。所述选择方法可以根据已建立的UE-RB度量矩阵通过矩阵运算快速得到，这是本领域普通技术人员容易理解的。

如果所有剩余的RB都分配完，则本次调度时刻的调度任务结束；如果在M2M用户队列中的所有用户都已被调度后仍然有剩余的RB，则将这些剩余的RB分配给仍然有数据等待发送的用户。

所述将剩余的RB分配给仍然有数据等待发送的用户的方法为：

步骤401，从仍然有数据等待发送的用户中选取一个作为当前用户。所述选择方法可以是根据UE-RB度量矩阵中的调度优先级顺序选择，也可以是根据等待发送的数据量多少选择，而不限于这些种方法。

步骤402(图3中此步功能包含在401步中)，根据当前用户RB集合中已分配的资源块位置，向前后相邻的RB扩张，当满足条件：

a)此RB与当前用户RB集合中的RB相邻；

b)此RB尚未分配给任何用户。

将此RB分配给当前用户，并加入到当前用户的RB集合，然后将此RB上所有用户的度量值修改为0。判断当前用户的RB集合所能承载的数据量是否小于当前用户请求发送的数据量，若判断为否，即为当前用户分配的RB可以将当前用户请求发送的数据发送完，则当前用户的资源分配结束，跳到步骤401继续；若判断为是，即为当前用户分配的RB不能够将当前用户请求发送的数据发送完，则跳到步骤402继续为当前用户扩张资源，直到与当前用户RB集合中的RB相邻的RB都已经被分配出去，然后跳回步骤401选择一个新的用户为其扩张资源，直到所有的RB全部分配出去，或者所有用的数据包都被发送完。至此，本调度时刻的所有调度任务结束。

Claims (5)

1.一种LTE上行链路无线资源调度方法，包括以下步骤：

101步，在每个调度时刻，基站调度器遍历所有已建立连接的用户，将有上行数据发送请求的用户归入不同的用户队列，所述用户队列为H2H用户队列和M2M用户队列；所述的H2H用户队列，是传统的人与人通信用户和业务实时性要求较高的机器用户，所述的M2M用户队列，是除去业务实时性要求较高的机器用户外的所有M2M用户；

102步，基站调度器首先对H2H用户队列中的用户进行调度，以确保H2H通信的优先级，优先保障H2H用户通信的服务质量；

103步，在对H2H用户队列调度完成后，仍然有剩余资源时再对M2M用户队列中的用户进行调度，以合理利用LTE上行链路无线资源，提高LTE上行链路的传输性能；其特征在于，

所述的对H2H用户队列中的用户进行调度，包括以下子步骤：

201步，构建用户-资源块度量矩阵，计算每个资源块分配给每个用户的优先级；

202步，从所述用户-资源块度量矩阵中选择有最大度量值的单元，此单元对应的用户为当前用户，将所述最大度量值对应的资源块分配给当前用户，判断当前用户分配的资源块是否能承载用户请求发送的数据量，如果能，则当前用户的资源分配结束；

203步，如果不能，以当前用户资源块集合中的资源块位置为起点，向前或向后搜索与已分配的资源块相连续的，且尚未分配出去的资源块，对每个搜索到的资源块，只有当前用户相对于其它用户仍然有最大度量值，才将此资源块分配给当前用户。如此反复搜索，直到为当前用户分配的资源块能够承载用户请求发送的数据量，或者没有满足要求的资源块；

204步，当前用户资源分配结束后，跳回202步调度一个新的用户为其分配资源，直到H2H用户队列中的用户被调度完或者资源块被分配完；

所述的再对M2M用户队列中的用户进行调度，方法为分阶段调度方法；所述分阶段调度方法为：定义一个时间窗口T，设定时延门限kT，其中0<k<1，在每个时间窗口T开始时，将M2M用户队列中数据包时延超过时延门限kT的用户加入超时机器用户队列，并对超时机器用户队列中的用户进行轮询调度，直到超过时延门限的所有数据包被发送完，此阶段定义为轮询调度阶段；继而进行最大效用调度，直到下一个时间窗口到达，此阶段定义为最大效用调度阶段。

2.根据权利要求1所述的LTE上行链路无线资源调度方法，其特征是，所述的轮询调度阶段，其调度方法为：按顺序为超时机器用户队列中的每个用户分配信道质量最好的资源块，直到超时机器用户队列中所有用户的数据包都被发送出去，轮询调度阶段结束。

3.根据权利要求1所述的LTE上行链路无线资源调度方法，其特征是，所述的最大效用调度阶段，其调度方法为：对剩余的每个资源块，选择能够利用它传输最多数据比特的用户，并将它分配给该用户，且一个机器用户每次调度只分配一个资源块，直到所有剩余的资源块都分配完或者M2M用户队列中的所有用户都已被调度。

4.根据权利要求1所述的LTE上行链路无线资源调度方法，其特征是，在完成对H2H用户队列和M2M用户队列的调度后，将剩余的资源块分配给仍然有数据等待发送的用户。

5.根据权利要求4所述的LTE上行链路无线资源调度方法，其特征是，所述的将剩余的资源块分配给仍然有数据等待发送的用户，具体方法为：

401步，从仍然有数据等待发送的用户中选择一个作为当前用户，所述选择当前用户的方法，是根据每个用户在每个资源块上的调度优先级顺序选择，或根据每个用户等待发送的数据量多少选择；

402步，根据当前用户资源块集合中已分配的资源块位置，向前后相邻的资源块扩张，如果相邻的资源块尚未分配给任何用户，则将此资源块分配给当前用户，判断当前用户的资源块集合所能承载的数据量是否小于当前用户请求发送的数据量；若判断为否，则当前用户的资源分配结束，跳到401步选择一个新的当前用户继续分配资源；若判断为是，则跳到402步继续为当前用户扩张资源，直到与当前用户资源块集合中的资源块相邻的资源块都已经被分配出去，然后跳回401步选择一个新的当前用户为其扩张资源，直到所有的资源块都被分配完，或者所有用户的数据都被发送完。

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