CN102523559B - 一种提高终端能耗效率的多播单播联合资源调度算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE系统多播广播单频网中提高终端能耗效率的多播单播联合资源调度算法。该算法考虑了多播广播单频网(MBSFN)中多播与单播业务混合载波传输场景，并基于LTE系统终端的不连续接收(DRX)休眠机制，通过合理的用户调度机制，减少用户因为休眠‑清醒转换带来的能量消耗。通过上述资源分配算法，能在保证系统性能的前提下，有效的提高终端能量效率。

Description

一种提高终端能耗效率的多播单播联合资源调度算法

技术领域

本发明涉及无线通信系统，尤其涉及LTE系统的多播广播单频网，多播业务与单播业务混合载波传输的场景。

背景技术

3GPP在LTE系统中定义了演进型多播广播技术标准(Evolved MultimediaBroadcast Multicast Serves，E-MBMS)。E-MBMS标准提出以多播广播单频网(Multicastand Broadcast Single Frequency Network，MBSFN)方式在多小区发送多播广播业务。MBSFN传输方式定义了相关区域划分：

MBSFN同步区域(MBSFN Synchronization Area)：指网络中可以采用MBSFN发送MBMS业务的地理区域，在MBSFN同步区域内的所有小区的eNB有能力进行MBSFN同步传输。一个MBSFN同步区域支持一个或多个MBSFN区域。在给定的频率层，一个eNB只能属于一个MBSFN同步区域。

MBSFN区域(MBSFN Area)：一个MBSFN区域由处于同一MBSFN同步区的一组小区组成，这些小区相互协作实现MBSFN传输。在一个MBSFN区域内，除了MBSFN保留小区之外，其他小区的eNB都应支持MBSFN传输并声明其对于MBMS业务的可用性。

MBSFN保留小区(MBSFN Reserved Cell)：在MBSFN区域内但不进行MBSFN同步传输的小区。此类小区可以在有限的功率下进行其他业务的传输。

在MBSFN区域内，多播广播数据被多个小区基站同时同频发送，采用MBSFN方式可以获得无缝切换、宏分集增益、小区整体信噪比等性能的提升。

对于以OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为物理层基础的LTE单频网，采用合理的资源调度机制可以提高系统的吞吐量、频谱效率等性能。传统的资源调度算法一般考虑传输信道的时变性，用户间公平性等因素，而随着多媒体业务的发展，终端的能量消耗成为影响丰富业务开展的一大限制，因此本发明考虑在MBSFN资源调度过程中降低终端能耗的方法。

不连续接收机制(Discontinuous Reception，DRX)是LTE中提出以降低终端能耗的方法。DRX的基本思想是让终端在没有数据传输的情况下，关闭部分无线收发单元进入休眠模式，降低能量开销。在DRX模式下，终端除了接收数据耗能外，在休眠、清醒状态之间的转换也是能量消耗的一大来源。由此可见，DRX模式下的终端能耗与用户的数据传输情况相关。所以在兼顾系统其它方面性能的前提下，合理的安排用户的数据接收，减少其在DRX模式下不必要的休眠到清醒的状态转换，是一种有效的降低终端能耗的调度算法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多播广播单频网场景下的资源调度算法，以解决多播单频网下行传输中如何提高终端的能量效率的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种多播广播单频网场景下的节能资源调度算法(Power-saving Scheduling Algorithm，PSA)，包括：

一个多播广播单频网系统中有M个MBSFN区域，各个MBSFN区域之间可能存在交叉重叠的现象，第i个MBSFN区域内需要接收多播业务的用户数为N_i。每个MBSFN区域内发送不同的MBMS业务数据，单播与多播业务间采用时分复用方式共享系统资源，即在资源调度过程中，单播与多播广播业务占用不同的传输时隙。图2为多播与单播混合传输的时隙结构。每个无线帧开始首先在各MBSFN区域内发送多播业务，多播发送时隙结束后，在各小区内调度用户进行单播业务发送。

其中，在多播业务调度过程中，每个单频网区域的数据发送占用全部频段的子载波，因此资源调度算法只考虑为每个MBSFN区域分配时频资源。从提高系统资源利用率的角度出发，一个时隙资源应该分配给多个MBSFN区域进行数据发送，但相互重叠或相邻的MBSFN区域如果同时发送数据会产生严重的区域间干扰，在资源分配过程中需要根据每个MBSFN区域的地理位置情况，为相邻或重叠的MBSFN区域分配不同的发送时隙。调度算法首先统计各个MBSFN区域的重叠与相邻情况，按非重叠或相邻的原则将MBSFN区域划分为MBSFN区域集合。然后根据各个MBSFN区域的业务热度、综合信道传输能力等因素设定各MBSFN区域集合的调度优先级，在每个时隙上调度优先级最高的MBSFN区域集合。

进一步地，在多播调度时隙结束后，进入单播发送时隙，此时资源调度的对象由MBSFN区域变为需求单播业务的用户。调度算法需要将每个子载波上的时频资源合理分配给各个小区内的单播用户。算法考虑用户在各子载波上的信道状况差异，以及用户间的公平性。并在此基础上，进一步考虑降低终端在DRX运行模式下的能量消耗。对于在多播传输中被调度过，且还需要接收单播数据的用户，提高其调度优先级，以避免这部分用户在接收完多播业务进入休眠之后，为接收单播业务而再次醒来，产生不必要的状态转换能耗。根据上述原则，基于比例公平算法(Proportional Fair，PF)计算每个小区内用户的调度优先级，为优先级最高的用户分配子载波进行单播业务传输。定义多播业务发送时隙结束后的前两个TTI(Transmission Time Interval)为节能加权时隙T_s，其意义为：在T_s时间内，终端不进入休眠状态，连续接收多播、单播数据，和终端先进入休眠状态，然后进行状态转换间隔地接收单播、多播数据相比，前者的能耗更低。在T_s时间内，根据多播资源分配情况，增大被调度过的用户优先级的数量级，使其连续接收数据。T_s的计算方法如下：

P_sw为终端从休眠到清醒状态进行一次转换所消耗的能量。P_a表示终端处于清醒状态单位时间所消耗的能量。在时隙T_s内，为单播用户的调度优先级引入节能加权因子λ_n(t)，对于在前两个多播发送时隙中被调度过的用户，其节能加权因子为100，对于普通用户则节能加权因子为1。节能加权时隙T_s之外，单播用户的调度优先级按正常比例公平算法调度，直至单播调度时隙结束，进入下一个无线帧，重复多播调度时隙。

本发明所提供的一种多播广播单频网场景下的终端节能资源调度算法，。在多播业务调度过程中，考虑了资源利用率与重叠相邻MBSFN区域间干扰问题，将MBSFN区域进行分组规划，然后根据其信道状况、多播业务热度等因素进行时隙资源分配。对于单播用户的调度问题，则基于比例公平(PF)算法进行了改进。采用该算法，能够在保证系统的传输容量和公平性的同时，减少终端在DRX模式下从休眠到清醒的状态转换次数，从而提高终端的能量效率。

附图说明

图1是由19个蜂窝小区组成的MBSFN场景示意图；

图2是本发明中多播单播发送时隙示意图。

图3是本发明中的终端节能资源调度算法流程图。

图4是本发明中的PSA算法与其他两种资源调度算法下终端能量效率的CDF曲线对比图。

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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明中涉及如下概念：

MBSFN区域：采用单频网技术同时同频发送多播业务的区域。一个MBSFN区域内发送一路多播业务。

DRX：不连续接收机制，通过让用户在没有数据接收的时候进入休眠状态，降低终端能耗。

节能加权时隙T_s：在时间T_s内，终端不进入休眠状态连续接收数据，与终端先进入休眠状态，然后进行状态转换间隔地接收数据相比，前者的能耗更低。

节能加权因子：为增大被调度过用户的优先级所引入的数量级因子。

能量效率：用户传输一定的数据量时所消耗的能量。

比例公平算法：一种目前常用的资源调度算法，主要考虑用户的吞吐量与公平性。

本发明的基本思想是：资源调度过程分为两步，第一步是多播业务调度，被调度对象为各个MBSFN区域。首先按照非重叠、相邻的原则将MBSFN区域分组，然后根据各MBSFN区域的信道传输能力，业务热度等因素计算各个MBSFN区域集合的调度优先级，为优先级最高的MBSFN区域集合分配时隙资源进行数据传输。第二步是单播用户调度，在多播调度结束后的节能加权时隙内，增大已经被调度过的用户优先级，避免其先进入休眠状态，之后为接收单播数据而醒来，从而产生DRX模式下的状态转换能耗。

下面对本发明的技术方案进一步详细阐述。

本发明提供一种多播广播单频网场景下的终端节能资源调度算法，包括：

步骤一：新无线帧开始，根据每个MBSFN区域(总个数为M)的地理位置生成情况，建立矩阵O_M×M表示各个区域的相邻、重叠情况。如果区域i和区域j是重叠或者相邻的，O_ij＝1。否则O_ij＝0；

步骤二：建立未划入任何分组的MBSFN区域集合S₀，S₀初始化为：S₀＝{1，2，3...M}；

步骤三：定义s是S₀内MBSFN区域的最小序号(也称为起始序号)。建立MBSFN集合S_p＝{s}。查看MBSFN重叠相邻指示矩阵O_M×M的第s行的元素；

如果O_sg(g＞s)的值为1，则表示MBSFN区域s和区域g之间有重叠或相邻情况，不能划分到同一个MBSFN区域组，跳过O_sg，继续查看O_s，g+1；

如果O_sg＝0。则表示MBSFN区域g和区域集合s包含的所有MBSFN区域之间没有重叠或相邻情况，将区域g划入S_p，令S_p＝S_p∪{g}，S₀＝S₀-{g}；

步骤四：从区域g往后，查看第k列的元素值，计算的值，如果该值为0，则表示区域k与区域集合S_p中包含的MBSFN区域没有重叠或相邻，将区域k划入S_p，令S_p＝S_p∪{k}，S₀＝S₀-{k}；

步骤五：重复步骤四，直到第M列(最后一列)的元素查看完毕。保存S_p，作为待调度MBSFN区域组。令p＝p+1，返回步骤三，直到S₀＝φ。至此，MBSFN区域的调度分组划分完成

步骤六：MBSFN分组划分完成后，计算当前时隙每个MBSFN区域组的优先级，集合S_p在时刻t的调度优先级为：

其中，i代表属于集合S_p的MBSFN区域。N_i(t)是MBSFN区域i中包含的MBMS用户数量。R_i(t)是MBSFN区域i内按信干噪比最差用户的调制编码方式下所能达到的传输速率。θ_p(t)是MBSFN区域组p的调度指示因子，用于指示该区域组是否被调度过。θ_p(t)更新规则如下：

所有MBSFN区域组都被调度后，所有MBSFN区域组的θ_p(t)重置为1；

步骤七：进入下一个调度时隙，判断当前时隙为多播发送时隙还是单播发送时隙，如果为多播发送时隙，则返回步骤六，如果为单播发送时隙，则进行步骤八；

步骤八：判断当前时隙是否为节能加权时隙，

如果当前时刻是节能加权时隙，则单播用户n在时刻t、资源块l上的调度优先级为：

如果当前时刻不是节能加权时隙，则单播用户n在时刻t、资源块l上的调度优先级为：

其中，λ_n(t)为节能加权因子，如果用户n在前两个TTI中被调度过，则λ_n(t)＝1。如果用户n在前两个TTI中未被调度过，则λ_n(t)＝100。R_n(t，l)为用户n在时刻t、资源块l上能达到的传输数据量。T_n(t)是用户n到t时刻为止的平均吞吐量。α是公平性因子，用于调节公平性在调度算法中的权重，取默认值1。T_n(t)在每个TTI按以下规则更新：

如果用户n在当前TTI被调度，则计算该用户的平均吞吐量时，需要考虑当前时隙所产生的数据量：

如果用户n在当前TTI未被调度，则用户在整个时隙上的总吞吐量不变，平均吞吐量为：

式中的U_n表示时刻t的用户吞吐量。t_c是更新时间窗大小，一般需要满足信道的快衰落变化，默认取100；

步骤九：判断当前无线帧是否结束，如果结束，返回步骤一，否则进入下一个TTI返回步骤八，进行资源调度。

本发明给出了一种多播广播单频网场景下的终端节能资源调度算法，通过将资源调度过程分为多播调度和单播调度两类，并分别采取不同的调度策略，降低了终端的能量消耗，同时兼顾了用户公平性和吞吐量性能。

下面通过具体实施例进一步说明本发明。

在LTE系统下行MBSFN场景中，采用的多址方式是OFDMA(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access，正交频分复用接入)，单播业务与多播业务以时分方式复用载波资源。如附图1所示，系统中有19个蜂窝小区，构成7个MBSFN区域，其中部分区域有相互重叠情况。MBSFN区域中的小区基站间具有同步同频发送多播业务的能力。系统的无线帧结构如附图2所示，每个无线帧(10TTI)开始，首先更新相关信息，如MBSFN区域信息，用户业务需求等，然后发送多播与单播业务，两种业务所占时隙比例均为50％。

假设在图1所示的MBSFN场景下，图3为本发明的节能调度算法的实施流程示意图，所述流程包括：

步骤301，新无线帧开始，根据每个MBSFN区域(总个数为7)的地理位置生成情况，建立矩阵O_M×M(M＝7)表示各个区域的相邻、重叠情况。如果区域i和区域j是重叠或者相邻的，O_ij＝1。否则O_ij＝0；

步骤302：建立未划入任何分组的MBSFN区域集合S₀，S₀初始化为：S₀＝{1，2，3...M}；

步骤303：定义s是S₀内MBSFN区域的最小序号(也称为起始序号)。建立MBSFN集合S_p＝{s}。查看MBSFN重叠相邻指示矩阵O_M×M的第s行的元素；

如果O_sg(g＞s)的值为1，则表示MBSFN区域s和区域g之间有重叠或相邻情况，不能划分到同一个MBSFN区域组，跳过O_sg，继续查看O_s，g+1；

如果O_sg＝0。则表示MBSFN区域g和区域集合s包含的所有MBSFN区域之间没有重叠或相邻情况，将区域g划入S_p，令S_p＝S_p∪{g}，S₀＝S₀-{g}；

步骤304：从区域g往后，查看第k列的元素值，计算的值，如果该值为0，则表示区域k与区域集合S_p中包含的MBSFN区域没有重叠或相邻，将区域k划入S_p，令S_p＝S_p∪{k}，S₀＝S₀-{k}；

步骤305：重复步骤204，直到第M列(最后一列)的元素查看完毕。保存S_p，作为待调度MBSFN区域组。令p＝p+1，返回步骤三，直到S₀＝φ。至此，MBSFN区域的调度分组划分完成

步骤306：MBSFN分组划分完成后，计算当前时隙每个MBSFN区域组的优先级，集合S_p在时刻t的调度优先级为：

其中，i代表属于集合S_p的MBSFN区域。N_i(t)是MBSFN区域t中包含的MBMS用户数量。R_i(t)是MBSFN区域i内按信干噪比最差用户的调制编码方式下所能达到的传输速率。θ_p(t)是MBSFN区域组p的调度指示因子，用于指示该区域组是否被调度过。θ_p(t)更新规则如下：

所有MBSFN区域组都被调度后，所有MBSFN区域组的θ_p(t)重置为1；

步骤307：进入下一个调度时隙，判断当前时隙为多播发送时隙还是单播发送时隙，如果为多播发送时隙，则返回步骤六，如果为单播发送时隙，则进行步骤308；

步骤308：判断当前时隙是否为节能加权时隙，

如果当前时刻是节能加权时隙，则单播用户n在时刻t、资源块l上的调度优先级为：

如果当前时刻不是节能加权时隙，则单播用户n在时刻t、资源块l上的调度优先级为：

λ_n(t)为节能加权因子，如果用户n在前两个TTI中被调度过，则λ_n(t)＝1。如果用户n在前两个TTI中未被调度过，则λ_n(t)＝100。R_n(t，l)为用户n在时刻t、资源块l上能达到的传输数据量。T_n(t)是用户n到t时刻为止的平均吞吐量。α是公平性因子，用于调节公平性在调度算法中的权重，取默认值1。T_n(t)在每个TTI按以下规则更新：

如果用户n在当前TTI被调度，则计算该用户的平均吞吐量时，需要考虑当前时隙所产生的数据量：

如果用户n在当前TTI未被调度，则用户在整个时隙上的总吞吐量不变，平均吞吐量为：

式中的U_n表示时刻t的用户吞吐量。t_c是更新时间窗大小，一般需要满足信道的快衰落变化，默认取100；

步骤309：判断当前无线帧是否结束，如果结束，返回步骤301，否则进入下一个TTI返回步骤308，进行资源调度。

如附图4所示，本发明的实施例采用的节能调度算法与其他两种对比算法相比，终端能量效率有明显的提高。两种对比调度算法分别是：

(1)多播调度方案相对于PSA不变，单播调度采用传统PF算法，简称为PF。

(2)多播调度算法采用均匀调度(Equally Scheduling，ES)，单播调度时隙采用PF算法，简称为PF+ES。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

Claims (5)

1.一种提高终端能耗效率的多播单播联合资源调度算法，其特征在于，包括：

一个多播广播单频网系统中，有M个MBSFN区域组成，各MBSFN区域间可能有相互重叠情况；系统中多播业务采用MBSFN方式在各区域内同时同频发送，单播业务与多播业务采用时分方式复用资源；

将一个无线帧内的资源调度过程分为多播业务调度与单播用户调度；在多播业务调度过程中，每个单频网区域的数据发送占用全部频段的子载波，资源调度算法只考虑为每个MBSFN区域分配时频资源；从提高系统资源利用率的角度出发，一个时隙资源分配给多个MBSFN区域进行数据发送，考虑相互重叠或相邻的MBSFN区域如果同时发送数据会产生严重的区域间干扰，资源调度算法为相邻或重叠的MBSFN区域分配不同的发送时隙；在每个无线帧起始时隙，调度算法首先统计各个MBSFN区域的地理位置情况，按非重叠且相邻的原则将MBSFN区域划分为MBSFN区域集合；然后根据各个MBSFN区域的业务热度、综合信道传输能力因素设定各MBSFN区域集合的调度优先级，在每个时隙上调度优先级最高的MBSFN区域集合；

单播调度时隙中，资源调度的对象为有单播业务需求的用户；调度算法将每个子载波上的时频资源合理分配给各个小区内的单播用户；算法考虑用户在各子载波上的信道状况差异，以及用户间的公平性；并在此基础上，进一步考虑降低终端在不连续接收(Discontinuous Reception，DRX)运行模式下的能量消耗；在节能加权时隙内，对于在多播传输中被调度过，且还需要接收单播数据的用户，通过提高其优先级优先分配资源，以避免这部分用户在接收完多播业务进入休眠之后，为接收单播业务而再次醒来，产生不必要的状态转换能耗；在节能加权时隙外，采用比例公平调度。

2.如权利要求1所述的算法，其特征在于：

所述多播调度过程中，首先考虑相邻或重叠的MBSFN区域间的干扰问题，为其分配不同的传输时隙；

其中，根据如下方式得到MBSFN区域分组：

步骤一：新无线帧开始，根据每个MBSFN区域，总个数为M，的地理位置生成情况，建立矩阵O_M×M表示各个区域的相邻、重叠情况，如果区域i和区域j是重叠或者相邻的，O_ij＝1；否则O_ij＝0；

步骤二：建立未划入任何分组的MBSFN区域集合S₀，S₀初始化为：S₀＝{1，2，3...M}；

步骤三：定义s是S₀内MBSFN区域的最小序号，也称为起始序号，建立MBSFN集合S_p＝{s}，查看MBSFN重叠相邻指示矩阵O_M×M的第s行的元素，

如果O_sg(g＞s)的值为1，则表示MBSFN区域s和区域g之间有重叠或相邻情况，不能划分到同一个MBSFN区域组，跳过O_sg，继续查看O_s，g+1，

如果O_sg＝0，则表示MBSFN区域g和区域集合s包含的所有MBSFN区域之间没有重叠或相邻情况，将区域g划入S_p，令S_p＝S_p∪{g}，S₀＝S₀-{g}；

步骤四：从区域g往后，查看第k列的元素值，计算的值，如果该值为0，则表示区域k与区域集合S_p中包含的MBSFN区域没有重叠或相邻，将区域k划入S_p，令S_p＝S_p∪{k}，S₀＝S₀-{k}；

步骤五：重复步骤四，直到第M列，即最后一列的元素查看完毕，保存S_p，作为待调度MBSFN区域组，令p＝p+1，返回步骤三，直到S₀＝φ，至此，MBSFN区域的调度分组划分完成，接下来以MBSFN区域组为单位进行多播资源分配。

3.如权利要求1所述的算法，其特征在于，得到MBSFN区域的分组结果之后，根据如下方式计算各个MBSFN区域集合的调度优先级：

MBSFN区域集合S_p在时刻t的调度优先级为：

其中，i代表属于集合S_p的MBSFN区域，N_i(t)是MBSFN区域i中包含的MBMS用户数量，R_i(t)是MBSFN区域i内按信干噪比最差用户的调制编码方式下所能达到的传输速率，θ_p(t)是MBSFN区域组p的调度指示因子，用于指示该区域组是否被调度过，θ_p(t)更新规则如下：

当所有MBSFN区域组都被调度后，所有MBSFN区域组的θ_p(t)重置为1。

4.如权利要求1所述的算法，其特征在于，按如下方法定义和计算节能加权时隙T_s：

节能加权时隙T_s的意义为：对于已经被调度接收过多播业务的用户，在T_s时间内，终端不进入休眠状态，连续接收多播、单播数据，和终端先进入休眠状态，然后进行状态转换间隔地接收多播、单播数据相比，前者的能耗更低； 在T_s时间内，应根据多播资源分配情况，增大被调度过的用户优先级的数量级，使其连续接收数据，T_s的计算方法如下：

其中，P_sw为终端从休眠到清醒状态进行一次转换所消耗的能量，P_a表示终端处于清醒状态单位时间所消耗的能量。

5.如权利要求1所述的算法，其特征在于，在单播调度过程中，如果当前时隙是节能加权时隙，则单播用户的调度优先级计算方法为：

单播用户n在时刻t、资源块l上的调度优先级：

其中，λ_n(t)为节能加权因子，如果用户n在前两个TTI中被调度过，则λ_n(t)＝1，如果用户n在前两个TTI中未被调度过，则λ_n(t)＝100，R_n(t，l)为用户n在时刻t、资源块l上能达到的传输数据量，T_n(t)是用户n到t时刻为止的平均吞吐量，α是公平性因子，用于调节公平性在调度算法中的权重，取默认值1，T_n(t)在每个TTI按以下规则更新：

如果用户n在当前TTI被调度，则计算该用户的平均吞吐量时，需要考虑当前时隙所产生的数据量：

如果用户n在当前TTI未被调度，则用户在整个时隙上的总吞吐量不变，平均吞吐量为：

式中的U_n表示时刻t的用户吞吐量，t_c是更新时间窗大小，需要满足信道的快衰落变化，默认取100。