CN102548009B - 有限长度队列业务的无线资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限长度队列业务的无线资源调度方法，该方法包括：计算无线信道传输系统的由用户数据包组成的包队列中每个用户数据包的时间信息；根据每个用户数据包的时间信息以及每个用户数据包对应用户设备的信道状况，分别计算每个用户数据包的调度优先级因子；根据计算得到的用户数据包的调度优先级因子的大小顺序，选取优先级别最高的用户数据包进行调度。通过本发明，能够充分利用无线信道资源。

Description

有限长度队列业务的无线资源调度方法

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种有限长度队列业务的无线资源调度方法。

背景技术

在数据传输系统中，一类典型的传输方式是包传输，即用户数据以数据包形式到达系统并存储在队列中，系统调用传输资源处理传输数据给各个用户。针对有限长度队列的业务，目前已有很多的资源调度方法被研究和采用。具体到无线信道传输系统可以分为两类：按照用户队列状态进行调度的方法和按照用户信道状态进行调度的方法。

图1是一个有限长度队列的无线传输系统的示意图，其调度周期为时间帧，即每个固定的时间片段为一帧，在每一帧，系统根据调度方法分配信道资源给一个用户包用来传输数据。对于有限长度队列业务，其系统性能的评估指标主要是各个用户包的处理时间，即从每个包到达系统到其被传送完成的时间长度。为了评估针对有限长度队列业务的调度方法的性能，以用户包的平均处理时延(Average User Delay，简称为AUD)作为参考指标。

典型的按照用户队列状态进行调度的调度方法包括：先到达先服务(FirstCome First Serve，简称为FCFS)、后到达先服务(Last Come First Serve，简称为LCFS)、轮询服务(Round Robin，简称为RR)等。由于有线网络传输信道较为稳定，所以按照用户队列状态进行的调度方法大多被用于有线网络传输系统。

在按照用户信道状态进行的调度方法中，已被广泛讨论和应用于无线通信系统中的调度方法是最大载干比(Max C/I)和比例公平(ProportionalFairness，简称为PF)，这两种调度方法都是仅考虑用户信道状态而设计的调度方法。

Max C/I调度方法，只根据即时信道数据速率进行调度的方式，每帧选择信道数据速率最大的用户传输，以此来保证整个系统的吞吐量最大。PF调度方法，以优化整体系统的吞吐量，且保证各个用户的公平性的一种调度算法。PF调度算法考虑即时信道数据速率以及用户平均传输速率两个因素，在每一个时隙，系统服务的用户包具有最大的PF因子，PF因子定义为：

$P_i\left(t\right)=\frac{D_i\left(t\right)}{R_i\left(t\right)}---\left(1\right)$

其中，D_i(t)为在第t个帧第i个用户能够从基站接收到的最大数据量，R_i(t)为该用户在第t个帧之前实际已传的平均数据速率。

PF因子同时考虑了系统的整体吞吐量以及用户的公平性，使得系统优先选择信道质量良好、吞吐量大的用户设备服务，同时，当某一信道质量较差的用户持续得不到服务时，其平均数据速率R_i(t)会下降而导致PF因子增大，就更有可能被服务。平均数据速率R_i(t)有不同的计算方法，较为常见的是指数时间平均算法，其定义为：

$R_i(t+1)=(1-\frac{1}{\mathrm{\τ}})R_i\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{\τ}}{x}_i\left(t\right)D_i\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，τ为指数时间窗的长度，通常设为1000帧。x_i(t)为一布尔变量，当t时隙第i个用户被服务时，其为1；否则，为0。在限长度队列系统中，一个用户包到达系统时的平均传输速率显然为0，PF因子即为无穷大。为了保证PF因子的可比较性，将新到达的用户包的Ri(0)置为一个常数，通常设定为小量1bit/s。

PF算法的优化目标是使得系统中各个用户的吞吐量的乘积最大化，换算成对数形式，优化目标可以表示为：

$\max \underset{i}{\mathrm{\Σ}}\ln R_i\left(t\right)---\left(3\right)$

但是，现有技术的用于有限长度队列业务的调度方法，并不能得到较好的系统性能，具有以下缺陷：

(1)按照用户队列状态进行的调度方法，如FCFS、LCFS以及RR等调度方法，并没有考虑各个用户信道状态的差异以及无线信道的时变性，所以不能充分利用无线信道资源。

(2)Max C/I调度方法虽然能使得系统总体吞吐量最大化，但是对于各个用户包不具备公平性，因为信道状态较好的用户总是能被分配到无线传输资源，而信道状态较差的用户总是无法被服务。因此，在有限长度队列系统中，较差信道用户的数据包会长时间逗留在系统中而得不到服务。

(3)PF调度方法在一定程度上解决了Max C/I调度方法对于用户的不公平性。因为其考虑了各个用户包实际传输的平均速率，即使是信道质量较差瞬时传输速率较低的用户，也能被服务到。但是，由于PF调度方法是针对无限长度队列系统设计的，所以如果在有限长度队列中，并不能达到较好的系统性能。并且在流量负荷较大的情况下，甚至会使得积压在队列中的用户包越来越多，即在有限长度队列系统中具有不稳定性，无法保证系统队列的容量上限。

无论是按照用户队列状态进行的调度方法，还是按照用户信道状态进行的调度方法，都只考虑了用户信息的一部分，具有局限性。而且，实际中具体的无线传输系统受无线信道环境以及业务需求不同的影响，固定的调度方式难以适用于各种不同的应用场景。因此，有必要提出改进的技术问题以解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种有限长度队列业务的无线资源调度方法，以解决现有的调度方法不能适用于不同的应用场景的问题，其中：

根据本发明实施例的有限长度队列业务的无线资源调度方法包括：

计算无线信道传输系统的由用户数据包组成的包队列中每个用户数据包的时间信息；根据每个用户数据包的时间信息以及每个用户数据包对应用户设备的信道状况，分别计算每个用户数据包的调度优先级因子；根据计算得到的用户数据包的调度优先级因子的大小顺序，选取优先级别最高的用户数据包进行调度。

其中，在计算包队列中每个用户数据包的时间信息之前，该方法还包括：维护无线信道传输系统的用户数据包的包队列。

其中，维护无线信道传输系统的用户数据包的包队列，包括：将上一帧中完成传输的用户数据包从包队列中删除，并将在上一帧传输过程中新到达的用户数据包加入到包队列中。

其中，时间信息包括：用户数据包的被服务时间和用户数据包的等待时间。

其中，根据每个用户数据包的时间信息以及每个用户数据包对应用户设备的信道状况，分别计算每个用户数据包的调度优先级因子，具体包括：按照公式计算每个用户数据包的调度优先级因子；其中，D_i(t)表示在第t个帧第i个用户能够从基站接收到的最大数据量，R_i(t)表示第t个帧第i个用户在第t个帧之前实际已传的平均数据速率，W_i(t)表示在第t帧第i个用户数据包未被服务等待的累积时间，S_i(t)表示在第t帧第i个用户数据包被服务的累积时间；α和β表示系统参数。

其中，该方法还包括：根据用户数据包的平均用户时延对系统参数α和β进行优化处理。

其中，根据用户数据包的平均用户时延对系统参数α和β进行优化处理，具体包括：在由α和β构成的对应二维空间中随机选取一个起始点；计算起始点及其多个相邻点的平均用户时延，并将其中平均用户时延最小的点作为新的起始点，重新计算新的起始点及其相邻点的平均用户时延，重复该处理过程，直到起始点及其相邻点的平均用户时延相同时停止计算；将平均用户时延相同的起始点的相邻点对应的坐标作为系统参数α和β。

其中，在计算每个用户数据包的调度优先级因子之前，该方法还包括：计算每个用户数据包对应用户设备的信道状况。

其中，计算每个用户数据包对应用户设备的信道状况，具体包括：计算即时信道数据速率、用户平均传输速率。

与现有技术相比，本发明综合考虑考虑信道状况与系统队列时间信息，可以根据具体系统状态灵活调整调度方式，能够适用于不同的应用场景，达到充分利用无线信道资源的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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。在附图中：

图1是现有技术的有限长度队列业务的无线传输系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的有限长度队列业务的无线资源调度方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的在某个参数条件下的系统每帧的调度过程的流程图；

图4是根据本发明实施例的系统参数优化的示意图。

具体实施方式

本发明综合考虑考虑信道状况与系统队列时间信息的调度方式，提出一种适用于有限长度队列业务的无线资源调度方法，能保证系统时频资源的有效利用，并降低用户包传输时间，保证用户公平性，同时具备根据应用系统及场景不同的自适应性。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种有限长度队列业务的无线资源调度方法。

图2是本发明实施例的有限长度队列业务的无线资源调度方法的流程图，如图2所示，该方法包括：

步骤S202，计算无线信道传输系统的由用户数据包组成的包队列中每个用户数据包的时间信息；

步骤S204，根据每个用户数据包的时间信息以及每个用户数据包对应用户设备的信道状况，分别计算每个用户数据包的调度优先级因子；

步骤S206，根据计算得到的用户数据包的调度优先级因子的大小顺序，选取优先级别最高的用户数据包进行调度。

下面详细描述上述各处理的细节。

考虑系统中的包队列状态信息(包括如用户包的到达时间、已被服务的时间和未被服务的等待时间)以及用户包的大小和已经传输的大小等。其中，时间因素被广泛采用，按照用户包的时间信息区分各个用户包被服务的优先级具有多种调度方法，如按照到达时间调度的FCFS以及LCFS等。

根据本发明实施例，考虑采用用户服务时间和等待时间这两个时间信息的调度方案，定义分段线性时间优先级因子(Time Factor，简称为TF)：

P_i(t)＝αW_i(t)+βS_i(t)          (4)

其中，W_i(t)为在第t帧第i个用户包未被服务等待的累积时间，S_i(t)为在第t帧第i个用户包被服务的累积时间。显然，用户包在系统中的总时间为两者之和。α和β为系统参数，不区分各个用户包，即所有用户包的α和β都一样。根据TF中参数α和β的变化，系统的调度方式也会不同。当β＝0时，为RR轮询服务；当β＞α＞0时，调度方式为FCFS；当α＜β＜0时，调度方式为LCFS。

基于系统时间信息的TF调度方法，考虑了各个用户包在系统中的服务和等待时间。对于有限长度队列系统，较之提高系统的吞吐量，缩短各个用户包的传输时间更有意义。PF算法，虽然能有效提高系统的吞吐量，但是没有考虑系统中各个用户的时延性能。本发明综合考虑TF因子与PF因子，同时考虑信道状况与系统队列时间信息的调度方式，根据本发明实施例的无线资源调度方法的其各个用户包的优先级因子(PF-TF因子)为：

$P_i\left(t\right)=\frac{D_i\left(t\right)}{R_i\left(t\right)}\exp [\mathrm{\α}{W}_i\left(t\right)+\mathrm{\β}{S}_i\left(t\right)]---\left(5\right)$

将参数α和β变换形式，可以得到在极坐标下的形式：

$P_i\left(t\right)=\frac{D_i\left(t\right)}{R_i\left(t\right)}\exp \left\{r\right[\sin \mathrm{\θ}{W}_i\left(t\right)+\cos \mathrm{\θ}{S}_i\left(t\right)\left]\right\}---\left(6\right)$

其中， $r=\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2},$ $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}---\left(7\right)$

PF-TF因子中，参数θ决定了系统调度在时间性上更加偏向于哪种时间调度方法。而参数r决定了PF因子以及TF因子两者的权重。将公式(6)进行变形得到：

$\ln P_i\left(t\right)=\ln \frac{D_i\left(t\right)}{R_i\left(t\right)}+r[\sin \mathrm{\θ}{W}_i\left(t\right)+\cos \mathrm{\θ}{S}_i\left(t\right)]---\left(8\right)$

当r＝0时，PF-TF因子的对数为

$\ln P_i\left(t\right)\text{=ln}\frac{D_i\left(t\right)}{R_i\left(t\right)}---\left(9\right)$

此时，系统调度方法即为PF调度方法。

当r→∞时，PF-TF因子的对数为：

lnP_i(t)→r[sinθW_i(t)+cosθS_i(t)]             (10)

此时，系统调度方法即为TF调度方法。

当0＜r＜＜∞时，系统的调度方法即结合了PF调度方法与TF调度方法两者的因素。

由上述参数变化可以看出，PF-TF因子在其参数集内可以灵活变化为不同的调度方法。同时，也包含了FCFS、LCFS、RR、PF等调度方法。

基于PF-TF因子调度的系统，其系统参数仅有α和β(或r和θ)。那么，对于任意一个给定的无线传输系统，即可通过优化设定参数α和β的方式得到使得系统性能最优的参数设定方法。

本发明的调度方法可以分为两个部分，即系统中每个帧时长的调度任务、以及对于调度参数优化的过程，下面分别描述。

图3是根据本发明实施例的在某个参数条件下的系统每帧的调度过程，具体包括：

步骤S302，维护无线信道传输系统的用户数据包的包队列，将上一帧中完成传输的用户数据包从包队列中删除，并将在上一帧传输过程中新到达的用户数据包加入到包队列中。

步骤S304，判断当前的包队列是否为空，若队列不为空，则执行步骤S306；否则本流程结束。

步骤S306，统计包队列中每个用户包的被服务时间和等待时间；统计各用户包对应用户设备的信道状况，计算其在该帧能达到的数据速率；按照公式(6)计算各用户包的调度优先级因子。

步骤S308，比较用户包的优先级，选取优先级最高的用户包，分配该帧的无线资源给其进行数据传输。

步骤S310，进行下一帧调度，重新执行步骤S302。

通过上述的处理过程，对于一个待进行参数优化的系统，其在调度执行一段时间后，就可以统计得到其系统时延性能AUD，根据参数优化算法即可得到该给定系统的优化参数及其对应的调度方法。

对于系统中的调度算法参数α和β以平均用户时延(Average User Delay，AUD)进行局部优化，即对应二维空间内的α和β值寻找能使得用户包平均处理时延最短的点。虽然用遍历参数α和β的某个二维区域，可以得到PF-TF调度系统的局部最优时延性能，但是在实际的系统中这种方法的开销过于庞大。

最速下降法是无约束优化问题中的一种算法，参照其思想，可以得到适用于PF-TF调度系统中的参数优化算法。首先，在α和β的二维空间中取定一个起始点，作为基准点。从其出发，比较和其相邻点的AUD大小，这需要系统使用这些点对应的调度参数工作一段时间以计算AUD。得到相邻点的AUD后，系统参数变为基准点和其相邻点中较小的AUD作对应的α和β值，并将其作为新的起始点。如此循环往复，直至两次起始点相同为止。具体包括如下步骤：

1、设定起始点：A₀＝(α₀，β₀)。

2、计算起始点的相邻点：

N(A₀)＝N(α₀，β₀)＝{(α，β)||α-α₀|≤l，|β-β₀|≤l，(α，β)≠(α₀，β₀)}

其中，l为优化步长。

3、计算起始点及其相邻点的平均系统性能(AUD)：

T(A₀)：起始点的平均系统性能；

T(N(A₀))：起始点相邻点的平均系统性能。

4、比较起始点及其相邻点的平均系统性能，得到最优点：

A_min＝arg min{T(A₀)∪T(N(A₀))}。

5、如果最优点不是起始点A_min≠A₀，则以最优点为起始点A₀＝A_min，返回步骤2；否则，执行步骤6。

6、结束，得到最优点即为A_min，平均系统最优性能为T(A_min)。

下面通过对单小区场景的下行数据传输系统进行仿真，对本发明的具体效果进行了验证。仿真采用的主要系统参数如表1所示。其中，用户的数据包大小以及用户请求到达的时间间隔，均为负指数分布，只需设定其均值参数。

表1

调度方法	配置
		基站间距离	500m
帧长	1ms
		成员载波带宽	5MHz
用户包大小均值	0.5Mbit
		用户包到达的平均时间间隔	500ms
参数优化算法步长	10

以α和β的二维空间的原点(0，0)为起始点，仿真得到传输系统的优化结果，以及具体参数α和β的优化路径，参考图4。图中以灰度值表示对应参数系统的平均用户包处理时间(AUD)，深色代表较长的处理时间，即较差的系统性能，浅色反之。

由原点，即对应PF算法的基准点出发，系统经过11步迭代，优化参数点停在最优点α＝100，β＝40上。优化过程总共计算了12个起始点以及其相邻点的AUD，每步起始点的位置变化如表2所示。

表2

步数	α	β	平均用户包处理时间(S)
				开始	0	0	0.6675
1	10	10	0.6288
				2	20	20	0.6086
3	30	10	0.5992
				4	40	10	0.5967
5	50	0	0.5963
				6	60	10	0.5958
7	70	20	0.5938
				8	80	30	0.5922
9	90	40	0.5847
				10	100	40	0.5788
结束	100	40	0.5788(与第10步相等)

表3是根据本发明的方法与现有技术中的其他调度方法的系统性能进行比较，通过表3可以看出，本发明的系统性能为最优。

表3

调度方法	平均用户包处理时间(S)
		FCFS	0.6173
LCFS	0.6448
		RR	0.6313
PF	0.6675
		Max C/I	0.6892
本发明	0.5788

综上所示，本发明与现有技术相比具有的以下优点：

(1)在有限长度队列业务的无线传输系统中，结合PF调度方法中对于用户包信道状态信息以及TF因子对时间因素的利用方式，设计具有更优系统性能的调度方法。其同时包含了使用FCFS、LCFS、RR、PF调度方法的参数选择。本发明的平均用户处理时间AUD优于FCFS、LCFS、RR、PF、Max C/I等现有随技术的调度方法；

(2)克服了原有调度方法中调度方式不能根据具体系统变化的劣势，引入以给定系统性能最优化为目标的参数优化方式，能更加灵活的适应各种无线传输系统的调度要求。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种有限长度队列业务的无线资源调度方法，其特征在于，包括：

计算无线信道传输系统的由用户数据包组成的包队列中每个用户数据包的时间信息，所述时间信息包括：用户数据包的被服务时间和用户数据包的等待时间；

根据每个用户数据包的时间信息以及每个用户数据包对应用户设备的信道状况，分别计算每个用户数据包的调度优先级因子，具体包括：

按照公式计算每个用户数据包的调度优先级因子；

其中，D_i(t)表示在第t个帧第i个用户能够从基站接收到的最大数据量，R_i(t)表示第t个帧第i个用户在第t个帧之前实际已传的平均数据速率，W_i(t)表示在第t帧第i个用户数据包未被服务等待的累积时间，S_i(t)表示在第t帧第i个用户数据包被服务的累积时间；

α和β表示系统参数；

根据计算得到的用户数据包的调度优先级因子的大小顺序，选取优先级别最高的用户数据包进行调度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算包队列中每个用户数据包的时间信息之前，所述方法还包括：

维护无线信道传输系统的用户数据包的包队列。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述维护无线信道传输系统的用户数据包的包队列，包括：

将上一帧中完成传输的用户数据包从包队列中删除，并将在上一帧传输过程中新到达的用户数据包加入到包队列中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据用户数据包的平均用户时延对系统参数α和β进行优化处理。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据用户数据包的平均用户时延对系统参数α和β进行优化处理，具体包括：

在由α和β构成的对应二维空间中随机选取一个起始点；

计算所述起始点及其多个相邻点的平均用户时延，并将其中平均用户时延最小的点作为新的起始点，重新计算新的起始点及其相邻点的平均用户时延，重复该处理过程，直到起始点及其相邻点的平均用户时延相同时停止计算；

将平均用户时延相同的起始点的相邻点对应的坐标作为系统参数α和β。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算每个用户数据包的调度优先级因子之前，所述方法还包括：

计算每个用户数据包对应用户设备的信道状况。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算每个用户数据包对应用户设备的信道状况，具体包括：

计算即时信道数据速率、用户平均传输速率。