CN104202826A - 一种基于QoE的CoMP多用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于QoE(用户体验质量)的CoMP(协作多点传输)多用户调度方法，分为用户分组，用户优先级的确定和用户调度三个阶段。用户分组按照用户到其所在小区基站的大尺度信道响应将用户分为若干组。用户优先级的确定可以分为三个步骤:首先根据用户对业务的主观意愿确定用户的主观QoE优先级，再确定用户的客观QoE优先级，综合主观QoE和客观QoE确定用户最终的优先级。最后根据用户分组和优先级对用户进行调度。本发明旨在保证小区吞吐率及高QoE用户优先被调度的情况下，通过合理的调度用户来大大提高用户的容量。

Description

一种基于QoE的CoMP多用户调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及CoMP(Coordinated Multiple Pointtransmission/reception)的多用户调度方法。

背景技术

在蜂窝通信系统中，为了充分利用无线频谱资源，采用复用因子1。但这在提高频谱效率的同时，带来了相邻小区间的干扰，特别是对位于小区边缘用户的干扰非常严重。因此，在LTE-A(Long Term Evolution Advanced)中引入协作多点传输(CoMP)关键技术。CoMP通过几个相邻小区的协作同时为多个用户提供服务，它能够利用多个基站，多个天线，多个用户等资源，把小区间的干扰信号变为有用信号，大大提高整个系统性能。

在协作多点传输中，由于无线资源是非常有限的，而在同一时刻待调度的用户数可能是众多的。因此，调度哪些用户是很关键的，它直接决定着系统性能。协作多用户调度是指选择每个资源块上服务的多个用户，这个资源块可以是频域资源、时域资源和空域资源，然后确定各用户的服务次序。基于穷举搜索的调度算法以系统和容量最大为准则，对协作簇中的所有用户进行指定用户数配对，然后选择出和容量最大的用户配对进行下行传输。此算法可以获得最优的系统容量，但是当用户数较多时，复杂度非常高。独立小区多用户调度算法是指协作簇的每个小区对本小区的用户根据比例公平调度的准则独立调度一个用户，然后将每个小区调度的用户进行配对然后下行传输，此算法复杂度比较小，但是系统容量也比较小。基于空间信道相关性的多用户调度算法属于独立小区调度的范畴，它的主要思想是：基站首先根据所有用户反馈的信道状态信息计算各用户的比例公平优先级并排序。选择优先级最高的用户作为主用户，然后随机选择一个小区，选择其权重因子最大的用户作为第二个用户，权重因子是由信道相关性和比例公平因子计算得到的。以此类推，直到达到最大的调度用户数。此算法由于考虑了用户间的相关性，相比于独立小区调度算法，性能上有一定的提升。但是在选择小区时是随机的，所以选择的第二个用户是不确定的，导致最终的整个用户对不一定是性能最好的。

上述调度算法要么片面注重系统吞吐量的提升，忽视了用户间的公平性；要么考虑了用户间的公平性，却只能提供单一的服务，不能满足用户对不同业务的需求。因此，有文献提出了基于QoS(服务质量)的多用户调度，它是为了保证用户不同的通信需求得到满足。有些文献也提出了基于不同用户QoS的用户调度策略QBUS，其根据用户的QoS确定用户的调度优先级，并且对用户信道进行等级划分，既避免了资源浪费，又保证了用户的传输速率，同时满足空域满复用传输，充分利用了协作多点传输提供的空间自由度。此算法可以以较少的系统吞吐率损失为代价，大大提高系统的用户容量。但是，在现实应用中，用户对通信系统的需求不是仅仅以QoS为标准的，系统为用户提供的服务质量高，用户并不一定满意。因为用户对业务的满意程度还受用户的主观感受影响，比如，用户的行为习惯、服务价格、用户的期望及体验经历等，还要受环境的影响。所以，此算法没有考虑用户的主观意愿。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于基于QoE(用户体验质量)的CoMP(协作多点传输)多用户调度方法，主要针对以往对用户调度的研究都是从网络层面来研究的，并没有考虑用户层面或者用户的主观意愿。从而不能很好地体现用户对业务的满意程度。本发明综合考虑用户主观QoE和客观QoE，能更好的体现出用户对业务的满意程度，在系统吞吐量下降很小的情况下，大大提高系统的用户容量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于QoE的CoMP多用户调度方法，包括如下步骤：

步骤1，统计用户到其所在小区基站的大尺度信道响应并按降序排列，并把信道响应分为n个等级。

步骤2，确定用户的优先级：

(1)用户主观QoE优先级：不仅考虑了用户对当前业务的满意程度，还考虑了相同协作簇里，用户的业务体验经历。用户对业务的满意程度的量化标准用国际电信联盟(ITU)提出的平均估计分值(Mean Opinion Score,MOS)。

(2)用户客观QoE优先级：考虑了三种指标，即用户速率，时延及丢包率。考虑一般通用业务，从QoS映射到QoE，得到一个用户客观QoE的函数。

(3)结合用户主观QoE优先级和用户客观QoE优先级，以一定的加权因子相加得到每个用户的优先级。

步骤3，根据用户分组和优先级选择用户进行调度。用户分组采用“强弱组合”，根据用户的大信道尺度响应将用户信道条件按降序分为N_l个等级，等级越高的用户和相邻小区等级越低的用户组合能大大提高等级越低的用户的平均接收信噪比。将这样的用户尽量分为一组。

在上述技术方案中，步骤2的具体过程如下：

用户主观QoE优先级：协作通信系统接入蜂窝网络后，用户按照业务服务水平根据主观意愿选择MOS分值并将结果反馈给小区基站，基站根据MOS分值计算主观QoE优先级。优先级的计算如下：

f_i1＝MOS_i-ε    (1)

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{{\mathrm{MOS}}_i}---\left(2\right)$

${\mathrm{MOS}}_i={({\mathrm{MOS}}_{i\_n}*\mathrm{\μ})}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{p}\underset{p=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{MOS}}_{i\_p}---\left(4\right)$

其中，MOS_i是用户i总的MOS值，它不仅和用户对当前业务的主观评价有关，还和用户在相同的协作簇里对业务的体验经历μ有关，MOS_{i_p}是用户i的第p次的业务体验。ε是惩罚因子，因为每个用户都有利己性，用户可能会虚报MOS值，防止这样的恶性循环，采用惩罚机制。对高优先级的业务惩罚小，低优先级的业务惩罚大。

用户客观QoE优先级：用户客观QoE优先级的确定用如下公式：

$f_{i2}=\mathrm{\η}*\frac{F\left(R_{\mathrm{ri}}\right)}{\left(R_{\mathrm{ci}}\right)}*e^{-l}---\left(5\right)$

F(R_r)＝0.16+0.8ln(R_r-0.3)    (6)

$R_r=\frac{\stackrel{\‾}{R_r}*\mathrm{\τ}{-I}_t}{\mathrm{\τ}-t}---\left(7\right)$

其中，η是效用因子，是一个常数。τ是基站排队最大允许时延，I_t是在时间t里的信息量。l为丢包率。R_ri是用户i的需求速率。F(R_r)是用户某实时需求的传输速率为R_r时的用户满意度函数。

丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率，因为丢包率越大，用户的满意度越低，丢包率越小，用户的满意度越高。因此，这里采用对于丢包率的满意度函数为e^-l。

总优先级具体计算如下：根据步骤1)和步骤2)，可得用户i的总优先级可以表示为：

f_i＝αf_i1+(1-α)f_i2    (8)

其中，α为一个不大于1的常数。

以上步骤3的具体方法如下：选择优先级最高的用户并获得它的信道等级k，在相邻小区中寻找信道等级为n-k且优先级最高的用户进行配对；然后根据相同的方法找到此小区中优先级最高的用户在未搜索的小区中的配对用户；如果所有小区都遍历过，则根据相同的方法找到此小区中优先级最高的用户在其相邻小区中的配对用户；以此类推，直到用户数达到N_b*N_t时结束，N_b为基站数，N_t为基站的天线数；最后协作基站对选出的N_b*N_t个用户所要传输的信息进行预编码及联合下行传输。

本方法从用户的体验质量出发。在主观QoE中，不仅考虑了用户当前的体验质量，还考虑了在同样协作集里，用户前几次的体验质量对用户当前体验质量的影响。在客观QoE中，主要考虑三个指标，即时延，丢包率和用户速率。然后结合主观QoE和客观QoE，得到一个用户调度的优先级函数。在CoMP协作集里，结合用户的大尺度信道响应等级，调度优先级高的若干个用户。

本发明综合考虑了用户主观QoE和客观QoE，能更好的体现出用户对业务体验的满意程度，旨在保证小区吞吐率及高QoE用户优先被调度的情况下，通过合理调度用户来大大提高系统用户的容量。

本发明操作简单复杂度较低，可以应用于CoMP系统的用户调度或资源分配中，以进一步提高用户容量。

附图说明

表1是本发明采用的用户主观QoE优先级评价表；

图1是本发明所用的三小区蜂窝模型图；

图2是本发明的用户的调度流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合具体实施例以及附图对本发明提出的基于QoE的CoMP多用户调度方法进一步予以阐述，以便使本发明的精神，技术特征及有益效果更易于了解。

如图1所示，为本发明的CoMP用户调度模型。本实施例以三小区协作为例。假设每个小区的基站位于其中心区域，每个基站有N_t根发射天线，N_c个子载波服务K个用户，每个用户是单根天线。为了获得更高的空间自由度，采用空域满复用。因此，在第c个子载波上，协作簇同时可服务的用户数最大为N_b*N_t，本例中N_b＝3，所以可同时服务的最大用户数为3*N_t。具体的用户调度过程如下：

(1)基站获得小区用户与其所在小区基站之间的大尺度信道响应和平均传输速率及最大允许时延，把大尺度信道响应按降序进行排列，并假设把这些大尺度信道响应分为n个等级。

(2)计算用户的优先级。用户根据对业务的主观意愿向基站反馈MOS值，MOS值如表1：

表1：用户主观QoE优先级评价表

MOS分值	用户体验质量	业务损害程度
			5	优秀	无察觉
4	良好	有察觉但不讨厌
			3	中等	轻微讨厌
2	较差	讨厌
			1	极差	很讨厌不能接受

基站根据f_i1＝MOS_i-ε计算用户的主观QoE优先级，再根据计算用户的客观QoE优先级，最后根据主观QoE优先级和客观QoE优先级得到每个用户的优先级f_i＝αf_i1+(1-α)f_i2。

(3)选择所有小区中优先级最高的用户，假设此用户在小区1中，它的信道等级为l_i，然后在相邻小区(小区2和小区3)中选择信道等级为n-l_i的用户，并取优先级最高的用户与其配对。假设信道等级为n-l_i且优先级最高的用户在小区2中，选择此用户与小区1中选出的用户进行配对，如果相邻小区中没有信道等级为n-l_i的用户，则选择信道等级为n-l_i的相邻等级。

(4)在未被选择的小区(小区3)中选择优先级最高的用户，假设它的信道等级为l_i'，在其相邻未被选择的小区中选择信道等级为n-l_i'，并取优先级最高的用户与其配对，如果相邻小区中没有信道等级为n-l_i'的用户，则选择信道等级为n-l_i'的相邻等级。

(5)重复步骤(4)和(5)直到所有小区都被遍历过，(即小区1,2,3均有一个用户被选择)。

(6)如果用户数未达到3*N_t，则按上述步骤进行第2次遍历，甚至第n次遍历，直到选出的用户数是3*N_t为止。

(7)协作基站对选出的3*N_t个用户所要传输的信息进行预编码及联合下行传输。

因为本发明实例采用的蜂窝模型为三小区协作，小区数目为奇数。为了保证每个小区都有用户被调度，采用在步骤(4)中小区1和小区2中的用户配对后，在未被选择用户的小区3中选择优先级最高的用户，这样使得每个小区都有相同数目的用户被调度，兼顾了小区之间的公平性。

为了保证每次选择的配对用户是最优的，本发明的一次配对用户数只有2个，一次配对完成后，再在未被搜索的小区中根据调度准则重新选择配对用户对。这样可以选择出更能满足调度准则的用户，更大程度的提高用户容量，特别是对于小区边缘的用户。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下包括所做出的各种改变以及变化。

Claims (4)

1.一种基于QoE的CoMP多用户调度方法，其特征在于：

步骤(1)，统计用户到其所在小区基站的大尺度信道响应并按降序排列，并把信道响应分为n个等级；

步骤(2)确定用户的优先级，具体方法如下：

(a)用户主观QoE优先级的确定用公式f_i1＝MOS_i-ε，其中它是惩罚因子，MOS_i是用户i总的MOS值，MOS值是用户对业务满意度的主观评分：它不仅和用户对当前业务的主观评价有关，还和用户在相同的协作簇里对以前业务的体验经历μ有关，MOS_{i_p}是用户i在第p次的业务体验；

(b)用户客观QoE优先级的确定用公式F(R_r)＝0.16+0.8ln(R_r-0.3)，η是效用因子，是一个常数；l为丢包率，e^-l为对丢包率的满意度函数；τ是基站排队最大允许时延；I_t是在时间t里的信息量；R_ri是用户i的需求速率；F(R_r)是用户某实时需求的传输速率为R_r时的用户满意度函数；是对用户速率和时延的满意度函数；

(c)确定用户的优先级用公式f_i＝αf_i1+(1-α)f_i2，α为一个不大于1的常数；

步骤(3)根据用户分组和优先级选择用户进行调度。

2.根据权利要求1所述的基于QoE的CoMP多用户调度方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体方法如下：

所有用户计算其到所在小区基站的大尺度信道响应，并将其反馈给各自所在小区的基站，各基站把这些大尺度信道响应按降序排列并将它们分为n个等级。

3.根据权利要求1所述的基于QoE的CoMP多用户调度方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体方法如下：选择优先级最高的用户并获得它的信道等级k，在相邻小区中寻找信道等级为n-k且优先级最高的用户进行配对；然后根据相同的方法找到此小区中优先级最高的用户在未搜索小区中的配对用户；如果所有小区都遍历过，则根据相同的方法找到此小区中优先级最高的用户在其相邻小区中的配对用户；以此类推，直到用户数达到N_b*N_t时结束，N_b为基站数，N_t为基站的天线数；最后协作基站对选出的N_b*N_t个用户所要传输的信息进行预编码及联合下行传输。

4.根据权利要求3所述的基于QoE的CoMP多用户调度方法，其特征在于：所述步骤(3)中的一组配对用户数只有2个，一次配对完成后，再在未被搜索的小区中根据调度准则重新选择配对用户对。