CN104507172A

CN104507172A - 一种面向3g/4g卫星移动通信网络的上行资源调度方法及装置

Info

Publication number: CN104507172A
Application number: CN201510025260.9A
Authority: CN
Inventors: 赵宝康; 苏金树; 王宝生; 吴纯青; 陈一骄; 刘波; 毛席龙; 陈曙晖; 崔向东; 虞万荣; 冯振乾; 关洪涛; 费长江
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2035-01-19
Also published as: CN104507172B

Abstract

本发明公开了一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法及装置，该方法的步骤为：S1：缓存量预测；用户设备UE在每个调度周期对T_n时间后业务数据的缓存量进行预测，并将缓存量的预测值以逻辑信道组LCG为单位通过BSR上报给演进型基站eNB；S2：计算用户设备的优先级；演进型基站eNB上行资源调度器收到用户设备i发来的调度请求后，计算该用户设备i的优先级；S3：分配上行资源；演进型基站eNB上行资源调度器按照多个设备的优先级对多个用户设备依次分配上行资源。该装置用来实施上述方法。本发明能够提高系统的资源利用率和吞吐量、更好地满足不同业务的时延和吞吐量等服务质量。

Description

一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法及装置

技术领域

本发明主要涉及到移动通信领域，特指一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法及装置。

背景技术

LTE卫星移动通信系统将第三代合作伙伴项目3GPP(The 3rd Generation PartnershipProject)长期演进LTE(Long Term Evolution)标准引入到卫星通信中，在空间构建类似于地面的LTE网络系统。系统综合了LTE高数据速率和卫星通信覆盖范围广等特点，在实现移动通信的高速全球覆盖方面具有独特的优势。

3GPP于2005年开始启动LTE项目。相比于第三代移动通信系统，LTE具有高速率、低往返时延、高效率和可变带宽等特点。在上行调度传输中，LTE采用基于UE的调度：eNB对UE进行优先级计算，并确定为UE分配的资源总量，UE再以无线承载RB(Radio Bearer)为单位对获得的资源进行细分。其中，BSR上报机制和分组调度算法是上行资源调度中两个非常重要的内容。

(1)BSR上报机制；

为了确定为每个UE分配的资源量，eNB需要知道UE的上行缓存中待发送的数据量，这通过BSR上报机制来完成。为了减小BSR上报带来的信令开销，LTE引入了逻辑信道组LCG(Logical Channel Group)的概念，将每个RB映射到一个LCG中，UE为每个LCG的缓存总量上报一个BSR。UE端一共有4个LCG，每个LCG包含哪些RB是由eNB端的调度算法决定的，通常将服务质量要求相近的RB放在一个LCG中。

(2)分组调度算法；

LTE中的分组调度算法包括轮询调度算法(RR)、最大载干比算法(Max C/I)、比例公平算法(PF)、改进的最大权重时延优先算法(M-LWDF)等。其中，PF算法优先为信道质量最接近其峰值信道质量的用户分配资源，很好地兼顾了系统吞吐量和用户公平性，是无线网络中最经典的调度算法之一。PF算法的调度判决表达式为：

i^{*} = \arg \max_{i} \frac{μ_{i} (t)}{R_{i} (t)}

其中：μ_i(t)为用户设备i在t时刻的载干比值，反映了用户的信道质量；R_i(t)为用户设备i在以t时刻结尾的一段时间窗内的吞吐量。PF算法综合考虑了用户的信道质量和吞吐量，用户的信道质量越好，调度的优先级越高，但当用户被持续调度时，由于吞吐量增加，优先级逐渐降低，最终系统中用户的吞吐量会根据每个用户的信道质量达到一个平衡值。

上述调度方式存在的技术问题就在于：

1、LTE资源调度的周期为1ms，而在卫星移动通信系统中，BSR从UE上报到eNB(GEO卫星)的时延约为125ms，eNB的调度结果传回UE也需要125ms，即UE收到的资源分配结果是eNB根据250ms之前各个用户的缓存状态信息作出的。而在这250ms内，UE的缓存状态可能发生较大的变化。eNB端获取的BSR信息严重过时，据此作出的调度结果也与UE当前需要发送的数据量不相匹配，从而降低了系统的资源利用率和吞吐量。

2、LTE现有的分组调度算法通常在用户公平性和系统吞吐量之间进行折中，没有考虑每个用户包含的不同业务，以及业务之间不同的服务质量要求，从而不能满足不同服务质量等级和业务流量的业务的时延和吞吐量等服务质量要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够提高系统的资源利用率和吞吐量、更好地满足不同业务的时延和吞吐量等服务质量的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其步骤为：

S1：缓存量预测；用户设备UE在每个调度周期对T_n时间后业务数据的缓存量进行预测，并将缓存量的预测值以逻辑信道组LCG为单位通过BSR上报给演进型基站eNB；其中，T_n为从用户设备UE向演进型基站eNB发送调度请求和BSR到用户设备UE收到对应的资源调度结果的时间；

S2：计算用户设备的优先级；演进型基站eNB上行资源调度器收到用户设备i发来的调度请求后，计算该用户设备i的优先级；

S3：分配上行资源；演进型基站eNB上行资源调度器按照多个设备的优先级对多个用户设备依次分配上行资源。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S2中，所述用户设备i的优先级为：

P (i) = \frac{μ_{i} (t)}{R_{i}^{'} (t)} \cdot Σ_{k = 1}^{4} b_{i_{k}} {\hat{B}}_{i_{k}};

其中，μ_i(t)为用户设备i在t时刻的载干比值，反映了用户的信道质量；R_i′(t)为用户设备i在以t时刻结尾的一段时间窗内获得的上行资源；为用户设备i第k个LCG的缓存数据量上报值，k＝1,2,3,4；为对应的权重，由LCG包含业务的服务质量等级决定。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S1中，在对用户设备UE的T_n时间后业务数据的缓存量进行预测估计时，将上行数据流量分为语音业务流、视频业务流和数据业务流三类，在新调度周期开始时，分别预测各个业务在t_n时刻的缓存量，并根据上述三类业务流的流量特性和流量模型，对业务在一段时间内产生的数据量进行估计，进而预测该类业务在未来某时刻的缓存量。

作为本发明方法的进一步改进：所述缓存量预测的方法为：

业务数据在T_n时间后的缓存量＝业务数据在当前时刻的缓存量+业务数据在T_n时间内产生的数据量-业务数据在T_n时间内被调度的数据量；

逻辑信道组LCG在T_n时间后的缓存量为逻辑信道组LCG内所有业务数据在T_n时间后的缓存量之和。

作为本发明方法的进一步改进：所述语音业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{Vo} (t_{n}) = B_{Vo} (t_{0}) + {\hat{P}}_{Vo} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{Vo} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

其中：B_Vo(t₀)为t₀时刻语音业务流的缓存量，t₀为当前时刻，t_n-t₀＝T_n，为[t₀,t_n]时间内产生的语音数据的预测值，为t₀时刻过去一段时间窗T_w语音业务流的平均传输速率；所述的值为：若t₀时刻处于语音业务流激活期内，其中I_a为语音业务流激活期包到达的时间间隔，为激活期数据包平均大小；若t₀时刻处于语音业务流静默期内，其中I_s为语音业务流静默期包到达的时间间隔，为静默期数据包平均大小。

作为本发明方法的进一步改进：所述视频业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{Vi} (t_{n}) = B_{Vi} (t_{0}) + {\hat{P}}_{Vi} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{Vi} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

其中：B_Vi(t₀)为t₀时刻视频业务流的缓存量，为[t₀,t_n]时间内产生的视频数据的预测值，为t₀时刻过去一段时间窗T_w视频业务流的平均传输速率；所述其中l＝(t_n-t₀)f为在[t₀,t_n]时间内产生的帧数，f为视频的帧率；为t₀后第m个视频帧尺寸的预测值，设为距t₀时刻最近的k个视频帧尺寸，为的k阶均值，为系数。

作为本发明方法的进一步改进：所述数据业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{d} (t_{n}) = B_{d} (t_{0}) + {\hat{P}}_{d} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{d} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

其中：B_d(t₀)为t₀时刻数据业务流的缓存量，为[t₀,t_n]时间内产生的数据业务流数据的预测值，为t₀时刻过去一段时间窗T_w数据业务流的平均传输速率；所述

{\hat{R}}_{d} (t_{0}, t_{n}) = \frac{t_{n} - t_{0}}{λ_{d}} σ {(1 - \frac{1}{α})}^{- 1},

λ_d，σ和α为参数。

本发明进一步提供一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度装置，其包括：

第一模块，用于缓存量预测，用户设备UE在每个调度周期对T_n时间后业务数据的缓存量进行预测，并将缓存量的预测值以逻辑信道组LCG为单位通过BSR上报给演进型基站eNB；其中，T_n为从用户设备UE向演进型基站eNB发送调度请求和BSR到用户设备UE收到对应的资源调度结果的时间；

第二模块，用于计算用户设备的优先级，演进型基站eNB上行资源调度器收到用户设备i发来的调度请求后，计算该用户设备i的优先级；

第三模块，用于分配上行资源，演进型基站eNB上行资源调度器按照多个设备的优先级对多个用户设备依次分配上行资源。

作为本发明装置的进一步改进：

所述第一模块包括：UE端缓存预测模块，用于每个调度周期预测T_n时间后各LCG的业务数据缓存量，并将缓存量的预测值以LCG为单位通过BSR上报给eNB；

所述第二模块包括：上行信道质量估计模块，用于每个调度周期对各个UE的信道质量进行估计，并将结果送到优先级计算模块和eNB端资源分配模块；UE端历史信息存储器，用于存储eNB每个调度周期分配给UE的资源，UE每个调度周期分配给各个业务的资源，UE每个调度周期各个业务的缓存量信息；eNB端历史信息存储器，用于存储UE上报的BSR，eNB给每个UE分配的资源，UE各个业务发送的数据量信息；优先级计算模块，用户每个调度周期计算发起调度请求的各个UE的优先级；优先级计算模块收到UE的调度请求和BSR后，利用上行信道质量估计模块的结果和eNB端历史信息存储器存储的相关历史信息，计算用户设备i的优先级；

所述第三模块包括：UE端资源分配模块，用于将eNB分配给UE的上行资源进一步分配给各个业务；eNB端资源分配模块，用于每个调度周期按照多个设备的优先级对各个UE依次分配上行资源；即，根据UE上报的BSR和UE的上行信道质量估计值等确定UE的调制编码方式和UE需要的资源总量，并按照优先级为UE依次分配资源；UE收到eNB资源分配结果后，UE端资源分配模块将UE分到的资源进一步分配给各个业务；各个业务利用分到的上行资源通过上行链路发送数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明在上报BSR时，根据上行业务的流量特性，UE端对缓存状态进行预测上报，即预测各LCG在T_n时间后的缓存数据量，将预测值上报给eNB，从而使eNB能为各个用户更加合理地分配无线资源，提高了系统的资源利用率和吞吐量。

2、本发明在计算UE的优先级时引入了UE的缓存状态参数，在兼顾系统吞吐量和用户公平性的同时，考虑了用户不同类型业务的服务质量等级和流量需求，在保证用户的相对公平性的前提下，能够有效保证服务质量等级较高和业务流量较大的业务的调度。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明装置在具体应用实例中的结构原理示意图。

图3是本发明方法在具体应用实例中UE部分的流程示意图。

图4是本发明方法在具体应用实例中eNB部分的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其步骤为：

S1：缓存量预测；

用户设备UE(User Equipment)在每个调度周期对T_n时间后业务数据的缓存量进行预测，并将缓存量的预测值以逻辑信道组LCG(Logical Channel Group)为单位通过BSR(BufferStatus Report)上报给演进型基站eNB(evolved Node B)；其中，T_n为从用户设备UE向演进型基站eNB发送调度请求和BSR到UE收到对应的资源调度结果的时间；

S2：计算用户设备的优先级；

演进型基站eNB上行资源调度器收到用户设备i发来的调度请求后，计算该用户设备i的优先级其中，μ_i(t)为用户设备i在t时刻的载干比值，反映了用户的信道质量；R_i′(t)为用户设备i在以t时刻结尾的一段时间窗内获得的上行资源；为用户设备i第k(k＝1,2,3,4)个LCG的缓存数据量上报值；为对应的权重，由LCG包含业务的服务质量等级决定。

S3：分配上行资源；

演进型基站eNB上行资源调度器按照多个设备的优先级对多个用户设备依次分配上行资源。

在本实施例中，上述步骤S1中，在对用户设备UE的T_n时间后业务数据的缓存量进行预测估计时，根据实际需要将上行数据流量分为语音业务流、视频业务流和数据业务流三类，在新调度周期开始时，分别预测各个业务在t_n时刻的缓存量，并根据上述三类业务流的流量特性和流量模型，对业务在一段时间内产生的数据量进行估计，进而预测该类业务在未来某时刻的缓存量。

在本实施例中，上述步骤S1中，缓存量预测的方法为：

在上述过程中，语音业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{Vo} (t_{n}) = B_{Vo} (t_{0}) + {\hat{P}}_{Vo} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{Vo} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

其中：B_Vo(t₀)为t₀时刻语音业务流的缓存量，t₀为当前时刻，t_n-t₀＝T_n，为[t₀,t_n]时间内产生的语音数据的预测值，为t₀时刻过去一段时间窗T_w语音业务流的平均传输速率。所述的值为：若t₀时刻处于语音业务流激活期内，其中I_a为语音业务流激活期包到达的时间间隔，为激活期数据包平均大小；若t₀时刻处于语音业务流静默期内，其中I_s为语音业务流静默期包到达的时间间隔，为静默期数据包平均大小。

在上述过程中，视频业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{Vi} (t_{n}) = B_{Vi} (t_{0}) + {\hat{P}}_{Vi} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{Vi} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

其中：B_Vi(t₀)为t₀时刻视频业务流的缓存量，为[t₀,t_n]时间内产生的视频数据的预测值，为t₀时刻过去一段时间窗T_w视频业务流的平均传输速率。所述其中l＝(t_n-t₀)f为在[t₀,t_n]时间内产生的帧数，f为视频的帧率；为t₀后第m个视频帧尺寸的预测值，设为距t₀时刻最近的k个视频帧尺寸，为的k阶均值，为系数。

在上述过程中，数据业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{d} (t_{n}) = B_{d} (t_{0}) + {\hat{P}}_{d} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{d} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

其中：B_d(t₀)为t₀时刻数据业务流的缓存量，为[t₀,t_n]时间内产生的数据业务流数据的预测值，为t₀时刻过去一段时间窗T_w数据业务流的平均传输速率。所述

{\hat{R}}_{d} (t_{0}, t_{n}) = \frac{t_{n} - t_{0}}{λ_{d}} σ {(1 - \frac{1}{α})}^{- 1},

λ_d，σ和α为参数。

在具体应用中，若UE的某个LCG的缓存数据量预测值不为0，则UE发起调度请求，并为每个缓存数据量预测值不为0的LCG上报一个BSR。

参见图2，本发明进一步提供一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度装置，包括：

第一模块，用于进行缓存量预测；

即，用于在用户设备UE(User Equipment)在每个调度周期对T_n时间后业务数据的缓存量进行预测，并将缓存量的预测值以逻辑信道组LCG(Logical Channel Group)为单位通过BSR(Buffer Status Report)上报给演进型基站eNB(evolved Node B)；其中，T_n为从用户设备UE向演进型基站eNB发送调度请求和BSR到UE收到对应的资源调度结果的时间；

第二模块，用于计算用户设备的优先级；

即，用于在演进型基站eNB上行资源调度器收到用户设备i发来的调度请求后，计算该用户设备i的优先级其中，μ_i(t)为用户设备i在t时刻的载干比值，反映了用户的信道质量；R_i′(t)为用户设备i在以t时刻结尾的一段时间窗内获得的上行资源；为用户设备i第k(k＝1,2,3,4)个LCG的缓存数据量上报值；为对应的权重，由LCG包含业务的服务质量等级决定。

第三模块，用于进行分配上行资源；

即，用于利用演进型基站eNB上行资源调度器按照多个设备的优先级对多个用户设备依次分配上行资源。

如图2所示，该装置在具体应用时包括以下组成部分：

UE端缓存预测模块，用于每个调度周期预测T_n时间后各LCG的业务数据缓存量，并将缓存量的预测值以LCG为单位通过BSR上报给eNB；

UE端资源分配模块，用于将eNB分配给UE的上行资源进一步分配给各个业务；

UE端历史信息存储器，用于存储eNB每个调度周期分配给UE的资源，UE每个调度周期分配给各个业务的资源，UE每个调度周期各个业务的缓存量等信息；

上行信道质量估计模块，用于每个调度周期对各个UE的信道质量进行估计，并将结果送到优先级计算模块和eNB端资源分配模块；

优先级计算模块，用户每个调度周期计算发起调度请求的各个UE的优先级；即：优先级计算模块收到UE的调度请求和BSR后，利用上行信道质量估计的结果和eNB端历史信息存储器存储的相关历史信息，计算用户设备i的优先级其中μ_i(t)为用户设备i在t时刻的载干比值，反映了用户的信道质量，R_i′(t)为用户设备i在以t时刻结尾的一段时间窗内获得的上行资源，为用户设备i第k(k＝1,2,3,4)个LCG的缓存数据量上报值，为对应的权重，由LCG包含业务的服务质量等级决定。

eNB端资源分配模块，用于每个调度周期按照多个设备的优先级对各个UE依次分配上行资源；即，根据UE上报的BSR和UE的上行信道质量估计值等确定UE的调制编码方式和UE需要的资源总量，并按照优先级为UE依次分配资源。UE收到eNB资源分配结果后，UE端资源分配模块将UE分到的资源进一步分配给各个业务。各个业务利用分到的上行资源通过上行链路发送数据。

eNB端历史信息存储器，用于存储UE上报的BSR，eNB给每个UE分配的资源，UE各个业务发送的数据量等信息。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其特征在于，步骤为：

2.根据权利要求1所述的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述用户设备i的优先级为：

P (i) = \frac{μ_{i} (t)}{R_{i}^{'} (t)} \cdot Σ_{k = 1}^{4} b_{i_{k}} {\hat{B}}_{i_{k}};

3.根据权利要求1或2所述的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其特征在于，在所述步骤S1中，在对用户设备UE的T_n时间后业务数据的缓存量进行预测估计时，将上行数据流量分为语音业务流、视频业务流和数据业务流三类，在新调度周期开始时，分别预测各个业务在t_n时刻的缓存量，并根据上述三类业务流的流量特性和流量模型，对业务在一段时间内产生的数据量进行估计，进而预测该类业务在未来某时刻的缓存量。

4.根据权利要求3所述的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其特征在于，所述缓存量预测的方法为：

5.根据权利要求3所述的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其特征在于，所述语音业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{Vo} (t_{n}) = B_{Vo} (t_{0}) + {\hat{P}}_{Vo} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{Vo} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

6.根据权利要求3所述的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其特征在于，所述视频业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{Vi} (t_{n}) = B_{Vi} (t_{0}) + {\hat{P}}_{Vi} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{Vi} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

7.根据权利要求3所述的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度方法，其特征在于，所述数据业务流在t_n时刻的缓存量预测值为：

{\hat{B}}_{d} (t_{n}) = B_{d} (t_{0}) + {\hat{P}}_{d} (t_{0}, t_{n}) - {\overset{&OverBar;}{v}}_{d} (t_{0}, T_{w}) (t_{n} - t_{0})

{\hat{P}}_{d} (t_{0}, t_{n}) = \frac{t_{n} - t_{0}}{λ_{d}} σ {(1 - \frac{1}{α})}^{- 1},

λ_d，σ和α为参数。

8.一种面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度装置，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的面向3G/4G卫星移动通信网络的上行资源调度装置，其特征在于，