CN104640226B - 一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法及装置，一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法，针对每一种业务类型所对应的任一可用子信道，考虑不同业务类型的用户的服务质量需求，根据每一种业务类型的用户或节点的服务质量参数、信道容量等相关信息，计算得到不同子时隙内每个用户在该可用子信道上的调度优先级，将该可用子信道优先调度给调度优先级高的用户。应用本发明实施例所提供的技术方案，在有效保障调度公平性的同时，可以提高多业务模型的服务质量性能，提升认知用户的通信体验。

Description

一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法及装置
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法及装置。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，LTE-A(Long Term Evolution Advanced，高级长期演进)系统逐渐成为研究热点。LTE-A系统面临着信道资源紧缺问题，认知无线电技术逐渐成为解决信道资源紧缺问题的候选方案之一。另外，为满足LTE-A系统对边缘小区的数据传输速率提出的更高的需求，在LTE-A系统中引入了中继Relay技术提高小区边缘吞吐量，扩大小区覆盖范围，同时提供临时的网络部署和群移动服务，这也就是中继协作通信。中继协作通信是利用协作分集技术，灵活改变蜂窝移动通信系统的网络架构，维持原有小区基站分布不变的同时，在基站设备和用户之间增设中继节点，对信号进行一次或多次转发。
引入认知无线电技术和中继Relay技术的LTE-A系统可以分为主从两个系统，如图1所示，主从系统共存于同一地理区域，且均为集中式系统，其中，主系统包括授权基站PBS和若干授权用户PU，从系统包括认知基站SBS、若干中继节点SR和若干认知用户SU，从系统即为认知中继系统。在主系统中，授权基站和授权用户直接使用授权信道进行通信；在从系统中，认知用户可以分为直传用户和中继用户，直传用户直接与认知基站进行通信，如图1中的直传用户SU1，中继用户需要通过中继节点辅助与认知基站进行通信，如图1中的中继用户SU2。因为从系统没有自己的授权信道资源，需要通过认知用户周期性的进行信道感知来获得相应的信道资源信息。在LTE-A系统中，系统资源在时域被分割为若干时隙，各时隙包含若干OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)符号，在频域被分割为若干子信道，各子信道又包含若干子载波，构成子信道的子载波个数取决于子载波带宽和信道的时延扩展，参见图2所示，1个时隙被分割为2个子时隙，1个子时隙与1个子信道构成1个基本的时频资源块。把每一个时隙看做一个调度周期TTI，在每一个TTI内，1个时频资源块最多只能被调度给1个用户。
在认知中继系统中，因为增加了新的传输链路，所以加剧了系统中中继节点、认知用户对信道资源的争夺，需要认知基站对信道资源进行调度。现有的面向中继Relay系统的资源调度方法是，在每个子时隙对每个用户使用比例公平算法进行信道资源调度，该算法的基本思想是在进行信道资源调度时考虑用户的瞬时速率和长期平均速率的比值，同时利用权重值对不同用户的调度优先级进行调整。
这种方法综合考虑了公平性和系统性能两方面的因素，但其主要是针对同类型业务，比如交互类业务，而在认知中继系统中，认知用户通常具有多种类型业务需求，该方法无法较好的解决认知中继系统中具有多种类型业务需求的认知用户的资源调度问题，使得认知用户的通信体验较差。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例公开了一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法及装置。技术方案如下：
一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法，包括：
在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，
根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第一调度优先级集合；
根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第二调度优先级集合；
将该可用子信道调度给所述第一调度优先级集合和所述第二调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户；
当第一子时隙的调度结果满足预设条件时，在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，
根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第三调度优先级集合；
根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级，获得第四调度优先级集合；
将该可用子信道调度给所述第三调度优先级集合和所述第四调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户或节点。
在本发明的一种具体实施方式中，通过以下步骤确定每一种业务类型所对应的可用子信道：
通过接收直传用户和中继用户的信道感知结果，获得可用子信道信息；
确定所获得的可用子信道的使用优先级；
根据所确定的使用优先级和不同业务类型的业务的业务量所占比重，确定每一种业务类型所对应的可用子信道。
在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UD为直传用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UR为中继用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UD为直传用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
Ir为中继节点r所服务的中继用户的集合；
为中继节点r所服务的所有用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值的代数平均值；
βr为中继节点r的竞争决定因子；
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量；
为累积至当前时刻t中继节点r的平均数据传输速率，
m∈UR，Rm,t为累积至当前时刻t中继节点r所服务的用户m的平均数据传输速率；
为中继节点集合；
UR为所有中继用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述用户m的多业务效用函数Qm为：
其中，
τm为用户m的当前时延，为预设的用户m的时延阈值；为预设的缓冲区大小，为当前的缓冲区状态，ωm为用户m当前的丢包率，为预设的用户m的丢包率阈值。
在本发明的一种具体实施方式中，所述中继节点r的竞争决定因子βr为：
其中，
为：根据中继节点所服务的中继用户在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率计算得到的中继节点r在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率；
为：中继节点r在第二子时隙sub-slot2的数据传输速率。
在本发明的一种具体实施方式中，在所述第二子时隙的可用子信道均被调度完毕或全部业务服务质量QoS需求均得到满足的情况下，还包括：
更新中继节点、直传用户、中继用户的数据传输速率。
一种认知中继系统下基于多业务的资源调度装置，包括第一子时隙信道调度模块和第二子时隙信道调度模块：
所述第一子时隙信道调度模块，用于在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
所述第一子时隙信道调度模块包括：
第一调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第一调度优先级集合；
第二调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第二调度优先级集合；
第一子时隙信道调度子模块，用于将该可用子信道调度给所述第一调度优先级集合和所述第二调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户；
所述第二子时隙信道调度模块，用于在第一子时隙的调度结果满足预设条件的情况下，在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
所述第二子时隙信道调度模块包括：
第三调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第三调度优先级集合；
第四调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级，获得第四调度优先级集合；
第二子时隙信道调度子模块，用于将该可用子信道调度给所述第三调度优先级集合和所述第四调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户或节点。
应用本发明实施例所提供的技术方案，针对每一种业务类型所对应的任一可用子信道，考虑不同业务类型的用户的服务质量需求，根据每一种业务类型的用户或节点的服务质量参数、信道容量等相关信息，计算得到不同子时隙内每个用户在该可用子信道上的调度优先级，将该可用子信道优先调度给调度优先级高的用户，在有效保障调度公平性的同时，提高多业务模型的服务质量性能，提升认知用户的通信体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中LTE-A系统网络结构示意图；
图2为本发明实施例中时频结构模型示意图；
图3为本发明实施例中认知中继系统下基于多业务的资源调度方法的一种实施流程图；
图4为本发明实施例中认知通信时隙示意图；
图5为本发明实施例中认知中继系统下基于多业务的资源调度方法的另一种实施流程图；
图6为本发明实施例中认知中继系统下基于多业务的资源调度装置的结构示意图。
具体实施方式
首先对本发明实施例所提供的一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法进行说明，该方法可以包括以下步骤：
在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，
根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第一调度优先级集合；
根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第二调度优先级集合；
将该可用子信道调度给所述第一调度优先级集合和所述第二调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户；
当第一子时隙的调度结果满足预设条件时，在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，
根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第三调度优先级集合；
根据该业务类型的每个中继节点的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级，获得第四调度优先级集合；
将该可用子信道调度给所述第三调度优先级集合和所述第四调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户或节点。
本发明实施例所考虑的系统场景为图1所示的认知中继系统。认知中继系统没有自己的授权信道资源，需要通过认知用户周期性的进行信道感知来获得相应的可用信道信息。本发明实施例采用频谱填充Overlay的信道共享方式，只有在授权用户未使用其授权信道资源时，允许认知用户在不干扰授权用户正常通信的前提下使用原本分配给授权用户的信道，即当授权用户需要发送新的数据包时，将其调度到授权信道上，如果当前时隙内该授权信道被认知用户占用，则认知用户需要进行信道切换，以保障授权用户的正常通信。
在本发明实施例所考虑的认知中继系统中，中继节点工作于TDD(Time DivisionDuplexing，时分双工)模式，不能同时收发数据，所以与中继节点相关的中继链路的两跳传输链路的信号必须被调度到两个不同的子时隙中。此处，中继节点均采用译码重传(DF)的方式传输数据，且对所有数据均为实时处理。针对于下行传输链路，在第1个子时隙中，中继节点接收由认知基站发送的信号并解码，接着在第2个子时隙中对接收到的信号进行重新编码并转发给中继用户，之后清除缓存数据，同时准备接收下一时隙发送过来的信号。这种机制既有效避免了数据在传输过程中的延迟影响，又操作简单，便于理解。
在认知中继系统中，每个认知用户既可以选择直接与认知基站通信，也可以选择合适的中继节点转发，如何选择取决于预设的路由选择策略，当然，认知基站也可以根据预设的路由分配策略为认知用户分配路由。本发明实施例采用基于地理位置信息的路由选择策略或路由分配策略。在本发明实施例中，合理假设所有通信链路的信道状况已知，忽略小区内部干扰，忽略认知用户的快速移动，系统采用等功率分配机制，在认知基站对系统的全部信道资源统一进行调度之前，认知基站预先按照预设的路由分配策略为认知用户分配了路由，即在一个调度周期TTI内，认知用户与中继节点或认知基站的对应关系是固定不变的。针对于下行传输链路，在第1个子时隙内，认知基站发送数据包给直传用户或中继节点，在第2个子时隙内，认知用户从认知基站或者中继节点接收数据包；针对于上行传输链路，在第1个子时隙内，认知用户发送数据包给中继节点或认知基站，在第2个子时隙内，认知基站从直传用户或者认知用户接收数据包。本发明实施例对信道资源进行调度的描述是从下行传输链路角度进行的，第一子时隙即为下行传输链路的第2个子时隙，第二子时隙即为下行传输链路的第1个子时隙。对于从上行传输链路角度进行的信道资源调度方法与此类同。
本发明实施例所考虑的传输模型如下：
UD表示直传用户集合，UD＝{1,2,…,MD}；
UR表示通过中继节点转发通信的中继用户集合，UR＝{1,2,…,MR}；
表示中继节点集合，
表示可用子信道集合，
在第i(i＝1,2)子时隙sub-sloti内，直传用户mD在子信道n上的信道容量为：
其中，Bn表示子信道n的带宽，表示在第i子时隙内子信道n上认知基站b与直传用户mD之间的信道增益，表示相应的传输功率，Γ＝-ln(5·BER)/1.5表示在特定误码率下的信噪比容差，BER为系统所要求的误码率，σ2表示加性高斯白噪声功率。
在第一子时隙sub-slot1，中继用户mR在子信道n上的信道容量为：
其中，表示在第一子时隙sub-slot1内子信道n上中继节点r与中继用户mR之间的信道增益，表示相应的传输功率。
在第二子时隙sub-slot2，中继节点r在子信道n上的信道容量为：
其中，表示在第二子时隙sub-slot2内子信道n上认知基站b与中继节点r之间的信道增益，表示相应的传输功率。
在第i(i＝1,2)子时隙sub-sloti，直传用户mD的数据传输速率为：
其中，为资源调度标识符，表示该调度时隙内子信道n的调度结果，表示在第i(i＝1,2)子时隙sub-sloti上，子信道n被调度给直传用户mD；否则
直传用户mD在第τ个TTI上的瞬时可达数据速率为：
在第一子时隙sub-slot1，中继用户mR的数据传输速率为：
同样，为资源调度行为标识符，当且仅当时表示在第一子时隙sub-slot1上，子信道n被调度给中继用户mR，否则
在第一子时隙sub-slot1，中继节点r的数据传输速率为：
其中，Ir表示中继节点r所服务的中继用户的集合。
在第二子时隙sub-slot2，中继节点r的数据传输速率为：
同样，为资源调度行为标识符，当且仅当时表示在第二子时隙sub-slot2上，子信道n被调度给中继节点r，否则
对于某一个中继节点r所服务的所有两跳中继用户，按照每个中继用户mR第一子时隙sub-slot1的数据传输速率在该中继节点r相连的所有第二跳传输链路第一子时隙sub-slot1的数据传输速率中所占的比例，共享认知基站到该中继节点r之间第一跳传输链路的数据传输速率。因此，中继用户mR在第二子时隙内获得的数据传输速率为：
中继用户mR在第τ个TTI上的瞬时可达数据速率为：
在此传输模型基础上，本发明实施例综合考虑中继技术带来的分级增益及两跳传输链路对信道资源争夺的特点，根据认知用户的调度优先级进行信道资源调度，将每一种业务类型所对应的可用子信道调度给调度优先级最高的用户。
应用本发明实施例所提供的技术方案，针对每一种业务类型所对应的任一可用子信道，考虑不同业务类型的用户的服务质量需求，根据每一种业务类型的用户或节点的服务质量参数、信道容量等相关信息，计算得到不同子时隙内每个用户在该可用子信道上的调度优先级，将该可用子信道优先调度给调度优先级高的用户，在有效保障调度公平性的同时，提高多业务模型的服务质量性能，提升认知用户的通信体验。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图3所示，为本发明实施例所提供的认知中继系统下基于多业务的资源调度方法的实施流程图，该方法可以包括以下步骤：
S110：在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
随着移动通信技术的快速发展，移动网络所支持的业务类型越来越多样化，不同业务类型具有不同的QoS(Quality of Service，服务质量)要求，主要包括时延、时延抖动、丢包率和误码率四个指标。如果一条链路的信道质量变得越来越差，那么对于使用该链路的业务来说，其QoS很难得到保证。常见的业务类型主要有四种，会话类、流媒体类、交互类和后台管理类，表1所列举的即为这四种业务类型的服务质量要求，以会话类业务为例，该类业务对时延要求高，在会话类业务进行过程中，如果时延较大，会严重影响用户的使用体验。
表1
根据不同业务类型的QoS要求，可以对可用子信道进行区分，针对每一种业务类型的可用子信道进行信道资源调度。
在本发明的一种具体实施方式中，可以通过以下步骤确定每一种业务类型所对应的可用子信道：
步骤一：通过接收直传用户和中继用户的信道感知结果，获得可用子信道信息；
步骤二：确定所获得的可用子信道的使用优先级；
步骤三：根据所确定的使用优先级和不同业务类型的业务的业务量所占比重，确定每一种业务类型所对应的可用子信道。
为描述方便，将以上三个步骤结合起来进行说明。
在认知中继系统中，认知通信时隙示意图如图4所示，一个完整的调度时隙分为信道感知阶段和认知用户通信阶段。在信道感知阶段，采用基于信道环境预感知的信道感知策略，认知用户周期性的在感知时隙内对授权信道进行信道感知；在认知用户通信阶段，由认知基站为认知用户进行信道资源调度。认知用户进行信道感知，并将信道感知结果发送给认知基站，认知基站通过接收认知用户的信道感知结果，即可获得可用子信道信息，如各可用子信道的干扰出现概率及空闲时长等信息。根据这些信息，可以确定这些可用子信道的使用优先级，如确定空闲时长较长的可用子信道的使用优先级较高，从而可以根据不同类型的业务的业务量所占比重，确定每一种业务类型所对应的可用子信道。在实际应用中，可以建立对应于不同业务类型的优选可用子信道列表，针对每一种业务类型，其优选可用子信道列表对应承载该业务的数据包。在进行信道资源调度时，优先针对每一种业务类型对应的可用子信道中的使用优先级高的可用子信道进行调度。
步骤S110具体可以包括以下步骤：
S111：根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第一调度优先级集合；
可以理解的是，不同用户所进行的业务类型不同，而且不同时刻不同用户的服务质量参数不同，常见的用户的服务质量参数如时延、时延抖动、丢包率等。根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，也就是该业务类型的每个直传用户针对于该可用子信道均可计算得到一个调度优先级，从而可以获得该业务类型的所有直传用户针对于该可用子信道的第一调度优先级集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UD为直传用户集合。
为方便理解，对上述公式(11)中的各参数进行详细说明。
1)关于Qm
Qm为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数。
用户m的多业务效用函数为根据用户m的服务质量参数提出的。在本发明的一种具体实施方式中，用户m的多业务效用函数Qm为：
其中，
τm为用户m的当前时延，为预设的用户m的时延阈值；为预设的缓冲区大小，为当前的缓冲区状态，ωm为用户m当前的丢包率，为预设的用户m的丢包率阈值。
可以理解的是，预留一定量的数据缓存能够降低时延抖动的影响，通常采用用户的空闲缓冲区状态作为考量时延抖动的指标。当用户的当前时延接近预设的时延阈值时或丢包率较大时，表明用户当前使用的信道的信道质量即将无法保证该用户的QoS需求，此时计算得到的其效用函数值较高，使得在调度优先级计算中能够得到较高的调度优先级。
2)关于
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量，具体可以根据公式(1)计算得到。
3)关于Rm,t
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率。可以理解的是，在每一个调度时隙进行信道资源调度时，能够预先得知上一调度时隙的调度结果，在上一调度时隙的调度结果基础上，对用户m的平均传输速率进行更新的计算公式为：
其中，Rm,n,t表示当前时刻t用户m在子信道n上获得的平均数据传输速率，C(k)表示所有子信道集合。
其中，
表示在第i子时隙sub-sloti下在子信道n*上调度优先级最大的用户m*；
表示在当前时刻t用户m瞬时可达数据传输速率，可以根据公式(5)和公式(10)计算得到。
也就是说，累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率Rm,t为根据其前一时刻的平均数据速率更新得到的。
S112：根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第二调度优先级集合；
如前所述，不同用户所进行的业务类型不同，而且不同时刻不同用户的服务质量参数不同。根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，也就是该业务类型的每个中继用户针对于该可用子信道均可计算得到一个调度优先级，从而可以获得该业务类型的所有中继用户针对于该可用子信道的第二调度优先级集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值，在本发明的一种具体实施方式中，用户m的多业务效用函数Qm的计算公式参见公式(12)；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量，具体的可以根据公式(2)计算得到；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率，具体的，可以根据公式(13)进行更新；
UR为中继用户集合。
S113：将该可用子信道调度给所述第一调度优先级集合和所述第二调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户；
在步骤S111和步骤S112分别得到针对于同一业务类型的某个可用子信道，所有该业务类型的直传用户和中继用户的调度优先级，最终将该可用子信道调度给具有最高调度优先级的用户。当第一子时隙的调度结果满足预设条件时，如全部可用子信道均被调度完毕或全部业务QoS需求均得到满足，继续执行步骤S120的操作。
S120：在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
在第二子时隙中，可以参考本发明实施例中第一子时隙中确定每一种业务类型所对应的可用子信道的方法，即：
通过接收直传用户和中继用户的信道感知结果，获得可用子信道信息；
确定所获得的可用子信道的使用优先级；
根据所确定的使用优先级和不同业务类型的业务的业务量所占比重，确定每一种业务类型所对应的可用子信道。
该方法在前面已有较为详细的描述，这里不再赘述。
步骤S120具体可以包括以下步骤：
S121：根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第三调度优先级集合；
如前所述，不同用户所进行的业务类型不同，而且不同时刻不同用户的服务质量参数不同。根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，也就是该业务类型的每个直传用户针对于该可用子信道均可计算得到一个调度优先级，从而可以获得该业务类型的所有直传用户针对于该可用子信道的第三调度优先级集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值，在本发明的一种具体实施方式中，用户m的多业务效用函数Qm的计算公式参见公式(12)；
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量，具体的可以根据公式(1)计算得到；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率，具体的，可以根据公式(13)进行更新；
UD为直传用户集合。
S122：根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级，获得第四调度优先级集合；
中继节点的调度优先级与其所服务的中继用户的服务质量参数相关，在本发明的一种具体实施方式中，所述根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值，在本发明的一种具体实施方式中，用户m的多业务效用函数Qm的计算公式参见公式(12)；
Ir为中继节点r所服务的中继用户的集合；
为中继节点r所服务的所有用户m的多业务效用函数在当前时刻t下的取值的代数平均值；
βr为中继节点r的竞争决定因子，根据该竞争决定因子的取值，决定该中继节点r是否继续争夺后续信道资源；
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量，具体的可以根据公式(3)计算得到；
为累积至当前时刻t中继节点r的平均数据传输速率，
m∈UR，Rm,t为累积至当前时刻t中继节点r所服务的用户m的平均数据传输速率；
为中继节点集合；
UR为所有中继用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述中继节点r的竞争决定因子βr为：
其中，
为：根据中继节点所服务的中继用户在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率计算得到的中继节点r在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率；
为：中继节点r在第二子时隙sub-slot2的数据传输速率。
当βr≤1时，中继节点r停止争夺后续信道资源的分配。当然，也可以通过中继节点在第二子时隙的数据传输速率和其在第一子时隙的数据传输速率的比值确定该中继节点的竞争决定因子，当该竞争决定因子βr≥1时，停止争夺后续信道资源的分配。
S123：将该可用子信道调度给所述第三调度优先级集合和所述第四调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户或节点。
在步骤S121和步骤S122分别得到针对于同一业务类型的某个可用子信道，所有该业务类型的直传用户和中继节点的调度优先级，最终将该可用子信道调度给具有最高调度优先级的用户或节点。
直至第二子时隙的调度结果满足预设条件时，如全部可用子信道均被调度完毕或全部业务QoS需求均得到满足，结束该调度时隙的信道资源调度。
在本发明的一种实施例中，在所述第二子时隙的可用子信道均被调度完毕或全部业务QoS需求均满足的情况下，还可以包括以下步骤：
更新中继节点、直传用户、中继用户的数据传输速率。
在该调度时隙完成信道资源的调度后，进行各认知用户和中继节点的数据传输速率的更新，为下一调度时隙的信道资源调度做准备。
综合以上对本发明各实施例的说明，一种在认知中继系统下基于多业务的资源调度方法的较优的实施流程图参见图5所示，该流程包括以下步骤：
S210：建立对应于不同业务类型的优选子信道列表；
S220：对所有直传用户和中继用户进行第一子时隙的信道资源调度，将任一待调度子信道调度给调度优先级最大的用户；
S230：判断是否全部子信道均被调度完毕或全部业务QoS需求均得到满足；如果是，则继续执行步骤S240，否则，重复执行步骤S220；
S240：计算各中继节点在其所连接的全部第二跳传输链路上的数据速率；
S250：对所有中继节点及直传用户进行第二子时隙的信道资源调度，将任一待调度子信道调度给调度优先级最高的用户或节点；
S260：判断中继节点r的竞争决定因子是否符合预设条件；如果符合，则执行步骤S270，否则重复执行步骤S250，继续对该中继节点r进行信道资源调度；
S270：该中继节点r停止争夺后续信道资源；
S280：判断是否全部子信道均被调度完毕或全部业务的QoS需求均被满足，如果是，则执行步骤S290，否则重复执行步骤S250；
S290：更新各认知用户和中继节点的数据传输速率。
应用本发明实施例所提供的技术方案，针对每一种业务类型所对应的任一可用子信道，考虑不同业务类型的用户的服务质量需求，根据每一种业务类型的用户或节点的服务质量参数、信道容量等相关信息，计算得到不同子时隙内每个用户在该可用子信道上的调度优先级，将该可用子信道优先调度给调度优先级高的用户，在有效保障调度公平性的同时，提高多业务模型的服务质量性能，提升认知用户的通信体验。
相应于上面的方法实施例，本发明实施还提供了一种认知中继系统下基于多业务的资源调度装置，参见图6所示，该装置可以包括第一子时隙信道调度模块310和第二子时隙信道调度模块320：
所述第一子时隙信道调度模块310，用于在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
所述第一子时隙信道调度模块310可以包括：
第一调度优先级集合获得子模块311，用于根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第一调度优先级集合；
第二调度优先级集合获得子模块312，用于根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第二调度优先级集合；
第一子时隙信道调度子模块313，用于将该可用子信道调度给所述第一调度优先级集合和所述第二调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户；
所述第二子时隙信道调度模块320，用于在第一子时隙的调度结果满足预设条件的情况下，在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
所述第二子时隙信道调度模块320可以包括：
第三调度优先级集合获得子模块321，用于根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第三调度优先级集合；
第四调度优先级集合获得子模块322，用于根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级，获得第四调度优先级集合；
第二子时隙信道调度子模块323，用于将该可用子信道调度给所述第三调度优先级集合和所述第四调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户或节点。
应用本发明实施例所提供的装置，针对每一种业务类型所对应的任一可用子信道，考虑不同业务类型的用户的服务质量需求，根据每一种业务类型的用户或节点的服务质量参数、信道容量等相关信息，计算得到不同子时隙内每个用户在该可用子信道上的调度优先级，将该可用子信道优先调度给调度优先级高的用户，在有效保障调度公平性的同时，提高多业务模型的服务质量性能，提升认知用户的通信体验。
在本发明的一种具体实施方式中，可以通过以下步骤确定每一种业务类型所对应的可用子信道：
通过接收直传用户和中继用户的信道感知结果，获得可用子信道信息；
确定所获得的可用子信道的使用优先级；
根据所确定的使用优先级和不同业务类型的业务的业务量所占比重，确定每一种业务类型所对应的可用子信道。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第一调度优先级集合获得子模块311计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UD为直传用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第二调度优先级集合获得子模块312计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UR为中继用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第三调度优先级集合获得子模块321计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UD为直传用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第四调度优先级集合获得子模块322计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
Ir为中继节点r所服务的中继用户的集合；
为中继节点r所服务的所有用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值的代数平均值；
βr为中继节点r的竞争决定因子；
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量；
为累积至当前时刻t中继节点r的平均数据传输速率，
m∈UR，Rm,t为累积至当前时刻t中继节点r所服务的用户m的平均数据传输速率；
为中继节点集合；
UR为所有中继用户集合。
在本发明的一种具体实施方式中，所述用户m的多业务效用函数Qm为：
其中，
τm为用户m的当前时延，为预设的用户m的时延阈值；为预设的缓冲区大小，为当前的缓冲区状态，ωm为用户m当前的丢包率，为预设的用户m的丢包率阈值。
在本发明的一种具体实施方式中，所述中继节点r的竞争决定因子βr为：
其中，
为：根据中继节点所服务的中继用户在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率计算得到的中继节点r在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率；
为：中继节点r在第二子时隙sub-slot2的数据传输速率。
在本发明的一种具体实施方式中，还可以包括：
数据传输速率更新模块，用于在所述第二子时隙的可用子信道均被调度完毕或全部业务服务质量QoS需求均得到满足的情况下，更新中继节点、直传用户、中继用户的数据传输速率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种认知中继系统下基于多业务的资源调度方法，其特征在于，包括：
在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，
根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第一调度优先级集合；
根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第二调度优先级集合；
将该可用子信道调度给所述第一调度优先级集合和所述第二调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户；
当第一子时隙的调度结果满足预设条件时，在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，
根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第三调度优先级集合；
根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级，获得第四调度优先级集合；
将该可用子信道调度给所述第三调度优先级集合和所述第四调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户或节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下步骤确定每一种业务类型所对应的可用子信道：
通过接收直传用户和中继用户的信道感知结果，获得可用子信道信息；
确定所获得的可用子信道的使用优先级；
根据所确定的使用优先级和不同业务类型的业务的业务量所占比重，确定每一种业务类型所对应的可用子信道。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UD为直传用户集合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第一子时隙sub-slot1的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UR为中继用户集合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当第一子时隙的调度结果满足预设条件时，在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道，根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
为在当前时刻t下用户m在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量；
Rm,t为累积至当前时刻t用户m的平均数据传输速率；
UD为直传用户集合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级的计算公式为：
其中，
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的调度优先级；
Qm,t为根据用户m的服务质量参数建立的用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值；
Ir为中继节点r所服务的中继用户的集合；
为中继节点r所服务的所有用户m的多业务效用函数Qm在当前时刻t下的取值的代数平均值；
βr为中继节点r的竞争决定因子；
为在当前时刻t下中继节点r在第二子时隙sub-slot2的子信道n上的信道容量；
为累积至当前时刻t中继节点r的平均数据传输速率，
Rm,t为累积至当前时刻t中继节点r所服务的用户m的平均数据传输速率；
为中继节点集合；
UR为所有中继用户集合。
7.根据权利要求3至6任一项所述的方法，其特征在于，所述用户m的多业务效用函数Qm为：
其中，
τm为用户m的当前时延，为预设的用户m的时延阈值；为预设的缓冲区大小，为当前的缓冲区状态，ωm为用户m当前的丢包率，为预设的用户m的丢包率阈值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述中继节点r的竞争决定因子βr为：
其中，
为：根据中继节点所服务的中继用户在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率计算得到的中继节点r在第一子时隙sub-slot1的数据传输速率；
为：中继节点r在第二子时隙sub-slot2的数据传输速率。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二子时隙的可用子信道均被调度完毕或全部业务服务质量QoS需求均得到满足的情况下，还包括：
更新中继节点、直传用户、中继用户的数据传输速率。
10.一种认知中继系统下基于多业务的资源调度装置，其特征在于，包括第一子时隙信道调度模块和第二子时隙信道调度模块：
所述第一子时隙信道调度模块，用于在第一子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
所述第一子时隙信道调度模块包括：
第一调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第一调度优先级集合；
第二调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个中继用户的服务质量参数和该中继用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第二调度优先级集合；
第一子时隙信道调度子模块，用于将该可用子信道调度给所述第一调度优先级集合和所述第二调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户；
所述第二子时隙信道调度模块，用于在第一子时隙的调度结果满足预设条件的情况下，在第二子时隙，针对每一种业务类型对应的任一可用子信道进行信道资源调度；
所述第二子时隙信道调度模块包括：
第三调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个直传用户的服务质量参数和该直传用户在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个直传用户在该可用子信道上的调度优先级，获得第三调度优先级集合；
第四调度优先级集合获得子模块，用于根据该业务类型的每个中继节点所服务的中继用户的服务质量参数和该中继节点在该可用子信道上的信道容量，分别计算每个中继节点在该可用子信道上的调度优先级，获得第四调度优先级集合；
第二子时隙信道调度子模块，用于将该可用子信道调度给所述第三调度优先级集合和所述第四调度优先级集合中最高调度优先级对应的用户或节点。
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An Efficient Carrier Scheduling Scheme in Cognitive LTE-Advanced System with Carrier Aggregation;Yajun Zhang et.al.;《2014 IEEE 25th Annual International Symposium on Personal,Indoor, and Mobile Radio Communications》;20140905;全文 *

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CN104640226A (zh) 2015-05-20

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