CN104770036B - 用于实现无线系统中最佳效率-Jain公平性的系统和方法 - Google Patents

用于实现无线系统中最佳效率-Jain公平性的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于在考虑到数据速率‑效率与公平性权衡的情况下来调度资源的实施例。确定Jain公平性指数(JFI)的值以向多个用户传输服务，并相应地使吞吐量总和最大化以向用户传输所述服务。可替代地，首先确定吞吐量总和，并相应地使JFI最大化。使吞吐量总和或JFI最大化包括为效率与公平性权衡关系模型中的调谐参数选择合适的值。根据吞吐量总和与JFI的值，分配多个资源以向所述用户传输所述服务。对于静态或准静态信道，所述关系模型是具有单调权衡性质的凸函数。对于遍历时变信道，调谐参数通过使用基于梯度的方法求解所述关系模型来选择。

Description

用于实现无线系统中最佳效率-Jain公平性的系统和方法
本发明要求2012年10月30日由Akram Bin Sediq等人递交的发明名称为“用于无线网络中Jain调度的系统和方法(System and Method for Jain Scheduling inWireless Networks)”的第61/720,230号美国临时专利申请以及2013年10月30日递交的发明名称为“用于实现无线系统中最佳效率-Jain公平性的系统和方法(System and Methodsto Achieve Optimum Efficiency-Jain Fairness in Wireless Systems)”的第14/067,542号美国非临时申请的优先权，这两个在先申请的内容以全文引入的方式如复制一样并入本文中。
技术领域
本发明涉及无线网络通信领域，而且在具体实施例中，涉及一种用于实现无线系统中效率与Jain公平性之间的最佳权衡的机制的系统和方法。
背景技术
在诸如无线通信系统之类的系统中，服务是基于对有限的共享有限资源的分配来提供给用户的。这些资源的分配可能遇到相互冲突的目标。例如，偏向某一类用户可能提高系统效率，但可能会导致其它类用户的不满。相比之下，向所有用户提供同样的服务可能使公平性更高但效率低。采用权衡策略来控制各种重点目标会导致资源分配的浪费，并且达不到最佳的效率和公平性。例如，可以将益处定义为向用户传送数据的速率。这种速率由发射器处合理的无线电资源分配来控制。发射器可以通过使向用户传送的速率之和最大化的方式来分配其资源。这种分配有利于地理上更接近发射器的用户，但是不利于更远的用户。这样的分配虽然从系统的角度来看更高效，但对位于较不利位置的用户来说是不公平的。更公平的分配是用户接收到的最小速率被最大化的分配。然而，这种分配可能导致不可接受的系统效率，例如，低的总和速率。因此，需要一种更好的机制来找到以更高效率同时更具公平地向用户分配资源的最佳权衡策略。
发明内容
根据实施例，一种由网络组件在考虑到数据速率-效率与公平性权衡的情况下来调度资源的方法，包括确定用于向多个用户传输服务的Jain公平性指数(JFI)的值。所述方法还包括，针对所确定的JFI值，使向所述多个用户传输所述服务的吞吐量总和最大化。针对所确定的JFI值使吞吐量总和最大化包括，为用于所述JFI和所述吞吐量总和的效率与公平性权衡关系模型中的调谐参数选择合适的值。根据针对所确定的JFI值的最大化吞吐量总和来分配多个资源，以向多个用户传输所述服务。
根据另一实施例，一种由网络组件在考虑数据速率-效率与公平性权衡的情况下来调度资源的方法包括确定向多个用户传输服务的吞吐量总和，以及针对所确定的吞吐量总和，使向所述多个用户传输所述服务的JFI值最大化。针对所确定的吞吐量总和使所述JFI值最大化包括为用于所述JFI和所述吞吐量总和的效率与公平性权衡关系模型中的调谐参数选择合适的值。根据针对所确定的吞吐量总和的最大化JFI值来分配多个资源，以向所述多个用户传输所述服务。
根据又一实施例，一种用于无线网络中载波聚合的网络组件，包括至少一个处理器以及存储用于由所述至少一个处理器执行的程序的非瞬时性计算机可读存储介质。所述程序包括用于针对多个用户调度资源以传输服务的数据的指令。所调度的资源对应于用户的目标传输吞吐量和目标公平性水平中的至少一种。所述程序包括测量所述吞吐量的JFI的指令，以及根据所测量的JFI，调整用于所述JFI和所述吞吐量的效率与公平性权衡关系模型中的调谐参数的指令。所述网络组件还配置成根据调整后的调谐参数来重新调度所述资源。
前述内容已相当广泛地概述了本发明的实施例的特征，以便可以更好地理解接下来的本发明的详细描述。下文将对本发明实施例的另外的特征和优点进行描述，这形成了本发明的权利要求的主题。本领域普通技术人员应了解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域普通技术人员还应意识到，此类等效构造不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图所作出的描述，其中：
图1示出了无线通信网络的示例；
图2示出了使用来自离线模拟器的数据的调度器系统的实施例；
图3示出了使用Jain公平性指数(JFI)反馈回路的调度器系统的实施例；
图4a和图4b示出用于第一模拟场景的系统性能曲线图；
图5a和图5b示出用于第二模拟场景的系统性能曲线图；
图6示出了用于实现最佳效率和公平性的调度器方法的实施例；
图7为可以用于实施各种实施例的处理系统的示意图。
除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。
具体实施方式
下文将详细论述当前优选的实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在各种具体环境中实现的许多适用的发明概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
图1示出了无线通信网络100，包括多个基站(BS)110和多个移动站(MB)120。BS110向MS 120提供语音和/或数据无线通信服务。BS100，也可以称为其它名称，如接入网(AN)、接入点(AP)、节点B，或eNB，向MS 120发送下行链路(DL)信息以及从MS 120接收上行链路(UL)信息。BS 110可以具有被称为小区101的无线覆盖区域，在小区101内MS 120可以得到服务。覆盖区域或小区101表示每个BS 110充分地传输数据的范围，并且，虽然不一定示出，但相邻BS 110的覆盖区域101可能有一些重叠，以便适应当MS 120离开一个覆盖区域101并进入相邻覆盖区域101时BS 110之间的切换。每个BS 110还包括用于分配无线电资源以向MS 120传输数据的调度器112。
然而，待由用户共享的无线电资源的数量是有限的。调度器通常确定如何以高效且公平的方式向用户分配资源。传统上，分配的效率通过总和速率表示，而公平性分别通过各种量度(measure)表示，所述量度包括α公平性量度。T.Lan等人在2010年3月的IEEE计算机通信国际会议(INFOCOM)的会议记录中表明：α公平权衡策略提供了效率与取决于外在参数α的可变公平性量度之间的最佳权衡，该会议记录的内容以引用的方式并入本文中。由于使α公平效用最大化对应于优化可变公平性量度，因此可以表明该效用并不保证效率与任何固定(α无关)公平性量度之间的最佳权衡。Jain指数是另一种用于量化公平性的定义。该指数是服务以及符合标准公平性基准的度量(metric)的有界连续函数。与诸如α公平性量度之类的其它量度相比，Jain指数提供了考虑到系统所有用户而不仅仅是被分配最少资源的那些用户的公平性标准。因此，使该指数最大化同时避免资源分配的浪费要求确定效率与该指数之间的最佳权衡。然而，除考虑仅两个用户的情况之外，α公平分配不保证能够实现效率与Jain指数之间的最佳权衡。
本文中提供了用于使用Jain指数公平性量度获得对于任何数量用户的最佳效率-公平性权衡的实施例。这种方法允许实施产生长期平均速率的相对简单的调度器，这实现了最佳的效率-Jain公平性权衡。该问题的细节，包括构想、方案以及在最佳效率-公平性权衡方面与α公平分配的比较，由Akram Bin Sediq等人在2012年9月9日的IEEE个人、室内和移动无线电通信(PIMRC)国际研讨会的“资源分配中效率与Jain公平性指数之间的最佳均衡(Optimal Tradeoff between Efficiency and Jain’s Fairness Index in ResourceAllocation)”中，以及在2013年7月的IEEE无线通信会报的“资源分配中总和速率-效率与Jain公平性指数之间的最佳均衡(Optimal tradeoff between sum-rate efficiency andJain’s fairness index in resource allocation)”中进行了描述，这两个文档的内容以全文引用的方式并入本文中。为了求解该组优化问题，还导出了充分条件。这些条件能够识别多组可接受的服务，这些问题对于这些服务而言相对易于求解。
这些实施例包括用于具有分时的准静态信道的最佳效率-Jain调度器。在这种情况下，分时通常是可能的。调度器是通过求解标准凸优化问题得到的。作为示例，BS与固定中继器之间的信道可以建模为准静态信道。针对用于具有分时的准静态信道的最佳效率-Jain调度，定义了多个参数。这些参数包括资源块(RB)n上用户m的数据速率rmn。RB表示用于传输数据的频率信道。参数包括在信令间隔的部分ρmn内将RB n分配给用户m的调度变量ρmn∈[0，1]。用户m的总数据速率被定义为其中N为所考虑的RB的最大数量。另外，x为表示用户速率的非负实数条目的长度M向量(M为整数)。对于Jain公平性指数被定义为其中对应于仅一个用户接收非零服务的最不公平分配，并且对应于所有用户接收相同益处的最公平分配。参数还包括可以向每个用户传送的最小速率的阈值xmin≥0。因此，一组所有可行速率通过给出。
上述问题通常可能难以求解。在实施例中，识别出关键性质，即单调权衡性质，以简化求解。这种性质当由支配时能够将上述原问题模式转化成等效凸形式。对于具有速率向量x以及调度变量ρmn的函数的算法，权衡通过总的和速率σ来参数化。对于每个给定的σ，调度变量可以通过求解方程来得到。的单调权衡性质(其可以简化求解)的条件，满足通信网络中各种资源分配问题。例如，在弹性流量通信网络中的拥塞控制中，用户共享有限容量的链路，并且目标是以高效且公平的方式分配服务向量x，该服务向量x表示传送给用户的速率。
在另一实施例中，提供了最佳的效率-Jain调度器用于具有长期平均速率的遍历 时变信道。在这种情况下，分时通常是不可能的。调度器通过使用基于梯度的方法求解随机 优化问题来获得。定义了多个参数，包括在时间t处RB n上用户m的数据速率rmn(t)。这些参数 包括在时间t处将RB n分配给用户m的二进制调度变量ρmn(t)∈{0，1}。由于时变性，适当的性 能量度是长期平均速率，而不是瞬时速率。引入了小正标量μ∈(0，1)。因此，用户m在时间t内 的指数加权的移动平均速率通过 给出。
由于随机变化，这可能是难以求解的优化问题。然而，该组所有可实现的长期平均速率都满足单调权衡性质。解可以通过将基于梯度的调度算法应用于从原问题导出的辅助优化问题来获得，这对应于使Jain公平性指数对于给定效率最大化。所考虑的优化问题与所获得的算法的长期最佳性的等价性通过使用单调权衡性质得到证明。单调权衡性质的证明由Akram Bin Sediq等人在2012年的PIMRC中进行了描述。
权衡通过β∈[β*，∞)参数化，其中β*为最大β，使得Jain指数为1(Jain指数是最大的)。β*的值取决于可行的平均速率集合，并且可以通过在线使用标准自适应技术获得，或者在如上所述可获得瞬时速率的统计数据的情形下可以离线获得。β的作用是间接控制总的和速率。最佳的长期平均效率-Jain调度器可以表示为：
图2示出了使用来自离线模拟器的数据的实时调度器系统200的实施例。实时调度器系统200使用具有不同的用户速率分布和不同的β值的离线模拟提供了一定水平的公平性。针对不同速率分布，离线准备了实现相应的Jain公平性指数(JFI)水平所要求的β值的数据库240。离线单小区模拟器210对于变化的β值计算用于不同资源要求分布的吞吐量，如可支持的不同数据速率、平均信号干扰噪声比(SNIR)、和/或通过流量加权的支持的速率。然后针对吞吐量值测量JFI。因此，JFI与β值之间的映射201针对不同的用户速率资源要求分布来获得。随后，实时地，调度器220接收用户数据，并以所要求的公平性为用户调度资源。所要求的公平性值是预定义的。用于数据吞吐量的JFI随后由JFI测量模块或块230测量，并且将该值与量化用户分布的数据库240匹配，以(根据映射201)获得对应于JFI的调整后的β值。来自数据库220的调整后β值随后由实时调度器220使用来利用相应的吞吐量调度资源。调度器系统200在离线准备好数据库240之后实时实施。
图3示出了使用JFI反馈回路的实时调度器系统300的实施例。JFI反馈回路用于实时调整β值并因此更新调度和吞吐量。实时地，调度器310接收用户数据，并以所要求的一定公平性为用户调度资源。所要求的公平性值是预定义的。用于数据吞吐量的JFI随后由JFI测量模块或块320测量，并且该值被发送至模块330用于根据所测得的JFI和目标JFI来实时调整β值。模块330处的β值计算是基于上述求解。所计算出的β值随后由实时调度器310使用来重新调度资源，从而调整吞吐量以达到目标JFI。调度器系统300可以完全实时实施而不使用预先准备好的数据库。
与可能没有严格地或为服务的所有用户提供较高的和速率以及较高的Jain指数的其它类型的调度器不同，上述调度器可以在无线网络中，例如在BS或网络控制器中实施，以保证实现总和速率与Jain公平性指数之间的最佳权衡。服务提供商可以通过相对简单的方式调整和速率与Jain公平性指数之间的权衡，并同时实现最佳效率和公平性。调度器可以实现符合标准公平性基准的特定水平的公平性(通过Jain指数衡量)。因此，可以向用户提供指定一定水平的公平性的虚拟网络服务。用于调整资源分配的公平性量度介于0和1之间。一般情况下，使Jain指数度量最大化可以增加满意用户的数量，并保证所有用户之间的特定水平的公平性。例如，用户可以位于利用相同量的资源来支持不同速率的位置。如上所述，调度器可以通过单一的调谐(tuning)参数(β)实现最佳效率-Jain权衡曲线中的所有点。这种调度器实现比例如实际中的α公平调度器更为简单。
模拟结果表明，与广泛使用的α公平调度器相比，本文中的调度器设计以更低的复杂性提供了更好的性能。图4a和图4b示出了用于第一模拟场景的示例性系统性能曲线图。具体来说，对于准静态信道，考虑M＝4个用户和N＝5个RB。针对这些参数的结果在图4a中示出为xmin＝0Kbit/s，在图4b中示出为xmin＝50Kbit/s。在这两种情况下，结果表明：与α公平调度器相比，对于相同的和速率效率(范围从1.5至3Mbit/s)，使用本文中所描述的调度方案实现了更高的公平性(根据Jain指数值)。图5a和图5b示出了用于针对具有时变信道的城市宏(UMa)环境的第二模拟场景的示例性系统性能曲线图。在图5a中对于M＝4个用户和N＝5个RB的结果示出为xmin＝0Kbit/s，在图5b中示出为xmin＝200Kbit/s。在这两种情况下，结果也表明：与α-公平调度器相比，对于相同的和速率效率(范围从0.5至1.4Mbit/s)，使用本文中的调度方案实现了更高的公平性(根据Jain指数值)。
图6为用于使用最佳效率-Jain指数调度的方法600的实施例的流程图。在步骤610中，调度器(例如，在BS或网络控制器处)针对用户数据例如一组服务，调度资源，以实现目标吞吐量和目标公平性水平。在步骤620中，针对所实现的吞吐量，测量JFI。在步骤630中，根据所测得的JFI，调整权衡参数。在具有分时的准静态信道的情况下，权衡参数可以是σ，或在具有长期平均速率的变化信道的情况下，可以是β。在步骤640中，调度器根据权衡参数重新调度针对用户数据的资源。
图7为可用于实施各种实施例的示例性处理系统700的方框图。特定装置可利用所有所示的组件或仅所述组件的子集，且装置之间的集成程度可能不同。例如，装置包括WLAN或者Wi-Fi系统的STA和AP。此外，设备可以包括部件的多个实例，例如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器等。处理系统700可以包括配备一个或多个输入设备例如麦克风、鼠标、触摸屏、按键、键盘等的处理单元701。另外，处理系统700可配备一个或多个输出设备，例如，扬声器、打印机、显示器等。处理单元可以包括中央处理器(CPU)710、存储器720、大容量存储器设备730、视频适配器740以及连接至总线795的I/O接口790。
总线795可以是任意类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储总线或存储控制器、外围总线、视频总线等等。所述CPU710可包括任何类型的电子数据处理器。存储器720可包括任意类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、只读存储器(ROM)或其组合等等。在实施例中，存储器720可包括在开机时使用的ROM以及在执行程序时使用的存储程序和数据的DRAM。大容量存储器设备730可包括任意类型的存储设备，其配置成用于存储数据、程序和其它信息，并使这些数据、程序和其它信息能够通过总线795访问。大容量存储器设备730可包括如下项中的一种或多种：固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器等等。
视频适配器740以及I/O接口790提供接口以将外部输入以及输出装置耦合到处理单元上。如图所示，输入输出设备的示例包括耦合至视频适配器740的显示器760和耦合至I/O接口790的鼠标/键盘/打印机770。其它设备可以耦合至处理单元701，可以利用附加的或更少的接口卡。举例来说，串行接口卡(未图示)可以用于为打印机提供串行接口。
处理单元701还包含一个或多个网络接口750，所述网络接口可以包括例如以太网电缆或其类似者等有线链路，和/或用以接入节点或不同网络的无线链路。网络接口750允许处理单元701通过一个或多个网络780与远程单元通信。例如，网络接口750可以通过一个或多个发射器/发射天线和一个或多个接收器/接收天线提供无线通信。在一个实施例中，处理单元701耦合到局域网或广域网上以用于数据处理以及与远程装置通信，所述远程装置例如其它处理单元、因特网、远程存储设施或其类似者。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间部件间接地耦合或通信。其他变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定并且实现。

Claims (20)

1.一种由网络组件在考虑到数据速率-效率与公平性权衡的情况下来调度资源的方法，所述方法包括：
确定向多个用户传输服务的Jain公平性指数JFI的值；
针对所确定的JFI值，使向所述多个用户传输所述服务的吞吐量总和最大化，其中针对所确定的JFI值使所述吞吐量总和最大化包括：为用于所述JFI和所述吞吐量总和的效率与公平性权衡关系模型中的调谐参数选择合适的值；其中，所述最大化吞吐量总和对应的JFI值，大于所述最大化吞吐量总和对应的最大化α公平性量度；以及
根据针对所确定的JFI值的最大化吞吐量总和来分配资源，以向所述多个用户传输所述服务。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
根据所分配的资源向所述多个用户传输所述服务；
测量所述吞吐量总和的Jain公平性指数JFI；
根据所测量的JFI，根据所述JFI与所述吞吐量总和之间的效率与公平性权衡关系模型来调整所述调谐参数；
根据调整后的调谐参数来重新分配所述资源。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，调整所述调谐参数包括在所述数据的传输期间，使用基于梯度的方法实时地求解所述效率与公平性权衡关系模型。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
针对多个数据速率以及所述调谐参数的变化值来计算JFI值；
将所述JFI值映射至针对每个所述数据速率的调谐参数的变化值；以及
准备所述映射的数据库，所述数据库将所述JFI值与针对每个所述数据速率的调谐参数的变化值相关联。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
根据所分配的资源向所述多个用户传输所述服务；
测量所述吞吐量总和的Jain公平性指数JFI；
根据所测量的JFI，通过将所测量的JFI映射至所述数据库中相应的调谐参数值来调整所述调谐参数；以及
根据调整后的调谐参数，重新分配所述资源。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述调谐参数以为所述用户针对一组给定数据速率实现所要求的公平性水平。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述数据库在根据所分配的资源向所述多个用户传输所述服务之前离线准备。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述用户位于利用相同资源量来支持不同数据速率的位置处。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，分配所述资源以在具有分时的静态或准静态信道上向所述多个用户传输所述服务，并且其中所述效率与公平性权衡关系模型是具有单调权衡性质的凸函数。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，分配资源以在遍历时变信道上向所述多个用户传输所述服务，并且其中为所述调谐参数选择所述合适的值包括使用基于梯度的方法求解所述效率与公平性权衡关系模型。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述吞吐量总和是对应于所述多个用户的长期平均数据速率的总和。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述效率与公平性权衡关系模型，如果所述用户具有数据速率与下述差的乘积的最大值则从资源块向用户分配资源块RB，所述差为所述调谐参数与所述RB处所述用户的指数加权的移动平均值之差。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络组件是无线发射站或接收站处的调度器。
14.一种由网络组件在考虑到数据速率-效率与公平性权衡的情况下来调度资源的方法，所述方法包括：
确定向多个用户传输服务的吞吐量总和；
针对所确定的吞吐量总和，使向所述多个用户传输所述服务的Jain公平性指数JFI的值最大化，其中针对所确定的吞吐量总和使所述JFI值最大化包括：为用于所述JFI和所述吞吐量总和的效率与公平性权衡关系模型中的调谐参数选择合适的值；其中，对于相同的吞吐量总和，所述最大化JFI值大于最大化α公平性量度；以及
根据针对所确定的吞吐量总和的最大化JFI值来分配资源以向所述多个用户传输所述服务。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
根据所分配的资源向所述多个用户传输所述服务；
测量所述吞吐量总和的Jain公平性指数JFI；
根据所测量的JFI，根据所述JFI与所述吞吐量总和之间的效率与公平性权衡关系模型来调整所述调谐参数；
根据调整后的调谐参数，重新分配所述资源。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，调整所述调谐参数包括在所述数据的传输期间，使用基于梯度的方法实时地求解所述效率与公平性权衡关系模型。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
针对多个数据速率和所述调谐参数的变化值来计算JFI值；
将所述JFI值映射至针对每个所述数据速率的调谐参数的变化值；以及
准备所述映射的数据库，所述数据库将所述JFI值与针对每个所述数据速率的调谐参数的变化值相关联。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
根据所分配的资源向所述多个用户传输所述服务；
测量所述吞吐量总和的Jain公平性指数JFI；
根据所测量的JFI，通过将所测量的JFI映射至所述数据库中的相应调谐参数值来调整所述调谐参数；以及
根据调整后的调谐参数，重新分配所述资源。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，调整所述调谐参数，以为所述用户针对一组给定数据速率来实现所要求的公平性水平。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述数据库在根据所分配的资源向所述多个用户传输所述服务之前离线准备。
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