CN105163392A - 保证服务质量的多基站多用户比例公平调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保证服务质量的多基站多用户比例公平调度方法，主要解决现有技术中忽略用户服务质量而造成资源调度不公平的问题。其实现步骤为：1、根据实际调度问题设置参数；2、根据用户的时间平均吞吐量计算用户权值；3、基站依据用户权值及用户历史平均吞吐量选择当前时隙要服务的用户；4、基站确定当前时隙服务的用户后更新本地用户吞吐量，并将本地用户吞吐量信息广播给网络中其他基站；5、依据调度终止条件终止此轮调度，从而得到满足比例公平的调度结果。本发明在资源充足与不足的情况下均能得到满意的调度结果，且计算复杂度低，提高了时变信道情况下基站的调度效率，可用于有多个相邻无线路由器的大规模无线局域网。

Description

保证服务质量的多基站多用户比例公平调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种保证服务质量QoS的多基站多用户比例公平调度方法，可应用于有多个相邻无线路由器的大规模无线局域网。

技术背景

随着移动通信技术的不断发展，用户数量的逐年递增，移动业务的需求也日益多样。在第四代移动通信系统中，除了传统的语音服务外，还添加了多速率的多媒体服务，因此基站如何公平有效的为不同业务需求的用户调度数据流资源便成为当前研究的热点问题。

大多数资源分配算法主要集中在对无线资源的高效利用而很少关心用户的服务质量要求，单纯追求无线资源的利用率会造成用户服务质量的不公平。当用户间信道增益差异较大时，信道条件较好的用户会得到过量的无线资源，而信道条件较差的用户可能因此服务要求得不到满足。

针对以上问题，现有的分配方法主要有以下两种：

ZhangYJ,LiewSC.Proportionalfairnessinmulti-channelmulti-ratewirelessnetworks-partII:thecaseoftime-varyingchannelswithapplicationtoOFDMsystems.IEEETransactionsonWirelessCommunications,2008；7(9):3457-3467，这种方法虽然针对时变信道模型设计了比例公平调度算法，但是其模型中多个天线、多个子载波及多个信道的来源都是同一个基站，并没有考虑多基站的情况。

HuiZhou,PingyiFan,Xiang-GenXia,KhaledBenLetaief.AchievingNetworkWideProportionalFairness:APricingMethod.ProceedingsofIEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference,Sydney,Australia,2010，这种方法虽然针对多基站的时变信道模型给出了一种有基站协作的全局比例公平调度方法，但是没有考虑用户间不同的业务需求。

以上资源调度方法在各用户对服务质量要求基本相同的情况下可以满足用户需求，但是当各用户对服务质量要求不同的情况下，则会导致基站为服务质量要求较低的用户分配相对较多的资源而超过其需求，而为服务质量要求较高的用户分配相对较少的资源而难以满足其业务需求，因而显失公平。

发明内容

本发明的目的在于针对以上调度方法的不足，提出一种保证服务质量的多基站多用户比例公平调度方法，以对不同服务质量要求的用户提供不同的可达速率，得到系统中用户间比例公平和系统吞吐量最大的良好折中。

为实现以上目的，本发明的技术方法主要包括以下步骤：

(1)设置初始化参数：

设系统中基站数为N，需要服务的用户数为M；

依据用户的实际业务需求设定用户的服务质量集S＝[S₁,...,S_m,...,S_M]，其中S_m表示第m个用户的服务质量要求；设定这M个用户在K个时隙内保持服务质量要求S不变；

将第1到第i时隙中，第m个用户从第n个基站得到的时间平均吞吐量表示为T_n,m(i)，其中n＝1,2,...,N，m＝1,2,...,M，i表示时隙数，初始化为i＝1，并令所有链路的平均吞吐量T_n,m(1)＝1/N；

(2)令时隙i＝i+1，计算用户权值ω_m：

(2a)计算从第1到第i-1时隙中第m个用户从网络中所有基站获得的时间平均吞吐量： $T_m(i-1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{T}_{n,m}(i-1);$

(2b)根据第m个用户的时间平均吞吐量T_m(i-1)及其服务质量的要求S_m计算用户m的服务缺失率c_m：

当T_m(i-1)＜S_m时， $c_m=1-\frac{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)}{log\left(S_m\right)};$

当T_m(i-1)≥S_m时，c_m＝0；

(2c)根据步骤(2b)中得到的用户的服务缺失率c_m计算用户权值ω_m：

当 $c_m>\stackrel{\‾}{c}$ 时， ${\mathrm{\ω}}_m=\mathrm{\α}{2}^{\mathrm{\β}(c_m-\stackrel{\‾}{c})};$

当时，ω_m＝1；

其中表示各用户服务缺失率的平均值，α表示满足用户服务质量的重要性指标，β表示满足比例公平的重要性指标，α、β均为正整数；

(3)在第i个时隙，第n个基站依据以下准则选择要调度的用户P_n：

$P_n=\arg \max \{{\mathrm{\&omega;}}_m\left(i\right)I_{\{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)<\log \left(S_m\right)\}}+I_{\{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;\log \left(S_m\right)\}}\}\frac{r_{n,m}\left(i\right)-T_{n,m}(i-1)}{T_m(i-1)},$

其中r_n,m(i)表示已知的在第i时隙第n个基站到第m个用户的信道速率； 均为示性函数，当log(T_m(i-1))小于log(S_m)时， $I_{\{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;log\left(S_m\right)\}}=0,$ 当log(T_m(i-1))大于log(S_m)时， $I_{\{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)<log\left(S_m\right)\}}=0,$ $I_{\{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;log\left(S_m\right)\}}=1;$

(4)利用下式更新第m个用户从第n个基站获得的时间平均吞吐量T_n,m(i)：

$T_{n,m}\left(i\right)=\frac{i}{i-1}{T}_{n,m}(i-1)+\frac{1}{i}{r}_{n,m}\left(i\right)J_{n,m}\left(i\right);$

其中J_n,m(i)为第i个时隙第n个基站的调度示性函数，用于表示第m个用户是否被第n个基站服务：若第m个用户被第n个基站服务，即m＝P_n，则J_n,m(i)＝1；若第m个用户是未被第n个基站服务，即m≠P_n，则J_n,m(i)＝0；

更新完第m个用户从第n个基站获得的时间平均吞吐量T_n,m(i)后，第n个基站将本地用户时间平均吞吐量向量T_n(i)＝[T_n,1(i),...,T_n,m(i),...,T_n,M(i)]广播给网络中的其他基站，使网络中的所有基站获知第m个用户从网络中获得的时间平均吞吐量的信息；

(5)根据用户的服务质量是否发生改变结束资源调度：

若当前M个用户的服务质量需求发生改变，即i＝K，则结束本轮基于用户服务质量S的资源调度，此时在K个时隙内用户的时间平均吞吐量为满足比例公平的调度结果；

否则，返回步骤2继续进行下一时隙的资源调度。

本发明具有以下优点：

1、本发明由于在多基站的资源调度中兼顾了用户服务质量和比例公平两个因素，使得在保证用户服务质量要求的前提下达到用户间比例公平和系统吞吐量最大化的良好折中；

2、由于本发明采用用户权值表征可分配资源在不同情况下不同优化目标的重要性，因此能够依据可分配资源充足或不足得到不同的调度结果：

当可分配资源充足时，用户的服务缺失率均为零，由服务缺失率得到的用户权值均为1，从而使得实现系统吞吐量最大化的重要性大于用户间比例公平的重要性，保证了在用户服务质量要求的前提下达到系统吞吐量最大；

当可分配资源不足时，用户的服务缺失率存在非零值，由服务缺失率得到的用户权值存在大于1的数值，从而使得实现用户间比例公平的重要性大于系统吞吐量最大化的重要性，保证用户得到公平的服务；

3、本发明计算复杂度低，提高了时变信道情况下多基站资源调度的效率。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是用本发明与传统方法在可用无线资源不足情况下对不同服务质量需求用户的调度结果对比图；

图3是用本发明与传统方法在可用无线资源不足情况下对不同服务质量需求用户的调度公平性对比图；

图4是用本发明与传统方法在可用无线资源充足情况下对不同服务质量需求用户的调度结果对比图；

图5是用本发明与传统方法在可用无线资源充足情况下对不同服务质量需求用户的调度公平性对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，设置初始化参数。

设系统中基站数为N，需要服务的用户数为M，其中1＜N≤10，0＜M≤50；

依据用户的实际业务需求设定用户的服务质量集S＝[S₁,...,S_m,...,S_M]，其中S_m表示第m个用户的服务质量要求；

设定M个用户在K个时隙内保持服务质量要求S不变；

将第1到第i时隙中，第m个用户从第n个基站得到的时间平均吞吐量表示为T_n,m(i)，其中n＝1,2,...,N，m＝1,2,...,M，i表示时隙数，初始化为i＝1，并令所有链路的平均吞吐量T_n,m(1)＝1/N。

步骤2，根据用户的时间平均吞吐量计算用户权值。

令时隙i＝i+1，根据从第1到第i-1时隙用户m的时间平均吞吐量T_m(i-1)及其服务质量的要求S_m，计算用户权值ω_m：

(2a)计算从第1到第i-1时隙中第m个用户从网络中所有基站获得的时间平均吞吐量： $T_m(i-1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{T}_{n,m}(i-1);$

(2b)根据第m个用户的时间平均吞吐量T_m(i-1)及其服务质量的要求S_m计算用户m的服务缺失率c_m：

当T_m(i-1)＜S_m时， $c_m=1-\frac{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)}{\log \left(S_m\right)};$

当T_m(i-1)≥S_m时，c_m＝0；

(2c)根据步骤(2b)中得到的用户的服务缺失率c_m计算用户权值ω_m：

当 $c_m>\stackrel{\&OverBar;}{c}$ 时， ${\mathrm{\&omega;}}_m=\mathrm{\&alpha;}{2}^{\mathrm{\&beta;}(c_m-\stackrel{\&OverBar;}{c})};$

当时，ω_m＝1；

其中表示各用户服务缺失率的平均值，α表示满足用户服务质量的重要性指标，β表示满足比例公平的重要性指标，α、β均为正整数；

在上述(2a)-(2c)步骤中，当可分配资源不足时，不能满足所有用户服务质量要求，因此服务缺失率存在非零值，由于服务程度的不同而造成服务缺失率不同，通过每个用户的服务缺失率与平均服务缺失率的比较，得到相应的用户权值：当用户的服务缺失率高于平均服务缺失率时，相应的用户权值越大，在资源调度时便会向该用户分配更多的资源；当用户的服务缺失率低于平均服务缺失率时，相应的用户权值越小，在资源调度时便会向该用户分配较少的资源，从而达到用户间的比例公平；

在可用无线资源充足时，由于可以满足用户的服务质量要求，所以服务缺失率均为0，权值为1，此时用户权值表征的用户间比例公平成为次要目标，资源调度的主要目标变为最大化系统的吞吐量，从而实现系统吞吐量最大。

步骤3，选择在当前时隙内基站要服务的用户。

在调度开始之前，基站知道所有用户的信道状态信息，即基站可以利用信道估计获得从自身到所有用户的即时可达速率，基站处的调度操作是根据这些信息将自身的传输时隙分配给所有可能的用户，从而达到用户吞吐量的公平分配。在第i个时隙，第n个基站依据以下准则选择要调度的用户P_n：

$P_n=\arg \max \{{\mathrm{\&omega;}}_m\left(i\right)I_{\{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)<\log \left(S_m\right)\}}+I_{\{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;\log \left(S_m\right)\}}\}\frac{r_{n,m}\left(i\right)-T_{n,m}(i-1)}{T_m(i-1)},$

其中r_n,m(i)表示已知的在第i时隙第n个基站到第m个用户的信道速率； 均为示性函数，当log(T_m(i-1))小于log(S_m)时， $I_{\{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;log\left(S_m\right)\}}=0,$ 当log(T_m(i-1))大于log(S_m)时， $I_{\{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)<log\left(S_m\right)\}}=0,$ $I_{\{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;log\left(S_m\right)\}}=1;$

由于一个基站在一个时隙内只服务服务缺失率最大的用户，因此一个用户在一个时隙内可能从多个基站获得服务，同样一个用户在某个时隙内可能不会被任意一个基站服务。

步骤4，更新基站的本地用户吞吐量并将用户吞吐量信息广播给网络中的其他基站。

(4a)利用下式更新第m个用户从第n个基站获得的时间平均吞吐量T_n,m(i)：

$T_{n,m}\left(i\right)=\frac{i}{i-1}{T}_{n,m}(i-1)+\frac{1}{i}{r}_{n,m}\left(i\right)J_{n,m}\left(i\right),$

其中J_n,m(i)为第i个时隙第n个基站的调度示性函数，用于表示第m个用户是否被第n个基站服务：若第m个用户被第n个基站服务，即m＝P_n，则J_n,m(i)＝1；若第m个用户是未被第n个基站服务，即m≠P_n，则J_n,m(i)＝0。

(4b)按照步骤(4a)中更新时间平均吞吐量的方法，更新第n个基站中所有用户的本地时间平均吞吐量，并组成第n个基站的本地用户时间平均吞吐量向量T_n(i)＝[T_n,1(i),...,T_n,m(i),...,T_n,M(i)]，其中n＝1,...,N，基站将本地用户时间平均吞吐量向量T_n(i)广播给网络中的其他基站，使网络中的所有基站获知第m个用户从网络中获得的时间平均吞吐量的信息。

基站更新了本地用户时间吞吐量后，由于要获取网络内所有基站对用户的服务情况，因此基站要将本地的用户时间平均吞吐量广播给网络中的其他所有基站。通过基站间的信息交换实现基站间相互协作，以此来充分挖掘系统的多用户分级特性，从而提高了系统的吞吐量。

步骤5，根据用户的服务质量是否发生改变结束资源调度。

若当前M个用户的服务质量需求发生改变，即i＝K，则结束本轮基于用户服务质量S的资源调度，此时在K个时隙内用户的时间平均吞吐量为：该时间平均吞吐量即为满足比例公平的调度结果；

否则，返回步骤2继续进行下一时隙的资源调度。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

A、仿真条件

假设各个基站到用户的链路的可达速率满足指数分布，这种分布是瑞利分布在低信噪比下的近似。假设网络中基站数N＝5，共需服务用户数M＝8。用随机生成的矩阵： $V=\left[\begin{array}{cccccccc}15& 5& 13& 2& 15& 4& 9& 1\\ 6& 9& 13& 1& 7& 8& 1& 8\\ 14& 14& 4& 1& 12& 12& 3& 7\\ 1& 6& 7& 14& 2& 2& 1& 4\\ 5& 4& 1& 12& 4& 11& 4& 1\end{array}\right]$ 描述信道信息，矩阵V中第n行m列的值表示第n个基站到第m个用户链路速率服从的指数分布的期望值。同时为了能更为客观的评价分配给用户的空间流的公平程度，采用达到服务质量的比例的Jain公平指数作为仿真结果公平性的评价标准，Jain公平指数定义如下：

$J(x_1,...,x_m,...,x_M)=\frac{{\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^M{x}_m\right)}^2}{{\mathrm{M\&Sigma;}}_{m=1}^M{x}_m^2},$

其中[x₁,...,x_m,...,x_M]表示调度结果，Jain公平性指数的值越接近于1，表示越公平，等于1表示绝对公平。

用户权值的两个正整数常量设为α＝2，β＝18，仿真1000个时隙。

B、仿真内容

仿真1：在可用无线资源不足的情况下，各用户服务质量要求用向量表示为S＝[25,25,20,20,15,15,10,10]，采用本发明的调度方法与传统方法对不同服务质量需求用户进行资源分配，分配结果如图2所示，两种方法的调度公平性对比如图3所示。

仿真2：在可用无线资源充足的情况下，各用户服务质量要求用向量表示为S＝[20,20,12,12,12,12,6,6]，采用本发明的调度方法与传统方法对不同服务质量需求用户进行资源分配，分配结果如图4所示，两种方法的调度公平性对比如图5所示。

C、仿真结果

图2中采用本发明的调度方法各用户得到的时间平均可达速率与传统方法的数据对比如表1所示。

表1本发明与传统方法调度结果对比

由表1中各用户的时间平均可达速率计算得出采用本发明的系统吞吐量为20.3793，而若采用传统调度方法得到系统的吞吐量为20.8168。虽然从系统吞吐量上来看，本发明相较于传统调度方法系统吞吐量略有降低，但是从图2可以明显看到，本发明可以为不同服务质量要求的用户提供相应的服务，为有相同服务质量要求的用户提供相同质量的服务。

图3中本发明用户得到的时间平均可达速率达到其服务质量的比率与传统方法的数据对比如表2所示。

表2本发明与传统方法调度公平性数据对比

由表2中用户获得的服务达到用户服务质量QoS的比率计算出采用本发明的Jain公平性指数为0.9962，接近于完全公平，而采用传统方法的Jain公平性指数为0.9475。通过对比两种方法的Jain公平性指数发现，相比于不考虑服务质量QoS的传统多基站比例公平调度方法，在资源不足的情况下采用本发明虽然吞吐量略有下降，但是调度公平性却有较大提升。

图4中采用本发明的调度方法各用户得到的时间平均可达速率与传统方法的数据对比如表3所示。

表3本发明与传统方法调度结果对比

由表3中各用户的时间平均可达速率计算得出采用本发明的系统吞吐量为20.167，而若采用传统调度方法得到系统的吞吐量为20.8239。由结果可以看出，在资源充足的情况下，虽然采用本发明的调度方法使系统吞吐量有所下降，但是能够满足所有用户的服务质量QoS需求，而传统方法虽然系统吞吐量略高于本发明，但是由于未考虑服务质量QoS这一因素，使得调度结果未能满足用户1和用户2的服务质量QoS要求。

图5中本发明用户得到的时间平均可达速率达到其服务质量的比率与传统方法的数据对比如表4所示。

表4本发明与传统方法调度公平性数据对比

由表4中用户获得的服务达到用户服务质量QoS的比率计算出采用本发明的Jain公平性指数为0.9945，采用传统方法的Jain公平性指数为0.9465。通过对比两种方法的Jain公平性指数发现，在资源充足的情况下本发明相对于传统调度方法，由于保证了用户的服务质量QoS，因此调度公平性要明显高于传统的无差别的调度方法。

通过以上仿真结果表明，在资源调度中考虑到服务质量QoS这一因素后，本发明在资源不足的情况下相比于传统调度方法虽有系统吞吐量的略微下降，但是用户间资源分配的比例公平性有较大提高，而在资源充足的情况下，本发明以较小的系统吞吐量为代价保证了用户的服务质量，同时用户间的比例公平也有较大的提升。

Claims (1)

1.保证服务质量的多基站多用户比例公平调度方法，包括如下步骤：

(1)设置初始化参数：

设系统中基站数为N，需要服务的用户数为M；

依据用户的实际业务需求设定用户的服务质量集S＝[S₁,...,S_m,...,S_M]，其中S_m表示第m个用户的服务质量要求；设定这M个用户在K个时隙内保持服务质量要求S不变；

将第1到第i时隙中，第m个用户从第n个基站得到的时间平均吞吐量表示为T_n,m(i)，其中n＝1,2,...,N，m＝1,2,...,M，i表示时隙数，初始化为i＝1，并令所有链路的平均吞吐量T_n,m(1)＝1/N；

(2)令时隙i＝i+1，计算用户权值ω_m：

(2a)计算从第1到第i-1时隙中第m个用户从网络中所有基站获得的时间平均吞吐量： $T_m(i-1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{T}_{n,m}(i-1);$

(2b)根据第m个用户的时间平均吞吐量T_m(i-1)及其服务质量的要求S_m计算用户m的服务缺失率c_m：

当T_m(i-1)＜S_m时， $c_m=1-\frac{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)}{\log \left(S_m\right)};$

当T_m(i-1)≥S_m时，c_m＝0；

(2c)根据步骤(2b)中得到的用户的服务缺失率c_m计算用户权值ω_m：

当 $c_m>\stackrel{\&OverBar;}{c}$ 时， ${\mathrm{\&omega;}}_m=\mathrm{\&alpha;}{2}^{\mathrm{\&beta;}(c_m-\stackrel{\&OverBar;}{c})};$

当时，ω_m＝1；

其中表示各用户服务缺失率的平均值，α表示满足用户服务质量的重要性指标，β表示满足比例公平的重要性指标，α、β均为正整数；

(3)在第i个时隙，第n个基站依据以下准则选择要调度的用户P_n：

$P_n=\arg \max \{{\mathrm{\&omega;}}_m\left(i\right)I_{\{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)<\log \left(S_m\right)\}}+I_{\{\log \left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;\log \left(S_m\right)\}}\}\frac{r_{n,m}\left(i\right)-T_{n,m}(i-1)}{T_m(i-1)},$

其中r_n,m(i)表示已知的在第i时隙第n个基站到第m个用户的信道速率； 均为示性函数，当log(T_m(i-1))小于log(S_m)时 当log(T_m(i-1))大于log(S_m)时， $I_{\{log\left(T_m\right(i-1\left)\right)\&GreaterEqual;log\left(S_m\right)\}}=1;$

(4)利用下式更新第m个用户从第n个基站获得的时间平均吞吐量T_n,m(i)：

$T_{n,m}\left(i\right)=\frac{i}{i-1}{T}_{n,m}(i-1)+\frac{1}{i}{r}_{n,m}\left(i\right)J_{n,m}\left(i\right);$

其中J_n,m(i)为第i个时隙第n个基站的调度示性函数，用于表示第m个用户是否被第n个基站服务：若第m个用户被第n个基站服务，即m＝P_n，则J_n,m(i)＝1；若第m个用户是未被第n个基站服务，即m≠P_n，则J_n,m(i)＝0；

更新完第m个用户从第n个基站获得的时间平均吞吐量T_n,m(i)后，第n个基站将本地用户时间平均吞吐量向量T_n(i)＝[T_n,1(i),...,T_n,m(i),...,T_n,M(i)]广播给网络中的其他基站，使网络中的所有基站获知第m个用户从网络中获得的时间平均吞吐量的信息；

(5)根据用户的服务质量是否发生改变结束资源调度：

若当前M个用户的服务质量需求发生改变，即i＝K，则结束本轮基于用户服务质量S的资源调度，此时在K个时隙内用户的时间平均吞吐量为满足比例公平的调度结果；

否则，返回步骤2继续进行下一时隙的资源调度。