CN110290590B - 一种改进权重的lte系统mac层资源块的分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于LTE下行调度技术领域，公开了一种基于改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法，计算用户i在每个子载波的信干噪比、用户i在每个RB的有效信噪比、用户i在第t个TTI时在每个RB所能达到的传输速率；数据包下发到链路控制层的缓冲区中，更新用户缓冲区队列长度；对RB进行轮流分配，利用优先级公式计算用户i在第j个RB上的用户优先级；第j个RB分配结束后根据公式更新用户缓冲区中的数据量；直到所有的RB分配完毕或者所有用户的缓冲区都为空；MAC层的控制器根据优先级规则进行资源块的分配，用户利用分配到的资源块传输数据。本发明在保证用户吞吐量不下降的前提下，系统用户感知速率有明显的提升。

Description

一种改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法

技术领域

本发明属于LTE(Long Term Evolution，长期演进)下行调度技术领域，尤其涉及一种改进权重的LTE系统媒体接入控制(MAC)层资源块的分配方法。

背景技术

LTE作为革命性的移动通信技术已经得到广泛应用，以LTE为基石的第五代移动通信技术即将投入商用。在突发性业务模型下，数据包下发到链路控制层的缓存区中，用户数据包在缓存区中未及时分配到无线信道进行传输从而堆积形成了队列。在无线通信中，用户共享有限的带宽，因此可以用多队列多服务器系统模拟LTE系统中资源块的分配。系统用户感知速率(SUPT)作为一种新的指标被3GPP引入，用来衡量系统用户体验质量。

调度作为一种带宽资源分配技术，能够有效提高移动信道利用率和用户体验质量。经典的调度算法有：最大噪干比(MAX C/I)、轮询(RR)、比例公平(PF)等。然而，这些调度算法并没有考虑到用户队列的长度，导致有限的资源有可能分配到空的队列进而造成带宽资源的浪费。当系统处于高负载下时，这些调度算法也可能使得系统不稳定，也就是队列中数据的到达速率会大于服务速率。短队列优先(SF)算法在某种程度上可以最大化系统用户感知速率，但是在高负载下并不能保证系统的稳定性。最大权重(MW)算法是一种综合考虑用户队列长度和信道质量的调度算法。MW在维持系统队列稳定的条件下，能够使系统吞吐量最大化。多点协作技术被用作一种集中式调度算法来提高用户感知速率，但是由于基站间需要信息交互，因此引入额外的信令开销。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术一利用多点协作技术提出了一种集中式调度算法提高用户感知速率，但是由于基站间需要信息交互，因此引入额外的信令开销。

(2)现有技术二传统调度方法(如PF,RR,MAX C/I)，没有考虑到用户队列的长度，导致有限的资源有可能分配到空的队列进而造成带宽资源的浪费。当系统处于高负载下时，这些调度算法也可能使得系统不稳定。

解决上述技术问题的难度和意义：

针对LTE系统，如何通过设计合理的资源块分配方法(调度算法)，保证系统稳定性的前提下，最大化系统用户感知速率。短队列优先(SF)算法在某种程度上可以最大化系统用户感知速率，同时也有系统高时延的问题，在高负载下甚至会有系统不稳定。MW调度算法可以保证系统的稳定性，但是通过MW调度算法得到的系统用户感知速率不如SF调度算法。综上所述，解决上述调度问题的主要困难在于保证系统稳定性的同时如何最大化系统用户感知速率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法。

本发明是这样实现的，一种改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法，所述改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法包括：

第一步，根据用户i接收到的信号，算出用户i在每个子载波的信干噪比；根据用户i在每个子载波的信干燥比，算出用户i在每个RB的有效信噪比；根据用户i在每个RB的有效信噪比，算出用户i在第t个TTI时在每个RB所能达到的传输速率；

第二步，数据包下发到链路控制层的缓冲区中，更新用户缓冲区队列长度；

第三步，对RB进行轮流分配，根据用户i在第t个TTI上在每个RB所能达到的传输效率，及每个用户缓冲区中的数据量，利用公式计算用户i在第j个RB上的用户优先级因子；

第四步，第j个RB分配结束后根据公式更新用户缓冲区中的数据量；

第五步，重复第一步-第四步，直到所有的RB分配完毕或者所有用户的缓冲区都为空；

第六步，重复第一步-第五步，进行下一时刻的调度。

进一步，所述第二步的缓冲区的队列更新如下：

Q_i(t)＝Q_i(t-1)+a_i(t)；

a_i(t)表示的是在当前时刻进入到缓冲区的数据量；Q_i(t)表示的是当前时刻调度最开始时缓冲区的数据量；Q_i(t-1)表示的是上一时刻调度结束时缓冲区的数据量。

进一步，所述第三步的调度优先级的计算如下：

r_i,j是表示用户i在第j个RB上实现的传输速率；Q_i,j是表示用户i在分配第j个RB时的队列长度；V是表示控制调度优先级因子的参数。

进一步，当调度优先级公式中的V取0时，对应的调度算法就是MW调度；当V取到无穷大时，对应的调度算法可以理解为SF算法；MW调度中的权重是队列长度，本发明调度算法中选取权重为关于队列长度的对号函数；选取Lyapunov函数

和合适控制调度优先级因子的参数V,通过Forster-Lyapunov定理证明本发明调度算法在任意时刻均满足L(Q(t))＜∞。

进一步，所述第四步的用户缓冲区数据更新如下：

Q_i,j+1(t)＝Q_i,j(t)-b_i,j(t)；

b_i,j(t)是表示用户i在当前TTI与当前第j个RB上传输的数据量；Q_i,j+1(t)是表示用户i在当前TTI在分配第j个RB后队列长度。

进一步，所述若用户分配到当前RB，则根据当前RB可传输的数据量更新用户缓冲区的数据量；若用户未分配到当前RB，则表明用户缓冲区的数据量不变。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法的移动通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的LTE下行资源调度算法在保证系统稳定性前提下，提高了系统用户感知速率，同时也可以实现系统时延和系统用户感知速率之间的平衡。本发明的LTE下行资源调度算法能够得到与MW调度方法相同的系统吞吐量和稳定域。本发明的LTE下行资源调度算法考虑了队列长度，充分利用了带宽资源，不存在RB分配给空队列用户而没有分配到真正有需求的用户的情况。

本发明的基于改进权重的LTE系统媒体接入控制(MAC)层的资源块的分配方法，MAC层的控制器根据优先级规则进行资源块的分配，用户利用分配到的资源块传输数据。由于用户没有及时分配到资源块，数据下发到链路控制(RLC)层的缓冲区堆积形成队列。本发明在传统的最大权重(MW)调度基础上，提出了一种基于改进权重的调度算法。传统的MW调度算法以队列长度为权重，改进的方案中用一个关于队列长度的对号函数取代了原来的权重系数。与MW调度、轮询(RR)调度、短队列优先(SF)调度算法相比，本发明调度算法在保证用户吞吐量不下降的前提下，系统用户感知速率有明显的提升。通过Forster-Lyapunov定理证明本发明调度算法在各种负载下均可以维持系统的稳定性，保证较低的系统时延。此外，本发明调度算法考虑了用户队列的长度，因此，不会对缓冲区为空的用户进行调度，避免了带宽的浪费。

附图说明

图1是本发明实施例提供的改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法流程图。

图2是本发明实施例提供的LTE下行资源调度模型示意图。

图3是本发明实施的调度与最大权重(MW)调度、轮询(RR)调度、短队列优先(SF)调度相比，关于系统用户感知速率的对比图。

图4是本发明实施的调度与最大权重(MW)调度、轮询(RR)调度、短队列优先(SF)调度相比，关于系统吞吐量的对比图。

图5是本发明实施的调度与最大权重(MW)调度相比，关于系统时延的对比图。

图6是轮询(RR)调度与短队列优先(SF)调度相比，关于系统时延的对比图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术利用多点协作技术提出了一种集中式调度提高用户感知速率，但是由于信息交互需要引入额外的信令开销；MW调度方法并不能够使得系统的用户感知速率达到最佳。本发明保证系统稳定的前提下，提高系统用户感知速率。

下面结合附图对本发明的技术方案作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法包括以下步骤：

S101：根据用户i接收到的信号，算出用户i在每个子载波的信干噪比；根据用户i在每个子载波的信干噪比，算出用户i在每个RB的有效信噪比；根据用户i在每个RB的有效信噪比，算出用户i在第t个TTI时在每个RB所能达到的传输效率；

S102：数据包下发到链路控制层的缓冲区中，更新用户缓冲区队列长度；

S103：对RB进行轮流分配，根据用户i在第t个TTI上在每个RB所能达到的传输效率，及每个用户缓冲区中的数据量，利用优先级公式计算用户i在第j个RB上的用户优先级因子；

S104：第j个RB分配结束后根据公式更新用户缓冲区中的数据量；

S105：重步骤S101-步骤S104，直到所有的RB分配完毕或者所有用户的缓冲区都为空；

S106：重复步骤S101-步骤S105，进行下一时刻的调度。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，本发明的应用场景为长期演进LTE网络下行资源分配。可以用一个多队列多服务器系统模拟LTE系统中资源块的分配。选取一个有4个用户10个RB的系统，在时域上调度周期为1ms，也称为传输时间间隔(TTI)，在调度期间用户的信道是静态的，但是在时域上是时变的。

本发明实施例提供的改进权重的LTE系统链路控制层资源块的分配方法具体包括以下步骤：

步骤一，模拟用户信道的变化，随机生成用户i在第t个TTI上每个RB所能实现的传输速率；

步骤二，数据包下发到链路控制层的缓冲区，更新缓冲区中的队列长度：

Q_i(t)＝Q_i(t-1)+a_i(t)；

a_i(t)表示的是在当前时刻进入到缓冲区的数据量；Q_i(t)表示的是当前时刻调度最开始时缓冲区的数据量；Q_i(t-1)表示的是上一时刻调度结束时缓冲区的数据量；

步骤三，对RB轮询分配，根据用户队列中数据长度，用户在RB上实现的瞬时传输速率，计算用户i在相应RB上的调度优先级如下：

r_i,j是表示用户i在第j个RB上实现的传输速率；Q_i,j是表示用户i在分配第j个RB时的队列长度；η是表示控制调度优先级因子的参数；

步骤四，拥有最大调度优先级的用户获得相应的RB。每一个RB分配结束后，更新用户缓冲区中的队列长度：

Q_i,j+1(t)＝Q_i,j(t)-b_i,j(t)；

b_i,j(t)是表示用户i在当前TTI与当前第j个RB上传输的数据量；Q_i,j+1(t)是表示用户i在当前TTI在分配第j个RB后队列长度。若用户分配到当前RB，则根据当前RB可传输的数据量更新用户缓冲区的数据量；若用户未分配到当前RB，则表明用户缓冲区的数据量不变。

重复步骤三和步骤四直到所有的RB分配完毕，或者所有用户的缓冲区都为空，此时第t个TTI的调度完成。

1)当V取0时，对应的调度方法就是MW调度。当V取到无穷大时，对应的调度可以理解为短队列优先的调度方法；

2)MW调度中的权重可以看成是队列长度，本发明调度方法中的权重可以看成是关于队列长度的对号函数。也就是说队列长度很小或者很大的用户优先得到服务；

3)选取Lyapunov函数

和合适控制调度优先级因子的参数V,通过Forster-Lyapunov定理证明本发明调度算法在任意时刻均满足L(Q(t))＜∞,也就是说不会存在某一个队列长期数据到达速率大于相应的服务速率的情况，因此可以保证系统的稳定性。

下面结合附图对本发明的技术效果作详细的描述。

通过调整数据包的到达速率设置轻载、中载、高载三种负载仿真场景，具体的仿真参数如表1所示。

表1

在本实验中，从系统用户感知速率、系统平均吞吐量、系统平均队列长度这三个角度出发,将本发明调度(MMW)算法与最大权重(MW)调度、轮询(RR)调度、短队列优先(SF)调度算法的性能进行比较。图3给出了在三种负载场景下各个调度方案的系统用户感知速率。如图3所示，在各种负载场景下，本发明调度算法下的系统用户感知速率均优于MW和RR调度算法的SUPT；在中、高负载下SF调度能够获得最佳的系统用户感知速率。在轻、中负载下能明显体现出本发明调度算法的优越性。图4给出了在三种负载下各个调度算法的系统平均吞吐量。在三种负载下，本发明调度算法总能取得与MW几乎一致的吞吐量；在中、高负载下RR与SF调度算法的吞吐量远低于其他两种调度算法，因此导致了系统的不稳定。图5和图6给出了在三种负载下本发明MMW、MW、RR及SF调度算法的系统平均队列长度。如图6所示，在中、高负载下RR与SF调度算法带来较高的系统时延。如图5本发明调度算法的系统时延只是稍高于MW。因此，本发明调度算法能够在系统时延和系统用户感知速率之间达到较好的均衡。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法，其特征在于，所述改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法包括：

第一步，根据用户i接收到的信号，算出用户i在每个子载波的信干噪比；根据用户i在每个子载波的信干噪比，算出用户i在每个RB的有效信噪比；根据用户i在每个RB的有效信噪比，算出用户i在第t个TTI时在每个RB所能达到的传输速率；

第二步，数据包下发到链路控制层的缓冲区中，更新用户缓冲区队列长度；

第三步，对RB进行轮流分配，根据用户i在第t个TTI上在每个RB所能达到的传输速率，以及每个用户缓冲区中的数据量，利用优先级公式计算用户i在第j个RB上的用户优先级；调度优先级的计算如下：

r_i,j是表示用户i在第j个RB上实现的传输速率；Q_i,j是表示用户i在分配第j个RB时的队列长度；V是表示控制调度优先级因子的参数；

第四步，第j个RB分配结束后根据公式更新用户缓冲区中的数据量；

第五步，重复第一步-第四步，直到所有的RB分配完毕或者所有用户的缓冲区都为空；

第六步，重复第一步-第五步，进行下一时刻的调度。

2.如权利要求1所述的改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法，其特征在于，所述第二步的缓冲区的队列更新如下：

Q_i(t)＝Q_i(t-1)+a_i(t)；

a_i(t)表示的是在当前时刻进入到缓冲区的数据量；Q_i(t)表示的是当前时刻调度最开始时缓冲区的数据量；Q_i(t-1)表示的是上一时刻调度结束时缓冲区的数据量。

3.如权利要求1所述的改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法，其特征在于，当调度优先级公式中的V取0时，对应的调度算法就是MW调度；当V取到无穷大时，对应的调度规则理解为短队列优先SF的调度算法；MW调度中的权重是队列长度，调度算法中选取的权重是关于队列长度的对号函数；选取Lyapunov函数

和控制调度优先级因子的参数V,通过Forster-Lyapunov定理证明调度算法在任意时刻均满足L(Q(t))＜∞。

4.如权利要求1所述的改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法，其特征在于，所述第四步的用户缓冲区数据更新如下：

Q_i,j+1(t)＝Q_i,j(t)-b_i,j(t)；

b_i,j(t)表示用户i在当前TTI与当前第j个RB上传输的数据量；Q_i,j+1(t)表示用户i在当前TTI分配第j个RB后的队列长度。

5.如权利要求4所述的改进权重的LTE系统MAC层资源块的分配方法，其特征在于，若用户分配到当前RB，则根据当前RB可传输的数据量更新用户缓冲区的数据量；若用户未分配到当前RB，则表明用户缓冲区的数据量不变。

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