CN111586875A - 一种用于5g基站的下行时频资源调度方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于5G基站的下行时频资源调度方法和系统，首先根据需要传输数据的不同用户流队列长度和时延要求，计算一个调度周期内需要传输的数据量；将一个系统帧作为调度周期，根据调度优先级指标调度需要传输的数据量，得到调度结果矩阵；所述调度优先级指标将某一调度周期已经满足数据量调度要求的用户流的优先级提高；将整个系统帧的调度结果矩阵映射到该系统帧内的每个子帧的调度结果，最终实现根据子帧来进行实际的时频资源调度。本发明主要是将确定性传输的概念从有线网络中拓展到移动通信当中，能够对用户流提出的QoS时延需求在时频资源调度器层面进行保证，本发明同时还具有良好的频谱利用率以及较低的所有用户流的平均时延。

Description

一种用于5G基站的下行时频资源调度方法和系统
技术领域
本发明属于5G通信领域，具体涉及一种用于5G基站的下行时频资源调度方法和系统。
背景技术
在移动通信系统中，无线资源(一般指时间、频率、码字、空间、功率等)是稀缺的，即无线资源是有限的，为了满足人们对无线业务日益增长需求，充分地利用有限的无线资源来为人类服务是非常必要的，无线时频资源调度分配机制需要做的就是完成这个任务。
无线资源调度分配机制一般可以描述成这样：在基站的调度器上实时动态的控制时频资源的分配，某个用户流可以在一定时间内得到时频资源。目前无线资源调度算法都集中在如何使系统容量和用户流QoS(Quality of Service)间取得良好的平衡，例如M-LWDF，EXP，LOG等，这些算法虽然都考虑了用户流的QoS要求，但都只能够在某种程度上去满足用户流的QoS，却都不能够非常严格的保证用户流QoS中的时延要求，这显然是不能满足确定性传输业务需求的。无线资源调度算法一般也是通过三个指标来衡量的，它们分别是用户流公平性、用户流QoS需求和频谱利用率。
一般来说无线资源调度从大体上来讲分为智能调度和盲调度。智能调度主要考虑的因素是用户流的信道质量，也就是说系统会根据用户流的信道质量的反馈信息进行动态调度。而盲调度则不考虑用户流的任何其他因素，只根据用户流的性能参数进行调度。
与此同时，另外一个概念在有线网路中已经广泛应用，即确定性传输。所谓确定性传输指的是具有很低延迟和抖动的端到端的超可靠分组传输，具体的说，确定性传输就是要在目标服务所需求的时延界限内，成功发送到给定目标节点的数据包数量的百分比不能低于某个值(可靠性)。
但在移动网络中，确定性传输业务的实现却是个很大的难题。这中间涉及了很多的难点，包括移动通信空中接口处信道的时变性，用户流的移动性，用户流移动导致的切换等等，也包括在核心网处没有一个整体的架构可以将端到端时延分解到具体某个物理设备上的时延，以及设备间相互通信交换各自时延信息的相关的协议和信令也还没有被提出，还有就是现存的的时频资源调度算法也无法实现确定性传输所需要的强保证时延。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种一种用于5G基站的下行时频资源调度方法和系统，能够实现为尽可能多的用户流保证他们所提出的排队时延要求，即确定性传输，同时具有不错的频谱利用率以及较低的所有用户流的平均时延。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于5G基站的下行时频资源调度方法，该调度方法能够满足用户流所提出的时延要求，具体步骤如下：
(1)根据在5G基站中需要传输数据的不同用户流下行队列中数据包的队列长度以及不同用户流的时延要求，计算得出这些用户流在一个调度周期内需要传输的数据量。
(2)将一个系统帧作为调度周期，根据调度优先级指标为每个用户流调度由步骤(1)所计算出的需要传输的数据量，最终得到调度结果矩阵；所述调度优先级指标会随着用户流被满足数据传输要求的调度周期个数的增加而变大，从而能将某一调度周期已经满足数据量调度要求的用户流的优先级提高。
(3)将步骤(2)中得到的整个系统帧的调度结果矩阵中的每一列分别直接映射到该系统帧内的每个子帧的调度结果，最终实现根据子帧来进行实际的时频资源调度。
进一步地，步骤(1)中，计算用户流在某个调度周期内需要传输的数据量的公式如下：
Figure BDA0002469591630000021
τi＝(Mi+1)·Tf
其中，ui(k)表示第i条用户流在第k个调度周期内需要传输的数据量。qi(k)是该条流在第k个调度周期开始时数据队列的长度。Mi是用户流所提出的时延要求离散化后的取样间隔个数，Tf是取样间隔，即调度周期；τi是该条流提出的的最大时延界限需求。
进一步地，步骤(2)中，计算用户流调度优先级指标公式如下：
Figure BDA0002469591630000031
其中，
Figure BDA0002469591630000032
表示第j条用户流在第r个子带宽上的调度优先级指标，HOLDj是队列中第j条用户流第一个数据包的时延，MaxDelayj表示数据包从队列中第j条用户流丢弃的最大允许等待时间，
Figure BDA0002469591630000033
表示第j条用户流在第r个子带宽上频谱效率，SEmax(Spectralefficiency)表示最大频谱效率，tj表示第j条流的时延要求在连续的系统帧内都被满足的连续帧的个数，tj使得在连续的若干个系统帧内已经被调度满足要求的用户流的优先级高于未被满足要求的用户流，从而实现保证用户流在其整个持续时间内的时延。
进一步地，步骤(2)中，根据调度优先级指标为每个用户流调度由步骤(1)所计算出的需要传输的数据量的过程具体如下：优先调度具有最高的调度优先级指标的用户流，锁定用户流后，将整个带宽上所有拥有剩余资源的子带宽按照调度优先级指标从高到低排序，并将资源块从左到右分配给该用户流直到该用户流的需要传输的数据量被满足为止。接着调度下一个用户流，此循环一直持续直到没有剩余资源或是所有用户流的数据量要求都被满足为止。
一种用于5G基站的下行时频资源调度系统，该系统包括顶层调度模块、中间层调度模块和底层调度模块，在这三个调度模块共同作用下，保证用户流所提出的时延要求。
所述顶层调度模块运用排队论以及信号与控制系统的基本理论，根据在5G基站中需要传输数据的不同用户流下行队列中数据包的排队情况以及不同用户流的时延要求，计算用户流在一个调度周期内需要传输的数据量；
所述中间层调度模块采用基于系统帧的调度算法，该调度算法将一个系统帧作为调度周期，根据调度优先级指标为每个用户流调度由顶层调度模块所计算出的需调度数据量，最终得到调度结果矩阵；所述调度优先级指标会随着用户流被满足数据传输要求的调度周期个数的增加而变大，从而能将某一调度周期已经满足数据量调度要求的用户流的优先级提高。
所述底层调度模块遵循3GPP标准中所规定的调度规范，将中间层调度模块得到的一个系统帧的调度结果矩阵中的每一列分别直接映射到该系统帧内的每个子帧的调度结果，最终实现根据子帧来进行实际的时频资源调度。
本发明的有益效果：本发明提出的调度方法是一个完整的无线资源调度器，能够直接用于实际基站当中。本发明能够保证那些时延要求很严格的用户流的调度队列排队时延，并且不只是在一段时间内而是在这些流整个持续过程中产生的数据包都可以被保证。即便是在系统负荷过大，整个系统容量不足以满足所有用户流的调度时延要求时，本发明的调度方法也能够在这些流中选择出一些用户流来进行其整个持续过程的时延保证，基于此，本发明可以用于很多对时延要求苛刻的场景之下，比如工业自动化，工业控制等领域。与此同时，本发明在其他性能衡量指标如频谱利用率，所有流的平均时延等方面也具有良好的表现，基于此，本发明也可以用于一般场景之下，如移动宽带宽业务等。
附图说明
图1为本发明时频资源调度系统的总体层次示意图。
图2为实时流的丢包率对比结果图。
图3为尽力而为流的平均吞吐量对比结果图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的提供的一种用于5G基站的下行时频资源调度方法，通过5G基站将用户流中具有严格时延要求的实时流(real-time flow)和没有时延要求的尽力而为流(best-effort flow)分开考量。具体步骤如下：
(1)根据在5G基站中需要传输数据的不同用户流下行队列中数据包的队列长度以及不同用户流的时延要求，计算得出这些用户流在一个调度周期内需要传输的数据量。用以下公式计算出第i条实时流在第k个系统帧内所需要传输的数据量ui(k)来满足它的时延要求：
Figure BDA0002469591630000051
τi＝(Mi+1)·Tf
其中，qi(k)是该条流在第k个系统帧开始时数据队列的长度。Mi是离散化后的时延界限的取样间隔个数，见公式2，其中Tf是取样间隔(在本发明中是基于系统帧调度，所以Tf＝10ms)；τi是该条流的最大时延界限需求。
(2)将一个系统帧作为调度周期，根据调度优先级指标为每个用户流调度由步骤(1)所计算出的需要传输的数据量，最终得到调度结果矩阵；调度过程具体如下：优先调度具有最高的调度优先级指标的用户流，锁定用户流后，将整个带宽上所有拥有剩余资源的子带宽按照调度优先级指标从高到低排序，并将资源块从左到右分配给该用户流直到该用户流的需要传输的数据量被满足为止。接着调度下一个用户流，此循环一直持续直到没有剩余资源或是所有用户流的数据量要求都被满足为止。所述调度优先级指标会随着用户流被满足数据传输要求的调度周期个数的增加而变大，从而能将某一调度周期已经满足数据量调度要求的用户流的优先级提高。计算用户流调度优先级指标公式如下：
Figure BDA0002469591630000052
其中，
Figure BDA0002469591630000053
表示第j条用户流在第r个子带宽上的调度优先级指标，HOLDj是队列中第j条用户流第一个数据包的时延，MaxDelayj表示数据包从队列中第j条用户流丢弃的最大允许等待时间，
Figure BDA0002469591630000054
表示第i条用户流在第r个子带宽上频谱效率，SEmax(Spectralefficiency)表示最大频谱效率，tj表示第j条流的时延要求在连续的系统帧内都被满足的连续帧的个数，tj使得在连续的若干个系统帧内已经被调度满足要求的用户流的优先级高于未被满足要求的用户流，从而实现保证用户流在其整个持续时间内的时延。
(3)将步骤(2)中得到的整个系统帧的调度结果矩阵中的每一列分别直接映射到该系统帧内的每个子帧的调度结果，最终实现根据子帧来进行实际的时频资源调度。
本发明还提供了一种用于5G基站的下行时频资源调度系统，该系统包括顶层调度模块、中间层调度模块和底层调度模块，在这三个调度模块共同作用下，保证用户流所提出的时延要求。
所述顶层调度模块运用排队论以及信号与控制系统的基本理论，根据在5G基站中需要传输数据的不同用户流下行队列中数据包的排队情况以及不同用户流的时延要求，计算用户流在一个调度周期内需要传输的数据量；
所述底层调度模块遵循3GPP标准中所规定的调度规范，将中间层调度模块得到的一个系统帧的调度结果矩阵中的每一列分别直接映射到该系统帧内的每个子帧的调度结果，最终实现根据子帧来进行实际的时频资源调度。
所述中间层调度模块，本发明采用了基于系统帧的调度策略，以下称之为FBRA(Frame Based Resource Allocator)。在第k帧开始时，每个实时流获得的ui(k)值传递给FBRA模块。FBRA首先在实时流中调度RB(Resource Block)以满足其数据需求ui(k)，如果存在未分配的RB，则再进行调度尽力而为流。具体调度算法解释如下：
首先将所有实时流在不同的子带宽都计算出一个不同的优先级度量值。该度量值是根据流在子带宽上的频谱效率、用队列中第一个数据包的排队时延表示的流量紧急程度以及连续保证了该流时延要求的系统帧的个数tj来计算的。
在最开始调度时，所有实时流的t值均为0，一旦在一个系统帧中某些流的时延要求被保证(即在该系统帧中这些流成功调度完成了由顶层调度模块计算出的数据量)，则这些流的t值加1.使得在下一个系统帧开始调度时，这些流的优先级指标会高于其他流。一旦在某个系统帧这些流的要求没有被满足，则这些流的t值会重新归0。这里的度量指标设计可以保证某些流从开始到结束一直满足其时延要求，因为一旦一个流在一个系统帧中被满足了其时延需求，它会增加优先级，使得其优先级绝对大于那些没有在该系统帧中被安排调度满足了传输数据要求的流。于是，这里的性能指标能够满足一些流的确定性传输服务。对于尽力而为流，度量值指标与常用的公平比例调度算法(PF)调度策略相同。
得到优先级度量指标之后，就可以开始实际的调度。在一个系统帧的开始，当顶层调度模块将每个实时流需要传输的数据ui(k)传递到中间层调度模块后，将会执行FBRA，它首先会调度实时流。对实时流的调度处于不断的循环中，直到所有实时流都已被调度或者没有剩余的RB资源。在每一轮循环中，首先在所有没有被调度完成的流当中，选择一条拥有最大度量值的流，这里所谓最大度量值指的是在存在剩余RB资源的的子带宽上具有的最大度量值(假设有I条未被调度完成的流，S个具有剩余RB资源的子带宽，则取I×S优先级度量值矩阵中具有最大度量值值的那条流)。
当上述一条流被选择之后，需要一直为这条流调度资源直到这条流需要调度的数据量被满足为止。具体为该流的调度如下：为所选流在所有具有剩余RB资源的子带宽上的度量值从高到底进行排序，从而选择出度量值最高的子带宽，在该子带宽上为该流分配尽可能多的RB直到满足该流的需求，或者直到所选子带宽的所有剩余RB资源耗尽。如果在该子带宽上分配的资源满足了流的所需数据，则对这条流的调度结束，一轮循环结束，该算法将转到下一轮循环并选择一条新的流持续此过程。如果这个子带宽所有的剩余资源都不够满足流的所需数据，那么在这一轮中，程序将再次选择拥有次大度量值的的子带宽来将RB分配给该流，此行为将持续进行直到满足该流的数据量要求为止。
在完成实时流的调度之后，如果在整个带宽上仍然存在一些尚未分配的剩余RB，则可以用来调度尽力而为流。对于尽力而为流的调度具体如下：对所有拥有剩余RB资源的子带宽从上而下进行一次循环。一次循环选定一个子带宽，对该子带宽而言度量值最大的一条尽力而为流会被选择，然后为该流分配尽可能多的RB直到所选子带宽的所有剩余资源耗尽。然后选择下一个子带宽重复上述过程，该循环一直持续进行直到所有资源都被分配。
在底层调度模块，当中间层FBRA在系统帧级别将RB分配给流之后，底层调度模块只需要使用从中间层获得的RB分配矩阵，进行常量时间的查找操作就可以在每个子帧上实际分配RB。
通过用于5G基站的下行时频资源调度系统中三个调度模块共同作用下，本发明能够实现为尽可能多的用户流严格保证他们所提出的时延要求，同时具有不错的频谱利用率以及较低的所有用户流的平均时延。
以下对本发明的性能进行仿真测试，仿真测试在开源的LTE-sim系统级仿真平台上进行，仿真过程中本发明方法TLS对比EXP，LOG，FLS三种方法，将丢包率，吞吐量以及能够在流持续时间内保证其时延的流的个数情况作为评价指标。
表1仿真参数
Figure BDA0002469591630000071
Figure BDA0002469591630000081
在仿真过程中，将视频流的时延要求设置为0.04s。需要明确的是，本仿真不考虑HARQ重传，并且将超过时延的数据包直接丢弃，所以可以用丢包率这一指标表示流的时延满足情况。
表2丢包率为0的用户数量
Figure BDA0002469591630000082
从表中可以看出，本发明的调度方法即使是在用户数量很多，系统负荷很大时，也能够保证其中一些视频流的时延，而作为对比的方法有的一直无法满足时延，有的只能在用系统负荷极低时满足一些流的时延。
图2是对视频流的总体丢包率的对比结果，无论是在系统负荷较低时，还是负荷较高时，本发明的方法都能够取得良好的丢包率，并且在系统负荷较高的，本发明的丢包率明显优于对比算法。
图3是对尽力而为流的平均吞吐量对比结果，由于是用户平均吞吐量，所以随着用户数量增多吞吐量降低。在系统负荷较低时，本发明的吞吐量性能一般，原因在于本发明致力于满足实时流的时延要求，所以消耗了较多的资源用于传输视频流，在尽力而为流上的吞吐量就有所下降。在系统负荷增大时，本发明的吞吐量性能已经逼近对比算法，说明本发明在保证实时流时延的同时，也具有不错的平均吞吐量，没有很严重的频谱利用率降低的情况。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于5G基站的下行时频资源调度方法，其特征在于，该调度方法能够满足用户流所提出的时延要求，具体步骤如下：
(1)根据在5G基站中需要传输数据的不同用户流下行队列中数据包的队列长度以及不同用户流的时延要求，计算得出这些用户流在一个调度周期内需要传输的数据量。
(2)将一个系统帧作为调度周期，根据调度优先级指标为每个用户流调度由步骤(1)所计算出的需要传输的数据量，最终得到调度结果矩阵；所述调度优先级指标会随着用户流被满足数据传输要求的调度周期个数的增加而变大，从而能将某一调度周期已经满足数据量调度要求的用户流的优先级提高。
(3)将步骤(2)中得到的整个系统帧的调度结果矩阵中的每一列分别直接映射到该系统帧内的每个子帧的调度结果，最终实现根据子帧来进行实际的时频资源调度。
2.根据权利要求1所述的一种用于5G基站的下行时频资源调度方法，其特征在于，步骤(1)中，计算用户流在某个调度周期内需要传输的数据量的公式如下：
Figure FDA0002469591620000011
τi＝(Mi+1)·Tf
其中，ui(k)表示第i条用户流在第k个调度周期内需要传输的数据量。qi(k)是该条流在第k个调度周期开始时数据队列的长度。Mi是用户流所提出的时延要求离散化后的取样间隔个数，Tf是取样间隔，即调度周期；τi是该条流提出的的最大时延界限需求。
3.根据权利要求1所述的一种用于5G基站的下行时频资源调度算方法，其特征在于，步骤(2)中，计算用户流调度优先级指标公式如下：
Figure FDA0002469591620000012
其中，
Figure FDA0002469591620000013
表示第j条用户流在第r个子带宽上的调度优先级指标，HOLDj是队列中第j条用户流第一个数据包的时延，MaxDelayj表示数据包从队列中第j条用户流丢弃的最大允许等待时间，
Figure FDA0002469591620000021
表示第j条用户流在第r个子带宽上频谱效率，SEmax(Spectral efficiency)表示最大频谱效率，tj表示第j条流的时延要求在连续的系统帧内都被满足的连续帧的个数，tj使得在连续的若干个系统帧内已经被调度满足要求的用户流的优先级高于未被满足要求的用户流，从而实现保证用户流在其整个持续时间内的时延。
4.根据权利要求1所述的一种用于5G基站的下行时频资源调度方法，其特征在于，步骤(2)中，根据调度优先级指标为每个用户流调度由步骤(1)所计算出的需要传输的数据量的过程具体如下：优先调度具有最高的调度优先级指标的用户流，锁定用户流后，将整个带宽上所有拥有剩余资源的子带宽按照调度优先级指标从高到低排序，并将资源块从左到右分配给该用户流直到该用户流的需要传输的数据量被满足为止。接着调度下一个用户流，此循环一直持续直到没有剩余资源或是所有用户流的数据量要求都被满足为止。
5.一种用于5G基站的下行时频资源调度系统，其特征在于，该系统包括顶层调度模块、中间层调度模块和底层调度模块，在这三个调度模块共同作用下，保证用户流所提出的时延要求。
所述顶层调度模块运用排队论以及信号与控制系统的基本理论，根据在5G基站中需要传输数据的不同用户流下行队列中数据包的排队情况以及不同用户流的时延要求，计算用户流在一个调度周期内需要传输的数据量；
所述中间层调度模块采用基于系统帧的调度算法，该调度算法将一个系统帧作为调度周期，根据调度优先级指标为每个用户流调度由顶层调度模块所计算出的需调度数据量，最终得到调度结果矩阵；所述调度优先级指标会随着用户流被满足数据传输要求的调度周期个数的增加而变大，从而能将某一调度周期已经满足数据量调度要求的用户流的优先级提高。
所述底层调度模块遵循3GPP标准中所规定的调度规范，将中间层调度模块得到的一个系统帧的调度结果矩阵中的每一列分别直接映射到该系统帧内的每个子帧的调度结果，最终实现根据子帧来进行实际的时频资源调度。
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