CN114727409B - 一种5g无线资源调度方法及下行调度系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G无线资源调度方法及下行调度系统，属于无线通信技术领域。该方法利用离散控制系统理论计算出各到达实时流在第f个系统帧需要传输的数据量；计算出实时流在每个传输时间段的优先级；判断是否有剩余的RB资源，如果没有调度结束；若有剩余RB资源，计算出非实时流每个传输时间段的优先级；一次调度结束后，清空MAC层数据队列，完成无线资源调度。本发明针对时间敏感业务型业务，可降低该业务类型的网络传输的丢包率，从而进一步降低该类业务延时。

Description

一种5G无线资源调度方法及下行调度系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种5G通信无线资源调度方法及下行调度系统。
背景技术
无线资源调度的目标是对空口无线资源进行管理和分配，为终端提供上下行数据传输服务。作为MAC层的核心功能之一，无线资源调度实现了时频资源的动态分配。在5G移动通信系统中，上下行链路的调度是分开的，调度结果依赖于5G基站侧上下行调度器所采用的调度策略。调度器的通用调度过程如图1所示。
可以看出，调度器的输入参数主要有：
a.UE反馈的HARQACK/NACK信息
收到NACK反馈的数据需要进行重传，重传数据的优先级高于新传数据；
b.基站侧RLC的数据缓存状态
对于上行调度，数据缓存状态由UE通过缓存状态报告(Buffer Status Report，BSR)上报给基站，以监测接收端UE需要传输的数据信息。对于下行调度而言，数据缓存状态由基站自身保存，表示等待传输的数据量。
c.UE上报的信道质量信息CQI
每个用户终端(User Equipment，UE)基于对小区参考信号(Channel StateInformation Reference Signal，CSI-RS)的测量得到下行信道的SINR值，并映射到CQI上，最后将计算出的CQI上报给基站。其中CQI上报根据承载的物理信道划分为周期性上报和非周期性上报，其中周期性上报的信息对实时性要求较高，只能由PUCCH承载，非周期性上报的信息可通过PUSCH承载。根据上报带宽是否占用整个系统带宽又划分为全带宽上报和子带宽上报。全带宽上报意味着子信道的CQI没有区别，调度器只需要在时域上考虑资源如何分配。造成的后果是对信道的不准确估计，影响调度结果。子带宽上报对于信道估计更准确，调度器需要同时考虑时域和频域的资源分配。主要影响是需要更多的信令资源。在实际应用中，可根据需要进行配置；
d.UE的历史吞吐量
过去一段时间内UE的传输数据量，可以用来适当降低高吞吐量用户的优先级，增加低吞吐量用户的调度机会；
e.业务QoS信息
由核心网下发，规定用户在吞吐率、时延、丢包率等方面所期望获得的服务水平。
调度器首先进行子信道级别的调度优先级计算，此过程运用一系列调度算法计算出调度优先级矩阵，用于后续RB资源分配。之后进行MCS选择，主要任务是在保证目标误块率的情况下选择使系统吞吐量最大的MCS。最后在前两步的基础上，确定RB数目和位置，确定TBS。
传统的无线资源调度算法有比例公平算法、对数法则调度算法、指数法则调度算法、FLS调度算法等，各种算法有不同特点。
比例公平算法PF的特点是兼顾了用户公平性和系统吞吐量，是常用的资源调度算法。其核心思想是在每个调度周期之内，计算出每个等待调度的用户流在每个子信道上的优先级指标。
对数法则调度算法(LOG-rule)的特点是将用户流根据业务QoS分为实时流和非实时流。非实时流依旧采用PF算法调度，实时流的调度优先级又考虑了在队头数据包的排队时延(Head of line delay，HOL)和频谱效率。其核心思想和PF算法相同。
指数法则调度算法(EXP-rule)在LOG-rule的基础上又为实时流调度优先级综合考虑了全局实时流的队头排队时延。
FLS(frame level scheduler)是一个分层调度算法，算法上层的设计是离散线性控制系统。假设有N个实时流等待传输，每个实时流对应一个队列，该离散线性控制系统负责针对所有实时流队列计算出在每个帧中的传输量。该算法的优点是只要实时流在帧内传输该传输量的数据，则流队列中数据包的排队时延在帧内是被保证的。
但是，上述传统算法中，除FLS算法外都没有考虑QoS时延与排队时延的关系，FLS算法虽然考虑了帧内待传数据量，却没有考虑传输时间间隔(Transmission TimeInterval，TTI)内待传输数据大小。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种5G无线资源调度方法及下行调度系统，该方法对FLS方法进行改进(下面称为M-FLS，即Modified-FLS)，该方法针对时间敏感业务型业务，可降低该业务类型的网络传输的丢包率，从而进一步降低该类业务延时。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种5G无线资源调度方法，包括以下步骤：
(1)根据基站到达业务流的队列长度和最大排队时延要求，利用离散控制系统理论计算出各到达实时流在第f个系统帧需要传输的数据量ui(f)；
(2)在每个传输时间间隔(Transmission Time Interval,TTI)起始处，通过用户终端(User Equipment，UE)反馈的信道质量和业务服务质量(Quality of Service，QoS)时延特性计算出实时流在每个无线资源块(Resource Block，RB)上的优先级并利用计算出的优先级为实时流分配无线资源块；
(3)步骤(2)分配结束后，检测现有无线资源块的利用情况，判断是否有剩余的无线资源块，如果没有无线资源块剩余则调度结束；否则，进入步骤(4)；
(4)在每个传输时间间隔起始处，计算出非实时流在每个无线资源块上的优先级，并利用计算出的优先级为非实时流分配无线资源块；
(5)一次调度结束后，清空MAC层数据队列，实现MAC调度器资源分配的功能。
进一步的，步骤(1)中，数据量ui(f)由下式计算：
其中，ui(f)表示在保证业务服务质量时延的前提下，实时流i在第f个系统帧中需要传输的数据量；qi(f)是在第f个帧开始时，第i个实时流对应的队列长度；Mi表示最大排队时延界限离散化后的采样点数，取值满足下式：
τi＝(Mi+1)Tf
τi表示实时流的最大排队时延上限，Tf表示采样间隔；
ci(n)表示离散控制系统过滤系数，取值为：
进一步的，所述步骤(2)中，计算实时流优先级并分配无线资源块的方法如下：
(S1)计算实时流i的距离端到端最大时延的剩余服务时延ti：
ti＝τi-DHOL,i
其中,τi表示实时流i的端到端最大时延；DHOL,i表示实时流i的队头排队时延，当其超过τi时，数据包将在发送端被丢弃；
(S2)计算第f个系统帧前s-1个子帧调度完成后，实时流i在第s个子帧及其后10-s个子帧需要传输的数据量datai,f,s：
其中，ui(f)表示实时流i在系统帧f中需要传输的数据量；
(S3)计算第k个子信道上实时流i在第f帧的第s个子帧上的优先级
其中，
式中，表示第k个子信道上实时流i的频谱利用率，E(SEi)表示实时流i的平均频谱利用率；
(S4)根据每个业务流的调度优先级，从上到下依次将无线资源块分给业务流。
进一步的，所述步骤(4)中，计算非实时流优先级并分配无线资源块的方法如下：
(S1)计算非实时流j的距离端到端最大时延的剩余服务时延tj：
tj＝τj-DHOL,j
其中,τj表示非实时流j的端到端最大时延；DHOL,j表示非实时流j的队头排队时延，当其超过τj时，数据包将在发送端被丢弃；
(S2)计算第f个系统帧前s-1个子帧调度完成后，非实时流j在第s个子帧及其后10-s个子帧需要传输的数据量dataj,f,s：
其中，ui(f)表示非实时流j在系统帧f中需要传输的数据量；
(S3)计算第k个子信道上非实时流j在第f帧的第s个子帧上的优先级
其中，
式中，表示第k个子信道上非实时流j的频谱利用率，E(SEj)表示非实时流j的平均频谱利用率；
(S4)根据每个业务流的调度优先级，从上到下依次将无线资源块分给业务流。
一种用于基站的下行调度系统，包括顶层模块、中间层模块、底层模块；
所述顶层模块运用上述步骤(1)计算各到达实时流在帧内的待传数据量，保证各实时流排队时延在所要求最大排队时延内；
所述中间层模块运用上述步骤(2)计算各实时流在每个无线资源块上的优先级，并将无线资源块分配给优先级最高的业务流；
所述底层模块在判断到有无线资源块剩余时，运用上述步骤(4)计算各非实时流在每个无线资源块上的优先级，并将无线资源块分配给优先级最高的业务流，完成调度过程。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用了一种5GMAC层资源调度方法，与FLS算法的执行流程相似，其将业务分为实时业务和非实时业务两部分，先对实时流业务进行资源分配，再对非实时业务进行资源分配，保证了业务传输的实时性，降低了系统延时。本发明与FLS算法不同的地方体现在中间层和底层不再使用PF调度优先级指标计算方式，本发明应用了考虑端到端最大时延和帧内待传数据量的M-LOGrule(Modified-LOGrule)算法，该算法可以应用在卫星、飞机及高铁等对系统延时有要求的应用场景中。
2、根据Cisco整理发布的网络应用流量报告，预测2022年，视频业务将占据移动数据的79％。本发明与现有技术相比，从移动数据实际使用情况出发，同时考虑到无线资源的有限性，选择优先保证视频类实时性强、传输数据量大的业务能够优先分配到无线资源，为此，基于现有FLS算法的架构基础，在分层调度中间层对调度优先级指标进行改进。
附图说明
图1为现有技术中5GMAC层资源调度方法的处理流程图。
图2为本发明实施例中M-FLS方法的原理示意图。
图3为计算优先级和分配RB资源的流程图。
图4为FLS算法和M-FLS算法的吞吐量比较图。
图5为FLS算法和M-FLS算法的丢包率比较图。
具体实施方式
为了使本公开的原理、技术流程方案以及优化效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
一种5G无线资源调度方法，其包括以下步骤：
(1)利用离散控制系统理论计算出各到达实时流在第f个系统帧需要传输的数据量ui(f)；
(2)计算出实时流在每个TTI的优先级，并利用计算出的优先级为实时流分配RB资源；
(3)判断是否有剩余的RB资源；
(4)若有剩余RB资源，则计算出非实时流每个TTI的优先级；
(5)一次调度结束后，清空MAC层数据队列；
步骤(1)中，数据量ui(f)由如下公式计算：
其中，ui(f)表示在保证业务QoS时延的前提下，第f个系统帧中，实时流i需要传输的数据量。qi(f)是在第f个帧开始时，第i个实时流对应的队列长度。Mi表示最大排队时延界限离散化后的采样点数，取值如下：
τi＝(Mi+1)Tf
其中，Tf表示采样间隔。
离散控制系统过滤系数ci(n)取值为：
步骤(2)中计算优先级并分配RB资源的方法为：
(S1)计算延时参数；
(S2)计算第f个系统帧前s-1个子帧调度完成后，实时流i在第s个子帧及其后10-s个子帧需要传输的数据量；
(S3)计算第k个子信道上实时流i在第f帧的第s个子帧上的优先级
(S4)按照计算每个业务流调度优先级，从上到下依次将RB块分给业务流；
具体地，步骤(S1)中，计算延时参数ti，设置如下：
ti＝τi-DHOL,i
其中，τi表示用户流i的端到端最大时延，DHOL,j表示用户流i的队头排队时延，当其超过τi时，数据包将在发送端被丢弃。ti表示用户流i的距离端到端最大时延的剩余服务时延。
步骤(S2)中，计算数据量参数datai,f,s，设置如下：
其中，ui(f)表示用户流i在系统帧f中需要传输的数据量。
步骤(S3)中，计算优先级参数设置如下：
其中，表示第k个子信道上实时流i在第f帧的第s个子帧上的优先级。表示第k个子信道上实时流i的频谱利用率。E(SEi)表示实时流i的平均频谱利用率。τi含义如前文所述，表示用户流i的端到端最大时延。
该方法可用于5G系统的基站MAC协议栈中，作为基站侧协议栈下行资源分配处理过程中的一个重要环节。上述基站可以是小基站、微基站、宏基站等基站设备，在此不做具体限定。下行资源分配的基本单元为资源块(Resource Block，RB)，频域上包含12个子载波。
以下为一个更具体的实施例：
以具有一定覆盖范围的小区基站为例进行说明，本实施例中包括：
根据待调度的业务类型，提供了4种用于下行无线资源分配的无线部署场景，分别为业务群组用户数量密度为50的无线场景，业务群组用户数量密度为100的无线场景，业务群组用户数量密度为150的无线场景，业务群组用户数量密度为200的无线场景。
在本实施例中为业务群组设置不同类型业务及业务流量模型，将业务流分为视频(Video)、网络电话(VoIP)2条实时流和固定比特率(Constant Bit Rate，CBR)、基于文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)的文件传输业务2条非实时流。各业务流有分别对应不同的5G QoS指示(5G QoS Indicator，5QI)。5QI是一组5G QoS特性的索引值，用于标记识别业务数据包的传输特性。标准化的5QI与5G QoS特性的映射关系在3GPP TS 23.501中Table 5.7.4-1给出。
其中，Video业务与5QI 1对应，属于保证比特率(Guaranteed Bit Rate，GBR)业务，时延阈值为150ms，视频帧率为每秒25帧，压缩标准为H.264，码率为8000kbps。VoIP业务与5QI6对应，属于GBR业务，时延阈值为100ms，流量模型设置为ON/OFF开关模型，ON的时长分布呈指数分布，平均值为3s，在ON周期内每20ms发送20字节的包，因此数据率为8kbps，OFF的时长也呈指数分布，时长上限为6.9s，平均值为3s，在OFF期间不发送数据。CBR与5QI70对应，属于非GBR业务，时延阈值为200ms，在固定间隔为0.04s产生固定大小5字节的包，因此数据率为1kbps。FTP业务与5QI82对应，属于非GBR业务，时延阈值为300ms，数据率为2MB/s。
按照上述参数，设置相关的仿真参数，比较了算法对运行时间的影响及在不同用户数量下实时流Video、VoIP，非实时流CBR、FTP的丢包率性能，重点关注了FLS和M-FLS算法在实时流Video的丢包率、吞吐量以及时延等方面的性能。验证了本算法对高速率且实时强的业务流传输的有效性。
基站在确定了待调度业务的类型后，调度器会根据调度输入参数计算业务的调度优先级从而进一步确定业务的调度策略。其中通用调度器输入参数包括：
UE反馈的HARQ ACK/NACK信息，在重传功能启用时收到NACK反馈的数据传输优先级将更高；基站侧的RLC数据缓存状态，对于下行调度的数据缓存状态由基站自身保存；UE上报的信道质量指示，对信道质量好的UE而言，提高优先级有利于提升系统的吞吐量；UE的历史吞吐量，对于历史吞吐量较大的UE，调整降低其调度优先级，反之，调整提高其调度优先级，可以适当均衡UE的调度机会；业务的QoS特性，其中包括：
业务资源类型、优先级水平、包时延、分组包错误率、平均窗口、最大数据突发量。
在本公开的实施例中，调度策略主要考虑用户上报的信道质量、业务队列长度和业务队列中排队时延最长的数据包时延。
进一步地，上述调度策略被称为改进的帧级别调度器(Modified Frame LevelScheduler，M-FLS)，分上下三层，图2为M-FLS方法的原理示意图。如图3所示，处理步骤如下：
步骤1，对应用于计算实时流待传输数据量的顶层，顶层框架应用离散时间控制理论，在本实施例中，用ui(f)表示用户流i在第f个系统帧上计算出的待传输数据量，计算公式如下：
该计算能够保证只要实时流i在整个系统帧内传输数据量ui(f)，则这些流队列中的数据包排队时延在系统帧中能够被保证。式中，qi(f)表示实时流i在第f个系统帧上开始时的队列长度，Mi表示最大排队时延界限离散化后的采样点数，ci(n)表示实时流i对应的过滤系数。Mi又可以表示为：
τi＝(Mi+1)Tf
τi表示实时流的最大排队时延上限，可以根据业务的属性自行设定，在本实施例中取值选取业务QoS对应的包时延阈值，Tf表示采样间隔。
其中，ci(n)取值如下：
步骤2，对应用于实时流资源调度优先级计算的中间层，在本实施例中，中间层用于为实时流资源分配RB资源块，调度优先级表示第k个子信道上实时流i在第f帧的第s个子帧上的优先级，其计算公式如下：
式中，bi、c、ai分别表示可调因子，取值如下式时算法的效果较好：
τi-DHOL,i表示剩余业务服务时延，即业务流QoS时延门限减去队头排队时延所剩余的时延限制。对应值越小，表示业务最早到期，相应的优先级会越高。E(SEi)表示实时流i的平均频谱利用率。τi含义如前文所述，表示用户流i的端到端最大时延。
datai,f,s表示在保证业务QoS时延的前提下第f个系统帧前s-1个子帧调度完成后，实时流i在第s个子帧及后10-s个子帧需要传输的数据量，也即业务在当前帧中仍需传输的数据量。计算公式如下：
表示第k个子信道上实时流i的频谱利用率。
中间层调度设计考虑了业务流的剩余服务时延，保证最早到期的业务可以优先获得无线调度资源，同时在时域维度中考虑了业务流的等待传输数据量，优先保障帧内待传数据量大的业务流优先获得无线调度资源。
步骤3，对应RB分配情况检测，如果有剩余RB，执行步骤4，否则调度结束，清空MAC队列。
步骤4，对应用于非实时流资源调度优先级计算的底层，调度设计如中间层所述，在此不做赘述。
本实施例可以在任何具有无线信道质量指示的无线通信系统中，实现下行调度系统。该下行调度系统包含多个功能单元，这些单元依次顺序执行，主要包括顶层模块、中间层模块、底层模块。
在无线帧起始位置，顶层单元运用上述公式计算实时流的待传输数据量；在每个传输时间单元起始处，本实施例中传输时间单元为一个slot时隙，中间层统计获得MAC层调度机会时的队头时延，计算剩余服务时延，计算当前帧内当前slot及其之后的待传数据量，代入公式计算优先级，之后根据计算出的结果为业务流分配RB。
另外，在有剩余RB资源剩余的情况下，按照中间层流程计算非实时流的优先级并进行RB资源分配，与传统的不区分实时流业务与非实时流业务的调度算法相比，进一步压缩了程序运行时长。作为整体实现了M-FLS算法的仿真验证。
根据上述仿真参数配置和算法流程处理，对比总结M-FLS和FLS在吞吐量和丢包率方面的性能表现，其中：
图4为FLS算法和M-FLS算法的吞吐量比较，在业务群组用户密度为50，100，150，200时以FLS算法调度的高码率实时性业务吞吐量分别为3.87Gbps、7.40Gbps、10.89Gbps和11.01Gbps，而以M-FLS算法调度的高码率实时性业务吞吐量分别为4.90Gbps、8.49Gbps、11.99Gbps和12.12Gbps，明显要优于FLS算法。
图5为FLS算法和M-FLS算法的丢包率比较，可以看出M-FLS算法丢包率要优于FLS算法。在业务群组用户密度为50，100，150，200时以FLS算法调度的高码率实时性业务丢包率分别为5.61％、9.57％、11.38％和13.82％，而以M-FLS算法调度的高码率实时性业务丢包率分别为4.88％、7.98％、11.34％和12.42％，明显要低于FLS算法。
可见，本发明对于实时性强且数据量大的业务，可保证其吞吐量和丢包率。
上面所描述的实施例仅是本发明一个具体的实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种5G无线资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据基站到达业务流的队列长度和最大排队时延要求，利用离散控制系统理论计算出各到达实时流在第f个系统帧需要传输的数据量ui(f)；其中，数据量ui(f)由下式计算：
其中，ui(f)表示在保证业务服务质量时延的前提下，实时流i在第f个系统帧中需要传输的数据量；qi(f)是在第f个帧开始时，第i个实时流对应的队列长度；Mi表示最大排队时延界限离散化后的采样点数，取值满足下式：
τi＝(Mi+1)Tf
τi表示实时流i的端到端最大时延，Tf表示采样间隔；
ci(n)表示离散控制系统过滤系数，取值为：
(2)在每个传输时间间隔起始处，通过用户终端反馈的信道质量和业务服务质量时延特性计算出实时流在每个无线资源块上的优先级并利用计算出的优先级为实时流分配无线资源块；具体方法如下：
(S201)计算实时流i的距离端到端最大时延的剩余服务时延ti：
ti＝τi-DHOL,i
其中,τi表示实时流i的端到端最大时延；DHOL,i表示实时流i的队头排队时延，当其超过τi时，数据包将在发送端被丢弃；
(S202)计算第f个系统帧前s-1个子帧调度完成后，实时流i在第s个子帧及其后10-s个子帧需要传输的数据量datai,f,s：
其中，ui(f)表示实时流i在系统帧f中需要传输的数据量；
(S203)计算第k个子信道上实时流i在第f帧的第s个子帧上的优先级
其中，
式中，表示第k个子信道上实时流i的频谱利用率，E(SEi)表示实时流i的平均频谱利用率；
(S204)根据每个业务流的调度优先级，从上到下依次将无线资源块分给业务流；
(3)步骤(2)分配结束后，检测现有无线资源块的利用情况，判断是否有剩余的无线资源块，如果没有无线资源块剩余则调度结束；否则，进入步骤(4)；
(4)在每个传输时间间隔起始处，计算出非实时流在每个无线资源块上的优先级，并利用计算出的优先级为非实时流分配无线资源块；具体方法如下：
(S401)计算非实时流j的距离端到端最大时延的剩余服务时延tj：
tj＝τj-DHOL,j
其中,τj表示非实时流j的端到端最大时延；DHOL,j表示非实时流j的队头排队时延，当其超过τj时，数据包将在发送端被丢弃；
(S402)计算第f个系统帧前s-1个子帧调度完成后，非实时流j在第s个子帧及其后10-s个子帧需要传输的数据量dataj,f,s：
其中，ui(f)表示非实时流j在系统帧f中需要传输的数据量；
(S403)计算第k个子信道上非实时流j在第f帧的第s个子帧上的优先级
其中，
式中，表示第k个子信道上非实时流j的频谱利用率，E(SEj)表示非实时流j的平均频谱利用率；
(S404)根据每个业务流的调度优先级，从上到下依次将无线资源块分给业务流；
(5)一次调度结束后，清空MAC层数据队列，实现MAC调度器资源分配的功能。
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CN202210403199.7A Active CN114727409B (zh) 2022-04-18 2022-04-18 一种5g无线资源调度方法及下行调度系统

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Title
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基于MAC层优先级调度的宽带电力线跨层资源分配;李敏 等;信息技术(第1期);全文 *

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