CN1200574C

CN1200574C - 采用受控反馈的移动通信资源调度方法

Info

Publication number: CN1200574C
Application number: CN 01136397
Authority: CN
Inventors: 张欣; 杨大成
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2021-10-15
Also published as: CN1339927A

Abstract

本发明提供的技术用于移动通信系统中，在相互竞争的服务请求之间高效、合理、实时地分配和调度资源，在减少调度开销的同时提高调度算法对资源的综合利用效率，易于实现，应用方式灵活。本发明通过设定动态准则限制和过滤掉那些很可能导致被调度方不被选中的调度决策依据信息，从而有效节约了反馈和处理这类信息所占开销，并使被调度方尽可能在有利于自己的条件下接受调度，令调度算法对资源的利用更加充分合理。

Description

采用受控反馈的移动通信资源调度方法

本发明涉及一种移动通信中的资源分配调度技术，特别针对在支持多种动态数据速率的移动通信系统内、在相互竞争的服务请求之间分配和调度资源，从而提高系统的整体使用效率。

随着移动通信的迅速发展，移动通信用户对日益丰富的业务——特别是数据业务——的需求不断提高。但由于无线频谱带宽和传播环境的局限，如何充分利用有限的资源来提供尽可能多的令用户满意的业务一直是移动通信领域里的研究热点和追求目标，而且这一热点随着技术的进步仍在不断升温。

在这个热点中，有两个主要的方面：首先是业务需求的动态变化，这是由于多个同时激活的数据业务各自的突发特性造成的；其次是无线传播环境的快速变化。为了解决这两个方面之间的矛盾，实时、高效且兼顾公平性的无线资源分配调度技术就成为了提高系统整体性能和服务质量的关键。

无线资源分配调度技术的研究主要包括两个步骤：一是调度和分配所依据的信息的产生和获取；二是如何处理和利用这些信息。高效的资源调度技术的决策所依据的信息必定来自于前面所说的矛盾的两个方面，即动态的业务需求变化信息和无线传播环境变化的信息。通常认为，这两方面的信息越全面、越及时而且越准确，那么就越有利于提高调度的性能，但这样的提高是需要代价的，因为产生和获取这些信息一般会消耗附加的资源开销，而这样的代价并不总是能够得到相当的回报。

在许多移动用户同时竞争无线资源时，进行调度的实体必须将所有参与竞争的用户的情况进行综合对比，然后按照一定的策略分配资源。这就需要调度实体知道各移动用户与调度有关的信息，凭借这些信息做出调度决策，这些信息中大部分是需要移动用户向调度实体报告的，其实这也可以看作一种“请求”，或者说是一种“反馈”。这些反馈的信息对于调度的效果而言，基本上可以分为两类，或者可以说有两种极端情况，一类是可能导致反馈方被调度上的，另一类是可能导致反馈方不被调度上的。例如在想要获得尽可能高吞吐量的系统中，反馈好的信道质量信息就可能导致反馈者被调度上，而反馈恶劣的信道质量信息就很可能导致调度实体不去选择该反馈者。

单从后果上看，反馈那些不利于自己被调度上的信息对提高反馈方利用资源的机会没有什么帮助，但却同样需要占用一定的开销(有时甚至是更多的开销)，因此在这个意义上可以说向调度实体反馈这样的信息是“冗余”的。当然，这些信息实际上不是冗余的，因为它们使调度实体去优先考虑其它的反馈者。但是这类信息占用的信道资源对于反馈者这时得到的很少的收益来说却相当于浪费了。

当许多移动台(Mobile Station，MS)同时竞争下行的信道资源时(由于数据业务的不对称性，下行信道通常是业界研究的重点)，它们要向基站(Base Station，BS)反馈下行信道质量等信息，用于做出调度决策。对于频分双工系统，尽管上下行链路由于载波不同使其衰落不相关，但考虑路径损耗的影响，当下行信道质量较差时，使用上行信道进行反馈时通常也相应需要更多功率资源，这时对下行信道质量进行反馈，可能不仅浪费了宝贵的移动台电池能量，而且增加了反向链路上的负荷和干扰，加重了调度实体的处理负荷，对基站的吞吐量增益却没多少贡献。对于时分双工系统而言，由于上下行链路使用相同载波，这种不利作用可能会更加明显。

为了减少这种资源的浪费，减轻调度方的处理负荷，同时提高调度算法的性能，本发明人提出了一种有选择性的反馈方法，即“受控反馈”方法。其基本原则是：对于那些很可能导致反馈者(即资源的竞争者，也就是被调度者)不被调度方所选中的调度决策依据信息，要么不反馈给调度方，要么不让调度方处理，相当于隐含地通知调度方暂且不要调度自己。该方法通过对调度所依据的反馈信息进行控制和过滤选择，节约了反馈和处理这类信息所占的资源(如信道、电池消耗)，并由于使反馈方尽量在有利于自己的条件下被调度上，从而提高了资源的整体利用效率和调度算法的吞吐量性能。

本发明具体的实现流程是：

1.反馈方判断当前时刻自己是否已经被调度上。若是，运行步骤4；否则运行步骤2。

2.反馈方判断当前时刻出于兼顾公平度的原因自己是否已占有较高的优先级。若是，运行步骤4；否则运行步骤3。

3.反馈方判断当前准备反馈给调度方的信息对于自己被调度上的贡献是否超过设定的动态门限。若超过，运行步骤4；否则直接跳转到步骤5。

4.向调度方反馈所需信息，以使其根据某种调度算法进行调度。运行步骤5。

5.结束。

上面步骤3中判决是否需要反馈的动态门限允许根据采用的具体调度算法或策略灵活的设定，可将衡量反馈信息对于调度结果(例如：利用资源的效率，数据速率)的贡献程度量化，然后取短期时间内的平均值作为判决门限。取这样的门限的意义是：若反馈者当前的情况相对于其平均情况来说已经比较利于被调度上了，则通知调度实体。这样的门限只是和某反馈方自身的相对情况有关，而不体现与其他反馈方在绝对意义上的差别，因此还体现了一定的公平度。

结合以下附图以及具体实例对发明所做的详细描述将便于理解本发明的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1是表示本发明在1xEV-DV示例中的工作步骤；

图2是表示本发明在1xEV-DV示例中，在不同反馈控制条件下减少整个系统内移动台反馈时间的程度，其具体意义是：反馈时间比例小于一定百分比(见横坐标)的移动台数量占总移动台数量的比例(见纵坐标)；

图3是进一步说明本发明在1xEV-DV示例中，不同反馈控制条件对于减少平均的移动台反馈时间的作用；

图4是表示本发明在1xEV-DV示例中，在不同的无线传播环境下使系统调度算法吞吐量有不同程度的提高；

图5是表示本发明在1xEV-DV示例中仍然满足相应的公平度准则。

因为移动通信中数据业务的实现方案很多，为了便于理解，在此使用一种有代表性且普遍适用的例子——1xEV-DV建议(3GPP2)来阐述本发明所提出的调度方法。本发明对于所有具有这个示例中基本特征的应用场合普遍适用。

2001年6月11日由LG，LSI，Lucent，Qualcomm和Samsung(L3QS)提交给3GPP2的1xEV-DV空中接口物理层联合提案，即文件GPP2-C50-20010611-009_L3QS_Updated_PL_Text，“Updated Joint Physical LayerProposal for 1xEV-DV”中定义了在前向链路上用时分方式共享的“前向分组数据信道”(Forward Packet Data Channel，F-PDCH)来给移动台提供分组数据业务。其工作方式如下：移动台测量前向的公共导频信道的载波干扰比(C/I)，并将测量得到的信息以每秒800次的频率反馈给基站，这个用来反馈前向信道质量信息的信道是“反向信道质量指示信道”(Reverse Channel Quality IndicatorChannel，R-CQICH)。基站再根据各移动台所反馈的信息，结合一定的调度算法，通过对比，在某时段选择一个移动台在F-PDCH上进行传输。

为了充分利用无线资源，尽量提高系统的吞吐量，调度算法会倾向选择当前信道质量最好的用户进行传输。也就是说，移动台反馈的信道质量C/I越高，表明它的传播环境越好，该移动台被调度算法选中的可能性越大。而对于反馈的信道质量很差的移动台而言，先不考虑反馈本身消耗功率和占用反向信道资源，即便将其调度上，传输的效果也不会好，甚至还很可能导致出错和重传。根据本发明的基本原理和实现步骤，在1xEV-DV示例中，采用受控反馈的具体流程如附图1所示。该流程体现了对重传数据和公平度的优先考虑。其中服务区内第k个移动台的控制反馈的动态门限可由下式计算：

其中，(C/I)_k ^avg(t)等于在t时刻第k个移动台在一定时间窗口内测得的短期平均C/I，k＝1，...K。T_adjust为一个控制C/I反馈门限的修正参数，设它不随t或k变化。

基站具体采用的调度算法在本示例中为正比公平调度算法(Proportional FairScheduling Algorithm)，该算法已应用于3GPP2的1xEV-DO(即HDR)，其原理的介绍可参见A.Jalali等在VTC’2000(pp.1854-1858)发表的文件“DataThroughput of CDMA-HDR，a High Efficiency Data Rate Personal CommunicationWireless System”，以及J.M.Holtzman发表于Proc.VTC2000-Spring(pp.1663-1667)的文件“CDMA Forward Link Waterfilling Power Control”中。正比公平算法是基于优先级的，第k个移动台的优先级的计算公式可以简化地表达为：

P_{k} (t) = \frac{{(C / I)}_{k} (t)}{T_{k} (t)} - - - (2)

其中，分子为反馈的信道质量C/I，分母为该移动台的吞吐量，也就是说，信道质量越好的移动台优先级越高，而随着吞吐量的增高，优先级会下降。正比公平算法在系统效率和公平这两个矛盾的要求之间取得了较好的折衷。

如附图2所示，仿真中采用了受控反馈后，服务区内的移动台总体的进行信道质量反馈的时间比例下降了。例如，在T_adjust＝3dB时，在低于80％的仿真时间内向基站进行了C/I反馈的移动台数量占总移动台数量的50％。进一步，如附图3所示，随着T_adjust的提高(即C/I受控反馈动态门限的降低)，移动台平均C/I反馈的时间比例也在增加。换句话说，受控反馈动态门限越低，移动台用于反馈C/I的平均时间比例就越高。

受控反馈不但减少了不必要的反馈次数，而且由于它降低了处于不好的无线传播环境下的移动台被调度上的概率，使调度算法在更适宜数据传输的时机来选择移动台，因此在不同的信道条件和移动台密度下还提高了系统的吞吐量，相应的仿真结果如附图4所示。此外，如附图5所示，采用受控反馈后仍然保证了所需的公平度。附图5中，根据2001年7月9日3GPP2的文件C50-20010709-021R1-1xEV-DV-Evaluation-Methodology-Addendum-V4“1xEV-DV Evaluation Methodology-Addendum(V4)”中所规定的公平度判决准则，该准则对应附图5中“判决准则”规定的3个点所连成的曲线，以其中(0.5，0.5)这一点为例，它表示限制以平均移动台吞吐量归一化的吞吐量小于0.5的移动台数不能超过总移动台数的50％。或者说，满足该公平度准则的调度算法必须保证相应的结果曲线在的“判决准则”曲线的右侧。

综上可以看出，本发明提出针对资源分配和调度的受控反馈的方法，有以下优点：

1.可以提高系统资源的整体利用效率，对于数据业务而言即获得更大的系统吞吐量。

2.可以降低系统用于调度的开销。

3.能够保证资源调度和分配的公平度。

4.具有灵活的应用方式，实时性好，容易与调度算法相结合使用，结构简单。就前面的示例而言，首先它可以运用在移动台一侧，由移动台自己来决定是否反馈信道质量信息，这类似于一种分布式调度。同时，受控反馈也可以用在基站侧进行集中式调度，即在进行通常的调度之前先根据移动台的反馈信息来做初步筛选。当然，对于示例中的情况，分布式的优势更大，因为它不但节约了移动台的电能，减少了反向链路上的干扰，而且由于部分对调度信息的处理工作(例如统计平均的C/I等)由移动台来完成，还降低了基站一侧的调度处理复杂度。

5.对具体的实现方式和协议规范不敏感，兼容性好，对终端的要求宽松，可以方便地集成到已有的技术体制中。从示例中可以看出，受控信道质量反馈无需对现有的空中接口协议改动，并且兼容与没有采用受控反馈的移动台同时工作。

总之，本发明以简单的结构和易实现的方法提高了移动通信中资源分配和调度的效率，它是一种高效、灵活且实用的资源分配调度技术。

Claims

1.一种用于移动通信资源分配和调度的方法，基于包括系统中的通信设备、可用发射功率以及通信频段等的通信资源，针对由各通信资源的不同划分和组合而构成的通信信道，调度方以被调度方反馈的状态信息等作为决策依据，这些状态信息包括：相应通信信道条件的变化及其对通信信道的需求变化，进而根据系统设计目标所规定的使系统资源利用效率和被调度方获得的服务质量等指标最优化的准则，在被调度方之间动态地调整和分配通信信道，这一过程中，采用了受控的有选择性的反馈，通过设定的动态准则限制和过滤掉那些很可能导致被调度方不被选中的调度决策依据信息，即对这些信息及其可能的调度后果是否能让上述系统指标最优化进行判断，使被调度方在不应被调度上的情况下不反馈相应的信息、或者即使反馈了但调度方不处理这样的信息，从而减少反馈和处理这类信息所占的开销，使被调度方在使系统资源利用效率和被调度方获得的服务质量等指标最优化的条件下被调度上。该方法的基本实现步骤为：

如果反馈方当前时刻已经被调度上，则反馈相应的调度所需信息供调度方处理；

如果反馈方出于兼顾公平度的原因判断当前时刻自己已经占有了较高的优先级，则反馈相应的调度所需信息供调度方处理；

如果反馈方判断当前准备反馈给调度方的信息对于使自己被调度算法选中的贡献超过了一定动态门限，则反馈相应的调度所需信息供调度方处理，否则不将该信息传递给调度方，或者不让调度方处理该信息。

2.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其特征在于：反馈在这里包含了资源的分配调度处理和决策所依据的所有可能的信息，以及这些信息的产生和获取。

3.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其中，调度决策所依据的信息主要包括：被调度方各种业务对资源的动态需求变化信息和无线传播环境变化的信息等，前者包括服务质量要求和已经获得的服务质量统计信息等，后者包括信道质量测量、估计或预测等。

4.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其中的被调度方，也称作反馈方，其特征在于代表相互竞争的服务请求，它们由掌握资源的调度方进行调度并被分配相应的系统资源构成的通信信道，在该过程中，它们要动态地产生调度决策所依据的信息，并根据使系统中资源利用效率和被调度方获得的服务质量等指标达到最优化的准则，判断出在不应被调度上或被分配资源的情况下，不向调度方反馈相应的信息(或者反馈了调度方也不处理)，而在其他情况下将该信息反馈给调度方。

5.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其中的调度方，其作用就是接收和处理被调度方反馈给它的调度所依据的有关信息，并做出决策将其所掌握的资源分配给被调度方；调度方包括调度算法。

6.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配调度的方法，其特征在于：设定动态准则，该准则包括动态门限准则和相应的判决条件，并通过设定的动态准则限制那些很可能导致被调度方不被调度的调度决策依据信息传递到调度方，或者在传递到了调度方后将其过滤掉而不处理，以减少传递及处理这类反馈信息所占的开销。

7.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其特征在于：利用受控的有选择性的反馈，减少反馈方(即被调度方)在不能使系统资源利用效率和被调度方获得的服务质量等指标达到最优化的条件下被调度上的概率，并保证被调度方在能达到上述指标的条件下被调度上。

8.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其中，属于动态准则中的动态门限准则的特征在于：该门限是根据被反馈的用于调度决策的信息将对调度结果所产生的贡献而定的，也就是说若调度上后可能使系统资源利用到怎样的程度，这个贡献应该是在时间上取平均后得到的，以使这个动态门限可以判决出反馈方当前的反馈信息是否在相对其自身一般情况下更有利于被调度上；通常对调度结果贡献越大的信息越有利于其反馈者被调度上。

9.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其中，属于动态准则中的动态门限准则的特征在于：该门限考虑到满足多个反馈方之间的公平度问题，它来源于所反馈信息与其对应反馈方自身的一般情况相比较而得到的相对差异，而不是和其他反馈方对应的信息相比较而得到的绝对意义上的差异。

10.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其中，动态准则的特征在于：它包括除动态门限准则以外其他任何形式的限制反馈的条件，以及对这些条件的设定，这些条件在对那些很可能导致被调度方不被调度的调度决策依据信息进行限制的同时，应确保已经被调度上的被调度方对资源的使用不受到影响。

11.如权利要求1中所述的用于移动通信资源分配和调度的方法，其中，在权利要求9中所述的公平度的特征在于：根据被调度方对系统资源利用的情况和所获得的服务质量情况，对于获得资源使用机会过低、服务质量达不到目标的被调度方业务，使其在可以获得相对较高资源利用效率来满足服务质量的条件下，反馈调度决策依据信息，从而使所有要利用资源的互相竞争的反馈方都有机会利用资源，而不因为一部分反馈方对资源利用效率较高或能达到更大系统资源利用效率而让它们独占资源；或者说，无论对资源利用效率的高低，任何一个反馈方当其处在自身所能达到的比较有利的或比较高的资源利用效率的条件下应该有被调度上的机会。