CN1258894C - 用于正交频分复用下差错敏感型业务的资源调度方法 - Google Patents

Abstract

用于OFDM下差错敏感型业务的资源调度方法属于无线通信资源调度领域，其特征在于：它支持混合自动反馈重传(HARQ)技术，由一下三个阶段组成：准备阶段，调度的周期固定，由若干相邻子载波组成子带，由若干子带组成的资源每个时隙调度一次；移动台反馈根据每个子带的平均信噪比量化得到数据速率控制字DRC；调度重传数据阶段，在调出重传数据上次传输的方案参数后，让重传的数据在该用户可用的所有子带中反馈DRC最大的若干个传输；它利用了HARQ方法的误码率低的优点，调度兼顾公平性和系统效率，而且反馈量和控制信息量较低。

Description

用于正交频分复用下差错敏感型业务的资源调度方法

技术领域

用于正交频分复用(OFDM)下差错敏感型业务的资源调度方法属于无线通信领域的资源调度技术。

背景技术

无线数据业务需求的日益增长要求通信系统灵活高速地传输各种类型的数据，如高速多媒体业务，低速互联网浏览和低速话音业务等。这些业务可以分为延时敏感型和差错敏感型两类。延时敏感型业务对传输时延和时延抖动性要求很高，但是可以容忍一定程度的传输差错。而差错敏感型业务对数据传输的准确性要求较高，但没有严格的时延要求，因此它也可以称为非实时业务。对这种业务，适宜采用HARQ技术来进一步提高它的误码性能。如何调度有限的无线频谱资源，在一定公平性的基础上提高系统效率，成为未来无线通信领域的关键问题之一。

无线通信系统正在经历着巨大的发展。其中，正交频分复用技术(OFDM)是目前解决高速数据传输的主流技术之一，将频带分割成许多彼此正交的子载波，并行发送信号。它具有较高的频谱效率和抵抗多径干扰的能力，已成功用于数字视频点播(DVB)、非对称用户数据环(ADSL)以及无线接入网系统，在移动通信领域具有良好的应用前景。

OFDM系统是多载波系统。实际的无线信道是时变系统，不仅存在路径损耗和阴影衰落，而且还有多径和多普勒频移现象。因此，不仅在同一时刻的不同移动台接收到信号的衰落不同，而且即使一个移动台在不同子载波上的信号衰落也不同。值得注意的是相邻子载波的衰落有一定的相关性。

为了提高系统性能，OFDM系统采用自适应编码调制(AMC)技术和混合自动反馈重传(HARQ)技术(Das，A.；Khan，F.；Sampath，A.；Hsuan-Jung Su，”Performance of hybrid ARQ for high speeddownlink packet access in UMTS”，VTC’2001.pp2133-2137，vol.4.)。AMC灵活地变化星座大小、编码效率和编码机制。它在信道好的时候提高频谱利用率，当信道差的时候降低吞吐量，从而提高了误码率(BER)性能。而HARQ则在误码率不是很高的时候有效地降低误码率，并得到理想的吞吐量。实际系统常采用停等机制的HARQ，也就是发端一直保留当前数据分组，直到它被成功接收。该机制实现简单，反馈数据量少。

本专利提出了一种OFDM系统下差错敏感型业务的调度方法。为了提高系统频谱效率和吞吐量，需要根据当时的传播特性，根据系统采用的无线传输技术，采用合理的算法，在不同用户之间实现动态的时频二维资源调度。

传统的OFDM的资源调度研究主要是比特装载和功率分配。比特装载是根据各个子载波的传输质量决定如何把数据比特装载到每个子带上，可以根据优化标准分成功率优化(见L.Piazzo：Fast algorithm for power and bit allocation in OFDM systems.ELECTRONICSLETTERS，9^th December 1999，Vol 35，No 25，pp2173～2174.和Lai.S.K，Cheng R.S and LetaiefK.B：Adatpive trellis coded MQAM and power optimization for OFDM transmission.Proc.IEEE VTCSpring，Houston，1999)，吞吐量最大化(见Satoshi MUNETA，“A new frequency-domain linkadaptation scheme for broadband OFDM systems”，ISBN：0-7803-5435-4，VTC’99，pp253～257)和误码率最小化(见C.Y.Wong，R.S.Cheng，K.B.Letaief，R.D.Murch，‘Multiuser OFDM withAdaptive Subcarrier，Bit and Power Allocation’，IEEE J.on SAC，vol.17，No.10，1999.和InhyoungKim，H.L.Lee，et al.“On the Use of Linear Programming for Dynamic Subchannel and BitAllocation in Multiuser OFDM”，IEEE Global Telecommunications Conference，v 6，2001，p3648-3652.)三大类型。这些根据最优化推导得到的算法很难直接应用到实际系统中，因为它们的系统运算开销和反馈信息量、控制信息开销太大。

无线网络的资源调度对算法的要求很高。和有线网络不同，无线网络带宽资源紧张，链路容量时变而且恶劣，不仅传输误码率高，而且错误突发性强。早期的无线调度算法是根据无线信道的特点改进有线网络的调度算法，研究的焦点在于公平性和系统效率。其中，最有代表性的算法有CSDPS(信道状态独立的分组调度channel state dependent packet scheduling)，IWFQ(理想化无线公平性排队算法idealized wireless fair queuing)，SBFA(基于服务者的公平性算法server-based fair approach)等(Yaxin Cao，Victor O.K.LI，“Scheduling Algorithms inBroad-Band Wireless Networks”，IEEE Proceddings of The IEEE，VOL.89，NO.1，2001.)。

上述算法建立在二态马尔可夫过程的信道模型上，无线信道只有可传输和不可传输两种状态。但是实际的无线信道的容量是多种可能取值的。把信道容量由多值简化成二值，必然带来传输效率损失。

针对这个问题，HDR(高数据速率high data rate)系统采用动态数据速率技术。它利用AMC技术实现传输容量由两态到多态的扩展，从而实现了高效的传输。它首先引入了DRC/R算法，将资源分配给当前信道传输能力最接近于一段时间内传输能力峰值的用户(C.Rentel，W.Krzymien，B.Darian，“Comparative forward link traffic channel performance evaluation of HDR andXTREME systems”，in VTC2002)。它以简单的方法实现比例公平性准则，在公平性和系统吞吐量之间实现了良好的妥协。

HDR系统通过时域上的资源调度实现用户间的资源共享。获得调度的用户在下一次调度之前将独占所有系统资源。为了用户间的公平性，传输能力较低的用户获得调度权后将保持较长的时间，然后再进行下一次调度。

HDR是单载波系统，所以它不需要对频率资源进行调度。如果把HDR中的调度算法直接应用到多载波的OFDM系统上会降低系统效率。因为不进行频域动态调度就不能体现OFDM系统上各个子载波的不同传输能力，也就无法获得频率上的用户分集增益。

除了HDR系统之外，兰牙协议，无线ATM和WLAN(无线局域网)等无线网络的发展也引发了对各自系统的资源调度的研究。但是这些系统采用的无线传输技术和本系统的区别较大，所以它们的调度方案对本系统的借鉴作用不大。

本专利主要研究各个移动台的差错敏感型业务被接入控制接纳(CAC)之后，基站如何为这些业务进行资源调度。基站设立了动态资源分配(DRA)模块，为OFDM系统的每个时刻上每个频点配置用户数据，并决定每种业务每次传输的数据量和编码调制方式。它支持HARQ机制，在公平性和系统吞吐量之间得到合理的妥协。

发明内容

本发明的目的是提供一种在OFDM传输方式下支持HARQ技术的差错敏感型业务的调度算法，在系统吞吐量和公平性之间得到良好的妥协。

它是一种用于OFDM下支持混合自动反馈重传(HARQ)技术的差错敏感性业务的资源调度方法，它依次通过以下三个阶段以便在兼顾降低误码率和吞吐量优化的原则下对各非实时业务分配相应的频域子带资源：

(1)准备阶段：

固定调度周期，在一个时隙执行一次调度；它把OFDM系统中相邻的若干子载波划分成一个子带，采用相同的编码调制方式和各个子带的平均发送功率相同的功率分配方式；作为一次资源调度最小的单位，每个子带在一次调度中只分配给一个用户；

系统采用闭环反馈方法；各移动台MT测量在一个时隙内每个子带的平均信噪比SNR，并按一定的门限方案量化信噪比得到对应的数据速率控制字DRC，再根据业务量需要决定反馈的时间间隔和反馈的数量；

(2)调度重传的数据的阶段

待重传的用户之间的调度次序是随机的。对应每个待重传的用户数据，调度选取和原来相同的子带个数和编码调制方案，向用户划分该MT反馈的DRC最高的若干子带；

(3)调度非重传用户数据的阶段

在各个未调度的予带上评价其优先级评估值，把每个子带分配给相应的评估值最大的用户；在每个子带上应用具有良好的系统吞吐量和用户公平性的比例公平性准则，子带j上用户i的优先级评估值为：

$\mathrm{Prio}\_{\mathrm{eval}}_{i,j}=\frac{{\mathrm{Capa}}_{i,j}}{R_i},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N;j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M----\left(1\right)$

其中，Capa_i，j是根据第i个用户的第j个子带的建议反馈速率DRC得到的一个时隙内的传输容量；

R_i是是一段时间内用户i的平均传输速率，可用下式表示：

R_i＝(1-1/T_c)·R_i+Len_i/T_c，i＝1，2，…，N                   (2)

T_c是比例公平性算法里面的可调参数，反应了最大可忍受的时延；

Len_t是本时隙内分配给第i个评估值业务的所有子带对应的由移动台反馈的DRC查表得到的总的传输容量，可用下式表示：

${\mathrm{Len}}_i=\underset{j}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Capa}}_{i,j}\·\mathrm{Select}\_{\mathrm{all}}_{i,j},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N----\left(3\right)$

当第j个子带分配给第i个用户的评估值业务时，Select_all_i，j＝1，否则为零；

同一个用户在不同子带上的数据联合编码调制，采用建议的最高的调制方式；

在所述的调度准备阶段，对于采用停等机制的HARQ方案，移动台将反馈回应信号(ACK)及版本信息；重传反馈的ACK为0的数据。

所述的调度方法依次含有以下步骤：

(1)信息收集，为队列加入新的数据和内部变量初始化；

(2)调度待重传的数据：

(2.1)确定有待重传的用户的个数N；

(2.2)基站根据收集到的需要重传的用户的移动台反馈的DRC信息调度重传数据：

(2.2.1)对于每个待重传的用户，把所有可用的子带按照DRC从大到小的顺序排序；

(2.2.2)从存储单元取出该批数据上次的传输方案；

(2.2.3)为该用户选择和上次相同个数的可用的DRC最高的若干子带；

(3)非重传用户数据的调度：

(3.1)确定待传的非重传用户个数N’和尚未分配的子带数目M’；

(3.2)把每个子带分配给在相应子带上的优先级评估值最高的用户。

效果分析：

本调度算法在子带的调度中应用比例公平性准则，能在保障一定公平性的基础上提高系统吞吐量。通过该算法对OFDM系统下对非实时业务进行best-effort的调度性能的仿真，我们发现，该算法由于在时频两域进行二维动态资源调度，所以系统吞吐量性能要优于仅在时域进行资源调度的性能，更优于资源预分配算法。而且它的公平性较好，能获得较好的用户间公平性，且对参数Tc的取值不敏感。它兼容HARQ技术，时延性能较差，但有较优的误码率性能，尤其适合于差错敏感型业务的调度。由于采用了划分子带的技术，移动台和基站共同查询子带信噪比门限传输方案表，反馈量和控制信息量都大规模下降。

附图说明

图1表示资源调度的实现流程。

图2表示为支持HARQ而增加的数据结构。

图3表示调度重传数据的流程。

图4表示调度非重传数据的流程。

图5表示系统发送框图。

具体实施方式

图1给出了该调度方案的实现流程，整个流程分为五个子过程。第一个子过程的任务是进行信息收集和初始化工作。在这一步，各个移动台分别测量下行导频得到各个子载波的SNR，再取平均得到一段时间内每个子带的平均SNR。然后，它查询表1的信噪比门限值得到对应的DRC。接着，移动台根据自身的下行业务需求，反馈全部的或部分优质子带的DRC及其对应的子带ID。对于采用了HARQ方案的业务，移动台还将反馈有关的重传ACK信号和版本号。这些反馈信息的反馈时间间隔和前向传输方式，后面有具体的分析。

DRC	信噪比(dB)	编码速率	调制类型	容量(比特/时隙)
					0	/	/	/	0
1	-3.4	1/4	BPSK	128
					2	-0.4	1/2	BPSK	256
3	2.2	1/2	QPSK	512
					4	5.2	3/4	QPSK	768
5	7.6	2/3	8PSK	1024
					6	10.9	3/4	16QAM	1536
7	14.5	2/3	64QAM	2048

表1传输方案

不同用户根据各自待传数据量的大小和重要性，以及信道的变化特点自行决定建议数据速率的算法。对于要求很高的用户，可以较短的时间就计算一次当前可传数据量，并采用比较精确的信息论容量的算法。相反，对于数据量很低，QOS指标比较低的用户，就可以采用比较粗略的平均信噪比门限查表的办法。

初始化时，基站分析接收的ACK信息。如果发现有移动台有重传要求，那么系统进入第二个子过程，调度需要重传的数据。我们认为重传的数据的优先级高于其他所有的数据，所以首先调度重传的数据，并选取和原来一样的子带个数和编码调制方案，用该用户最好的可用子带来传。这就要求存储待传输的数据，并纪录每个业务每次的数据总长度和其他传输信息。为此增加如图2所示的数据结构。

其调度过程如图3所示。每个待重传的用户在调度的时候，把所有的可用子带按照DRC从大到小的顺序排列。从存储单元取出相应的数据，以及该数据上次的传输方案，如子带个数和编码调制方案，决定这次传输的方式。为该用户择优选用和上次相同的子带直到没有足够的资源。

然后调度非重传业务。遍历所有未调度的子带，把它们将分配给在相关子带上的(1)值最高的用户，具体流程如图4所示。当所有的子带都分配出去之后，为每个非重传用户确定传输的数据及编码调制映射方案。有两种方式：一种是一个业务的不同子带都按照移动台反馈的DRC对应的编码调制方式分别作，其优点是不需要告诉移动台编码调制信息，节省下行控制信息。

另一种方式是同一用户分配的所有子带作为一个整体传输，采用统一的传输方式，其优点是可以获得更大的交织增益。具体将就是按照各个子带对应的传输容量之和作为最后的传输容量，对应的最大的调制方案为最后统一的调制方案。再根据它们，反推出最终的编码速率。

当所有数据的传输方式确定之后，AP把所有子带分配的用户ID以及对应的原始DRC信息加强保护之后通过下行公共信道上通知各个MT。由于反馈数据的正确率直接影响系统的效率和准确率，所以需要加强保护。反馈信息的保护采用编码冗余保护，建议采用1/3卷积码和较低的调制方式，必要的时候还可以增加相应比特的发射功率。

下面给出一个系统实现的具体例子。整个系统发送部分的框图如图5所示。假设OFDM系统中，每一个符号有1024个子载波，分成16个子带，每个子带64个子载波。一个时隙由8个符号组成。参数R初始化后选取一个接近于0的正数，比如0.001。参数T_c选500。

表一给出了一种对子带平均信噪比实行8阶量化门限的传输方案。在这种方案下，每个子带单独编码调制。建议的子带AMC参数有：不传、1/4Turbo码和BPSK、1/2Turbo码和BPSK、1/2Turbo码和QPSK、3/4Turbo码和QPSK、2/3Turbo码和8PSK、3/4Turbo码和16QAM，2/3Turbo码和64QAM，对应的吞吐量分别是0、1/4、1/2、1、3/2、2、3、4bits/s/Hz。

HARQ采用停等机制，重传次数的上限是4。移动台根据接收数据的CRC校验结果，反馈1比特的ACK信息。如果CRC校验为传输出错，且重传的次数小于4，则ACK＝0，否则ACK＝1。一直到移动台反馈ACK＝1的时候，基站才传送下一个数据包；否则，若ACK＝0，则重传。

各个移动台向AP反馈下行信道的传输特性。首先，它通过导频测出一个时隙内每个子载波的平均SNR，再取平均得到每个子带的平均SNR。然后，它查询表1的信噪比门限值得到对应的DRC。如果该移动台的下行业务数据量很大，那么可以把16个子带的ID和DRC全部或者选取最优的若干反馈给AP。

当基站接收到上述ACK和DRC信息之后，开始调度需要重传的数据。对于每个待重传的用户，首先把所有可利用的子带按照DRC从大到小的顺序排列。从存储单元取出该数据包上次的传输方案，并按此方案，选择子带个数和编码调制方案。

例如，某个用户的一个数据包在第一次传输时分到三个子带：子带1、3和10，对应的DRC分别为2、3和4。这些数据统一采用0.58的编码速率的Turbo码和QPSK调制方案，长度为1792比特。当对应移动台通知这批数据的ACK＝0，则基站重传该数据。如果这次该重传业务的调度中，DRC最优的三个可用子带是子带2、3和9，对应的DRC分别为3、2和3。那么这批数据将会依然在子带2、3和9上以0.58的编码速率的Turbo码和QPSK调制方案传输，长度为1792比特。

如果在调度完重传用户时，还有未分配的子带，则以子带为单位调度非重传用户。每个子带将分配给在这个子带上的优先级评估值值最高的用户，见公式(1)。按此方式调度完所有子带之后，以用户为单位进行传输。观察每个用户获得的子带ID及其DRC，查询表1的编码调制参数，选取最高的调制方式为联合调制参数。

例如，一个ID为7的用户分到三个子带：子带1、3和10，对应的DRC分别为2、3和4。假设采用表1给出的对子带平均信噪比实行8阶量化门限的传输方案。通过查表我们决定在这三个子带上，该用户的数据调制方案为max(BPSK，QPSK，QPSK)＝QPSK。传输的数据源长度为(256+512+768)＝1536比特。编码速率为1536/(3*2*64*8)＝1/2。

当所有子带调度完毕后，AP把16个子带分配的用户ID以及对应的原始DRC信息加强保护之后通过下行公共信道上通知各个MT。加强保护的方式有加大发射功率，进行编码保护等。

MT接收到这些信息之后，以相同的过程推出有用信息的长度、位置、编码调制参数。例如，对于用户7，他从控制信息中可以得知有效数据在子带1、3和10上，对应的DRC分别为2、3和4。同样通过查询表1，它可以推测出来这些数据的编码速率是0.5，调制方式是QPSK，数据长度为1536比特。

最后进入了最后一步，即统计和参数更新阶段。对于前面提到的ID为7的用户，这时将保存下来它这个时隙传出的1536比特数据，记录下来它占用了3个子带，编码速率为1/2，调制方式是QPSK。同时，把Len_t＝1536，T_c＝500和该用户对应的R代入公式(2)，得到并记录下新的参数R。

Claims (3)

1.用于正交频分复用下差错敏感型业务的资源调度方法，其特征在于：它是一种用于正交频分复用下支持混合自动反馈重传(HARQ)技术的差错敏感性业务的资源调度方法，它依次通过以下三个阶段以便在兼顾降低误码率和吞吐量优化的原则下对各非实时业务分配相应的频域子带资源：

(1)准备阶段：

固定调度周期，在一个时隙执行一次调度；它把正交频分复用系统中相邻的若干子载波划分成一个子带，采用相同的编码调制方式和各个子带的平均发送功率相同的功率分配方式；作为一次资源调度最小的单位，每个子带在一次调度中只分配给一个用户；

系统采用闭环反馈方法；各移动台MT测量在一个时隙内每个子带的平均信噪比SNR，并按设定的门限方案量化信噪比得到对应的数据速率控制字DRC，再根据业务量需要决定反馈的时间间隔和反馈的数量；

(2)调度重传的数据的阶段：

选取和原来相同的子带个数和编码调制方案，向用户划分该MT反馈的DRC最高的若干子带；

(3)调度非重传用户数据的阶段：

在各个未调度的子带上评价其优先级评估值，把每个子带分配给相应的评估值最大的用户；在每个子带上应用具有良好的系统吞吐量和用户公平性的比例公平性准则，子带j上用户i的优先级评估值为：

$\mathrm{Prio}\_{\mathrm{eval}}_{i,j}=\frac{{\mathrm{Capa}}_{i,j}}{R_i},i=\mathrm{1,2}...,N;j=\mathrm{1,2},...,M,$

其中，Capa_i，j是根据用户i的第j个子带的反馈速率DRC得到的一个时隙内的传输容量，所述DRC是根据每个子带j的平均信噪比SNR和所述设定的门限方案而得到的；

R_i是一段时间内用户i的平均传输速率，可用下式表示：

R_i＝(1-1/T_c)·R_i+Len_i/T_c，i＝1，2，...，N，

T_c是比例公平性算法里面的可调参数，反应了最大可忍受的时延；

Len_i是本时隙内分配给非重传业务i的所有子带对应的由移动台反馈的DRC查表得到的总的传输容量，可用下式表示：

${\mathrm{Len}}_i=\underset{j}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Capa}}_{i,j}\·\mathrm{Select}\_{\mathrm{all}}_{i,j},i=\mathrm{1,2}...,N,$

当第j个子带分配给第i个用户的评估值业务时，Select_all_i，j＝1，否则为零；

同一个用户在不同子带上的数据联合编码调制，采用这些子带上被建议的最高的调制方式。

2.根据权利要求1所述的用于正交频分复用下差错敏感型业务的资源调度方法，其特征在于：在所述的调度准备阶段，对于采用停等机制的HARQ方案，移动台将反馈回应信号(ACK)及版本信息；只有当ACK为0的数据才需要重传。

3.根据权利要求1或2所述的用于正交频分复用下差错敏感型业务的资源调度方法，其特征在于：

所述的调度方法依次含有以下步骤：

(1)信息收集，为队列加入新的数据和内部变量初始化；

(2)调度需要重传的数据：

(2.1)确定需要重传数据的用户的个数N；

(2.2)基站根据收集到的需要重传的用户的移动台反馈的DRC信息调度重传数据：

(2.2.1)对于每个待重传的用户，把所有可用的子带按照DRC从大到小的顺序排序；

(2.2.2)从存储单元取出该批数据上次的传输方案；

(2.2.3)为该用户选择和上次相同个数的可用的DRC最高的若干子带；

(3)非重传用户数据的调度：

(3.1)确定待传的非重传用户个数N’和尚未分配的子带数目M’；

(3.2)把每个子带分配给在相应子带上的优先级评估值最高的用户。

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