CN1326374C - 无线通信系统中用于调度分组数据传输的方法和装置 - Google Patents

Abstract

无线通信系统中一种用于调度分组数据传输的方法(100)，其中根据用户分组延迟时间的函数来计算每用户的优先级函数(PF)。当给定的用户具有违反阈值的分组延迟时间时，相应地调整用户的PF。在一实施例中，对PF计算应用延迟函数，其中延迟函数考虑了具有未决数据的活动集合内所有用户的平均请求数据速率以及给定用户的平均数据速率。

Description

无线通信系统中用于调度分组数据传输的方法和装置

领域

本发明涉及无线数据通信，尤其涉及无线通信系统中用于调度分组数据传输的新颖并改进了的方法和装置。

背景

在无线通信系统中，基站与多个移动用户进行通信。无线通信可以包括像语音或视频传输这样的低延迟数据通信，或者包括像分组化数据传输这样的高数据速率通信。美国专利申请号08/963,386中描述了高速率分组数据传输，该申请题为“METHOD AND APPARATUS FOR HIGH RATE PACKET DATA TRANSMISSION”，于1997年11月3日提交，并且通过引用被结合于此。

分组数据传输不需要是低等待时间的传输，从而在调度系统内的移动用户传输时基站具有灵活性。一旦被调度，基站就可以在给定的时间段内把数据发送到少到单个移动用户。通常，调度系统中的分组数据移动用户有两个目的。第一个目的是优化各信道的使用。第二个目的是向移动用户公平地分配传输。这两个目的有时会竞争。例如，给定用户的信道质量条件和某给定用户的未决数据量会牺牲其他用户而特别为该用户分配过度的时间。

因此，需要一种对到移动用户的分组数据传输进行调度的公平方法，它是信道灵敏的。

概述

所公开的实施例提供了用于在无线通信系统中调度分组数据传输的新颖并改进了的方法。一方面，在适用于分组数据传输的无线通信系统中，一种方法包括：接收多个移动站的速率请求指示符；根据所述速率请求指示符为所述多个移动站计算优先级函数值；以及按照所述优先级函数值调度到移动站的传输。

按照另一方面，一种无线装置包括：优先级因数计算单元，适用于接收来自移动站的数据速率请求并对其响应而产生功率因数值；以及与所述优先级因数计算单元耦合的调度单元，所述调度单元适用于调度数据传输。

按照还有一方面，一种用于调度无线通信系统中的分组数据处理的方法包括：确定一用户组合；计算该用户组合的至少一部分的优先级函数；从该部分用户组合调度具有未决数据的第一组用户；从该部分用户组合接收速率请求指示符；以及根据速率请求指示符而更新所述第一组用户的优先级函数。

附图简述

通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的元件具有相同的标识，其中：

图1以框图形式说明了按照一实施例的无线通信系统；

图2以流程图形式说明了用于在按照图1的系统中调度分组数据传输的方法；

图3以框图形式说明了按照一实施例如图1中的基站；以及

图4以框图形式说明了按照一实施例如图3中的基站的一部分。

图5说明了分组化数据传输系统中调度用户的方法100。

优选实施例的详细描述

在本发明一示例性实施例中，扩频无线通信系统的基站根据每用户优先级函数(PF)的瞬时值来调度到移动用户的分组数据传输。用户调度优先级与PF值有关，其中高PF值表示高调度优先级，低PF值表示低优先级。一方面，一种确定PF值的方法是基于由速率请求指示符(RRI)所指示的信道条件。方法还考虑到由服务质量(QOS)要求所规定的公平性标准。这种方法提供了相对于发射机端非零缓冲欠载运行的稳健保护。在一实施例中，速率请求指示符是一数据速率请求(DRR)。另一实施例中，速率请求指示符是载波对干扰(C/I)信息。其它实施例可以实现其它类型的速率请求指示符或预测符。在示例性实施例中，基站计算多个移动用户的优先级函数(PF)。每个PF都是速率请求指示符和给定移动用户的计划吞吐量的函数。PF值使基站能调度具有未决数据的活动移动单元。调度大致均分了为多个移动站分配的传输时间。

调度分配通过降低与所指定数据速率相关的负面效应而改进了信道灵敏度。实际数据速率指定提供了量化的传输速率。这导致对系统内数据速率的粗调。实际数据速率可以被截短或者被操纵以遵循所指定的和可用的数据速率。通过使用速率请求指示符来确定传输数据速率，按照系统的实际要求和操作环境而调整了数据速率。

在图1所述的示例性实施例中，无线通信系统10包括基站12，基站12通过空中接口或无线电链路与移动站14和移动站16进行通信。基站12处理各个移动站16的单独传输。如上所述，移动站14采用的是低延迟数据通信类型服务，比如语音通信，而移动站16采用的是高速率分组数据通信。基站12和移动站14间的通信实时地执行，因此所有活动通信都是同时且并发执行的。相反，可以调度与移动站16的分组数据通信，其中在给定时刻同时发送到多个移动站16的通信。其它实施例可以允许到不止一个移动站16的并发传输，设法优化信道使用。

图2说明了用于调度系统10内移动站16的方法18。在步骤20中，该过程通过确定系统10内的活动移动用户组合而开始。组合中移动站16即用户的总数被指定为“N”。如果N等于0，则在步骤22中，过程终止，否则过程继续到步骤24，为组合内“M”个用户的子集中的每个用户计算PF，其中M个活动用户具有未决的数据。PF计算按照下列公式计算：

$\mathrm{PF}\left(j\right)=\frac{\mathrm{DRR}\left(j\right)}{T^{\text{'}}\left(j\right)},\mathrm{forj}=1,...,M,---\left(1\right)$

其中j是与具有未决数据的M个活动用户相对应的用户索引。在示例性实施例中，速率请求指示符被实现为DRR(j)，即从用户j接收到的数据速率请求(DRR)，对于j＝1，...，M。将信道灵敏的速率请求指示符作为分子与系统10中用户的调度成比例。然后，速率请求指示符除以与各个用户j相关的计划吞吐量T’(j)。各个用户j的实际吞吐量可以表示为T(j)，然而在公式(1)的这个计算中未直接使用实际吞吐量。

在步骤26中，从具有未决数据的M个活动用户的集合中确定要进行传输调度的“K”个用户的进一步子集。在示例性实施例中，K个用户的子集是按照系统配置和预定的调度策略而确定的。通常K＝1，即K被限制为单个用户。然而，K可以是小于或等于M的任何数。根据所计算的PF值，基站在步骤28中调度“K”个用户。注意到K个被调度的用户组成N个活动用户的子集，即(K≤M≤N)。然后在步骤30中，基站12按照步骤28的调度而发送分组数据传输。传输包括传输功率、功率控制、数据速率、调制及其他传输参数的确定。注意到，基站12可以并发地向移动站14发送低等待时间的传输。

在步骤32中，基站12用从每个被调度用户接收到的相应速率请求指示符为K个被调度用户中的每一个用户更新各个计划吞吐量T’。下列公式描述了按照示例性实施例，被调度用户的T’更新计算：

T′(j，n+1)＝(1-α)·T′(j，n)+α·DRR(j)，(2)

其中α是调度索引为n的数字采样所使用的平滑滤波器的时间常数。在一实施例中，时间常数可以与各个移动站16的目标QOS和/或速率有关。在示例性示例性实施例中，速率请求指示符被实现为DRR(e)，对于e＝1，...，N。用信道灵敏的速率请求指示符作为分子与系统10中用户的调度成比例。然后，数据请求指示符除以与每个用户j相关的计划吞吐量T’(j)。各个用户j的实际吞吐量可以表示为T(j)，然而在公式(1)的这个计算中未直接使用实际吞吐量。相反，调度方法根据从各用户接收到的速率请求指示符而对该用户的吞吐量作出预测或计划。速率请求指示符可以是通过数据速率控制(DRC)信道发送的DRR，其中用户确定了传输信道的质量并确定了要请求的相应数据速率。传输信道的质量可以是由用户接收到的传输的C/I度量，其中相应的DRR与C/I比率相关联，比如通过查找表相关联。在一实施例中，用户把C/I比率发送到基站12，基站12根据C/I确定数据速率。或者，用户可以根据用户接收到的发送数据中的差错来确定要请求的数据速率。用户可以使用多种方法来确定要请求基站的数据速率。类似地，用户可以实现多种速率请求指示符，用于从基站请求数据速率。更进一步，在一实施例中，不同的移动站16实现了不同的速率请求指示符。

如果在步骤34中K＜M，则处理继续到步骤36，更新N个活动用户组合内未经调度用户的各个T’，未经调度用户即未被包括在M个被调度用户中的用户。未经调度用户的计划吞吐量计算如下给出：

T′(i，n+1)＝(1-α)·T′(i，n)，    (3)

对于i＝1，...，(M-K)。这里为了计算更新与未经调度用户相关的各个PF所使用的计划吞吐量，假定速率请求指示符为零。然后，处理返回到步骤26，其中使用更新后的PF值来继续调度仍有未决数据的用户。

示例性实施例更新各个用户的PF值，就好像移动站16总是有足够的未决数据量，且各个移动站16所请求的速率是可实现的。因此，只要缓冲器具有至少一比特数据来发送，由公式(1)-(3)中计算的PF所产生的调度序列对于传输缓冲的任何不可预测的状态都是不灵敏的。

图3进一步详述了基站12，包括被接收、处理和发送的信号。如图所示，基站12从多个移动站16接收速率请求指示符，比如DRR或C/I。控制信息至少从移动站16被接收，还可以从中央控制器接收，比如基站控制器(BSC)(未示出)。基站从像因特网这样的网络(未示出)接收话务，称为“中枢话务”。根据这些信号，基站12把数据发送到移动站16。

图4进一步详述了基站12的调度器部分。基站12包括一组合计算单元40，用于确定在给定时刻活动的移动站16的数目和标识。活动移动站16与基站12通信，但可能没有任何未决数据处理。组合计算单元40从移动站16和BSC(未示出)接收控制信息，还从网络(未示出)接收话务。作为对此的响应，组合计算单元40向PF计算单元42提供用户标识信息，即用户ID(e)，对于e＝1，...，N。为系统10中所有N个活动用户提供了用户标识信息。

PF计算单元42从移动站16接收数据速率请求指示符，诸如DRR(e)。PF计算单元42使用速率请求指示符按照公式(1)来确定各个用户的PF。把具有未决数据的所有用户的PF(j)提供给调度单元46，j＝1，...，K。调度单元46在与PF(j)相关的各个用户中间确定调度。调度单元46把调度信息提供给发送电路48。数据输入也被提供给发送电路48，发送电路48按照调度信息发送数据以产生数据输出。调度信息还被提供给计算单元50，计算单元50更新N个活动用户的计划吞吐量。被调度的用户按照公式(2)被更新，而未经调度的用户按照公式(3)被更新。为了更新计划吞吐量值，计算单元50接收移动站16的速率请求指示符。然后把具有未决数据的M个用户的子集的更新后的计划吞吐量值提供回给PF计算单元40以更新PF值。计算单元50包括平滑滤波器，比如无限冲击响应(IIR)滤波器。平滑滤波器的抽头系数是可配置的。

在一示例中，移动站16的速率为3千米/小时，其多普勒频率f_doppler为5.4赫兹。计划吞吐量按照公式(2)和(3)经过IIR平滑滤波，其时间常数T_W大致给出为2秒。IIR滤波器抽头系数α与时间常数T_W有关，关系如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{T_w\·\left(\frac{\mathrm{frames}}{\sec .}\right)},---\left(4\right)$

给定帧持续时间为20毫秒，即50帧/秒时，时间常数为1/100。通常，α的计算包括首先确定反映公平性约束的传输的服务质量，其中各个移动站16在预定的容限内被分配以一时间部分。然后，计算优化α以实现最佳的实系统吞吐量。

在另一实施例中，成比例的公平算法实现了包括延迟项的公平性标准。特别是，在基站处测得延迟，从数据分组到达时开始，直到数据从BS被发送到用户或MS为止。可以测量延迟，直到传输开始或传输结束为止。延迟有效地测量了在传输前BS处维持的时间数据。该数据可以被存储在队列或者BS 12处的其它存储设备(未示出)中。

一般而言，成比例的公平算法在使一组用户中的吞吐量最大与公平地为各个用户分配吞吐量之间维持平衡。然而，该算法不确保满足单个用户的特定延迟要求。通过修改成比例的公平优先级函数PF以包括延迟灵敏的项，结果提供了符合延迟要求的调度。注意到延迟要求一般由操作标准所指定。

在一示例性实施例中，系统中用户的延迟要求作为时间函数(如以秒给出的d)被先验地提供给BS 12。然后，BS为各个用户指定一时间延迟阈值τ。特别是，BS为用户i＝1，...N存储值τ_i，其中N是给定时刻的用户总数。用户的传统按比例的公平优先级的计算如下给出：

其中DRC是给定MS可支持的数据速率，T是用户的吞吐量。通过把公式(5)修改为：

PF计算包括了延迟函数g(d)，它是用户延迟的函数。

这样，当用户的延迟高于预定的阈值时，调度方法通过应用公式(6)而给予用户优先级。当延迟被减少到阈值以下时，用公式(5)计算用户的优先级。

图5说明了在分组化数据传输系统中调度用户的方法100。该过程计算用户i的延迟，在步骤102中指定为d_i。然后把延迟d_i与阈值τ_i相比较。阈值τ_i是对于用户i特定的。其它实施例可以为所有用户实现单个阈值。此外，阈值τ_i可以是在系统操作期间更新的动态阈值。如果在判决菱形104中用户延迟大于所述阈值，该过程就在步骤106中为d_i计算延迟函数g(d)，其中该函数定义为：

g(d_i)＝1+k*MAX(0，(d_i-τ_i)).    (7)

如果用户延迟小于或等于所述阈值，则在步骤108中计算延迟函数g(d)，给出如下：

g(d_i)＝1.    (8)

然后，过程在步骤110中使用步骤106或108中计算的延迟函数来应用PF。PF给出如下：

PF_i＝(DRC_i/T_i)*g(d_i).    (9)

在步骤112中，过程按照PFi调度用户i。其它实施例可以实现符合给定通信系统的要求、性能和程度的多种延迟函数的任一种。在另一实施例中，延迟函数定义为：

g(d_i)＝1+k*MAX(0，f(d_i-τ_i))，    (10)

其中f()可以表示递增的延迟函数，尤其是(d_i-τ_i)的递增函数。

另一实施例实现的延迟函数如下列公式定义：

g(d_i)＝1，for d_i＜τ_i；and    (11)

g(d_i)＝DRC_MAX/DRC_AVE，for d_i≥≥τ_i，  (12)

其中DRC_MAX是所有用户的DRC的最大值，DRC_AVE是用户i的DRC的平均值。公式(11)和(12)的延迟函数根据给定用户相对于其它用户的延迟的函数调整了该用户的PF。因此，如果用户i的平均请求数据速率(即DRC)小于具有未决数据的活动集合内所有用户中的最大DRC，并且如果用户经受违反该阈值的延迟，则用户i会接收到优先级提高。

在还有一实施例中，修改公式(5)的PF，用吞吐量而非延迟的函数来调整优先级，其中PF计算为：

包括吞吐量函数g(T_i)。吞吐量函数反映出用户i的吞吐量。特别是，如果吞吐量T_i大于吞吐量阈值，则

9(T_i)＝1；and    (14)

如图吞吐量T_i小于或等于吞吐量阈值，则

g(T_i)＝DRC_MAX/DRC_AVE.  (15)

这样，根据接收到的吞吐量修改了用户优先级。当吞吐量过低时，即等于或低于阈值时，PF提高。否则，如公式(5)所给出的计算优先级函数。因此，如果用户i的平均请求数据速率(即DRC)小于具有未决数据的活动集合内所有用户中的最大DRC，并且如果用户经受违反该阈值的延迟，则用户i会接收到优先级提高。

而且，其它实施例可以实现多种延迟函数，比如那些在Matthew Andrews等人所著的“Providing Quality of Service over a Shared Wireless Link”中指定的延迟函数，该文于2001年2月在IEEE通信杂志上发表，第150-154页，该文通过引用被结合于此。

因此，描述了用于在无线通信系统中调度分组数据通信的新颖并改进了的方法和装置。本领域的技术人员可以理解，信息和信号可以用多种不同技术和工艺中的任一种来表示。例如，上述说明中可能涉及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、码元和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或其粒子、光场或其粒子或它们的任意组合来表示。其它实施例可以实现诸如NiranjanJoshi等人(ACM Mobicom2000所著的“Downlink Scheduling in CDMA Data Networks”中指定的延迟函数，该文通过引用被结合于此。

本领域的技术人员能进一步理解，结合这里所公开的实施例所描述的各种说明性的逻辑块、模块、电路和算法步骤可以作为电子硬件、计算机软件或两者的组合来实现。为了清楚说明硬件和软件间的互换性，各种说明性的组件、框图、模块、电路和步骤一般按照其功能性进行了阐述。这些功能性究竟作为硬件或软件来实现取决于整个系统所采用的特定的应用程序和设计。技术人员可以认识到在这些情况下硬件和软件的交互性，以及怎样最好地实现每个特定应用程序的所述功能。

结合这里所描述的实施例来描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤的实现或执行可以用：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件诸如例如寄存器和FIFO、执行固件指令集合的处理器、任何常规的可编程软件模块和处理器或者为执行这里所述功能而设计的任意组合。通用处理器可能是微处理器，然而或者，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。

软件模块可能驻留在RAM存储器、快闪(flash)存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其它形式的存储媒体中。处理器可能驻留在ASIC中(未示出)。ASIC可能驻留在电话中(未示出)。处理器可能实现为DSP和处理器的组合或连同DSP核的两个微处理器。

上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

Claims (14)

1.在适用于分组数据传输的无线通信系统中，该系统至少具有一个在发射机处有未决数据的至少一个移动站，一种方法包括：

为具有未决数据的所述至少一个移动站的第一接收机计算分组延迟时间；

把所述分组延迟时间与第一阈值相比较；

如果所述分组延迟时间违反了所述第一阈值，则计算第一延迟项；

使用所述第一延迟项、数据速率控制DRC以及吞吐量T来计算所述第一接收机的优先级函数；以及

按照所述优先级函数调度到接收机的传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于小于第一阈值的分组延迟时间，所述分组延迟时间计算为：g(d)＝k。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于大于第一阈值的分组延迟时间，所述分组延迟时间计算为：g(d)＝DRC_MAX/DRC_AVE，其中DR_CMAX是发射机的活动集合内接收机的最大DRC值，DRC_AVE是第一接收机的平均DRC值。

4.在适用于分组数据传输的无线通信系统中，一种方法包括：

标识分组延迟大于阈值的用户；以及

当分组延迟大于阈值时调整用户的优先级。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阈值是在系统操作期间更新的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一延迟项计算为：

对于分组延迟时间要求大于第一阈值的，g(d)＝1+k*MAX(0，(d_i-τ_i))，其中k是一整数，d_i是第i个移动站的延迟时间要求，τ_i是与第i个移动站相关的阈值。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值是在系统操作期间更新的。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为系统中的所有移动站使用单个阈值。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，系统中的至少两个移动站与各自的阈值相关联。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，为系统中的所有移动站使用单个阈值。

11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，系统中的至少两个移动站与各自的阈值相关联。

12.一种基站，包括：

用于从移动站用户接收一用户分组延迟要求的装置；以及

响应于所述用于接收的装置、至少部分基于所述用户分组延迟要求而建立用户的优先级的装置。

13.在适用于分组数据传输的无线通信系统中，一种计算机执行包括以下的方法：

标识具有一分组延迟要求的用户；

把所述分组延迟要求与一阈值相比较；以及

基于所述比较调节所述用户的优先级。

14.在适用于分组数据传输的无线通信系统中，一种计算设备，包括：

用于标识具有一分组延迟要求的用户的装置；

用于把所述分组延迟要求与一阈值相比较的装置；以及

基于所述比较调节所述用户的优先级的装置。

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