CN1327668C - 通信网中对用户进行调度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种调度使用有限共享资源的“主上升”技术可应用于调度高数据率(HDR)通信网络中的用户，如基于TIA/EIA/IS-856空中接口标准的HDR网络。在HDR网络中，活动用户共享空中接口，网络通过空中接口将数据交付给用户，一次一人。调度用户的主上升方法适应范围灵活的效用函数类型，包括不可微分的类型，其中效用函数描述与服务用户相关的成本、受益或收益。主上升技术还允许服务提供者采用不同类型的效用函数来区分用户类型或相关的服务等级，并允许它们采用随时间变化的效用函数。HDR网络将时分多址(TDMA)方法用于将数据从网络传送到各用户的前向链路空中接口。因此，讨论调度用户或用户候选者实际意味着，在HDR空中接口的时分复用方案内调度服务特定用户的时间。本公开内容还涉及第三代伙伴关系项目2(3GPP2)发布的cdma 2000高速率分组数据空中接口规范。

Description

通信网中对用户进行调度的系统和方法

发明背景

本发明主要涉及无线通信网络，更具体地来说，涉及此类网络中的用户调度。

在某些类型的无线通信网络中，接入终端共享终端和网络之间的空中接口。根据TIA/EIA/IS-856标准配置的高数据率(HDR)网络就是此共享接口概念的一个实例。对于共享的前向链路资源，网络在任何给定时刻只服务一组接入终端中的一个接入终端。通过在终端之间快速切换服务，网络可同时(但非连续地)服务多个终端。在任一给定服务时间间隔内决定要服务哪一个终端是“调度器”的功能。调度器通常包括用于实现此函数的程序逻辑和软件服务。调度操作通常受服务目标或约束条件控制。

在每个调度决策点选择要服务的“最佳”用户是一个优化问题。在优化问题中，采用效用函数来表征切换的成本或收益。在调度使用空中接口时，由效用函数定义为各用户服务的效用。优化问题变成一个使目标函数达到最大值的问题，其中所述目标函数的值依赖于效用函数组。调度器反复评估目标函数以逼近最优调度器，以便共享活动用户之间空中接口的有限资源。

以往网络调度使用通信网络内共享资源的方法包括所谓的“比例公平”调度技术。比例公平调度进行搜索，以使目标函数达到最大值，其实质上是归纳为在每个调度决策点上找到目标函数最大梯度方向的最大双上升(dual-ascent)方法。

虽然比例公平调度在某些情况中有效，但其用法对可为用户服务而定义的效用和目标函数的特性设置过多限制。这些限制妨碍服务提供者在拒绝调度灵活性方面的灵活性。因此，需要提供额外灵活性或对可用调度函数的类型施加较少约束的替代方法。

发明概述

本发明包括一种用于调度使用通信网络(最好是HDR网络)中的共享空中接口，以最大化一个或多个目标函数所定义的收益或其他服务目标的系统和方法。对于每个服务时间间隔而言，在当前服务时间间隔内有多个数量与多个服务候选者相等的服务情形。每个服务情形对应于服务其中一个用户而不服务其余用户。此处所述的“主上升(primal ascent)”调度方法服务这样的用户，即其对应服务情形在目标函数中产生最大净收益的用户。

例如，通过评估净收益而非梯度，主上升调度器允许在选择效用函数方面有非常大的灵活性，效用函数描述各用户的对应目标函数中的增量收益或变化。在采用基于梯度的方法时，效用函数必须是可微分的，但是采用主上升调度时，则不存在这种限制。因此，目标函数可以通过一个或多个不可微分的势垒函数(barrier function)来修改，所述势垒函数基于上限和/或下限数据率来约束或限制目标函数。使用势垒函数允许系统操作员在调度用户时带有倾向性，以便在无线电条件允许的情况下，用户平均不超过数据率上限，或不低于数据率下限。

除具有使用势垒函数以带倾向性的方式产生平均数据率的灵活性，主上升调度方法还允许系统操作员同时对不同用户使用不同的效用函数。因为效用函数描述与为给定用户服务相关的增量成本或收益，这使服务提供者可以向用户提供不同质量的服务。即，可以为特惠用户分配使该用户在与网络连接时通常可以达到较非特惠用户可取得的数据率高的平均数据率的效用函数。

与效用函数有关的此类灵活性还允许系统操作员在每天中的不同时段使用不同的效用函数，或定义权值随时间变化的效用函数。

主上升调度可容易地适应不可分的效用函数，因此系统操作员可以构建多种类型的或组合的效用函数，这些效用函数可能不易与常规的基于梯度的调度优化配合使用。

附图简介

图1是示范HDR网络的示意图。

图2是常规的可微分效用函数和有界的不可微分效用函数的曲线图。

图3是非单调目标函数的曲线图。

图4是实现本发明的主上升调度技术的示范逻辑的流程图。

图5A和图5B是示范调度方案的示意图。

图6是利用一个或多个势垒函数修改的效用函数的曲线图。

发明的详细说明

在许多类型的通信系统中，用户竞争使用或共享一个或多个有限的资源。调度技术或算法描述了如何在用户之间共享或分配这些有限的资源。可以理解的是，不是所有的调度技术都同等地适用于所有情况。本发明的调度技术称为“主上升”调度，特别适用于HDR网络，如基于TIA/EIA/IS-856标准的那些网络。下文将彻底地讨论主上升方法之所以在HDR网络框架内特别具有优势的原因，但应理解，本说明书中公开的调度技术和支撑思想可用于其他类型的通信网络中，且适用于其他类型的共享资源。

现在参考附图，图1显示了以标号10表示的示范HDR网络。该网络10包括一个或多个基站控制器(BSC)12、用于与无线接入终端(AT)18通信的多个无线电基站(RBS)14、一个或多个分组控制功能(PCF)20、IP网络22以及与外部公共数据网络(PDN)26(如因特网)通信的一个或多个分组数据服务节点(PDSN)24。

在操作中，BSC12控制提供用于与用户通信的射频空中接口16的一个或多个RBS14。除非另行说明，此处术语“用户”指AT18或其他无线设备。对于HDR和某些其他类型的通信网络，空中接口16表示网络10的用户所共享(即AT18之间共享的)的资源。往返于AT18的数据由PCF20路由到适当的BSC12。PCF20通过IP网络22与PDSN24通信，所述PDSN24通过通信方式与因特网或其他PDN26连接。这样，数据通过网络10在一个或多个PDN26与各AT18之间传递。

本发明的调度器可以用软件、硬件、其他类型的程序逻辑或它们的组合来实现。例如，BSC12中或RBS14中的处理器30(或多个处理器)可以基于程序代码或软件的执行来执行主上升调度。这样，根据本发明BSC12或RBS14可以控制用户(即AT18)使用空中接口16。但应理解，其他网络实体(无论是否在图1中显示)都可能负责调度。

要理解基于本发明的主上升技术调度使用空中接口16的一些相关优点，首先必须理解HDR网络中定义的有关空中接口的知识。在任何给定时间，多个用户(如AT18)同时与网络10连接。但是，网络10一次只向一个用户传送数据。即，整个用户组共享空中接口16，但网络10在任何给定时刻只向一个用户馈送数据。技巧在于在任何给定时刻确定要服务哪一个特定候选用户。作出服务决策取决于任意数量的约束条件以及服务提供者的目标。

HDR网络对前向链路空中接口16应用时分多址(TDMA)方法，前向链路空中接口16用于将数据从网络10传递到各用户。因此，讨论调度用户或候选用户实际指在HDR空中接口的时分复用方案内调度为特定用户(即AT18)服务的时间。

HDR网络对前向链路采用速率控制而非功率控制，每个AT18向网络10发送更新的速率请求，以指示AT18期望得到服务的速率。因此，AT18一般以该终端处的当前无线电条件可实现的最高速率来请求数据。无线电条件的一种测量方式表示为载干比(C/I)。C/I比较高的话，表示AT18处于最佳接收条件且支持较高速据速率。

每个用户(AT18)通过在逆向DRC信道上向网络10周期性发送数据率控制(DRC)符号来更新它的请求速率。DRC符号的值对应于有定义的若干前向链路数据率之一。在任何给定时刻，某些AT18将请求相对高的数据率，而某些将请求相对低的数据率，这反映了各活动终端所在位置的接收条件不同。TIA/EIA/IS-856标准提供高达600赫兹的DRC符号率，这意味着各AT18可以在前向链路数据率中请求非常快速的调整。

在至少一些实施例中，调度器使用请求的数据率来确定在任何给定服务时间间隔内要服务哪一个或哪些用户。也可以考虑各用户的历史或以往平均数据率。就此讨论而言，令r_i表示第i个用户的平均吞吐量，而令d_i表示服务第i个用户的当前请求数据率。平均吞吐量和请求的速率一般以每秒千比特(kbps)为单位来表示。在此表示方式下，所有用户的整个请求的速率集合和平均吞吐量集合以向量形式表示为 和 。这里，“n”一般表示第n个时隙。假定用户调度需要在服务时间间隔序列中的每个时间间隔内选择要服务的一个或多个用户。即，假定调度用户是不断进行的操作，以便一个或多个用户具有到网络的连接。

例如，调度时间间隔可以基于26.6毫秒的HDR帧速率，其中每个AT18的相关DRC信息确定每帧的比特数和用于向AT18传送数据所用的时隙数(如果要对该终端服务的话)。有关HDR实施例中空中接口16及其帧/时隙的详细处理，读者可以参考第三代合作伙伴计划2(3GPP2)于2000年10月27日颁布的标准文档3GPP2C.S0024第二版。该标准文档题为“cdma2000高速率分组数据空中接口规范”，这里通过引用将其全部结合到本文中。

在HDR网络中，如果调度器选择服务给定终端，则在服务时间间隔内提供给该终端的服务量由与该终端相关联的DRC信息设定。例如，选择服务给定用户可能需要在总共8个时隙内为该用户服务，虽然这些时隙可以与专用于一个或多个其他用户的时隙交织。总的来说，调度器会努力确保选择每个用户来服务的频度足以保证该用户的平均吞吐量不低于某个期望的极限值。但是，此策略只反映了可涉及调度策略的许多可能考虑之一。

服务提供者(例如网络运营商)可能就调度提供给用户的服务已有了一个或一些特定的目标。例如，服务提供者可能希望使收益最大化，其中收益可依赖于如下因数：保持最高总计平均数据吞吐量，或确保至少一个子集的用户取得较高平均吞吐量(可能会损害其他用户)。因此，调度就成为这样一个优化问题，即其目标在于以努力优化一个或多个服务目标的方式控制调度的优化问题。

在优化问题中，采用效用函数来描述与涉及要优化函数的变量或数量的预设变化相关联的成本或收益的度量。调度器为每个用户定义了效用函数，该效用函数描述与服务该用户相关的收益。图2描绘了第i个用户的典型效用函数U₁(r)(以实线表示)，该效用函数U₁(r)是单位为kbps的数据率r的函数，图2中还描绘了有界的效用函数U₂(r)(以虚线表示)，因为U₂(r)设置了上限，所以它是不可微分的。通过限定U₂(r)的范围，将通过评估各用户的U₂(r)得到的收益限定在给定的上限阈值上。这在本例中具有减少服务已经具有较高平均服务速率r的用户的动力。

在常规的调度方法中，如在比例公平调度方法中，同一个函数U(r)与所有用户相关联，且具有一些限制。例如，因为比例公平调度实本质上是基于梯度的方法，所以效用函数U(r)必须在任何点上均是可微分的。因此，使用有界的U₂(r)无法与任何常用的基于梯度的调度方法配合使用。下文将在“势垒函数”的上下文中更充分地讨论有界效用函数的使用。

如果目标函数是不可分的，基于梯度的方法中所要求的对目标函数的偏微分可能需要过分复杂的计算。避免这种复杂性会限制使用不同效用函数以不同调度优先权来支持各组用户，并且还限制了可以使用的效用函数的类型。下文将在基于不同用户类调度用户和基于每天的时段调度用户的具体上下文中更全面地讨论此可分性限制。

HDR网络中比例公平调度的另一个缺点源于该类型调度的基本操作。采用比例公平调度的情况中，目标函数F基于与用户相关联的效用函数U(r)集合。对N个用户而言，目标函数F存在于N维空间中。因此，目标函数F曲线上的每个点均可以向N个方向的任何一个方向移动。在每个调度时间间隔上，比例公平调度器服务使目标函数沿梯度最陡的方向移动的用户。因为必须按该用户的DRC信息所请求的量来为对应于该方向的用户服务，所以所选方向的移动幅度由AT18而非由调度器来设定。如果目标函数F不是单调的，则沿梯度最陡的方向移动实际上可能使目标函数值减少而非增加。

图3绘出了非单调的目标函数F，用于说明在选择要服务的用户时只考虑梯度的结果。这里，按满足所选用户的DRC请求所要求的量沿最陡梯度方向移动实际上使目标函数F(r)移动通过了峰值，而沿其反向斜坡向下移动。因为网络10必须按请求的量服务所选的用户，所以目标函数F(r)从起点P1变化到终点P2。这里，对于非单调的目标函数F(r)，目标函数F的变化量ΔF实际是负值。即，在所示特定服务时间间隔内服务第i个用户的决定引起的目标函数F的净变化量导致F的总体下降。虽然该第i个用户可能对应于最陡的梯度，但该用户不对应于最优服务选择。这里，主上升调度方法将会识别服务该用户的非期望度，而基于梯度的方法则不是这样。

因此，本发明的主上升技术评估按给定服务时间间隔内所需量服务每个用户将引起的目标函数的净变化量。在选择下一个用户进行服务之前，对于所有用户，目标函数(点P1)的起始值对所有用户是相同的，所以主上升方法评估所有用户的终点(点P2)，并挑选与最有利结果对应的用户。

于是，主上升调度本质上是为竞用共享资源(如HDR空中接口16)的用户分配了一个或多个类型的效用函数。这些用户可视为候选服务对象。通过定义分配给候选者的一个或多个作为收益函数的效用函数，这些函数就定义了与服务候选者相关的收益曲线。如上所述，所有候选者可以采用相同的曲线，或不同的候选者可以采用不同的曲线(函数)。

给定候选者的平均服务数据率确定了在该候选者收益曲线上的当前点(值)。在给定服务时间间隔内选择要服务的候选者，即不仅使该候选者的当前点沿收益曲线正向移动，而且使其他候选者的当前点沿各相应收益曲线负向递增移动。此后一个结果是因该服务时间间隔期间未服务所述这些其他候选者所致。注意，这里所用的“正向”和“负向”是相对的术语，它们的绝对语义取决于所涉及的特定效用函数的特性。

因为目标函数取决于与候选者有关的全部效用函数集，所以它的值随效用函数的总计变化量变化。在给定调度决策点上，目标函数F的值基于自最近时隙n起的平均吞吐量

集合。该目标函数值可以视为起始点。这样，对每个用户而言，主上升方法通过比较在服务该用户的情况下目标函数F将移动到的终点而确定每个用户的目标函数F的将目标函数F所移动至(如果服务该用户)的最终点如下方法确定每个用户的目标函数F中的总体变化。

因此，如上所述，主上升调度方法考虑在至少部分给定服务时间间隔内服务每个候选者而不服务其余候选者得到的净收益或总体收益，从而服务具有最有利或所希望的净变化量的候选者。该净变化量可以视为“选择量度”。即，选择要服务的不同候选者可得到目标函数中的不同净变化值。选择用户的过程或步骤涉及识别最佳或最有利的净变化量，因此这可以视为考虑每个候选者的选择量度。

通过评估净变化量或总计变化量，主上升方法作出的每个服务决策都使目标函数F逼近最大值，并消除以其他方式加在效用函数和目标函数上的限制。即，通过计算目标函数F的净变化量，无需要求该目标函数是单调的，无需要求基础用户效用函数是可微分的，且无需是可分的。稍后详细说明的另一个优点是，分配给用户的效用函数可以利用所谓的势垒函数来修改，它们设置吞吐量上限或下限，以使用户或所选用户组可以趋于取得期望的平均吞吐量值。

对HDR情况下可分目标函数F的考虑包括对严格凹可微分效用函数求和。如果选择用户j，则目标函数F的变化量可以表示为：

${\mathrm{\ΔF}}_j{(}_r^{\mathrm{\ρ}}\left(n\right))=[U_j((1-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_c})r_j\left(n\right)+\frac{d_j}{{\mathrm{\τ}}_c})-U_j\left(r_j\left(n\right)\right)]+\underset{i=1,i\≠j}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}[U_i\left((1-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_c})r_i\left(n\right)\right)-U_i\left(r_i\left(n\right)\right)]---\left(1\right)$

其中U_j(r)和U_i(r)分别是第j和第i个用户的效用函数，r_j(n)和r_i(n)分别是第j和第i个用户第n个时隙或服务时间间隔的平均吞吐量，以及τ_c是吞吐量过滤时间常量。

主上升方法选择使目标函数F中的净变化量最大化的用户j^*。此选择可以数学方法表示为：

$j^{*}\underset{j}{=\arg \max }\{\mathrm{\Δ}{F}_j{(}_r^{\mathrm{\ρ}}\left(n\right)\left)\right\}=\underset{j}{\arg \max }\{U_j((1-1/{\mathrm{\τ}}_c)r_j\left(n\right)+d_j\left(n\right)/{\mathrm{\τ}}_c)-U_j\left((1-1/{\mathrm{\τ}}_c)r_j\left(n\right)\right)\}---\left(2\right)$

其中j^*对应于目标函数F产生最大净变化量的用户。

如果将比例公平调度运用于公式(2)，且效用函数定义为：U(r)＝1/r，则结果将是：

$j^{*}=\underset{j}{\arg \max }\left\{\frac{d_j\left(n\right)}{r_j\left(n\right)}\right\},---\left(3\right)$

它表示选择请求的数据率与以往平均数据率之比(请求的速率与平均吞吐量之比)最大的用户。对于此特定的U(r)，主上升调度得到与采用比例公平调度器时获得的相同的结果(即选择同一个用户j)。但是，主上升调度通过考虑与不同服务情形相关的实际变化来达到此结果，而非只是选择具有最陡梯度的用户。

当采用最大C/I效用函数U(r)＝r时，主上升调度算法还可得到与所说的最大C/I调度算法等效的结果。

但是，主上升调度算法可用于比例公平调度或最大C/I调度都不适合的情况。例如，考虑如下更一般的问题：

在r_i∈S    (6)，

且 $\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i<C---\left(5\right)$

的条件下，求如下函数最大值：

其中C表示支持用户集的网络10部分的总计吞吐容量或总吞吐量极限，而S表示网络10所支持的可能的或定义的一组数据率。

如前所述，不同于比例公平或最大C/I调度算法，目标函数F无需是可微分的或单调的。图4给出了针对以公式4-6表述的调度问题的主上升方法的示范逻辑。

处理以初始化相关的变量 和 (步骤102)开始(步骤100)。这里， 表示正在调度的用户(即AT18)的平均吞吐量集合。因此，

表示第n时隙内平均服务速率矢量集的值。如果有N个用户正在被调度，则

包括j＝1到N的各平均吞吐量值r_j(n)。同样地，表示在第n个时隙中服务各用户的请求数据率集。矢量 表示在时隙n服务第j个用户时时隙n+1开始时的服务速率矢量。即，条件服务速率矢量 表示要在其上使目标函数

最大的矢量集。在本例中，主上升方法评估净变化量，以确定应该服务哪个用户j以在目标函数

中取得最大收益。

初始化之后，循环开始(步骤104)，算法以实际上无穷循环方式执行，通过在每个调度决策点上选择要服务的最佳用户以在连续的调度时间间隔上重复使其目标函数最大化的步骤。在此上下文中，调度决策点是主上升调度器需要作出调度决策的任何时间点。正如稍后所述的，调度决策点之间的调度时间间隔不定地涵盖一个或多个HDR前向链路时隙。因此，在某些情况中，调度器在每个时隙作出调度决策，而在其他情况中，调度器在多个单独时隙上作出调度决策。因为正被调度的用户的相关无线电环境的动态特性以及候选用户组的组成发生变化，所以调度时间间隔的涵盖范围一般是不断变化的值。

在HDR网络中，服务给定用户所需的时隙数取决于该用户的相关请求数据率。因此，服务给定用户的决策使网络10负责在所需数量的时隙内服务该用户。例如，在给定调度决策点上，主上升调度器可以选择用户x来服务。假定用户x的请求数据率，此决策要求分配给定数量的将来时隙，以便为该用户服务。如果先前选择的为之提供服务的用户尚有剩余的分配时隙，则调度器可以将用户x所需的时隙与这些先前分配的时隙交织。

是此情况更为复杂的是，任一当前分配了将来时隙的用户可以报告不再需要一些所述的已分配的将来时隙，其原因是因为该用户在数量比原先分配的少的时隙中成功地收到了数据。这种情形可能是因为用户所在位置的无线电条件改善了。

图5A和图5B反映了部分这些调度的复杂性。在图5A中，调度器在给定调度决策点上识别要提供服务的最佳(F给出最有利结果)候选者(用户1)和三个次佳的候选者(用户2至用户4)。这里，选择要服务的所有用户需要相同数量y的时隙来传送相关的数据。这一事实使调度器可以交织的方式分配4y个时隙。于是，除非情况改变，如提早完成到正接受服务的一个或多个用户的数据传送，否则下一个调度决策点是将来的4y个固定时隙。

图5B说明了新近调度的用户x的时隙必须与先前分配给一组先前调度的用户的时隙进行交织的情况。在先前调度决策点上，调度器将给定数量的将来时隙分配给用户1-4中的每一个用户。在本例中，用户4需要的时隙比用户1-3少，因此调度器有机会在对用户4的调度服务完成的时间点上将用户x的时隙与分配给用户1-3的剩余时隙交织。此实例说明调度器可以具有涉及不同用户或用户组的多个重叠的调度时间间隔。因此，依赖于这些重叠时间间隔的交织情况，调度器可以在每时隙基础上作出调度决策，或者没有这么频繁，而是根据当时的紧迫程度来进行。

理解上述调度的微秒之后，将转而讨论图4的逻辑。在每个时隙n内，平均服务速率矢量 和用户请求速率矢量 分别可以在当前时隙进行更新(步骤106)。更新平均服务速率矢量 包括根据最后一个时隙服务哪个用户来计算与正在调度的用户相关的平均吞吐量，所述计算可以示范形式表示为：

其中τ_c是过滤平均服务速率矢量

的计算值的相关时间常数。更新用户请求速率矢量

包括根据时隙n内从每个用户收到的或与每个用户相关的DRC信息来更新请求速率值。还可以作出适应不可获得一个或多个用户的新DRC的情况的规定，例如利用过去的值或缺省值来提供DRC信息。

接下来，调度器判断在此时间点上是否需要进行调度决策(步骤108)。如果不需要，则调度器依据先前作出的调度决策继续，并服务先前调度的用户中的适当的一个用户。但是，如果需要作出调度决策，调度器就初始化它的候选用户索引变量j(步骤112)，以准备判断要服务的最佳用户。

在作此判断时，调度器评估N种服务情况中每一种的

其中有N个用户候选(步骤114)。调度器跟踪并存储，或者维护评估结果(步骤116)，以便在评估了所有候选者之后可以识别出对应于目标函数

取得最大期望变化量的用户j^*。如果还有候选者要评估(步骤118)，则使用户索引变量递增(步骤120)，对下一个用户重复此评估过程(步骤114-116)。

这里应该注意该处理过程中的一个细微之处。如果总共有N个用户且y个用户仍拥有前次服务选择分配的时隙，则评估为可能服务候选的用户的实际数量为N-y。因此，应该明确的是，进行当前调度决策时不考虑已经服务的用户。可以操纵索引变量j，以跳过与任何已经在接受服务的用户相关的那些值。

在评估了所有符合调度条件的用户之后，调度器就选择对应于目标函数 取得最大期望变化量的用户(j^*)(步骤122)。处理过程随后在下一个时隙循环，如此继续(步骤124)。

因为用户是由调度器来选择进行服务的，所以如前所述，调度器可以对调度操作施加总体约束。例如，假定各个用户的无线电条件都是可接受的，则调度器可以使所有用户维持在最小数据率之上。再者，服务提供者可能希望避免“过度服务”个别用户，并因此可根据某种期望的势垒函数使以已经很高的平均吞吐量服务用户的收益减少。

图6说明施加于基础效用函数U(r)的上下限势垒函数的使用。这里，最好定义一个目标函数U_i(r_i)，此目标函数使用户i的速率维持在靠近某个目标速率

，同时仍可以允许在此目标值附近波动的方式取得某些多样性增益(diversity gain)。

如下效用函数可用于实现此期望的操作，公式表示如下：

$U_i\left(r_i\right)=r_i-\mathrm{\&eta;}{(r_i-{\tilde{r}}_i)}^2,---\left(8\right)$

其中

是用户i的目标速率，而η可以根据需要来配置。当η较大且 $r_i<<{\tilde{r}}_i$ 时，则r_i增加(即服务用户i)会使目标函数值大大增加，因此鼓励为该用户服务。相反，如果 $r_i>>{\tilde{r}}_i,$ 则增加r_i会使目标函数值大大较少，因此不鼓励为该用户服务。

从图中显然可以看出，原始的效用函数U(r)(实线)定义为平均吞吐量r的直线函数。但是，应用上下限势垒函数，效用函数U(r)(虚线)在下限和上限吞吐量速率阈值R₁和R₂处分别呈现明显的曲度。这些曲度修改了与服务属于势垒函数所修改的U(r)区域的用户相关的目标函数的净变化量。即，选择服务平均吞吐量r_i低于下限阈值R₁会导致目标函数产生较大正净变化量。

相反，选择服务平均吞吐量r_i高于上限阈值R₂会导致目标函数产生较小正净变化量。此特性倾向于对低平均吞吐量用户有利，而对正在接受服务的高平均吞吐量用户不利，从而调度器努力使至少一些用户朝可接受的中间范围的数据吞吐量逼近。

因为主上升允许调度器对于不同用户组采用不同的效用函数U(r)，所以某些用户可以根据不同的优先权调度。例如，服务提供者可以定义对应于不同服务质量(QoS)的不同效用函数，然后将这些不同的效用函数分配给不同的用户类或用户组。

作为对将势垒函数应用于效用函数上的进一步的说明，可以将效用函数定义为：

其中λ表示倾向系数，其幅度是配置的，对应于要使低速率用户趋向较高速率吞吐量的程度。服务提供者因此可以将λ设为固定值，或者使之可按每个用户进行配置，或者将其配置为时间或其他参数的函数，或者组合这些方法来进行配置。当然，类似于公式9所示的r_min的情况，效用函数U_i(r_i)也可以进行针对r_max的势垒函数修改。注意，公式9的效用函数在r_i＝r_i ^min时是不可微分的，且基于梯度的调度方法可能不易与此函数配合使用。

除处理不可微分效用函数的灵活性外，主上升方法还适应不可分函数。假设服务提供者希望限制Q表示的特定用户类所用的带宽量。一种方法是引入硬性约束，其中如果类Q中的用户的总体平均服务速率超过服务提供者设定的目标值，则不调度他们，或者可通过调度器来配置。但是，假设只有类Q的用户在使用网络10，则可能会存在不为任何用户服务的服务时间间隔。

主上升方法可以通过采取更宽松的用户服务控制约束来处理这种情况。但是，因为主上升技术免除了对可用的效用函数和目标函数的多种限制，可以将势垒函数与目标函数F组合，如下公式所示：

上述表达式(10)给出的目标函数的表示在满足软性约束时对目标函数无效，只是在违反软性约束时使目标函数值降低。如果只有受限制的类Q的用户在使用网络10，则势垒函数则对所作的调度决策几乎无效。注意，上述目标函数(包括势垒函数)是不可分的，因此可能难于与基于梯度的调度器配合使用。

灵活性的另一点涉及与时间相关的用户调度。即，服务提供者可能希望在每天中的不同时段使用不同的调度优先权。假设需要或希望有M个不同函数的组合(可能包括势垒函数、奖励函数、效用函数和收益函数)。此函数集可以由 表示。

令T表示每天的时段，并令 表示赋予每天各时段(例如每小时)的每个函数的加权值。然后可以将如下与时间相关的目标函数F用于用户调度。

$F{(}_r^P)=\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&alpha;}}_i\left(T\right)F_i{(}_r^{\mathrm{\&rho;}})---\left(11\right)$

其中α_i表示F_i的加权系数， 表示平均服务速率矢量，如结合图4所示逻辑流程图的讨论所述。

服务提供者或网络运营商可以对每天里不同时段设置不同的加权系数α_i，以实现变化的调度优先权，还可以对不同的用户类使用不同的加权系数集。

一般来说，本发明的主上升调度技术用于调度共享HDR网络中空中接口的用户是有利的。通过计算因服务每个用户而将产生的预期目标函数的净变化量，主上升方法识别出为其服务将获得最大或最期望的收益的用户。因为主上升方法评估该净变化量(即考虑如果选择该用户，对实际向该用户提供请求数据量的影响)，所以主上升方法可以在可优化的基础成本或收益函数的类型上有很大的灵活性。

当然，以上根据每天的时段相应进行调度的细节，正象主上升方法的早期发展阶段那样，可以进行显著变化。因此，本发明不局限于上述细节，而是只受限于权利要求书及其合理等效的范围。

Claims (65)

1.一种调度使用无线通信网络中通信资源的方法，其中，所述通信资源由多个用户候选者共享，所述方法包括：

为每个所述候选者分配效用函数；

为每个所述候选者统一评估所述效用函数，以确定服务考虑中的该候选者而不服务其余所述候选者将引起的结果；以及

服务具有最有利结果的候选者。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述多个候选者中的每一个候选者分配效用函数的步骤包括：为所有候选者分配相同的效用函数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个候选者包括至少两个用户类，以及为所述多个候选者的每一个候选者分配效用函数的步骤包括：根据所述用户类为候选者分配至少两个效用函数之一。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述多个候选者的每一个候选者分配效用函数的步骤包括：根据与所述候选者相关的期望服务质量为每个所述候选者分配两个或两个以上的效用函数之一。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述多个候选者的每一个候选者分配效用函数的步骤包括：根据每天的时间来为每个所述候选者分配至少两个效用函数之一。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于还包括：根据所述候选者的用户类来为所述候选者分配所述至少两个效用函数中特定的一个。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信资源包括支持候选者接入终端与高数据率通信网络之间射频通信的空中接口；以及所述候选者的调度包括调度由所述候选者接入终端使用所述空中接口。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括：定义一个或多个所述效用函数，使得对所述候选者的调度具有倾向性，以便一个或多个所述候选者取得目标平均数据吞吐量。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：对所述一个或多个效用函数应用势垒函数，以实现所述倾向性。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每个所述候选者具有基于对该候选者的以往服务的对应平均数据吞吐量；还包括为分配给一个或多个所述候选者的效用函数设定上限来限定所述一个或多个候选者可取得的平均数据吞吐量。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每个所述候选者具有基于对该候选者的以往服务的对应平均数据吞吐量；还包括限定分配给一个或多个所述候选者的效用函数的最小值，以努力将所述一个或多个候选者的平均数据吞吐量维持在期望的最小值之上。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括：将所述效用函数定义成与每个所述候选者相关的平均数据吞吐量的函数，所述平均数据吞吐量取决于所述候选者的以往调度情况。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：在后续服务间隔期间从所述候选者接收服务请求信息，所述服务请求信息定义每个所述候选者期望的数据量。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，统一评估所述效用函数以确定结果的步骤包括：确定在至少部分所述后续服务间隔期间根据所述服务请求信息、服务考虑中的某个所述候选者而不服务其余所述候选者将引起的收益上的净变化量。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为每个所述候选者统一评估所述效用函数的步骤包括确定服务考虑中的候选者而不服务其余所述候选者将引起的收益的总计变化量。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，确定收益总计变化量的步骤包括：评估因选择所考虑的服务候选者而造成的由分配给所述候选者的效用函数给出的收益的总变化量。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：按重复的服务间隔执行所述评估和服务步骤，以便总体上以趋于使总收益最大化的调度来服务候选者。

18.一种在一序列服务间隔的每一个服务间隔期间在多个用户候选者之间调度使用高数据率通信网络中空中接口的方法，所述方法包括：

跟踪所述候选者的平均服务速率，其中所述平均服务速率与以往服务间隔期间所作的调度决策相关；

对每个所述候选者评估目标函数，所述目标函数具有依赖于所述平均速率的初始值和依赖于服务考虑中的该候选者而不服务其余所述候选者将引起的总计变化量的下一个值；以及

服务在所述目标函数中得到最有利的总计变化量的候选者。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括：为每个所述候选者分配效用函数，所述效用函数将服务所述候选者的收益表示成所述平均服务速率的函数。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：将所述目标函数定义成所述效用函数的函数，以使所述目标函数的所述总计变化量反映收益的总计变化量。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：为第一组候选者分配第一效用函数，而为第二组候选者分配第二效用函数，以使所述第一和第二组候选者具有不同的调度优先权；以及其中所述第一和第二组候选者共同包括所述多个候选者。

22.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：将一个或多个所述效用函数定义为与时间相关的效用函数，以使分配了时间相关的效用函数的候选者具有与时间相关的调度优先权。

23.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：将多个效用函数分配给一个或多个所述候选者，以使所述候选者的调度优先权取决于所述多个函数。

24.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：限定一个或多个所述效用函数的下限值，以便以努力使所述一个或多个候选者的所述平均服务数据率维持在最小数据率之上的方式来调度一个或多个所述候选者，以便为之服务。

25.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：限定一个或多个所述效用函数的上限值，以便以使所述一个或多个候选者的所述平均服务数据率维持在最大数据率之下的方式来调度一个或多个所述候选者，以便为之服务。

26.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括：将势垒函数结合到所述目标函数中，以便根据所述势垒函数施加的约束来调度所述候选者。

27.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括：对每个所述候选者，根据用于服务考虑中的所述候选者的期望数据率来确定所述目标函数的所述下一个值。

28.权利要求27的方法，其特征在于还包括：从所述候选者接收所述期望的数据率。

29.权利要求28的方法，其特征在于还包括：从所述候选者接收期望的数据率，所述期望的数据率采取从所述候选者传送到所述高数据率通信网络的DRC值的形式。

30.一种调度使用无线通信网中通信资源的方法，其中所述通信资源由多个用户候选者共享，所述方法包括：

定义一组两个或两个以上的效用函数；

将每个所述候选者分配到用户类；

根据所述候选者的所述用户类将效用函数分配给每个所述候选者；

为每个所述候选者统一评估所有候选者的所述效用函数，以确定作为由服务考虑中的所述候选者将会引起的结果的选择量度；以及

在指定时间内将所述共享资源分配给具有最有利选择量度的候选者。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，在指定时间内将所述共享资源分配给具有最有利选择量度的候选者的步骤包括：将所述资源分配给使所述选择量度最大化的候选者。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，将不同的服务质量与所述用户类相关联，以便在进行所述资源的所述分配时对用户类中具有较高相关服务质量的候选者有利。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述通信资源包括高数据率通信网络中的空中接口，而所述候选者包括候选接入终端，其中，调度所述用户类中具有较高相关服务质量的候选接入终端来使用所述空中接口，以取得比那些候选接入终端高的平均数据吞吐量。

34.如权利要求30所述的方法，其特征在于还包括：定义所述效用函数来表示服务所述候选者的收益。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于还包括：将所述效用函数定义成与对所述候选者的以往服务相关的平均服务数据率的函数，以便与服务所述候选者中给定的一个候选者相关的收益值取决于与所述候选者相关的平均服务数据率以及分配给所述候选者的特定效用函数。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于还包括：通过确定在所述指定时间内服务所述候选者所引起的平均服务数据率上的增量变化来确定每个所述候选者的收益变化。

37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，统一评估所有候选者的所述效用函数以确定所述选择量度的步骤包括：确定对于一个给定的时间，服务考虑中的每个所述候选者而不服务其余所述候选者所引起的总收益的净变化量。

38.一种调度使用多个用户候选者所共享的无线通信网络中通信资源的方法，所述方法包括：

定义一组两个或两个以上的效用函数；

为每个所述候选者分配效用函数，其中分配给至少一个所述候选者的效用函数是时间函数；

为每个所述候选者统一评估所有候选者的所述效用函数，以确定作为由服务考虑中的该候选者将会引起的结果的选择量度；以及

在指定时间内将所述共享资源分配给具有最有利选择量度的候选者。

39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，通过在所述效用函数中包含时间相关的加权系数，使分配给所述至少一个所述候选者的效用函数与时间相关。

40.如权利要求39所述的方法，其特征在于还包括：根据每天的时间为分配了所述时间相关的效用函数的所述至少一个候选者调整调度优先权。

41.如权利要求38所述的方法，其特征在于还包括：

将所述候选者中的各候选者分配到至少两个用户类之一；

将时间相关的效用函数分配给所述用户类其中至少之一中的候选者，以便所述至少一个用户类中的候选者具有与每天的时间相关的调度优先权。

42.如权利要求38所述的方法，其特征在于，调整与时间成函数关系的所述效用函数，以使分配了所述效用函数的候选者的调度优先权以与时间成函数关系的方式变化。

43.一种用于高数据率网络且适于调度使用多个用户候选者所共享的空中接口的通信网络实体，所述网络实体包括适于执行如下操作的处理器：

为每个所述候选者分配效用函数；

统一评估效用函数，以确定在确定的时间内服务每个所述候选者而不服务其余所述候选者将引起的结果；以及

选择具有最有利结果的候选者来服务。

44.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述处理器为所有候选者分配相同的效用函数。

45.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述处理器将第一效用函数分配给至少一个所述候选者；将不同的第二效用函数分配给所述候选者中的另一个。

46.如权利要求45所述的网络实体，其特征在于，所述处理器为第一用户类中的候选者分配所述第一效用函数，而为第二用户类中的候选者分配所述第二效用函数；所述第一和第二效用函数定义为允许以不同的优先权来调度所述第一用户类和第二用户类中的候选者。

47.如权利要求46所述的网络实体，其特征在于，所述处理器调度所述第一和第二用户类中的候选者，以向不同用户类中的候选者提供不同的服务质量。

48.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述处理器根据与所述候选者相关的期望服务质量，将两个或两个以上的效用函数之一分配给每个所述候选者。

49.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述处理器将时间相关的效用函数分配给至少一个所述候选者，以使所述候选者具有时间相关的调度优先权。

50.如权利要求49所述的网络实体，其特征在于，所述处理器根据与给定候选者相关的用户类确定是否要将时间相关的效用函数分配给所述给定候选者。

51.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述处理器对所述候选者的调度具有倾向性，以使所述候选者中一个或多个候选者的平均服务数据率向目标平均服务数据率移动。

52.如权利要求51所述的网络实体，其特征在于，所述处理器根据期望的倾向方案定义一个或多个所述效用函数来实现所述倾向性。

53.如权利要求51所述的网络实体，其特征在于，所述处理器对一个或多个所述效用函数施加势垒函数，以实现所述有倾向性的调度。

54.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述处理器对所述候选者的调度具有倾向性，以使所述候选者中的一个或多个候选者的平均服务数据率维持在期望的最小阈值之上。

55.如权利要求54所述的网络实体，其特征在于，所述处理器对所述效用函数中的一个或多个效用函数施加势垒函数，以实现所述有倾向性的调度。

56.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述处理器执行如下步骤：

跟踪每个所述候选者的平均服务数据率；以及

将所述效用函数定义成所述平均服务数据率的函数，以便由服务所述候选者中的一个指定候选者所引起的收益变化是服务所述候选者中的所述给定的一个候选者将引起的所述平均服务数据率的增量变化的函数。

57.如权利要求56所述的网络实体，其特征在于，所述处理器执行如下步骤：

将期望的数据率与每个所述候选者相关联；以及

根据以所述相关的期望数据率服务所述候选者中所述给定的一个候选者来确定所述平均服务速率上的所述增量变化。

58.如权利要求56所述的网络实体，其特征在于，所述处理器限定分配给一个或多个所述候选者的效用函数，以限定所述一个或多个候选者可取得的平均服务数据率。

59.如权利要求56所述的网络实体，其特征在于，所述处理器为分配给一个或多个所述候选者的效用函数定界，以维持用于所述一个或多个候选者的最小平均服务数据率。

60.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述网络实体包括无线电基站，所述无线电基站提供无线电资源，用于通过所述空中接口与所述多个用户通信。

61.如权利要求43所述的网络实体，其特征在于，所述网络实体包括基站控制器，所述基站控制器可进行操作以控制向所述多个用户提供所述空中接口的一个或多个无线电基站。

62.一种调度使用无线通信网络中通信资源的方法，其中，所述通信资源由多个接入终端共享，所述方法包括：

为每个所述接入终端分配效用函数；

为每个所述接入终端评估所述多个接入终端的效用函数，以确定指示服务每个所述接入终端而不服务其余所述接入终端时与所述效用函数相关的可能变化量的结果；以及

服务具有与之相关的、指示最有利的可能变化的接入终端。

63.如权利要求62所述的方法，其特征在于，评估所述多个接入终端的效用函数以确定结果的步骤包括：统一评估所述多个接入终端的所述效用函数以确定结果。

64.如权利要求62所述的方法，其特征在于，每个所述的可能变化量是与相应效用函数相关的负的、正的或中性的收益变化量。

65.如权利要求64所述的方法，其特征在于，服务所述接入终端包括：服务具有表示最高正收益变化量的相关结果的接入终端。

Images