CN1925460A - 一种hsdpa系统的分组调度和信道分配方法 - Google Patents

Abstract

一种HSDPA系统的分组调度和信道分配方法，属于无线通信领域中多媒体业务环境下分组调度和资源分配技术。由周期性的分组调度过程和信道分配过程组成。调度过程以业务QoS要求和业务当前QoS水平为基础设计调度优先级函数进行分组调度。信道分配过程首先为重传分组分配信道，然后采用传输时延保证的信道分配准则为剩余分组分配信道，最后以用户信道条件为准则分配剩余信道。本发明可以在混合业务应用环境中为每类业务分配及时的调度机会；可以实现对多种实时和非实时混合业务应用的调度需求；实现了在确保业务分组传输时延的同时利用多用户分集提高了系统吞吐量。本发明可以应用于HSDPA提供多媒体业务QoS保证的无线资源调配。

Description

一种HSDPA系统的分组调度和信道分配方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及多媒体业务应用的分组调度和信道资源分配技术。

背景技术

为了提高UMTS/WCDMA系统的分组数据传输能力，3GPP在其Release 5协议规范中增加了高速下行共享传输信道(HS-DSCH)对分组业务的支持，同时对原有网络体系结构做出了有利于高速分组数据传输的调整：将无线资源管理功能从RNC(Radio Network Controller)转移到更加靠近空中接口的Node B，提出了高速下行分组接入(HSDPA)的3.5G系统概念。与较早版本Release 99中的下行分组数据传输模式相比，HSDPA采用了由Node B控制的物理层快速信道自适应和混合反馈重传等多种无线传输增强技术，以实现HSDPA系统对10.7Mbps峰值比特速率的支持。

Release 5协议除了引入自适应调制编码(adaptive modulation and coding)，混合反馈重传(hybrid automatic repeat request)，快速小区选择(fast cell selection)和MIMO(multiple input andmultiple output)的HSDPA增强技术外，调整后的网络体系实现了对快速调度(fast scheduling)技术的支持。HSDPA系统可以以2ms的调度周期精度对无线资源进行调配。HSDPA系统MAC层的分组调度和资源分配策略将在很大程度上影响系统的无线资源利用效率。

随着无线通信技术及其业务的不断进展，在HSDPA系统中实现对多媒体业务的支持已是大势所趋。如何对多种业务共存环境下的分组队列进行合理调度，为每种业务分配恰当的资源份额(信道数)既是为用户业务提供可靠QoS保证的要求同时也是提高系统资源利用率的需求。

现有的轮询(Round Rubin)算法，其采用固定的顺序为分组用户提供轮流服务，能在单一业务环境下为分组用户提供服务机会上的绝对公平；公平比(Proportional fair)算法以用户的实时信道传输能力和用户获得的平均传输速率之比来确定用户的服务顺序，其在兼顾系统容量的同时为用户提供了分组传输速率上的公平性。虽然这两种方法能在单一业务应用环境下为分组用户提供一定程度的服务公平，但是不能在多业务应用环境下为不同的分组用户提供有差别的QoS保证。而对于一些实时分组调度算法，如Modified Largest Weighted Delay Firs和Exponential rule等，其调度策略考虑的是分组业务的传输时延，吞吐量和丢包率QoS要求，而并未考虑分组业务实时得到的QoS水平。由于这类算法不能对业务的QoS水平进行监测，不能根据业务获得的当前QoS水平与期望QoS之间的差值为分组业务提供与其状态相匹配的调度份额，通常会出现在分组传输过程中不能有效的将“急需”服务分组队列从一般的队列中区分开来，导致多媒体业务应用中时延要求较高业务分组的丢包率上升，获得较差分组传输速率的分组业务得不到及时服务，引起调度资源的浪费和系统容量的降低。有鉴于此，针对HSDPA系统的多媒体业务应用，需要一种既能合理调度分组队列，为不同类型分组业务提供可靠QoS保证，又可以有效利用系统资源的分组调度和与之相匹配的信道分配方法。

发明内容

为了解决HSDPA系统中现有的分组调度方法在多业务应用环境下不能根据业务实时QoS状态作合理调度，且系统资源利用效率较低的不足，本发明提出一种应用于HSDPA系统多媒体业务环境下基于QoS业务监测的分组调度及信道分配方法，同时采用多用户分集提高系统资源利用效率。

本发明解决其技术问题采用的基本思路是：设计出一个以业务QoS要求和业务获得的当前QoS水平为基础的调度优先级函数，以及时的对业务QoS水平做出调整，避免盲目调度造成调度资源的浪费，实现对调度机会的按需分配；同时，在资源分配方案中采用固定大小的调度缓冲区，利用基于分组传输时延保证的多用户分集码道分配策略提高系统吞吐量。

本发明所提及的多媒体业务包括实时业务(如：音频业务和食品业务等)和非实时业务(如www业务等)。所提及的多媒体业务应用指的是实时和非实时无线分组业务共存的业务环境。业务QoS参数通常包括分组传输时延，时延抖动，期望吞吐量，误码率等。本发明主要利用其中两个主要业务QoS参数：分组传输时延和业务期望吞吐量。

通常，HSDPA的Node B调度器以分组队列的形式对分组业务流进行管理。每个用户的每类分组业务流对应于调度器内的一个分组队列。调度器根据特定的分组调度方法确定分组队列的服务顺序，采用给定的信道分配方案为已调度的分组队列分配传输信道。本发明亦采用这种分组调度和信道分配的框架。

本发明技术方案为：

一种HSDPA系统的分组调度和信道分配方法，由周期性的分组调度过程和信道分配过程组成，其特征在于，所述分组调度过程包括以下顺序步骤：

步骤1.计算HSDPA系统中所有用户待传分组队列的调度优先级

分组队列的调度优先级由队列列首分组的已等待时间和业务分组传输时延界决定的时延优先级项以及由该队列获得的平均分组传输速率和业务期望吞吐量决定的吞吐量优先级项共同确定。可将分组调度过程的调度优先级函数表示为：

$P_{i,j}\left(t\right)={\mathrm{\α}}_j\·\frac{t-t_{i,j}}{T_j}+{\mathrm{\β}}_j\·u(r_j-{\stackrel{\‾}{r}}_{i,j})\·\frac{r_j-{\stackrel{\‾}{r}}_{i,j}}{r_j}$

其中：

P_i，j(t)：用户i的j类业务分组队列在调度时刻t得到的调度优先级；

T_j：j类业务分组传输时延界；

t_i，j：用户i的j类分组队列列首分组生成时刻；

α_j，β_j：时延优先级项和吞吐量优先级项加权系数，且α_j+β_j＝1；

r_j：j类分组业务期望吞吐量；

u(·)：单位阶跃函数，即

r_i，j：用户i的的j类分组业务队列在调度时刻t前的统计时间kT(T为分组调度或信道分配周期，k为正整数的系数)内获得的平均分组传输速率。

根据以上调度优先级函数计算出HSDPA系统中所有用户待传分组队列的优先级，然后将分组队列按照优先级高低排序。

步骤2.根据当前调度周期调度缓冲区内剩余分组用户数s(初始调度周期下s＝0)，从排序后的队列中选取(M-s)个(M为调度缓冲区可以允许的最大用户数)高优先级用户的队列列首分组进入调度缓冲区，参与当前信道分配周期内的信道分配。

所述信道分配过程包括以下顺序步骤：

步骤3.若调度缓冲区内s个剩余分组用户中含有重传分组(若上一个信道分配周期的分组传输过程中出现不可纠正的传输差错，缓冲区内会出现重传分组)，则为重传分组分配所需信道数n^rt；若n^rt大于HSDPA系统总的信道数N，则按照重传分组用户信道条件的优劣将所有信道N分配给具有较好信道条件的重传分组，然后执行步骤6.；若n^rt小于HSDPA系统总的信道数N，则执行步骤4.。

设缓冲区内用户i的j类业务重传分组大小为p_i，j ^rt，则重传该分组需要的信道数为 $n_{i,j}^{\mathrm{rt}}=\frac{p_{i,j}^{\mathrm{rt}}}{R_i\left(t\right)}$ (其中R_i(t)为采用HARQ方式确定的单位调度周期内信道传输能力)，为了传输用户i的所有业务重传分组需要的信道数为 而发送缓冲区内所有用户重传分组需要的信道数则为 $n^{\mathrm{rt}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i^{\mathrm{rt}}.$

若调度缓冲区内s个剩余分组用户中不含有重传分组，则直接执行步骤4.。

步骤4.采用传输时延保证的信道分配准则为缓冲区内剩余分组分配传输信道设缓冲区内用户i的j类业务剩余分组大小为p_i，j ^rm，该分组生成时间为t_i，j，则为了保证在j类业务要求的分组传输时延界内将该分组传输完毕，按照当前信道分配周期用户i的信道传输能力C_i(t)( $C_i\left(t\right)={\tilde{r}}_i\left(t\right)\·T,$ 其中，

为信道的实时传输速率，T为分组调度或信道分配周期)，需要为该分组分配的信道数为

则为了传输用户i的所有业务剩余分组需要的信道数为

则为了传输缓冲区内所有用户的剩余分组需要的信道数目为 $n^{\mathrm{rm}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i^{\mathrm{rm}}.$ 若n^rm≥N-n^rt，则按照比例分配剩余信道，即用户i在这种情况下获得的用于传输剩余分组的信道数目为 然后执行步骤6.；若n^rm＜N-n^rt，则执行步骤5.。

步骤5.以用户信道条件为准则依次为具有高信道容量的用户分组分配传输信道，直至将剩余信道分配完毕。

步骤6.进行信道分配统计、加载分组比特并传输，分组传输完成后更新调度缓冲区数据，此时若调度缓冲区内剩余分组用户数s大于缓冲区最少用户门限S，则返回步骤3.；若调度缓冲区内剩余分组用户数s小于缓冲区最少用户门限S，则返回步骤1.。

本发明的有益效果是，采用考虑业务分组传输时延和业务传输速率QoS要求及业务已获QoS水平的调度优先级函数，可以在混合业务应用环境中为每类业务分配及时的调度机会；通过调整时延和吞吐量在调度优先级函数中的权重，可以实现对多种实时和非实时混合业务应用的调度需求；在固定大小的调度缓冲区内，对剩余分组采用传输时延最低限度保证的信道分配策略和对剩余信道采用最大用户信道容量分配准则，实现了在确保业务分组传输时延的同时利用多用户分集提高了系统吞吐量。

附图说明

图1为本发明所述的一种HSDPA系统的分组调度和信道分配方法流程图。

具体实施方式

下面结合3G系统典型的语音，视频流和交互类WWW混合业务应用实例对算法应用中的参数设置作示例说明。

表I列出了以上业务类型的分组传输时延界及业务期望吞吐量QoS参数。将这些参数分别代入算法说明第一步给出的调度优先级函数中，可以分别得到针对这三种不同业务的分组队列优先级计算准则。由于语音和视频流业务为实时分组业务，而WWW业务为非实时业务，为了更好的为实时业务提供分组传输时延保证，可以将语音和视频流业务的时延优先级加权系数α_j设为0.8，而将WWW业务的时延优先级加权系数α_j设为0.5。在对平均分组传输速率 r_i，j进行统计时，可将统计时间kT设为2s(调度周期或信道分配周期T为2ms)。

在HSDPA系统中，用于分组业务数据传输的信道为扩频因子为16的扩频码信道。通常，将其中一个码道用来传输系统信令，剩下的15个码道作为分组业务传输信道，于是系统中总的信道数N＝15。

设定缓冲区可以允许的最大用户数M以及缓冲区最少用户门限S是用来利用多用户分集提高系统吞吐量。仿真结果表明当S＝M-1时，可以获得较高的系统容量。M应在可用码道数内取值，较小的M会造成信道浪费，较大的M取值不能有效利用多用户分集。在所给的业务应用环境下，可以将M设为5。

采用上述算法参数设置，本发明所述算法在为三类业务提供可靠QoS保证同时，还可以获得较现有轮询，公平比，Modified Largest Weighted Delay Firs和Exponential rule分组调度算法更高的系统容量。

表I  语音，视频流及WWW业务QoS参数

业务类型	分组传输时延界限Tj(ms)	业务传输速率要求ri(kbps)
			语音	40	32
视频	280	144
			WWW	60000	384

Claims (3)

1、一种HSDPA系统的分组调度和信道分配方法，由周期性的分组调度过程和信道分配过程组成，其特征在于，所述分组调度过程包括以下顺序步骤：

步骤1.计算HSDPA系统中所有用户待传分组队列的调度优先级

分组调度过程的调度优先级函数为：

$P_{i,j}\left(t\right)={\mathrm{\α}}_j\·\frac{t-t_{i,j}}{T_j}+{\mathrm{\β}}_j\·u(r_j-{\stackrel{\‾}{r}}_{i,j})\frac{r_j-{\stackrel{\‾}{r}}_{i,j}}{r_j}$

其中：

P_i，j(t)：用户i的j类业务分组队列在调度时刻t得到的调度优先级；

T_j：j类业务分组传输时延界；

t_i，j：用户i的j类分组队列列首分组生成时刻；

α_j，β_j：时延优先级项和吞吐量优先级项加权系数，且α_j+β_j＝1；

r_j：j类分组业务期望吞吐量；

u(·)：单位阶跃函数，即

用户i的的j类分组业务队列在调度时刻t前的统计时间kT(T为分组调度或信道分配周期，k为正整数的系数)内获得的平均分组传输速率；

根据以上调度优先级函数计算出HSDPA系统中所有用户待传分组队列的优先级，然后将分组队列按照优先级高低排序；

步骤2.根据当前调度周期调度缓冲区内剩余分组用户数s(初始调度周期下s＝0)，从排序后的队列中选取(M-s)个(M为调度缓冲区可以允许的最大用户数)高优先级用户的队列列首分组进入调度缓冲区，参与当前信道分配周期内的信道分配；

所述信道分配过程包括以下顺序步骤：

步骤3.若调度缓冲区内s个剩余分组用户中含有重传分组，则为重传分组分配所需信道数n^rt；若n^rt大于HSDPA系统总的信道数N，则按照重传分组用户信道条件的优劣将所有信道N分配给具有较好信道条件的重传分组，然后执行步骤6.；若n^rt小于HSDPA系统总的信道数N，则执行步骤4.；

若调度缓冲区内s个剩余分组用户中不含有重传分组，则直接执行步骤4.；

步骤4.采用传输时延保证的信道分配准则为缓冲区内剩余分组分配传输信道

设缓冲区内用户i的j类业务剩余分组大小为p_i，j ^rm，该分组生成时间为t_i，j，则为了保证在j类业务要求的分组传输时延界内将该分组传输完毕，按照当前信道分配周期用户i的信道传输能力C_i(t)( $C_i\left(t\right)={\tilde{r}}_i\left(t\right)\·T,$ 其中，

为信道的实时传输速率，T为分组调度或信道分配周期)，需要为该分组分配的信道数为 则为了传输用户i的所有业务剩余分组需要的信道数为

则为了传输缓冲区内所有用户的剩余分组需要的信道数目为 $n^{\mathrm{rm}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i^{\mathrm{rm}}.$ 若n^rm≥N-n^rt，则按照比例分配剩余信道，即用户i在这种情况下获得的用于传输剩余分组的信道数目为

然后执行步骤6.；若n^rm＜N-n^rt，则执行步骤5.；

步骤5.以用户信道条件为准则依次为具有高信道容量的用户分组分配传输信道，直至将剩余信道分配完毕；

步骤6.进行信道分配统计、加载分组比特并传输，分组传输完成后更新调度缓冲区数据，此时若调度缓冲区内剩余分组用户数s大于缓冲区最少用户门限S，则返回步骤3.；若调度缓冲区内剩余分组用户数s小于缓冲区最少用户门限S，则返回步骤1.；

2、根据权利要求1所述的一种HSDPA系统的分组调度和信道分配方法，其特征在于，所述步骤3.为重传分组分配所需信道数n^rt的计算方法为：设缓冲区内用户i的j类业务重传分组大小为p_i，j ^rt，则重传该分组需要的信道数为 $n_{i,n}^{\mathrm{rt}}=\frac{p_{i,j}^{\mathrm{rt}}}{R_i\left(t\right)}$ (其中R_i(t)为采用HARQ方式确定的单位调度周期内信道传输能力)，为了传输用户i的所有业务重传分组需要的信道数为

而发送缓冲区内所有用户重传分组需要的信道数则为 $n^{\mathrm{rt}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i^{\mathrm{rt}};$

3、根据权利要求1、2所述的一种HSDPA系统的分组调度和信道分配方法，其特征在于，所述HSDPA系统总的信道数N＝15，所述分组调度周期或信道分配周期T为2ms，所述统计时间kT为2s，所述调度缓冲区可以允许的最大用户数M为5，所述调度缓冲区最少用户门限S最好为M-1。

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