CN1964320A - 一种用于实时混合业务环境的可变参数分组调度方法 - Google Patents

Abstract

一种用于实时混合业务环境的可变参数分组调度方法，属于无线通信技术领域，涉及实时业务应用环境的分组调度方法。首先确定一种具有可变参数的调度优先级函数，并采用基于业务QoS的公平调度准则为具体的业务应用确定最佳的参数值，在此基础上计算所有分组队列的优先级，最后按照优先级的排序进行分组调度。本发明可以根据具体的系统业务应用需求，如承载的业务类型和不同业务队列之间的比例构成等，通过调整分组调度优先级函数的可变参数，构造出更佳公平的调度优先级函数，为系统内不同业务队列分配最优调度配额，以达到按照业务QoS要求合理分配系统资源，提高系统容量的目的。

Description

一种用于实时混合业务环境的可变参数分组调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及实时业务应用环境的分组调度方法。

背景技术

近年来，无线多媒体业务得到了快速发展。其中，一些实时无线业务，如VoIP，视频通信以及交互类游戏等，有着越来越大的应用需求。同有线通信相比较，无线应用易受到自由空间传播损耗，多径衰落，多普勒频移以及开放干扰源干扰等不利因素的影响，使得无线资源变得相对紧缺。与此同时，对于实时分组业务而言，它们对传输时延较非实时业务敏感，有着严格的QoS要求。因而，在实时业务应用环境中，用来在不同业务之间分配无线资源的管理机制变得至关重要，其资源分配的合理性将对系统容量产生直接影响。

无线资源管理中的分组调度机制负责无线资源在移动用户以及不同业务队列之间的分配任务。一个有效的分组调度方法不仅需要为每种业务提供所需的业务QoS保证，同时还应该合理分配有限的无线资源以获得最大系统效益，即系统容量。分组调度方法分配无线资源时考虑的主要因素包括系统级性能和用户级性能。对于前者，评价的指标包括系统吞吐量，频谱利用效率，功率效率等；而对于后者用户级性能，评价的对象则是系统内各种业务QoS是否得到了可靠的保证，以及不同业务之间所得资源份额的合理性。评价这种合理性程度的指标为调度算法的调度公平性。虽然最大化系统性能与最大化用户性能两者不能同时获得，但是有效的调度机制可以根据业务QoS需求分配无线资源份额，实现系统资源的合理调配，达到提高系统容量的目的。

理论上，系统承载的业务类型确定了理想调度条件下不同业务队列获得的最佳调度概率比。现有的实时业务分组调度方法，如modified largest weighted delay first(见M.Andrews，K.Kumaran，K.Ramanan，A.Stolyar，R.Vijayakumar and P.Whiting，”CDMA data QoS schedulingon the forward link with variable channel conditions”，Bell Laboratories Technical Report.April2000.)和exponential rule(见Sanjay Shakkottai and Alexander L.Stolyar，”Scheduling formultiple flows sharing a time-varying channel-the exponential rule”，Bell Laboratories TechnicalReport.Dec.2000.)等，采用的是确定的分组调度优先级函数，因而，为每类业务分组队列提供的调度机会也会始终固定不变。于是，在变化的混合业务应用环境下，比如，随着应用需求的不同，系统中不同业务队列比例构成也不断变化，这时，由于上述分组调度方法采用固定的分组调度优先级函数调度分组队列，为不同业务分组队列提供的调度机会恒定，就会出现为较少服务需求业务队列提供过多的调度机会而为服务需求较多的分组队列提供的调度机会不足的失衡调度。由于这些分组调度方法不能根据业务队列比例构成的变化动态调整调度策略，实现调度机会的优化分配，造成部分调度机会和无线资源份额的浪费，引起无线资源利用效率和系统容量的下降。

发明内容

为了解决现有的分组调度方法可能出现的为较少服务需求业务队列提供过多的调度机会而为服务需求较多的分组队列提供的调度机会不足的失衡调度，本发明提出了一种具有可以根据实时应用的业务类型和业务比例构成而动态调整其调度优先级函数参数的调度方法，从而达到合理分配无线资源，提高系统容量的目的。

本发明解决其技术问题的基本思路是：设计出一种具有可变参数的调度优先级函数，并采用基于业务QoS的公平调度准则为具体的业务应用确定最佳的参数值，在此基础上计算所有分组队列的优先级，最后按照优先级的排序进行分组调度。

对于集中式的无线通信系统，其下行分组调度器通常会在调度缓冲区内为每类分组业务建立一个分组队列，用于分组传输及资源分配管理。调度器中的分组调度算法根据自身的调度优先级函数计算出调度周期内各个分组队列的优先级，以此确定分组队列的服务次序。分组队列的当前状态以及其在前一段时间内获得的服务质量通常成为调度优先级函数的主要参量。

本发明技术方案为：

一种用于实时混合业务环境的可变参数分组调度方法，由周期性的分组调度过程构成，其特征是，包括以下步骤：

步骤1.计算调度优先级函数的可变参数值λj的最佳取值

所述调度优先级函数为：

$p(i,j)=\arg \underset{i,j}{\max }\{{\mathrm{\λ}}_j{\·\mathrm{\α}}_j\·r_j^2\·\frac{{\tilde{r}}_i\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{r}}_{i,j}\left(t\right)}\·\exp \left(\frac{w_{i,j}\left(t\right)-\mathrm{\ϵ}\·T_j}{T_j}\right)\},$

其中：p(i，j)为用户i的j类业务分组队列在调度时刻t得到的调度优先级；i和j分别表示用户和业务类型；λ_j为调度优先级函数的可变参数；系数α_j＝-log(δ_j)/T_j，其中，T_j和δ_j分别表示j类业务传输时延要求和丢包率要求；r_j表示j类业务的分组传输速率要求；

表示调度时刻t用户i的信道传输速率； 为用户i的j类业务队列在统计时间间隔T内所获得的平均分组传输速率；所述统计时间间隔T可取值为调度周期的整数倍；w_i，j(t)为调度时刻t用户i的j类业务队列列首分组的已等待时间；ε为用于减小调度延时的算法参数，取值区间为[0，1]。

所述可变参数λ_j根据具体的系统业务应用由下述公平调度准则确定最佳取值：

设系统能承载两类分组数据业务，即调度缓冲区内存在两种业务类型分组队列Q₁和Q₂。这两种队列分别存放第1类业务和第2类业务的分组数据。两类业务的分组传输速率要求分别为r₁和r₂，其分组传输时延要求为T₁和T₂，对丢包率的要求分别是δ₁和δ₂。

根据随机过程理论，可以得到调度Q₂类分组队列的概率为：

$P\left\{t\right|\→Q_2\}=\frac{T_1{T}_2{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}{T_1{\mathrm{\σ}}_1+T_2{\mathrm{\σ}}_2}[{\∫}_0^1\frac{y}{y^2+{\mathrm{\λ}}^2{k}^2}\·\exp \left(T_1{\mathrm{\σ}}_1\ln y\·\mathrm{dy}\right)+{\∫}_0^1\frac{y}{y^2+{\mathrm{\λ}}^2{k}^2}.\exp (-T_2{\mathrm{\σ}}_2\ln y)\·\mathrm{dy}]---\left(1\right)$

式(1)中，σ_j＝-ln(δ_j)/T_j；k＝k₁/k₂， $k_j={\mathrm{\α}}_j\·\frac{r_j^2}{{\stackrel{\‾}{r}}_j},$ j∈{1，2}；λ＝λ₁/λ₂。

若缓冲区内有M个Q₁和N个Q₂类队列，则这两类业务的单个队列获得的调度概率比为：

$P\left\{t\right|\→q_1\}:P\left\{t\right|\→q_2\}=\frac{1-P\left\{t\right|\→Q_2\}}{M}:\frac{P\left\{t\right|\→Q_2\}}{N}---\left(2\right)$

考虑两种业务的QoS需求，一个理论上公平的调度算法应当使得

$\hat{P}\left\{t\right|\→q_1\}:\hat{P}\left\{t\right|\→q_2\}=-\log \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\·\frac{r_1}{T_1}:-\log \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\·\frac{r_2}{T_2}---\left(3\right)$

将业务QoS参数代入式(3)，且令(2)＝(3)，则可以得到Q₂类业务队列应当获得的最佳调度概率 $P\left\{t\right|\→Q_2\}.$ 再根据式(1)，且令 ${\stackrel{\‾}{r}}_j=r_j,$ 就可求出可变参数λ_j的最佳取值。

步骤2.将步骤1.所确定的可变参数λj的最佳取值代入所述调度优先级函数，计算系统中所有待传分组队列的调度优先级，然后将分组队列按照优先级高低排序。

步骤3.根据步骤2.所得的按照优先级高低排序的待传分组队列，依次调度分组并传输。

上述方案中，步骤1.中所述调度周期可为2ms，所述统计时间间隔T可取值2s；所述ε可取值为0.1。

本发明的有益效果是，可以根据具体的系统业务应用需求，如承载的业务类型和不同业务队列之间的比例构成等，通过调整分组调度优先级函数的可变参数，构造出更佳公平的调度优先级函数，为系统内不同业务队列分配最优调度配额，以达到按照业务QoS要求合理分配系统资源，提高系统容量的目的。

附图说明

无

具体实施方式

下面结合一实时混合业务应用实例对本发明作进一步说明。

设系统承载的业务包含语音和视频流两种实时分组业务类型，其业务QoS参数由表I列出。应用中，语音和视频流两种业务分组队列之比为M∶N＝1∶2。为了在上述业务应用环境下为两类业务提供可靠QoS保证，公平的调度配额，从而获得系统容量的最大化，可变参数λ_j的最佳取值可由下面的过程得到。

                         表I语音与视频业务QoS参数

业务类型	分组传输时延界限Tj(ms)	丢包率界限δj	业务传输速率要求rj(kbps)
				语音	80	0.01	32
视频	280	0.001	144

第一步：将表I中的QoS参数代入式(3)，可以得到上述业务应用场景下理想分组调度算法调度两种业务队列概率的最佳比值为(设1代表语音业务，2代表视频流业务)：

$\hat{P}\left\{t\right|\→q_1\}:\hat{P}\left\{t\right|\→q_2\}=-\log \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\·\frac{r_1}{T_1}:-\log \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\·\frac{r_2}{T_2}=0.4:0.6---\left(4\right)$

第二步：令式(2)＝式(4)，即令

$P\left\{t\right|\→q_1\}:P\left\{t\right|\→q_1\}=\frac{1-P\left\{t\right|\→Q_1\}}{M}:\frac{P\left\{t\right|\→Q_1\}}{N}=0.4:0.6$

可以得到视频流业务应当获得的调度概率

$P\left\{t\right|\→Q_2\}=0.75---\left(5\right)$

第三步：将表I中的QoS参数代入式(1)，可以得到 $P\left\{t\right|\→Q_2\}~\mathrm{\λ}$ 关系曲线。在 $P\left\{t\right|\→Q_b\}=0.75$ 处可以得到对应的λ取值，约为1.1。于是可以选取λ₁＝1.1和λ₂＝1为该应用场景下可变参数λ_j的最佳取值。

Claims (2)

1、一种用于实时混合业务环境的可变参数分组调度方法，由周期性的分组调度过程构成，其特征是，包括以下步骤：

步骤1.计算调度优先级函数的可变参数值λ_j的最佳取值所述调度优先级函数为：

$p(i,j)=\arg \underset{i,j}{\max }\{{\mathrm{\λ}}_j\·{\mathrm{\α}}_j\·r_j^2\·\frac{{\tilde{r}}_i\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{r}}_{i,j}\left(t\right)}\·\exp \left(\frac{w_{i,j}\left(t\right)-\mathrm{\ϵ}\·T_j}{T_j}\right)\},$

其中：p(i，j)为用户i的j类业务分组队列在调度时刻t得到的调度优先级；i和j分别表示用户和业务类型；λ_j为调度优先级函数的可变参数；系数α_j＝-log(δ_j)/T_j，其中，T_j和δ_j分别表示j类业务传输时延要求和丢包率要求；r_j表示j类业务的分组传输速率要求；

表示调度时刻t用户i的信道传输速率；

为用户i的j类业务队列在统计时间间隔T内所获得的平均分组传输速率；所述统计时间间隔T可取值为调度周期的整数倍；w_i,j(t)为调度时刻t用户i的j类业务队列列首分组的已等待时间；ε为用于减小调度延时的算法参数，取值区间为[0，1]；

所述可变参数λ_j根据具体的系统业务应用由下述公平调度准则确定最佳取值：

设系统能承载两类分组数据业务，即调度缓冲区内存在两种业务类型分组队列Q₁和Q₂；这两种队列分别存放第1类业务和第2类业务的分组数据；两类业务的分组传输速率要求分别为r₁和r₂，其分组传输时延要求为T₁和T₂，对丢包率的要求分别是δ₁和δ₂；

根据随机过程理论，可以得到调度Q₂类分组队列的概率为：

式(1)中，σ_j＝-ln(δ_j)/T_j；k＝k₁/k₂， $k_j={\mathrm{\α}}_j\·\frac{r_j^2}{{\stackrel{\‾}{r}}_j}$ ，j∈{1，2}；λ＝λ₁/λ₂；

若缓冲区内有M个Q₁和N个Q₂类队列，则这两类业务的单个队列获得的调度概率比为：

考虑两种业务的QoS需求，一个理论上公平的调度算法应当使得

将业务QoS参数代入式(3)，且令(2)＝(3)，则可以得到Q₂类业务队列应当获得的最佳调度概率 ；再根据式(1)，且令 ${\stackrel{\‾}{r}}_j=r_j$ ，就可求出可变参数λ_j的最佳取值；

步骤2.将步骤1.所确定的可变参数λ_j的最佳取值代入所述调度优先级函数，计算系统中所有待传分组队列的调度优先级，然后将分组队列按照优先级高低排序；

步骤3.根据步骤2.所得的按照优先级高低排序的待传分组队列，依次调度分组并传输。

2、根据权利要求1所述的一种用于实时混合业务环境的可变参数分组调度方法，其特征在于，步骤1.中所述调度周期为2ms，所述统计时间间隔T可取值2s；所述ε取值为0.1。