CN100411474C - 适用于移动通信***的下行分组数据调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及下行分组数据调度方法，可在有效保证接入用户QoS的情况下充分利用无线资源。队列管理模块向调度决策模块提供各业务队列信息，包括队列等待时延和队列长度，由链路质量监测模块向调度决策模块报告各业务队列的链路质量信息，调度决策模块采用固定优先级和相对优先级相结合的策略进行下行调度。固定优先级是根据接入业务的QoS需求，将接入业务放入不同的“类”，调度时刻到来时，选择优先级高的“类”，只有在高优先级“类”中没有待发送分组数据时，才选择次高优先级“类”。其相对优先级是在同一“类”中，选择优先权参数最大的分组数据队列进行传输，优先权参数由算式获得，包括分组数据队列的链路质量、队列长度、队列等待时延等。

Description

适用于移动通信***的下行分组数据调度方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，更确切地说是涉及一种适用于第三代移动通信***(IMT-2000)的下行分组数据调度方法，可在有效保证接入用户服务质量(QoS)的情况下，充分利用有限的无线资源、提高***性能。

背景技术

CDMA20001X的分组调度技术是现有分组业务解决方案中的一种较为新颖、有效的技术。

在数据通信中，相对于上行链路而言，下行分组业务需占用更多的无线带宽资源。基于分组业务的这种非对称特性，CDMA20001X的EV-DO***在下行链路上采用了高速共享信道，以时分的方式传输各分组用户数据。在进行下行分组数据调度时，优先传输优先权最高的分组用户数据，分组用户k的传输优先权由下面的函数(1)决定：

${\mathrm{\δ}}_k=\frac{\mathrm{DR}{C}_k\left(t\right)}{R_k\left(t\right)}---\left(1\right)$

其中，R_k(t)为分组用户k在时刻t的平均传输速率；DRC_k(t)为分组用户k在时刻t根据下行链路质量估算并上报申请的数据速率。

当调度时刻到来时，选择δ_k最大的分组用户数据进行传输。这样，当用户的信道质量较好时(请求的传输速率DRC_k(t)较大)会获得更多的传输机会，从而提高***的吞吐量；当用户的信道质量较差，从而导致平均传输速率R_k(t)较低时，同样会使δ_k值增大，获得传输机会，因而利用上述函数(1)来决定分组用户的传输优先权，体现了一定的公平性。

在第三代移动通信***(IMT-2000)中，无线接入网不仅需要承载传统的语音业务，还引入了多种具有不同QoS需求的新业务，如实时的多媒体业务以及各种高速分组数据业务等，因此如何在有效保证接入用户服务质量(QoS)的情况下，充分利用有限的无线资源、提高***性能，已成为无线资源管理的一个重要课题。

前述的下行分组数据调度方案较好地折衷了提高***吞吐量以及实现用户公平性两方面的要求，但没有考虑不同业务类型对QoS的不同需求问题。例如，部分分组业务有较严格的时延要求，而部分分组业务对时延的要求比较宽松，如果能在调度分组数据时充分利用这一特性，就可以在有效保证不同业务类型用户QoS的情况下进一步提高***的容量和资源利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于移动通信***(如IMT-2000)的下行分组数据调度方法，在下行分组数据调度中，充分考虑不同业务类型对QoS的不同需求问题，从而进一步提高***的容量和资源利用率。

实现本发明目的的技术方案是：一种适用于移动通信***的下行分组数据调度方法，针对非实时分组数据业务进行调度，其特征在于包括以下处理步骤：

A.由队列管理模块根据接入分组数据业务对服务质量的需求，将为该接入的分组数据业务创建的数据流队列放入相应服务质量的“类”中，并按该接入分组数据业务的速率到达该“类”中与之对应的一分组数据队列，一个服务质量“类”与一种服务质量需求相对应并按服务质量需求的高低确定“类”的优先级，队列管理模块计算每一服务质量“类”中每一分组数据队列的等待时延及其队列长度，并报告给调度决策模块；

B.在调度时刻到来时，调度决策模块首先选择优先级高的服务质量“类”，当高优先级的服务质量“类”中没有要发送的分组数据队列时，选择次高优先级的服务质量“类”，在选择的服务质量“类”中，再选择优先权参数相对最大的分组数据队列进行传输，该优先权参数与该队列的等待时延及该队列的长度相关。

本发明设置队列管理、链路质量监测和调度决策三个功能模块，其中，队列管理模块周期地向调度决策模块提供各业务队列信息，包括等待时延w_i(t)和队列长度l_i(t)，链路质量监测模块周期地向调度决策模块上报已接入的各业务队列的链路质量信息φ_i(t)，由调度决策模块通过上述信息对已接入的各分组业务进行下行调度。在进行决策时采用了固定优先级和相对优先级相结合的策略，其固定优先级是根据已接入业务的QoS需求，将接入业务划分为不同的“类”，在不同的“类”之间采用固定优先级的调度策略，即在调度时刻到来时，选择优先级高的“类”首先进行传输，只有在高优先级的“类”中没有分组数据待发送时，才选择次高优先级的“类”进行传输。其相对优先级是指在同一“类”中，采用相对优先级的调度策略，即选择优先权参数相对最大(优先级最高)的分组数据队列进行传输。各分组数据队列优先权参数的大小通过一算式确定，该算式中包括了时刻t分组数据队列的下行链路质量φ_i(t)(如通过移动终端UE测量上报的信干比SIR、误块率BLER、或误比特率BER等性能参数)，时刻t分组数据队列的队列长度l_i(t)，时刻t分组数据队列等待时延w_i(t)，和分组数据队列所要求的时延门限W_THi以及缓存溢出的预警门限L_THi等。

与现有技术相比，本发明在进行分组数据调度时，充分考虑了各种新型分组业务对QoS的不同需求，将各种不同QoS需求的分组数据对应放入代表不同QoS的“类”中，“类”间采用固定优先级调度，从而能够在满足用户QoS特性需求的情况下接纳更多用户，提高***的容量；对同“类”分组业务各队列间采用相对优先级调度，考虑了分组数据队列大小对***资源的影响，有效地避免了缓存溢出对***资源的浪费；同时，还考虑了用户的无线链路质量、各分组数据队列的等待时延，在保证一定的算法公平性的情况下进一步提高了***的吞吐量。

附图说明

图1是下行分组数据调度原理图；

图2是下行分组数据调度流程框图。

具体实施方式

本发明设计的下行分组数据调度方案的原理如图1中所示。

从功能逻辑上可将本发明的下行分组数据调度算法分为由队列管理(Queue Management)模块11、链路质量监测(Link Surveillance)模块12以及调度决策(Scheduler)模块13共三个模块完成。算法中引入了以下主要参数：

w_i(t)：时刻t时某分组数据队列i的等待时延；

l_i(t)：时刻t时某分组数据队列i的队列长度；

φ_i(t)：时刻t时某分组数据队列i的下行链路质量，如通过移动终端(UE)测量上报的信干比(SIR：Signal to Interference Ratio)、误块率(BLER：Block Error Ratio)、或误比特率(BER：Bit Error Ratio)等。

在各模块算法的执行过程中，队列管理模块11首先会为每一接入的分组业务创建一个数据流队列，并按照该分组业务的QoS特性需求将该数据流队列放入不同的“类”(QoS Class)中。如图中所示的共有1至m个“类”。

根据不同QoS特性需求，主要基于业务的时延特性，将分组业务划分为不同的“类(QoS Class)”。如：把对时延要求较高的非实时分组数据业务(本发明仅针对非实时分组数据业务)，如网页浏览(Web Browsing)放在优先级最高的“类1”中；把对时延要求相对宽松、尽力而为的非实时分组数据业务，如E-mail的背景下载放在优先级次高的“类2”中。实现时，可按照上述规则根据业务的具体QoS特性需求设定多个“类”(如m个类)，如在引入新业务时。

也可以通过在第三代合作伙伴项目(3GPP，国际标准化组织定义)中的“业务类型”与“类”(QoS Class)之间建立一定的映射关系来实现，如：对时延要求较为严格的“交互类”(Interactive Class)非实时分组业务可以映射到优先级最高的“类1”，而对时延要求相对宽松的“背景类”(Background Class)非实时分组数据业务则可以映射到优先级次高的“类2”。在进行分组数据调度时，首先会选择优先级高的“类”(即各业务QoS特性需求较高的“类”)中的分组数据队列进行数据传输。

各分组数据的数据流队列会以不同的业务速率λ(t)_m，i到达所确定的“类”中的队列，如1至N个业务速率队列。队列管理模块11通过为每一队列设置计数器来统计其等待传输的时延w_i(t)：在原队列为空的情况下有分组到来，或对本队列的调度结束但队列非空时启动计数器，以一定的时间单位T(如10ms)开始计数，当对本队列的调度传输开始时计数结束，则此时的等待时延w_i(t)为：N(计数器数值)×T(时间单位)。同时，队列管理模块11还会监测各队列的字节(Bytes)长度l_i(t)，同各队列的等待时延w_i(t)一起周期上报给调度决策单元13。

算法中的链路监测模块12会控制已接入的分组用户监测其下行链路质量φ_i(t)，并周期上报给调度决策模块13，供其进行调度判决。

在对各分组业务进行调度时，调度决策模块13将读取最新的队列管理信息：w_i(t)、l_i(t)，并结合各接入用户的下行链路质量φ_i(t)，按照下述算法进行调度判决，选择分组数据队列进行数据传输。

首先，调度决策模块13在各个“类”之间采用固定优先级的调度策略，即：首先选择优先级最高的“类1”中的队列传输，仅当此“类”中没有需要传输的数据分组时，才考虑对优先级次高的“类2”进行调度。依次类推。

然后，对于选中的同一个“类”中的各分组数据队列，调度决策模块13采用了基于优先权的相对优先级调度策略，即先传输优先权参数高的队列中的用户数据。各队列的优先权参数按下式决定：

$p_i\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_i\left(t\right)\exp \{\stackrel{\‾}{w_i\left(t\right)}/W_{\mathrm{THi}}+l_i\left(t\right)/L_{\mathrm{THi}}-[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{w_i\left(t\right)}/W_{\mathrm{THi}}+l_i\left(t\right)/L_{\mathrm{THi}}]/N\}---\left(2\right)$

式中W_THi、L_THi分别为第i队列的等待时延门限和第i队列的长度门限(也是缓存溢出的预警门限)。由(2)式可见，在确定队列的调度优先权时，引入了已接入分组用户测量的下行链路质量φ_i(t)，队列的平均等待时延w_i(t)和队列的长度l_i(t)，N为“类”中的分组数据队列总数。这样，在满足各业务QoS特性要求的情况下，算法能够尽量选择链路质量好的用户传输，从而可以达到较高的数据传输速率，降低分组重传的几率，进一步提高***的吞吐量。

下面利用公式(3)、(4)进一步解释公式(2)参数的获取。在第三代移动通信***中，时延是各种分组业务QoS特性需求中的一项非常重要的指标。因此，为满足用户的服务质量，在调度时必须考虑各业务的时延要求。由于各类业务对时延的要求不同，在进行优先权计算时需首先进行归一化处理，即：假设对某一用户业务i的时延门限要求为W_THi，那么在时刻t它的归一化时延是w_i(t)/W_THi。这样，在时刻t通过计算公式(3)：

$w_i\left(t\right)/W_{\mathrm{THi}}-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[w_i\left(t\right)/W_{\mathrm{THi}}]---\left(3\right)$

得到了队列i的时延与该“类”中所有队列平均时延之间的偏差，以此作为指数函数的幂指数exp。在偏差较大时(即链路质量相对较差，造成等待时延较长)，函数值会以较大的斜率上升，从而能够比较及时的增大其调度的优先权；而在偏差较小时(即链路质量相差不大，等待时延基本相同)，函数值变化较小，此时优先权函数主要以φ_i(t)为参考确定传输队列，以提高***的吞吐量。因此，通过此归一化处理后的时延要求参数，不仅可以有效满足各业务对时延的要求，同时也保证了用户即使在较差的链路环境下(如小区边缘的用户)也能够得到服务，体现了算法的公平性。

再考虑到某些用户的链路可能长时间处于较差的状态，将上述方案中的等待时延w_i(t)利用公式(4)进一步优化为平均等待时延：

w_i(t)＝(1-a)w_i(t-Δt)+aw_i(t)    (4)

其中w_i(t)是队列管理模块报告的该队列当前等待时延，w_i(t-Δt)是上一次调度该队列前的平均等待时间，a为遗忘因子(0＜a≤1)，t是当前调度该队列的时刻，t-Δt是上一次调度该队列的时刻，这样，当用户由于持续处在链路质量较差的无线环境而得到的服务机会较少时，平均等待时间会逐步增大，从而使用户获得更多的服务机会。

需要注意的是，a取值不能太大，否则对用户服务质量的改善将不够明显；a的取值也不可太小，否则不能更快的反应当前无线环境的变化。由上述分析可以得到，通过改变a的取值可以改变处于较差无线环境下用户的服务机会，从而改善算法的公平性。因此，a的取值可视实际情况进行调整。

实现中，会通过为每一队列分配一个缓冲器(Buffer)来缓存下行分组数据，但由于无线环境的变化和分组数据的突发性，某些情况下会因为“Buffer”的溢出而导致部分分组数据丢弃，但这部分被丢弃的分组数据，已经占用了核心网、公网以及对端的资源，最终被丢弃的结果无疑造成了很大的资源浪费；同时，在其他条件相同的情况下选择分组较大或者说队列较长的队列传输也会提高当前无线接口的资源利用率。因此，在优先权公式(2)中又引入了队列长度参量li(t)及队列长度门限L_THi，对其进行的处理与w_i(t)类似。队列长度门限L_THi(字节)也是缓存溢出的预警门限，可根据各业务的特性(如业务速率)和缓存大小进行合理设置。由于其作用是监测当前无线环境变化、分组数据的突发性对数据传输的影响，改善***性能，因此这里不需要再对l_i(t)进行平均处理。

在第三代移动通信***(IMT-2000)中，各主流***标准(TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000等)都在无线接口为分组业务的传输配置了共享信道。通过上述方法，在共享信道上实现分组用户的调度传输，可以在有效保证用户服务质量的前提下，进一步提高***的吞吐量和资源利用率。例如，在TD-SCDMA***中，无线网络控制器(RNC)的RLC层会对各接入用户的下行分组数据进行缓存处理，通过配置、接收各测量消息，无线资源管理功能单元可进一步获知上述算法中的w_i(t)、l_i(t)、φ_i(t)等重要参数信息，然后根据一定的调度时间间隔按照流程对各接入用户的分组数据进行调度传输。

参见图2，图中示出对各接入用户的分组数据进行调度传输的流程。

步骤21：分组用户接入后，队列管理模块通过接收移动终端(UE)以及无线网络控制器(RNC)发送的测量报告获得或更新各分组业务队列的w_i(t)、l_i(t)、φ_i(t)等重要参数；

步骤22：当调度时刻到来时，若当前接入的所有分组用户都没有数据需要传输，即所有“类”中的l_i(t)＝0，则等待一段时间(如若干个TTI)后返回步骤21，否则进行步骤23；

步骤23：队列管理模块开始查找有分组数据等待传输的优先级最高的“类”，即l_i(t)≠0的优先级最高的“类”；

步骤24：结合步骤21获得的参数，计算该“类”中各队列优先权值p_i(t)的大小；

步骤25：调度决策模块选择步骤24中优先权值最大的队列进行数据传输，然后返回步骤21。

本发明的方法可以在下行分组数据业务中，在有效保证接入用户服务质量的情况下，充分利用有限的无线资源、提高***性能。

本发明方法在进行决策时采用了固定优先级和相对优先级相结合的策略。其固定优先级是根据已接入业务的QoS需求，把接入业务划分到不同的“类”，QoS需求高的“类”的优先级也高，在不同的“类”之间采用固定优先级的调度策略，即调度时刻到来时，首先选择优先级高的“类”进行传输，只有在高优先级的“类”中没有数据分组要发送时，才选择次高优先级的“类”进行数据传输。其相对优先级是指在选中的“类”中，采用相对优先级的调度策略，即优先选择优先权参数相对最大(优先级最高)的队列进行传输。该优先权参数是综合考虑队列的等待时延、队列长度、该队列用户占用的链路质量及队列的等待时延门限、队列的长度门限等的结果，且利用算式计算实现。

对于时分双工***，如TD——SCDMA***，本发明的下行分组数据调度方法在无线网络控制器(RNC)中完成。

Claims (11)

1. 一种适用于移动通信***的下行分组数据调度方法，针对非实时分组数据业务进行调度，其特征在于包括以下处理步骤：

A.由队列管理模块根据接入分组数据业务对服务质量的需求，将为该接入的分组数据业务创建的数据流队列放入相应服务质量的“类”中，并按该接入分组数据业务的速率到达该“类”中与之对应的一分组数据队列，一个服务质量“类”与一种服务质量需求相对应并按服务质量需求的高低确定“类”的优先级，队列管理模块计算每一服务质量“类”中每一分组数据队列的等待时延及其队列长度，并报告给调度决策模块；

B.在调度时刻到来时，调度决策模块首先选择优先级高的服务质量“类”，当高优先级的服务质量“类”中没有要发送的分组数据队列时，选择次高优先级的服务质量“类”，在选择的服务质量“类”中，再选择优先权参数相对最大的分组数据队列进行传输，该优先权参数与该队列的等待时延及该队列的长度相关。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A中的服务质量“类”是由队列管理模块基于分组数据业务的时延特性对服务质量的特性需求划分“类”，将对时延要求高的非实时分组数据业务放在优先级高的“类”中，将对时延要求相对宽松、尽力而为的非实时分组数据业务放在优先级低的“类”中。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A中的服务质量“类”是由队列管理模块在“分组数据业务类型”与服务质量“类”间建立起映射关系，将对时延要求高的非实时分组数据业务映射到优先级高的“类”中，将对时延要求相对宽松、尽力而为的非实时分组数据业务映射到优先级低的“类”中。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A中的等待时延及其队列长度由队列管理模块周期地向调度决策模块报告。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，每一服务质量“类”中每一分组数据队列的等待时延的获得，包括以下步骤：

A1.由队列管理模块为所述“类”中每一个分组数据队列设置一个计数器；

A2.在分组数据队列为空且有分组数据送入时，或者对分组数据队列调度结束但队列不为空时启动计数器，计数器按计数时间单位计数；

A3.在对分组数据队列开始调度时计数结束；

A4.统计分组数据队列的当前等待时延，为计数器值与计数时间单位的乘积。

6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤B中，所述的优先权参数，根据该队列的等待时延、该队列长度及该队列的链路质量信息计算获得；该链路质量信息是由链路质量监测模块，对已接入的分组数据业务的链路质量进行监测，并将链路质量信息周期地报告给调度决策模块。

7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的链路质量信息，是由移动终端测量上报的包括信干比SIR、误块率BLER、或误比特率BER的性能参数。

8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的优先权参数是按公式 $p_i\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_i\left(t\right)\exp \{\stackrel{\‾}{w_i\left(t\right)}/W_{\mathrm{THi}}+l_i\left(t\right)/L_{\mathrm{THi}}-[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\‾}{w_i\left(t\right)}/W_{\mathrm{THi}}+l_i\left(t\right)/L_{\mathrm{THi}})]/N\}$ 计算获得的，式中的φ_i(t)表示时刻t所述“类”中第i分组数据队列的下行链路质量，w_i(t)表示时刻t所述“类”中第i分组数据队列的平均等待时延，l_i(t)表示时刻t所述“类”中第i分组数据队列的队列长度，W_THi表示对所述“类”中第i分组数据队列所要求的等待时延门限，L_THi表示所述“类”中对第i分组数据队列缓存溢出的预警门限，N是所述“类”中分组数据队列的总数。

9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的时刻t所述“类”中分组数据队列的平均等待时延按公式w_i(t)＝(1-a)w_i(t-Δt)+aw_i(t)计算，a为遗忘因子，t-Δt是上一次调度该分组数据队列的时刻，w_i(t-Δt)表示上一次调度该分组数据队列前的平均等待时延，w_i(t)表示时刻t调度第i分组数据队列的等待时延。

10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述的遗忘因子在0＜a≤1的范围内调整，通过改变a的取值改变处于较差无线环境下对分组业务用户的服务机会。

11. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的分组数据队列缓存溢出的预警门限是为所述“类”中每一分组数据队列分配的缓冲器大小门限，该门限是根据分组业务的速率特性和缓存大小设置的。

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