CN100566295C - 一种基于服务质量保障的分组业务无线资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于QOS的分组业务无线资源调度方法，包括：确定各业务类型的优先级，按照所确定的优先级进行无线资源调度；对于同类业务的用户，优先为当前平均数据速率小于保证比特速率GBR的用户分配资源，根据业务用户的当前速率、平均速率以及超时时限和/或基于缓存比计算各用户的资源调度优先级，按照优先级从大到小的顺序为各用户分配无线资源。采用本发明提供的方法可使***无线资源管理与传输业务类型相结合，使得资源分配更为合理和灵活，从而能够更好地实现适应未来移动通信***中混合业务所需无线资源的管理。

Description

一种基于服务质量保障的分组业务无线资源调度方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种分组业务无线资源调度方法。

背景技术

高速下行分组接入(HSDPA)是一种提高时分-同步码分多址接入(TD-SCDMA)***下行数据传输速率的技术，是3GPP标准化组织为了满足上下行数据业务不对称的需求通过R5(Release 5)版本的***标准中提出的，可以在已有的TD-SCDMA***网络结构下，将用户下行业务数据速率提高到2.8Mbps以上。

图1为WCDMA或TD-SCDMA***的小区部分架构示意图。如图1所示，该***包括无线网络控制器(RNC)、基站以及用户设备(UE)。在TD-SCDMA***的小区中与HSDPA相关的资源包括高速物理下行共享信道(HS-PDSCH，High Speed-Physical Downlink Shared Channel)，用于传送业务数据；高速共享控制信道(HS-SCCH，High Speed-Shared Control Channel)，用于传送信令信息以及高速共享信息信道(HS-SICH，High Speed-SharedInformation Channel)，用于传输用户设备反馈的控制信息。

根据该小区的负载情况以及业务类型对小区内相关的HSDPA资源进行调度配置。由RNC根据该UE的数据吞吐量、QoS等因素来决定是否需要为一个UE进行相关的HSDPA资源分配。

在全分组的无线多媒体网络中，需要对分组业务进行合理的调度，以保证各类业务的QoS要求。提供QoS保证，满足实时用户的数据速率和分组时延限制，是无线高速数据网的要求。

在3GPP中，将未来通信***中承载的业务按其QoS要求分为会话业务(Conversational)、流业务(Streaming)、交互业务(Inter-active)和后台业务(Background)四类，如表1所示。如此繁多且具有不同特性的业务同时进行通信就需要简单有效且具有鲁棒性的无线资源管理机制来进行协调，而分组业务所具有的突发传输特性将给无线资源管理带来更大的挑战。

为保障***稳定性，当用户向网络发起无线资源请求后，***需要对业务进行接入控制。通过接入控制，把***负载控制在可接受的程度，使调度算法发挥更好的作用。

在此，假设调度方案建立在理想的接入控制基础上。所有的分组业务都需要通过分组调度***为其调度来获取无线资源，如每个TTI对无线资源进行分配。因此，分组调度***在无线资源管理架构中处于核心地位。由于会话业务有很高的时延敏感度，一般在接入控制时就分配专用信道(DCH)进行传输，不在调度时进行考虑。因此，需要进行调度分配资源的业务主要为流媒体业务、交互业务和背景业务，流媒体业务和交互业务有一定时延敏感度且还需保证最小传输比特率来保证其业务服务质量。快速分组调度(FPS)是位于MAC层中的调度算法，HSDPA***可采用FPS算法来实现HS-DSCH信道上的业务调度，管理于HSDPA信道及UE相关的物理层空中接口资源。对于混合业务，快速分组调度(FPS)算法通常需要综合考虑***吞吐量，公平性，业务QoS指标等因素来调度资源。

在文献3GPP TS25.848，Physical layer aspect s of UTRA High SpeedDownlink Packet Access，2001.3中描述的最基本的分组调度算法有MaxC/I算法和轮询算法(Round Robin，RR)，Max C/I调度算法是一种典型的利用“多用户分集效果”来实现最大化***容量的调度算法。它的基本思想是对所有待服务移动台依据其接收信号C/I预测值进行排序，并按照从大到小的顺序进行发送。轮循算法(Round Robin，简称RR)：RR算法的基本思想是保证小区内的用户按照某种确定的顺序循环占用等时间的无线资源来进行通信。每个用户对应一个队列以存放待传数据，在调度时非空的队列以轮循的方式接受服务以传送数据。轮循算法不仅可以保证用户间的长期公平性，还可以保证用户的短期公平性，而且算法实现简单。但该算法由于没有考虑到不同用户无线信道的具体情况，因此***吞吐量是很低的。通常，认为RR算法是最公平的，因为它保证所有用户占用等量的时间进行通信；同时认为该算法是性能最低的(它的***吞吐量在实际***中是最低的)。RR算法是公平性的上界和算法性能的下界。

上述两种算法分别获得了***吞吐量的上下界。但理想的分组调度算法应兼顾各因素，并实时寻求达到某种意义上的平衡。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于QoS的分组业务无线资源调度方法，以针对混合分组业务，基于QoS保障、瞬时信道质量、用户间长期公平性对TDD-HSDPA***下行链路资源调度和管理。

本发明提供的一种基于QoS的分组业务无线资源调度方法，包括步骤：

(a)根据各用户的业务类型确定调度优先级；

(b)对于步骤(a)中相同业务类型的用户，优先为当前平均数据速率小于保证比特速率GBR的用户分配资源，计算各用户的优先级Pi，按照所计算的优先级从大到小的顺序为各用户分配无线资源，其中所述优先级Pi按照下式计算：

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)/{\stackrel{\‾}{R}}_i\left(t\right)}{\mathrm{Timeou}{t}_i\left(t\right)}$

Timeout_i(t)＝DT_i-QT_i(t)-MTT_i

其中R_i(t)为i用户的平均传输速率，R_i(t)为i用户当前信干比SIR得到调制编码方式MCS对应的瞬时传输速率，DT_i为丢包定时：为分组超时丢包而设定时间门限参数，MTT_i为最大传输时间：为最大重传后数据包在空中接口的传输时间，QT_i为排队定时：当前时刻i用户与分组数据队列队头包被置于基站缓冲器的时间差。

其中步骤(a)包括：

将不同业务类型用户分配到不同业务队列中，以便区分不同业务类型的QoS需求进行分组调度。

该方法进一步包括根据基于缓存比计算的调度优先级进行资源分配，其中调度优先级按照下式计算：

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)\×{\mathrm{BR}}_i\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{R}}_i\left(t\right)\×{\mathrm{Timeout}}_i\left(t\right)}$

其中R_i(t)为i用户的平均传输速率，R_i(t)为i用户当前信干比SIR得到调制编码方式MCS对应的瞬时传输速率，DT_i为丢包定时：为分组超时丢包而设定时间门限参数，MTT_i为最大传输时间：为最大重传后数据包在空中接口的传输时间，QT_i为排队定时：当前时刻i用户与分组数据队列队头包被置于基站缓冲器的时间差，BR_i(t)为第i用户的缓存比，即基站缓冲器中的第i用户数据所占空间容量与基站缓冲器总容量之比。

在每次完成无线资源调度时，对资源池进行更新，若有剩余资源，则继续按照优先级进行资源调度。

综上所述，本发明提供了一种兼顾混合分组业务QoS要求、***短时吞吐量及用户间长期公平性的、适用于TDD-HSDPA***的无线资源调度机制的可行性方案。该方案通过测算不同业务及其用户的优先级，并根据该优先级进行无线资源分配调度，与传统Max C/I算法或轮询算法进行快速分组调度相比，该技术方案能够保证实时业务的QoS要求，并且在保障用户间长期公平性的基础上尽可能提高***吞吐量。采用本发明提供的方法可使***无线资源管理与传输业务类型相结合，使得资源分配更为合理和灵活，从而能够更好地实现适应未来移动通信***中混合业务所需无线资源的管理。

附图说明

图1为CDMA***的小区部分架构示意图；

图2为根据本发明的HSDPA数据子帧结构示意图；

图3为根据本发明的基于QOS保障的调度方法流程图。

具体实施方式

网络业务服务质量(quality of service，简称QoS)是网络于用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质的约定。3GPP中，将未来通信***中承载的业务按其QoS要求分为会话业务、流业务、交互业务和后台业务四类，如表1所示，各类业务所要求的速率及时延各不相同。

业务类型	业务特性	业务举例	时延和速率要求
				会话业务	业务流中的各信息单元间存在紧密的互相关性，对时延最敏感	语音业务、VoIP视频电话	80-D<sub>max</sub>(ms)＜2.048(Mb/s)
流业务	业务流中的各信息单元间存在紧密的互相关性，对时延较敏感	视频流音频流	250-D<sub>max</sub>(ms)＜2.048(Mb/s)
				交互业务	请求响应模型，有效负荷内容需要较高的安全性	www网页浏览数据库检索	没有限制
后台业务	不需要在规定时间内完成响应，有效负荷内容需要较高的安全性	E-mailSMS	没有限制

根据不同类型的QoS进行管理和分配资源。例如，给实时服务分配较大的带宽资源；用户根据不同的应用提出QoS需求。根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络进行多媒体信息传输并控制和协商其QoS。为了给用户提供满意的QoS，必须提供对端***、路由器以及传输带宽等相应的资源，以确保这些资源优先分配给资源调度与管理。对资源进行预约之后，是否能得到这些资源，还依赖于相应的资源调度与管理***。

对于保障业务服务质量的分组业务，需申请确定保证比特速率GBR(Guaranteed Bit Rate)，例如，从应用角度来看，Video用户要求的GBR较高，为其申请较高的业务速率，如64kbps、128kbps或更高；如www业务需保障较低的GBR，如设为8kbps。

另外，为分组超时丢包而设定时间门限参数：丢包定时(DT)。3GPP将分组时延要求定义为所有正确接收分组时间的累积分布函数(CDF)在95％的值要小于时延门限，如流业务对应280ms，因此，对单个分组而言，其时延可以超过280ms但需要小于一定门限DT以保障统计意义上满足分组时延要求。为减小丢包率需在发送端对接近DT的数据包优先进行调度；

为当前时刻与某用户分组数据队列队头包被置于基站缓冲器的时间差定义为排队定时(QT)，可作为衡量用户被调度公平性和保障时延的指标；

重传数据是指以前传输失败需要通过HARQ重传的数据，之所以提高它的优先级是因为其后面的数据要等它成功接收后才能进行重组交付给上层。最大重传后数据包在空中接口的传输时间，定义最大传输时间(MTT)；

由于基站缓冲器内存有限，因此为避免缓冲器数据溢出也应考虑优先调度缓冲数据接近内存极限的用户。在此，定义基站缓冲器中的用户数据所占空间容量与基站缓冲器总容量之比为缓存比(BR)。

为了进一步理解本发明的原理、特性和优点，下面结合TD-SCDMA***的TDD-HSDPA的分组调度策略对本发明进行详细描述。如图2所示为HSDPA数据子帧结构。对于TDD-HSDPA，6个业务时隙分为1个上行时隙和5个下行时隙，上行时隙用来传输从UE端到基站端的信道质量反馈(CQI)、ACK/NAK反馈和上行数据等，扩频因子为16；下行时隙主要用来发送从基站端到UE端的传输指示及下行数据，扩频因子为1或16。

本发明主要涉及无线资源的调度管理，在此假设在分组用户正常接入网络的前提下进行无线资源的调度，即当有用户申请接入网络时，***需要进行接入控制来把负载控制在一定范围内，保证接入的用户能够正常通信。

图3为根据本发明的基于QoS保障的调度流程图，示出了包括分组接入和分组调度的无线资源管理方案具体实现流程。参照图3，当用户接入***后，基站将不同业务类型用户分配到不同业务队列中，以区分不同业务类型的QoS需求进行分组调度。通过分组接入的用户将等待分组调度器为其分配资源。

按调度优先级，需要首先调度需实时传输的业务分组，如Video重传分组，并更新资源池；

对于需要保障比特速率GBR的video新传用户，即首次传输数据的用户，该用户当前平均数据速率小于GBR时，即比较紧急需要资源调度的用户，需要进行优先调度。即R_i(t)＜GBR_i的video用户分配无线资源；并按调度优先级为该类用户分配资源，调度优先级计算公式为：

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)/{\stackrel{\‾}{R}}_i\left(t\right)}{\mathrm{Timeou}{t}_i\left(t\right)}---\left(1\right)$

Timeout_i(t)＝DT_i-QT_i(t)-MTT_i                (2)

式中P_i为调度优先级，调度顺序为从大到小；R_i(t)为i用户的平均传输速率；R_i(t)为i用户当前信干比SIR(Signal Inteference Ratio)得到MCS对应的瞬时传输速率。并在完成调度后更新资源池。

按调度优先级，为需要保障比特速率GBR的交互业务用户分配资源，如R_i(t)＜GBR_i的WWW用户，并更新资源池；

调度优先级计算公式：

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)/{\stackrel{\‾}{R}}_i\left(t\right)}{\mathrm{Timeou}{t}_i\left(t\right)}---\left(3\right)$

Timeout_i(t)＝DT_i-QT_i(t)-MTT_i                (4)

在此作为判决条件的GBR及优先级公式中的DT参数对应的是相应业务的值。

最后，基于剩余资源的情况，以尽力而为(best effort)方式调度无时限要求和不要求保障GBR的业务用户，如video与WWW(FTP)；考虑缓存空间和丢包时间两个方面因素，本发明对PFS和M-LWDF算法进行改进，调度优先级计算公式为：

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)\×{\mathrm{BR}}_i\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{R}}_i\left(t\right)\×{\mathrm{Timeout}}_i\left(t\right)}---\left(5\right)$

其中BR_i(t)为第i用户的缓存比，即基站缓冲器中的第i用户数据所占空间容量与基站缓冲器总容量之比。

下面以具有video，www，FTP混合业务的TDD-HSDPA***中的资源调度为例进一步说明本发明。

TDD-HSDPA***各种业务数据具有不同的优先级，假设TDD-HSDPA***中有video业务的用户User1，User2，www业务的用户User3，User4，ftp业务的用户User5，User6。在某时刻t，各用户的参数分别为：

用户User1：R_i(t)为704kbps，R_i(t)为350kbps，GBR为384kbps，DT为3s，QT为2s，MTT为0.06s，BR为0.6。

用户User2：R_i(t)为352kbps，R_i(t)为100kbps，GBR为128kbps，DT为3s，QT为1.5s，MTT为0.06s，BR为0.4。

用户User3：R_i(t)为352kbps，R_i(t)为6kbps，GBR为8kbps，DT为30s，QT为10s，MTT为0.06s，BR为0.8。

用户User4：R_i(t)为352kbps，R_i(t)为10kbps，GBR为8kbps，DT为30s，QT为2s，MTT为0.06s，BR为0.4。

用户User5：R_i(t)为1056kbps，R_i(t)为1000kbps，DT为300s，QT为20s，MTT为0.06s，BR为0.5。

用户User6：R_i(t)为704kbps，R_i(t)为300kbps，DT为300s，QT为30s，MTT为0.06s，BR为0.5。

整个调度过程如下：

1)首先，调度video业务的用户User1和用户User2的重传数据。

2)在调度完前面的高优先级数据后，如果还有资源调度剩余，则调度满足R_i(t)＜GBR_i的video的新传数据。用户User1和用户User2都满足这个条件，属于需要得到服务质量保障的用户。他们的优先级按照(1)计算可得到P₁＝2.14，P₂＝2.44，资源优先分配给用户User2，用户User2使用后还有资源剩余再由用户User1使用。

3)在调度完前面的高优先级数据后，如果还有资源调度剩余，则调度www业务的用户User3和用户User4的重传数据。

4)在调度完前面的高优先级数据后，如果还有资源调度剩余，则调度满足R_i(t)＜GBR_i的www的新传数据。用户User3满足这个条件，用户User4不满足。因此，用户User3得到优先调度，用户User4暂时不调度。如果有多个用户满足需要优先调度的条件，他们的优先级按照公式(3)计算。

在调度完前面的所有数据后，如果还有资源调度剩余，则按照公式(5)计算所有的video，www，FTP用户的优先级，计算得到的优先级高的用户优先调度。

以上所述仅为本发明的示范性实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、变更等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1、一种基于QoS的分组业务无线资源调度方法，其特征在于，包括：

(a)根据各用户的业务类型确定调度优先级；

(b)对于步骤(a)中相同业务类型的用户，优先为当前平均数据速率小于保证比特速率GBR的用户分配资源，计算各用户的优先级Pi，按照所计算的优先级从大到小的顺序为各用户分配无线资源，所述优先级Pi按照下式计算：

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)/{\stackrel{\‾}{R}}_i\left(t\right)}{\mathrm{Timeou}{t}_i\left(t\right)}$

Timeout_i(t)＝DT_i-QT_i(t)-MTT_i

其中R_i(t)为i用户的平均传输速率，R_i(t)为i用户当前信干比SIR得到调制编码方式MCS对应的瞬时传输速率，DT_i为丢包定时：为分组超时丢包而设定时间门限参数，MTT_i为最大传输时间：为最大重传后数据包在空中接口的传输时间，QT_i为排队定时：当前时刻i用户与分组数据队列队头包被置于基站缓冲器的时间差。

2、如权利要求1所述的分组业务无线资源调度方法，其特征在于，其中步骤(a)包括：

将不同业务类型用户分配到不同业务队列中，以便区分不同业务类型的QoS需求进行分组调度。

3、如权利要求1所述的分组业务无线资源调度方法，其特征在于，该方法进一步包括根据基于缓存比计算的调度优先级进行资源分配，其中调度优先级按照下式计算：

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)\×{\mathrm{BR}}_i\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{R}}_i\left(t\right)\×{\mathrm{Timeout}}_i\left(t\right)}$

其中R_i(t)为i用户的平均传输速率，R_i(t)为i用户当前信干比SIR得到调制编码方式MCS对应的瞬时传输速率，DT_i为丢包定时：为分组超时丢包而设定时间门限参数，MTT_i为最大传输时间：为最大重传后数据包在空中接口的传输时间，QT_i为排队定时：当前时刻i用户与分组数据队列队头包被置于基站缓冲器的时间差，BR_i(t)为第i用户的缓存比，即基站缓冲器中的第i用户数据所占空间容量与基站缓冲器总容量之比。

4、如权利要求1所述的分组业务无线资源调度方法，其特征在于，在每次完成无线资源调度时，对资源池进行更新，若有剩余资源，则继续按照优先级进行资源调度。

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