CN103596224B - 一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，所述方法包括在第一级链路上完成一级调度；在2G/3G/WiFi端采用2G/3G/WiFi端的队列缓冲池缓存在第一级链路上传输的2G/3G/WiFi业务数据；然后将缓存后的数据进行QCI虚拟资源映射，映射后将获得的2G/3G/WiFi业务数据进行第一次优先级排序，最后将2G/3G/WiFi业务数据转换成TD‑LTE数据；在第二级链路上完成二级调度；在TD‑LTE端采用TD‑LTE端的队列缓冲池缓存在第二级链路上传输的TD‑LTE数据，然后根据TD‑LTE端QCI属性对所述TD‑LTE数据进行第二次优选级排序，将优选级最高的数据放在首位传输。本发明利用2G/3G/WiFi作为短距离用户接入技术、利用TD‑LTE作为长距离传输通道，保证了所有用户的所有业务的资源合理分配，特别是保证了高优先级业务的资源分配，同时兼顾低等级业务。
Description
技术领域
本发明属于移动宽带无线通信技术领域，涉及一种资源调度方法，特别是涉及一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法。
背景技术
在移动宽带无线通信技术领域中，资源调度算法可应用于光缆无法到达区域的大范围宽带接入和高速移动环境中实时业务的大规模无线接入，如边远乡村、山区、阴影衰落严重区域和高速列车等。目前存在的资源调度算法包括轮循算法、最大载干比算法、比例公平算法，它们都是在网络的吞吐量和公平性之间相互平衡来达到***性能的最优化。
1.轮循算法（Round Robin，RR）
轮询算法是基站循环地调用每个用户，保证以均等的机会为***中的所有用户分配资源，使用户按照某种确定的顺序占用无线资源进行通信。其主要思想是，以牺牲吞吐量为代价，在时间上公平地为***内的每个用户提供资源，因此，轮询算法也称为公平时间调度算法。
然而轮询算法也存在致命的缺点。由于没有考虑用户信道状况的不同，当某些用户的信道条件非常恶劣时也可能会得到服务，因此传输的可靠性并不高，导致***的吞吐率比较低。
2.最大载干比算法（Max C/I）
最大载干比算法在选择传输用户时，总是优先选择载干比（C/I）最大的那些用户，即总是选择信道状况最好的用户占用资源和传输数据，当这些用户中某些用户的信道条件变差后或不再需要占用全部资源时，才会在剩下的用户中选择信道条件最好的用户。
然而，在移动通信中，用户所处的位置不同，其所接收的信号强度也不一样，最大载干比算法必然照顾了离基站近、信道条件好的用户，而其他离基站较远的用户得到服务的机会则很少，基站的服务覆盖范围非常小，这种调度算法是最不公平的。
3.比例公平算法（Proportional Fair，PF）
比例公平算法进行调度时考虑了用户当前时刻的信道质量和过去一段时间获得的吞吐量。比例公平算法的优先级函数为：
其中，PIi(t)表示用户i在时刻t的优先级；ri(t)为用户i在时刻t所支持的瞬时数据传输速率，由用户的信道状态信息决定；为用户i在时刻t之前的平均传输速率。
采用上述调度算法可以对接入***覆盖范围内的移动终端和资源统一进行管理，但存在显著的调度时延和对基站处理能力的巨大负担。考虑到未来网络的普及和用户的增多，在接入***高负载的情况下，上述调度机制对保证用户的服务质量有很大的不利。
所以在基于高速移动的异构网络的环境下，由于可供分配的无线资源是有限的，为了实现用户终端不同业务的QoS，设计出一个高速移动环境下的资源调度算法是必须的。因此如何在用户终端、移动中继网关及地面基站的两跳传输过程中保证不同用户在不同QoS的基础上合理有效的分配带宽等资源是一项实现车厢内高速移动的用户从不同接入点接入移动通信后备骨干网络的关键技术。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，用于解决异构网络中业务资源分配的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，所述方法包括：
S1，在第一级链路上完成一级调度；一级调度即在2G/3G/WiFi端采用2G/3G/WiFi端的队列缓冲池；所述2G/3G/WiFi端的队列缓冲池用于缓存在所述第一级链路上传输的2G/3G/WiFi业务数据，然后将缓存后的数据进行QCI虚拟资源映射，映射后将获得的2G/3G/WiFi业务数据进行第一次优先级排序，最后将2G/3G/WiFi业务数据转换成TD-LTE数据；其中，所述第一级链路是指用户终端和高速移动中继网关之间的链路；
S2，在第二级链路上完成二级调度；二级调度即在TD-LTE端采用TD-LTE端的队列缓冲池；所述TD-LTE端的队列缓冲池用于缓存在所述第二级链路上传输的TD-LTE数据，然后根据TD-LTE端QCI属性对所述TD-LTE数据进行第二次优选级排序，并将优选级最高的数据放在首位传输；所述第二级链路是指所述高速移动中继网关和地面基站之间的链路。
优选地，于所述步骤S1还包括在2G/3G/WiFi端采用基于切换优先的呼叫接纳控制机制，所述呼叫接纳控制机制用于判断是否允许一个新的连接接入到网络中；所述呼叫接纳控制机制的表达式为：
其中，Ni表示第i个移动切换用户预留的资源块数，pj表示第j个新用户的接入概率，Nnewj表示第j个新用户接入需要的资源块数，Ntotal表示所有的资源块数，k表示预留的移动切换用户总数，m表示新用户的总数。
优选地，于所述步骤S1还包括在2G/3G/WiFi业务数据完成QCI虚拟资源映射之前，加入SINR，并在QCI虚拟资源映射机制中引入QCI优先级参数，即Q因子；其中，业务i队列k在第一级链路的调度算法的表达式为：
其中,Pi,k表示业务i队列k在第一级链路上的优先级；δi,k表示业务i队列k的丢包率，δi,k∈(0,1)；Qi，k，QCI_priority表示业务i队列k的优先级；SINRi,k表示业务i队列k在第一级2G/3G/WiFi端的数据传输完整度；λi,k(t)表示业务i队列k在时刻t的队首数据包时延信息，λi,k表示业务i队列k能够容忍的最大时延；Qi,k(t)表示业务i队列k在时刻t的长度，Qi,k表示业务i队列k的最大队列长度。
优选地，于所述步骤S2还包括估计信道资源块，即估计出所要传输的资源块数目。
优选地，于所述步骤S2还包括分配信道资源块，即按照优先级从高到低顺序为TD-LTE数据分配资源块；所述分配资源块加入铁路信号因子，即当有铁路信号出现时，立即进行资源抢占，放在所有队列之首，立即转发出去；其中，业务i在第二级链路的调度算法表达式为：
其中，i*表示业务i在第二级链路上的优先级；I0＝1，Ii(t)表示业务i在t时刻是否为铁路信号；λi为业务i的时延要求，λi(t)为当前业务i在当前时刻的时延；Qi，QCI_priority表示业务i的QCI等级；Qi，coach_priority表示列车内业务i的车厢优先级；重传标识HHARQ表示该数据是否为重传数据。
优选地，于所述步骤S2还包括采用抗干扰自适应机车天线传输分配好的资源块；所述抗干扰自适应机车天线分别装配在列车的车头和车尾；所述抗干扰自适应机车天线具有瞬时接收功率和预设阈值，当车头的机车天线的瞬时功率低于预设阈值时，则自动切换至车尾的机车天线传输数据；当车尾的机车天线的瞬时接收功率低于预设阈值时，则开启车头的机车天线扫描信道预先接入地面基站的下一个射频拉远单元，再通过车头的机车天线传输资源块。
优选地，于所述步骤S2还包括采用资源预留机制，所述资源预留机制是指列车的机车天线在传输高铁信号同时，上报本车的业务量大小给地面基站。
优选地，于所述步骤S2还包括：采用资源预留机制，所述资源预留机制是指地面基站按照用户终端对业务数据的需求自适应地为列车分配带宽资源，并通知所述抗干扰自适应机车天线。
优选地，于所述步骤S2还包括：采用资源预留机制，所述资源预留机制是指地面基站将带宽分为1︰1的两个子带宽，并通知所述抗干扰自适应机车天线。
优选地，所述2G/3G/WiFi端包括2G微基站、3G微基站、以及WiFi微基站。
如上所述，本发明所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，具有以下有益效果：
1、本发明可应用于光缆无法到达的乡村、三区、阴影衰落严重区域和高速列车等；
2、本发明提高了车载带宽无线接入***的整体吞吐量并满足了***件各用户间的公平性；
3、本发明提高了有限带宽资源的利用率。
附图说明
图1显示为本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法应用的高速移动资源管理架构示意图。
图2显示为本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法的工作流程示意图。
图3显示为本发明的本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法一级调度流程示意图。
图4显示为本发明的本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法中2G/3G/WiFi端的队列缓冲池结构示意图。
图5显示为本发明的本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法中高速移动中继网关结构示意图。
图6显示为本发明的本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法二级调度流程示意图。
图7显示为本发明的本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法中TD-LTE端的队列缓存池结构示意图。
图8显示为本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法中业务队列资源分配示意图。
图9显示为本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法中抗干扰的自适应机车天线传输机制的实现过程示意图。
图10显示为本发明的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法中两列高速列车回车场景示意图。
元件标号说明
1 高速列车***；
2 地面***；
11 用户终端；
12 高速移动中继网关；
13 机车天线；
21 核心网；
22 演进型节点；
121 2G微基站；
122 3G微基站；
123 WiFi微基站；
221 RRU；
S1~Sn 步骤。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
本发明以高速列车为例，所考虑到的异构网络类型有2G/3G/WiFi和TD-LTE，如图1所示TD-LTE的高速移动资源管理架构，在所述高速移动资源管理架构包括高速列车***1和地面***2，所述高速列车***1包括用户终端11和高速移动中继网关12以及机车天线13，高速移动中继网关12包括2G微基站121、3G微基站122、以及WiFi微基站123。所述地面***2包括核心网（MME/S-GW）21和演进型节点22（eNB），演进型节点22包括多个RRU221，核心网21与演进型节点22通过S1接口连接，演进型节点22之间通过X2接口连接，演进型节点22与射频拉远模块（RRU，Radio Remote Unit）221之间通过S1接口连接。高速列车***1和地面***2通过机车天线13通信连接。
为了满足高速列车旅客对于数据通信和数字娱乐的通信要求，在高速列车车厢内支持多种无线通信技术机制，通过移动中继覆盖车厢。高速列车用户通话、发短信和上网时会产生大量数据业务，产生的业务类型也是多种多样，有背景类业务、视频类业务、语音类业务、交互类业务等，对应的QoS等级也相应的有所不同。为满足高速列车车厢内用户的各类业务需求，所需带宽为46M，如表1所示高速列车业务量需要计算表，而实际应用中可供分配的带宽却只有20M，远远达不到用户的需求。因此，在基于高速移动中继的***两级资源调度和分配问题上，当用户资源不足、网络发生拥塞时，本发明通过采用多级调度机制合理地调度TD-LTE网络资源，使高等级的业务优先通过，并兼顾低等级业务的公平性，为不同类型的业务提供不同的服务质量保障。
表1高速铁路业务量需求计算表
考虑到高速列车上的网络接入场景，车厢上用户终端接入由2G/3G/WiFi完成，高速列车到地面基站采用TD-LTE制式，每节车厢放置的无线接入点AP均通过光缆与TD-LTE终端相连，每节车厢产生的大量数据流都汇聚到TD-LTE上进行传输，加重了TD-LTE的负担，造成网络可供使用的资源远远达不到用户的需求。本发明采用分级调度，在基站和中继站点以及中继站点和用户终端上进行两级独立的资源映射、带宽请求和分配，在第一级使用基于切换优先的接纳控制机制、虚拟资源映射机制，控制业务等待调度的时延，提高业务的服务质量；在第二级引入铁路信号资源抢占机制，保证中继站点能够将基站已经准予的资源及时地分配到各移动终端，减少不必要的资源浪费；在机车天线对地面基站发送过程，使用抗干扰的自适应天线传输，避免同列车两台天线之间的干扰；针对列车会车的特殊场景，提出会车时的资源预留机制。
实施例一
本发明考虑到对称业务类型，即上下行业具有同样的Qos需求，本实施例以用户上行业务为例，提供一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法。如图2所示，具体实施过程包括：
S1，在第一级链路上完成一级调度；一级调度即在2G/3G/WiFi端采用2G/3G/WiFi端的队列缓冲池，所述2G/3G/WiFi端的队列缓冲池用于缓存在所述第一级链路上传输的2G/3G/WiFi业务数据，然后将缓存后的数据进行QCI虚拟资源映射，将映射后获得的2G/3G/WiFi业务数据进行第一次优先级排序之后，最后将2G/3G/WiFi业务数据转换成TD-LTE数据，即在第一级链路的2G/3G/WiFi端采用基于切换优先的呼叫接纳控制机制判断新连接请求的接入、采用队列缓冲池对2G/3G/WiFi业务数据进行缓存、采用QCI虚拟资源映射机制对第一级链路的2G/3G/WiFi业务数据进行第一次优先级排序，以及转换2G/3G/WiFi与TD-LTE的数据格式来完成2G/3G/WiFi的一级调度，提高业务的服务质量。其中，所述第一级链路是指用户终端和高速移动中继网关之间的链路。所述高速移动中继网关包括2G微基站、3G微基站、以及WiFi微基站。如图3所示，具体调度方法包括：
S11，在所述高速移动中继网关中的2G/3G/WiFi端采用基于切换优先的呼叫接纳控制机制；在2G/3G/WiFi端，所述呼叫接纳控制机制用于判断是否允许一个新的连接请求接入到网络中。在***资源不足的情况下，如果不加限制的接入用户可能会导致己有连接的服务质量下降。但是***想要充分利用无线网络资源，就必须尽可能多的将用户接入到网络中。通常情况下，为了接入新用户，可以对一些已连接的用户进行业务降级。引入所述呼叫接纳控制可以尽量满足尽可能多的用户接入网络和已连接的用户业务不降级这两方面的要求，在两者之间找到平衡点。
每个车厢内承载的业务类型包括语音、视频、高速数据、在线游戏等，它们具有不同的工作频段和优先级。当用户发起连接请求时，一方面，高优先级业务比低优先级业务拥有更多的接入权，优先满足高优先级业务的QoS需要。另一方面，从用户的角度来看，由于用户在不同的车厢之间走动，造成用户在连接过程中的业务会在不同的微基站之间切换。而在连接过程中发生切换时被迫强制中断比发起新连接被阻塞更令人难以忍受，所以在考虑呼叫接纳控制（CAC）时，不仅要考虑业务之间的优先级还要考虑切换用户与新用户之间的优先级。通常情况下会给予同类业务的切换用户比新用户拥有更高的优先级，来提高用户的满意度。
由于2G/3G/WiFi业务数据本身有各自的优先级，当存在业务呼叫时只需按照各自的优先级进行接入，保证高优先级业务的接入成功率。各车厢内的2G/3G/WiFi微基站，估计车厢内移动用户的业务量，并在其活动时对其做出预测，提示下一节车厢为移动切换用户预留一部分的带宽资源，同时以一定的概率允许新的呼叫接入，概率的大小依赖于空闲信道的数量。基于切换优先的呼叫接纳控制机制的表达式为：
其中，Ni表示第i个移动切换用户预留的资源块数，pj表示第j个新用户的接入概率，Nnewj表示第j个新用户接入需要的资源块数，Ntotal表示所有的资源块数，k表示预留的移动切换用户总数，m表示新用户的总数。
综上，切换优先的呼叫接纳控制判断过程为，如果所述接纳控制判断公式满足以上公式，则判断为允许一个新的连接请求接入到网络中，反之，则判断为不允许。
S12，在所述高速移动中继网关中采用2G/3G/WiFi端的队列缓冲池；
用户的2G/3G/WiFi业务类型涵盖了会话类语音业务、非会话类语音业务、会话类视频业务（实时视频流）、非会话类视频业务（缓冲视频流）、视频（缓冲流）、实时游戏、交互式游戏以及基于TCP的业务，TCP业务包括WWW、E-mail、聊天、FTP、P2P文件共享等。高速列车车厢内的用户产生的2G/3G/WiFi和IP视频业务数据根据它们的业务分类分别进入移动中继网关缓冲池中的对应队列。
针对2G/3G/WiFi业务数据的优先级、时延要求和SINR等方面有不同的需求，不能完全按照数据的先入先出（FIFO，First In First Out）准则传输数据，因此，在高速移动中继网关中采用2G/3G/WiFi端的队列缓冲池，所述队列缓冲池如图4所示。根据2G/3G/WiFi和IP视频的不同业务所述队列缓冲池被分成对应的队列，当一数据包到达移动中继网关之后则进入相应的业务队列中进行缓存。每个队列的队头周期性地更新该队列的各项队列参数，并把所述队列参数汇报给高速移动中继网关。其中，所述队列参数包括队列队长、数据包时延要求、数据包SINR和数据包丢失率等，
S13，在2G/3G/WiFi端与TD-LTE端之间建立QCI虚拟资源映射机制。
所述QCI虚拟资源映射机制是指2G/3G/WiFi业务数据针对QoS要求，根据TD-LTE端QCI属性将2G/3G/WiFi业务数据进行多对一映射，对第一级链路上的数据进行第一次优先级排序，如表2所示TD-LTE端QCI属性。移动中继网关在2G/3G/WiFi端保存队列参数至虚拟资源映射表，所述虚拟资源映射表如表3所示，所述队列参数包括队列队长Qi，k、队列时延要求λi，k、数据包SINR、数据包丢失率δi,k等。
表2：TD-LTE端QCI属性
表3：2G/3G/WiFi端的虚拟资源映射表
| 2G/3G/WiFi业务 | 具体业务队列 | 队列队长 | 时延要求 | SINR | 数据包丢失率 | QCI等级 |
针对数据的QoS要求，由于第一级链路中用户终端与移动中继网关之间的信道传输相对静止的信道特性，在2G/3G/WiFi业务数据完成QCI虚拟资源映射之前，加入信干噪比因子(SINR，Signal to Interference plus Noise Ratio)。当SINR数值越高时，表明当前数据的传输质量越好，数据越完整，则所述数据在第二级链路中可传输的机率会越高。对于在第一级链路中质量较好的数据优先传输，提高TD-LTE端带宽吞吐量，提升***资源的利用率。在每个TTI中，移动中继网关按照虚拟资源映射表中的信息提取2G/3G/WiFi数据，并将该数据转换成TD-LTE数据。
在2G/3G/WiFi端与TD-LTE端之间建立虚拟资源映射机制过程中引入QCI优先级参数对2G/3G/WiFi业务数据进行优先级排序，即采用Q因子其中，QQCI_priority为QCI属性中的QCI优先级。为进一步增强Q因子在一级调度判决中的权重，将指数形式的Q因子引入调度中，指数形式可以保证Q因子是单调递减的非负函数。当QQCI_priority越大时，表示业务的QCI优先级越低，则Q因子的结果越小，对该业务进行映射时的影响越小。这样在一定程度上控制了QCI优先级对转换数据格式的影响。
因此，业务i队列k在第一级链路的调度算法的表达式为：
其中，Pi,k表示业务i队列k在第一级链路的优先级；δi,k表示业务i队列k的丢包率，δi,k∈(0,1)；Qi，k，QCI_priori表示业务i队列k的优先级；SINRi,k表示业务i队列k在第一级2G/3G/WiFi端的数据传输完整度；λi,k(t)表示业务i队列k在时刻t的队首数据包时延信息，λi,k表示业务i队列k能够容忍的最大时延；Qi,k(t)表示业务i队列k在时刻t的队列长度，Qi,k表示业务i队列k的最大队列长度。
S14，将提取的2G/3G/WiFi业务数据在所述移动中继网关处，按自身优先级顺序，转换成TD-LTE数据，即2G/3G/WiFi业务数据经QCI虚拟资源映射及第一次优先级排序之后，在高速移动中继网关处，按照其自身原有的优先级顺序，转换成TD-LTE数据。
产生2G/3G/WiFi业务数据后，经过车厢内中继到达高速移动中继网关的2G/3G/WiFi端，并根据不同业务的分类进入在MAC层中的对应队列进行等待。在等待的过程中，2G/3G/WiFi业务队列队头把该队列的数据SINR、数据时延要求、数据丢包率和QCI等级汇报给移动中继网关，同时各队列队尾把该队列队长汇报给移动中继网关。移动中继网关在接收到每个队列的队列参数之后，更新并保存至虚拟映射表中。在每个TTI开始时，移动中继网关的应用层转换代理根据虚拟映射表中的队列参数和Q因子，提取在2G/3G/WiFi端MAC层的数据队列中数据，转换成TD-LTE格式，并进入对应的业务队列之中。高速移动中继网关的结构如图5所示，所述移动中继网关中包括2G/3G/WiFi和TD-LTE，所述2G/3G/WiFi和TD-LTE分别包括应用层、路由层、MAC层、以及物理层。
具体数据格式转换过程为：高速移动中继网关的2G/3G/WiFi端接收到业务数据，所述数据经过物理层、MAC层、LL层的正常处理交割应用层转换代理，转换数据格式，转换后交给TD-LTE端的相应代理，由相应的代理决定是向上交给路由层处理还是直接向下投递到LL层。经过处理的数据包从TD-LTE端的物理层发出，传送给TD-LTE基站，完成由2G/3G/WiFi向TD-LTE基站的数据包传送。反向传输亦然。
S2，在第二级链路上完成二级调度；二级调度即在TD-LTE端采用TD-LTE端的队列缓冲池缓存在所述第二级链路上传输的TD-LTE数据，根据TD-LTE端QCI属性对所述数据进行第二次优先级排序，并将优选级最高的数据放在首位传输，进行资源抢占，即二级调度中采用TD-LTE端的队列缓存池缓冲转换的TD-LTE数据，引入铁路信号资源抢占机制，保证移动中继网关能够将基站已经准予的资源及时分配到各移动终端；在机车天线对地面基站发送过程，使用抗干扰的自适应天线传输，避免高速列车中两台天线之间互相干扰；所述第二级链路是指所述高速移动中继网关和地面基站之间的链路。具体二级调度的方法如图6所示，包括：
S21，在TD-LTE端采用队列缓冲池；
高速移动中继网关中2G/3G/WiFi端的数据包经过转换代理之后，转换成TD-LTE数据，当数据到达高速移动中继网关之后，根据TD-LTE端QCI属性等级排列进入对应的队列进行缓存，及等待分配资源块进行发送数据，TD-LTE端队列缓冲池结构如图7所示。
S22，采用铁路信号的资源抢占机制，以及根据队列优先级排序；首先加入铁路信号指示因子其中，I0＝1，Ii(t)表示业务i在t时刻是否为铁路信号。当Ii(t)＝0时，指示因子结果为1，表示该业务不是铁路信号，是普通业务数据；当Ii(t)＝1时，指示因子结果为无穷大，表示该业务是铁路信号，优先级最高，放在首位传输，进行资源抢占。该策略优先传输保证高速列车***正常运行必需的信息交互，提高***的实际操作性。
接着，针对数据的时延要求，在数据内部，加入时延因子其中，λi为业务i的时延要求，λi(t)为当前业务i在当前时刻的时延，可以认为是时延对优先级的影响，调度延时越大，优先级就会越高，这样一来，超时用户就可以在调度时延之前被调度。当λi＝λi(t)时，时域分组调度的优先级为1，表示用户i在当前业务级别中，时域分组调度优先级最高。该策略对时延要求较高或接近时延要求的数据优先传输，保证在其时延范围内传输。
然后，机车天线确定对发送车厢内哪个移动中继网关的数据可以进行优先级处理，引入车厢优先级参数Qi，coach_priority∈(0,1)，优先级高的车厢Qi，coach_priority数值相对较大。当有高优先级车厢，例如，一等座的车厢的中继网关节点的数据到达天线时，以优先发送。
考虑到存在重传要求，所述机车天线把一重传数据放于首传数据的后面，所以在重传数据上加入重传标识HHARQ。
最后，在各业务队列中，进行二次优先级排序。若有传输铁路信号的数据，需放在所有队列之首，立即转发出去，这样可保证高速列车“心跳线”的正常运行，并且这样保证了高优先级业务的优先传输，提高了传输数据的效率，保证了用户体验，实用性增强。
综上，业务i在第二级链路的调度算法表达式为：
其中，i*表示业务i在第二级链路的优先级；I0＝1，Ii(t)表示业务i在t时刻是否为铁路信号，λi为业务i的时延要求，λi(t)为当前业务i在当前时刻的时延，Qi，QCI-priority表示业务i的优先级，Qi，coach-priority表示列车内业务i的车厢优先级参数，重传标识HHARQ表示该数据是否为重传数据。
S23，估计信道资源块，即估计出所要传输的资源块数目；由于高速列车移动时速为350km/h时，存在多普勒频偏大、列车车体损耗大等特点，每个传输时隙中的信道质量会发生变化，资源块的质量有所降低，语音通信质量和数据传输速率均会相应地有所降低。所以需采用信道资源块预估计，根据计算本TTI中的信道质量估计***可使用的资源块总量。信道质量信息的反馈计算包括：
(a)机车天线测量SINR；
(b)根据某种链路自适应算法校正SINR；
(c)SINR值转换成离散的CQI值并将CQI值上报给地面基站；其中，CQI值是SINR的函数，即
CQIn＝f(SINRm+SINRerror+SINRΔ)
其中，CQIn表示该TTI中资源块的信道质量等级；SINRm是测量的SINR，在TD-LTE***中，UE通过测量公共参考信号(CRS)来获得;SINRerror是一个高斯分布的随机变量，反映了测量的误差;SINRΔ是链路自适应算法得到的校准值，其能弥补信道质量的快速变化来的波动。
机车天线和地面基站测量的信道信息估计出的资源块总量，因为资源调度首先就要考虑用户的需求，也就是说，所有用户的各个业务有多少数据要传输，超过最大传输能力或剩余数据量的资源分配是没有意义的。所以还需计算本TTI中各队列数据包在最高信道质量指示（CQI，Channel Quality Indicator）、最小发送数据量和最低传输速率要求情况下估算出的最小虚拟资源块（VRB，Virtual Resource Block）占用量，
Nmin(VRB)＝f(TBSi,min,ri,min,CQImax)
以及最低CQI和最高传输速率要求估算出的最大VRB占用量
Nmax(VRB)＝f(TBSi,max,ri,max,CQImin)，
其中，Nmin(VRB)表示最小虚拟资源块占用量，Nmax(VRB)表示最大虚拟资源块占用量，TBSi，min表示业务i在该TTI时刻估计的最小发送数据量，由传输的实时业务（GuaranteedBit Rate，GBR）的需求决定，TBSi，max表示业务i在该TTI时刻估计的最大发送数据量，由地面基站端发送缓存的限制决定，ri，max表示最高传输速率，ri，min表示最低传输速率，CQImin表示最小CQI值，CQImax表示最大CQI值，CQI值由机车天线和地面基站分别测量，表示无线信道质量，地面基站选择自适应调制编码方式（MCS，Modulation and Coding Scheme）。
S24，分配信道资源块，即按照优先级从高到低顺位为TD-LTE数据分配资源块；
根据业务最终确定的各队列排序和数据包最小VRB占用量，从k个队列中把优先级最高的前k1个队列的数据包依次分配资源块，其余k-k1个队列的数据包等待下个TTI排序发送。若为所有k个队列分配之后资源块仍有剩余，则按数据包最大VRB占用量和优先级从高到低顺序为各队列数据包分配资源块。如果优先级高的业务i都已经服务完了，将继续服务优先级低的业务i+1。该过程将持续下去直到有效带宽耗尽或剩余的业务也被服务。使用该策略能保证在业务负载很重的情况下低优先级的业务流依然能够得到传输所需的最小带宽。
在两级资源调度的过程中，对于第二级TD-LTE端不同业务队列采用比较真实的有限队列排队模型，如图8所示，每种业务的服务队列在不同时刻的队列长度可能是不同的，这样在调度的时候就需要考虑队列长度信息。在队列的队头和队尾设计头指针*Ph和尾指针*Pt，如果*Ph=*Pt，则表示该队列空了，业务所在的信道条件再好也不能再给所述信道分配信道资源用于传输数据。
在高速列车宽带无线接入所要承载的多种业务中，纯数据业务，例如上网冲浪、电子邮件等因对时延和抖动不敏感而不受这种信道容量波动的影响，但实时业务，例如，Voice over IP，IP承载语音、视频电话等业务的QoS会因此而恶化。如果数据速率太低而暂时无法传输实时业务，乘客将体会到语音或视频的停顿或抖动。所以在分配时应考虑，若为铁路信号，则应使用最大VRB占用量分配资源块，使用最高传输速率；若为2G/3G语音业务，则使用最小VRB占用量分配资源块，使用GBR传输速率；若为其他常规GBR业务，则使用最小VRB占用量和GBR传输速率；若为其他常规Non-GBR业务，则使用最小VRB占用量和最低传输速率。这便保证了高优先级数据在第二级链路上的服务质量，且对于低优先级的用户保证了公平性，保证了业务的时延可靠。
S25，采用抗干扰的自适应机车天线传输分配好的资源块；
高速列车内部装配两台抗干扰自适应机车天线，这两台抗干扰自适应机车天线分别装配在列车的车头和车尾。所述天线将分配好资源块的TD-LTE数据传至地面基站。
在高速列车运行过程中，选择信道质量好的机车天线进行数据传输，该机车天线的信道质量由该机车天线的瞬时接收功率决定。当车头的机车天线的瞬时接收功率低于预设阈值，则自动切换至车尾的机车天线传输数据；当车尾的机车天线的瞬时接收功率低于预设阈值，则开启车头的机车天线扫描信道预先接入下一个RRU，再由车头的机车天线进行数据传输，采用抗干扰的自适应机车天线传输机制的实现过程如图9所示。
S26，会车时，采用资源预留机制；
在高速列车运行过程中，当一列高速列车运行时，高速列车的机车天线独享全部使用的带宽，这样可以保证列车内用户的多种业务需求。但是当高速列车运行时遇到会车情况，即两列高速列车同时接入同一地面基站时，可由所述地面基站为两列高速列车做资源预留，会车场景如图10所示。
当所述地面基站发现有两列高速列车同时接入或即将先后接入时，则把原有带宽按1:1分为两个子带宽，通过这两个子带宽分别发送指令给两列高速列车的机车天线。当所述机车天线接收到指令，即通知带宽减少，之后，所述机车天线根据减少之后的带宽优先传输优选级最高、时延要求最高的数据以及高速列车运行的“心跳线”信令，缓存其它优先级相对较低且时延要求不高的数据，等待高速列车会车结束之后再传输。
由于地面基站对机车天线更新跟踪，这样即使两辆列车处于不同的地面基站的RRU之下，也会在即将切换时交换列车信息，提前预知两辆列车在同一地面基站的接入，做好会车时的资源分配。使用该策略可以保证高速列车在会车情况下的正常运行和高优先级的紧急数据的顺利传输，可提高整个***的可用性。
本发明提供的一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，所述方法使得在保证业务质量前提下，尽量提高车载宽度无线接入***的整体吞吐量和满足***间各用户终端之间的公平性，提高有限带宽资源的利用率。
实施例二
本实施例提供一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，本实施例与实施例一的区别在于两列高速列车在会车时采用的资源预留机制，即列车在进行信息传输的同时，汇报各自车的业务量的大小。当地面基站发现有两列高速列车即将汇车时，根据两列列车业务量的需求，自适应地分配带宽资源，并通知机车天线。
本发明所述的一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法适用于在偏远地区的人员基站区域或者高速列车，在这些区域中由于光缆无法铺设，使得无线中继方式能够大规模地接入。本发明利用TD-LTE技术作为长距离传输通道，利用2G/3G/WiFi技术作为短距离用户接入技术，在一级调度使用基于切换优先的接纳控制机制、虚拟资源映射机制、控制业务等待调度的时延，提高了业务的服务质量；在二级调度引入铁路信号资源抢占机制，保证了中继站点能够将基站已准予的资源及时地分配到各移动终端上，减少了不不必要的资源浪费；在机车天线对地面基站发送过程中使用抗干扰的自适应天线传输数据，避免同列车两天线之间的干扰，以及在高速列车会车时使用资源预留机制；本发明使得在保证业务质量前提下，尽量提高车载宽度无线接入***的整体吞吐量和满足***间各用户终端之间的公平性，提高有限带宽资源的利用率。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，所述基于多级映射的资源调度方法包括：
S1，在第一级链路上完成一级调度；一级调度即在2G/3G/WiFi端采用2G/3G/WiFi端的队列缓冲池；所述2G/3G/WiFi端的队列缓冲池用于缓存在所述第一级链路上传输的2G/3G/WiFi业务数据，然后将缓存后的数据进行QCI虚拟资源映射，映射后将获得的2G/3G/WiFi业务数据进行第一次优先级排序，最后将2G/3G/WiFi业务数据转换成TD-LTE数据；其中，所述第一级链路是指用户终端和高速移动中继网关之间的链路；所述步骤S1包括：
在2G/3G/WiFi端采用基于切换优先的呼叫接纳控制机制，所述呼叫接纳控制机制用于判断是否允许一个新的连接接入到网络中；所述呼叫接纳控制机制的表达式为：
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其中，Ni表示为第i个移动切换用户预留的资源块数，pj表示第j个新用户的接入概率，Nnewj表示第j个新用户接入需要的资源块数，Ntotal表示所有的资源块数，k表示预留的移动切换用户总数，m表示新用户的总数；
S2，在第二级链路上完成二级调度；二级调度即在TD-LTE端采用TD-LTE端的队列缓冲池；所述TD-LTE端的队列缓冲池用于缓存在所述第二级链路上传输的TD-LTE数据，然后根据TD-LTE端QCI属性对所述TD-LTE数据进行第二次优先级排序，并将优先级最高的数据放在首位传输；所述第二级链路是指所述高速移动中继网关和地面基站之间的链路。
2.根据权利要求1所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，于所述步骤S1还包括：在2G/3G/WiFi业务数据完成QCI虚拟资源映射之前，加入SINR，并在QCI虚拟资源映射机制中引入QCI优先级参数，即Q因子；其中，业务i队列k在第一级链路的调度算法表达式为：
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其中,Pi,k表示业务i队列k在第一级链路的优先级；δi,k表示业务i队列k的丢包率，
δi,k∈(0,1)；Qi,k,QCI_priority表示业务i队列k的优先级；SINRi,k表示业务i队列k在第一级2G/3G/WiFi端的数据传输完整度；λi,k(t)表示业务i队列k在时刻t的队首数据包时延信息，λi,k表示业务i队列k能够容忍的最大时延；Qi,k(t)表示业务i队列k在时刻t的队列长度，Qi,k表示业务i队列k的最大队列长度。
3.根据权利要求1所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，于所述步骤S2还包括：估计信道资源块，即估计出所要传输的资源块数目。
4.根据权利要求1所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，于所述步骤S2还包括：分配信道资源块，即按照优先级从高到低顺序为TD-LTE数据分配资源块；所述分配资源块加入铁路信号因子，即当有铁路信号出现时，立即进行资源抢占，放在所有队列之首，立即转发出去；其中，业务i在第二级链路的调度算法表达式为：
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其中，i*表示业务i在第二级链路上的优先级；I0＝1，Ii(t)表示业务i在t时刻是否为铁路信号；λi为业务i的时延要求，λi(t)为当前业务i在当前时刻的时延；Qi,QCI_priority表示业务i的QCI等级；Qi,coach_priority表示列车内业务i的车厢优先级；重传标识HHARQ表示该数据是否为重传数据。
5.根据权利要求1所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，于所述步骤S2还包括：采用抗干扰自适应机车天线传输分配好的资源块；所述抗干扰自适应机车天线分别装配在列车的车头和车尾；所述抗干扰自适应机车天线具有瞬时接收功率和预设阈值，当车头的机车天线的瞬时功率低于预设阈值时，则自动切换至车尾的机车天线传输数据；当车尾的机车天线的瞬时接收功率低于预设阈值时，则开启车头的机车天线扫描信道预先接入地面基站的下一个射频拉远单元，再通过车头的机车天线传输资源块。
6.根据权利要求1所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，于所述步骤S2还包括：采用资源预留机制，所述资源预留机制是指列车的机车天线在传输高铁信号同时，上报本车的业务量大小给地面基站。
7.根据权利要求5所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，于所述步骤S2还包括：采用资源预留机制，所述资源预留机制是指地面基站按照用户终端对业务数据的需求自适应地为列车分配带宽资源，并通知所述抗干扰自适应机车天线。
8.根据权利要求1所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，于所述步骤S2还包括：采用资源预留机制，所述资源预留机制是指地面基站将带宽分为1︰1的两个子带宽，并通知所述抗干扰自适应机车天线。
9.根据权利要求1所述的高速移动环境下基于多级映射的资源调度方法，其特征在于，所述2G/3G/WiFi端包括2G微基站、3G微基站、以及WiFi微基站。
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| Riza et al. | Improving QoS in WLAN using dynamic weighted fair scheduling | |
| Prasath et al. | QoS scheduling for group mobility in WiMAX |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171222 Termination date: 20180813 |