CN101296213B - 一种正交频分多址系统无线资源的调度方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交频分多址系统无线资源的调度方法，该方法包括分组调度步骤：根据各个用户的数据队列的服务质量要求对各个数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列；区域划分步骤：将各个用户的缓存队列作为进行区域划分的集合(H)，并确定集合(H)中每个用户的划分量，根据划分量为集合(H)中的每个用户划分区域；区域选择步骤：判断各个用户与对应的划分区域的判定指标的大小，判定指标最大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配，将该用户从集合(H)中除去；重复执行区域划分步骤和区域选择步骤，直至集合(H)中所有用户都分配完。本发明能在满足各用户服务质量请求的基础上实现系统整体性能的优化。

Description

一种正交频分多址系统无线资源的调度方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种正交频分多址系统无线资源的调度方法和装置。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，简称OFDM)是一种多载波通信技术，它把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个相互正交的子载波中进行传输。OFDM系统能够有效消除多径时延扩展所产生的码间干扰(Inter-Symbol Interference，简称ISI)和载波间干扰(Inter-Carrier Interference，简称ICI)，并有效利用频率资源。正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，简称OFDMA)是建立在正交频分复用基础上的一种接入技术，它通过为用户分配独立子载波和时隙的方法实现多址接入，其中多个子载波组成一个子信道，系统会根据用户的服务质量(Quality of Service，简称QoS)需求分配一个或多个子信道给用户来传输数据。OFDMA成为当前高速数据接入系统(如IEEE 802.16a/d/e无线宽带接入系统)的一种调制技术方案。

OFDMA系统的资源分配是一个涉及子载波分配、功率分配和自适应调制的复杂问题。在已有的研究中，主要采用分步优化的方法实现OFDMA系统资源分配，首先分配子载波，然后确定各子载波的功率、调制方式和加载比特数。可以采用固定子载波分配来降低复杂度，但是当用户在信道质量差的子载波上传输数据时会导致系统容量下降。自适应地分配子载波能够提高系统吞吐量。子载波分配算法的研究主要是要保证用户间公平性和各用户的QoS，并且利用用户信道差异获取尽可能大的系统总吞吐量或消耗尽可能小的功率。当前的子载波分配研究集中在对某一时隙资源分配上(例如在每一时刻将资源分配给信道状态最好的用户)，没有考虑各时隙间载波分配的关系，有时可能会造成时隙资源的浪费，不能实现对正交频分多址系统整体性能的优化。

发明内容

本发明提供了一种正交频分多址系统无线资源的调度方法和装置，其能在满足各用户服务质量请求的基础上实现系统整体性能的优化。

本发明的技术方案是：一种正交频分多址系统无线资源的调度方法，包括步骤：

分组调度步骤：根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列；

区域划分步骤：将各个用户的发送缓存队列作为进行区域划分的集合H，根据每个用户数据队列的最小预留速率MMR和/或最大时延ML确定集合H中每个用户的缓存队列的划分量，并根据所述每个用户的缓存队列的划分量在未分配资源的正交频分多址系统的无线资源帧中为所述集合H中的每个用户划分区域；

区域选择步骤：判断各个用户与对应的划分区域的判定指标的大小，所述判定指标最大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配，同时将该判定指标最大的用户从集合H中除去；所述判定指标由划分区域的区域利用率、划分区域面积、划分区域面积函数、无线资源帧划分区域的每个时隙承载比特数、用户的各个数据队列的平均速率及正交频分多址系统无线资源帧的长度共同确定；

重复执行区域划分步骤和区域选择步骤，直到将集合H中的所有用户分配给与其对应的划分区域。

一种正交频分多址系统无线资源的调度装置，包括：

分组调度器，根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列；

区域划分器，将各个用户的缓存队列作为要进行区域划分的集合H，根据每个用户数据队列的最小预留速率MMR和/或最大时延ML确定集合H中每个用户的缓存队列的划分量，并根据所述每个用户的缓存队列的划分量在未分配资源的正交频分多址系统的无线资源帧中为所述集合H中的每个用户划分区域；

区域选择器，判断各个用户与对应的划分区域的判定指标的大小，所述判定指标最大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配，同时将该判定指标最大的用户从集合H中除去；所述判定指标由划分区域的区域利用率、划分区域面积、划分区域面积函数、无线资源帧划分区域的每个时隙承载比特数、用户的各个数据队列的平均速率及正交频分多址系统无线资源帧的长度共同确定。

本发明的正交频分多址系统无线资源的调度方法，根据用户的各个数据队列的服务质量要求对各个数据队列按先后顺序进行分组调度，能满足各个用户的服务质量要求；在区域选择时根据判定指标来实现划分区域的资源分配，可以充分利用正交频分多址系统的无线资源，实现正交频分多址系统整体性能的优化；且将正交频分多址系统的无线资源调度问题分为分组调度、区域划分和区域选择步骤，其中每一步骤实现不同的功能，在正交频分多址系统实现无线资源调度时可根据不同需要对各个步骤进行具体的设计，这样可以降低正交频分多址系统设计时的难度，更容易根据某步骤需要作出有针对性的优化。

附图说明

图1是本发明正交频分多址系统无线资源的调度方法的流程图；

图2是本发明一实施例中执行按需轮询算法的示意图；

图3是本发明一实施例中简单分组区域划分算法的示意图；

图4是本发明一实施例中划分区域的数据容量和其中一用户的划分量的示意图；

图5是本发明一实施例中区域选择过程示意图；

图6是本发明一实施例中面积函数的示意图；

图7是本发明正交频分多址系统无线资源的调度装置的示意图；

图8是本发明一实施例中正交频分多址系统无线资源的调度装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做一详细的阐述。

图1是本发明正交频分多址系统无线资源的调度方法的流程图，其包括S101、分组调度步骤；S102、区域划分步骤；S103、区域选择步骤，在执行完区域选择步骤后，重复执行步骤S102和S103，直至所有用户分配完。其中区域划分步骤和区域选择步骤组成资源分配步骤，实现无线资源帧的分配功能。首先分组调度步骤对各用户的数据队列进行处理，再经过多次资源分配步骤，实现对无线资源帧的完全分配。

S101、分组调度步骤具体为：根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列。该步骤实现对接入正交频分多址系统的各个用户的数据队列的调度，每个用户的数据队列被送入到其对应的发送缓存队列，每个用户对应一个发送缓存队列。

在一实施例中，分组调度步骤具体实施时可以采用一种叫按需轮询的调度算法，目的是为了实现正交频分多址系统中不同数据队列的服务质量QoS要求。可将接入正交频分多址系统中的用户的各个数据队列分为三种类型：实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列。我们用QoS参数来描述各数据队列，QoS参数包括最小预留速率MRR、最大时延ML和最大时延抖动MJ，这些参数是正交频分多址系统对接入用户数据队列的服务质量保证。

其中，按需轮询是基于轮询和优先级的调度算法，其为每个数据队列指派优先级P，其中P_实定＞P_实非定＞P_非实，在送入发送缓存队列时按照优先级从大到小轮询各连接的数据队列，每个缓存队列的数据队列的需求量的总和为该用户的数据需求量D，数据需求量D由该数据队列的QoS要求决定。图2是执行按需轮询算法的示意图，R1是实时定长数据队列，R2是实时非定长数据队列，N是非实时数据队列；D表示需求分组的数据队列，在送入发送缓存队列时要优先考虑分组。按需轮询是把用户的各数据队列按优先级大小及需求分组的要求依次送入该用户的发送缓冲队列中。

S102、区域划分步骤具体为：将各个用户的发送缓存队列作为要进行区域划分的集合H，并根据每个用户数据队列的最小预留速率MMR和/或最大时延ML确定集合H中每个用户的缓存队列的划分量，根据每个用户的缓存队列的划分量在未分配资源的正交频分多址系统的无线资源帧中为所述集合H中的每个用户划分区域。

区域划分步骤就是为集合H中所有用户在无线资源帧上各自选定一片区域，划分区域的数据容量应大于等于该用户的划分量C(S_k)≥d_k，如图4所示。具体来说，区域划分为集合H中的所有用户各自选取当前无线资源帧中未分配资源的一个区域S_k，每个区域代表各用户对资源的“预分配”，对用户k进行区域划分时，首先要确定该用户缓冲队列的划分量d_k，再从未分配的资源中选取一块区域S_k作为用户的划分区域，区域划分时应尽量满足该用户在区域S_k的数据容量C(S_k)大于等于用户划分量d_k。

区域划分步骤需要完成三件事情：确定需要进行区域划分的用户的集合H，计算集合H中的各个用户的划分量以及设计划分算法。在一实施例中，确定集合H，是假定各用户并不存在优先级差别，也就是说只要进行区域划分的用户k的缓冲队列有数据队列存在，就可以归为集合H。对于划分量的计算，在一实施例中，是按各用户的划分量等于各用户发送缓冲队列的数据需求量。

由于各个用户的数据队列可以分为实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列，在一实施例中，计算用户的数据需求量时用D_实定、D_实非定和D_非定分别代表三种数据队列的需求量，并用最小预留速率来计算实时定长数据队列的需求量，用最小预留速率和最大时延来计算实时非定长数据队列的需求量，用最小预留速率来计算非实时队列的需求量。下面是一实施例中计算三种数据队列的需求量的计算方法。

一、实时定长数据队列需求量

为了满足实时定长数据队列的时延和时延抖动特性，按需轮询算法为该连接的数据队列定义最大的优先级，在调度时优先把该连接的数据队列送入发送缓冲队列，送入缓冲队列的各个数据队列的需求量D_k，R1应满足业务流最小预留速率的特性。设用户k数据队列j_R1的最小预留速率为所以D_k，R1应取：

$D_{k,R1}={\mathrm{MRR}}_{{k,j}_{R1}}\·L_f$

其中L_f代表一个无线资源帧的长度。

二、实时非定长数据队列需求量

该类数据队列用于支持动态变化的应用，这里分别用参数数据队列的最小预留速率MRR和最大时延ML来计算它的需求量，并取两个需求量中的较大者作为该队列的需求量。

我们为了在一段时间段N_T内满足队列的最小预留速率，通过计算可以得到需求量为：

$D_{k,R21}=[N_T\·{\mathrm{MRR}}_{k,j_{R2}}-(N_T-1)T_{k,j_{R2}}\left(i\right)]\·L_f$

其中

代表在第i帧数据队列调度时该队列的平均速率。

我们为了满足队列的最大时延特性，通过计算可以得到此时的需求量为：

$D_{k,R22}=\frac{[1000\·N_T\·(L_{{k,j}_{R2}}\left(i\right)+W_{{k,j}_{R2}}\left(i\right))-{\mathrm{ML}}_{{k,j}_{R2}}(N_T-1)T_{{k,j}_{R2}}\left(i\right)]\·L_f}{{\mathrm{ML}}_{{k,j}_{R2}}+1000\·N_T\·L_f}$

其中

代表在第i帧数据队列调度时的队列长度，

代表第i帧数据队列送入缓存队列的速率。

最终我们取D_k，R21和D_k，R22两者较大值作为该数据队列的需求量D_k，R2：

D_k，R2＝max{D_k，R21，D_k，R22}

三、非实时数据队列需求量

为了满足非实时数据队列的速率特性，设该队列的需求量为D_k，N，D_k，N应按照实时非定长队列中D_k，R21的方法来计算，所以有：

$D_{k,N}={[N}_T\·{\mathrm{MRR}}_{{k,j}_N}-(N_T-1)T_{{k,j}_N}\left(i\right)]\·L_f$

通过以上对三种数据队列的需求量的计算，可以知道各个用户的缓存队列的划分量。

划分算法在一实施例中，采取简单分组区域划分算法，如图3所示，简单分组区域划分算法是从无线资源帧未分配资源的左上角的时隙开始从上往下划分，按各个用户的划分量对各个用户划分区域，如果划分区域到达该无线资源帧最后一个时隙，则按照上述方法继续划分。若区域划分结束没有到达无线资源帧的最后一个时隙，则剩下的时隙将被填充(如图中的“P”时隙)，此时若干个完整的时隙将作为该用户的划分区域。

S103、区域选择步骤具体为：判断各个用户与对应的划分区域的判定指标的大小，所述判定指标最大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配，同时将该判定指标最大的用户从集合H中除去；所述判定指标由划分区域的区域利用率、划分区域面积、划分区域面积函数、无线资源帧划分区域的每个时隙承载比特数、用户的各个数据队列的平均速率及正交频分多址系统无线资源帧的长度确定。

在一实施例中，判定指标可以为：

$P\left(S_k\right)={\mathrm{\α}}_k\·\frac{F\left(A\left(S_k\right)\right)\·A\left(S_k\right)\·c_{S_k}\left(i\right)}{L_f\·T_k\left(i\right)}$

其中P(S_k)为判定指标，A(S_k)是划分区域面积，

为无线资源帧划分区域S_k每个时隙承载比特数，T_k(i)为用户的各个数据队列的平均速率，α_k为划分区域S_k的区域利用率，F(A(S_k))是面积函数。

其中面积函数F(A(S_k))的示意图在一实施例中，如图6所示，其有2个抛物曲线组合而成，横坐标是划分区域A(S_k)，纵坐标是面积函数F(A(S_k))的值，不同区域面积的面积函数值不同，面积函数值最大是1。

执行完步骤S103区域选择步骤后，再重复执行步骤S102和步骤S103，直至集合H中的所有用户分配到对应的划分区域。每次区域分配只把判断指标最大的用户分配给与其对应的划分区域。在分配完该用户后，把该用户的缓存队列从集合H中去除，在下一次执行区域划分和区域选择步骤时，只对集合H中的其他用户进行区域划分和区域分配。

区域划分步骤只是对用户的数据队列的预分配，区域选择步骤是对划分区域的最终分配，对划分好的每个划分区域按照上述判定指标对每个用户的判定指标进行计算，划分区域选择判定指标大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配。如图5所示是一实施例中区域选择过程示意图，每次区域选择步骤选择其中一个用户分配给其中的一块划分区域，在该示意图中区域选择步骤对集合H中的4个用户进行区域选择，在第一次区域选择时，无线资源帧中未分配资源的其中一块区域分配给用户2，在第二次区域选择时，无线资源帧中未分配资源的其中一块区域分配给用户4，在第三次区域选择时，无线资源帧中未分配资源的其中一块区域分配给用户3，在第四次区域选择时，无线资源帧中未分配资源的其中一块区域分配给用户1。

本发明还揭示了一种正交频分多址系统无线资源的调度装置，如图7所示，其包括，

分组调度器，根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列；

区域划分器，将各个用户的缓存队列作为要进行区域划分的集合H，根据每个用户数据队列的最小预留速率MMR和/或最大时延ML确定集合H中每个用户的缓存队列的划分量，并根据所述每个用户的缓存队列的划分量在未分配资源的正交频分多址系统的无线资源帧中为所述集合H中的每个用户划分区域；

区域选择器，判断各个用户与对应的划分区域的判定指标的大小，所述判定指标最大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配，同时将该判定指标最大的用户从集合H中除去；所述判定指标由划分区域的区域利用率、划分区域面积、划分区域面积函数、无线资源帧划分区域的每个时隙承载比特数、用户的各个数据队列的平均速率及正交频分多址系统无线资源帧的长度共同确定。

区域选择器执行一次，只实现对一个用户的区域选择，在每次对一个用户分配完资源后，将该用户从集合H中去除，之后再返回区域划分器，其集合H的其他用户再进行区域划分，之后再执行区域选择器，如此重复执行，直到集合H的所有用户都分配完。

如图8所示，所述分组调取器可以包括调度处理模块，用于根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列。

在一实施例中，如图8所示，所述分组调取器还包括优先级处理模块，为各个用户的每个数据队列指派优先级，发送缓存队列时按优先级从大到小轮询各个数据队列。

在一实施例中，如图8所示，所述分组调度器还包括划分处理模块，将用户的数据队列分为实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列，其中优先级从大到小依次为：实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列；

所述区域划分器还用于根据每个用户数据队列的最小预留速率来确定所述实时定长数据队列的划分量，根据最小预留速率和最大时延来确定所述实时非定长数据队列的划分量，根据最小预留速率确定所述非实时数据队列的划分量。

所述区域选择器中的判定指标在一实施例中可以为，

$P\left(S_k\right)={\mathrm{\α}}_k\·\frac{F\left(A\left(S_k\right)\right)\·A\left(S_k\right)\·c_{S_k}\left(i\right)}{L_f\·T_k\left(i\right)}$

其中P(S_k)为判定指标，A(S_k)是划分区域面积，

为无线资源帧划分区域S_k每个时隙承载比特数，T_k(i)为用户的各个数据队列的平均速率，α_k为划分区域S_k的区域利用率，F(A(S_k))是面积函数。

本发明的正交频分多址系统无线资源的调度方法，根据用户的各个数据队列的服务质量要求对各个数据队列按先后顺序进行分组调度，能满足各个用户的服务质量要求；在区域选择时根据判定指标来实现划分区域的资源分配，可以实现正交频分多址系统整体性能的优化；且将正交频分多址系统的无线资源调度问题分为分组调度、区域划分和区域选择步骤，其中每一步骤实现不同的功能，在正交频分多址系统实现无线资源调度时可根据不同需要对各个步骤进行具体的设计，这样可以降低正交频分多址系统设计时的难度，更容易根据某步骤需要作出有针对性的优化。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种正交频分多址系统无线资源的调度方法，其特征在于，包括步骤：

分组调度步骤：根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列；

区域划分步骤：将各个用户的发送缓存队列作为进行区域划分的集合H，根据每个用户数据队列的最小预留速率MMR和/或最大时延ML确定集合H中每个用户的缓存队列的划分量，并根据所述每个用户的缓存队列的划分量在未分配资源的正交频分多址系统的无线资源帧中为所述集合H中的每个用户划分区域；

区域选择步骤：判断各个用户与对应的划分区域的判定指标的大小，所述判定指标最大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配，同时将该判定指标最大的用户从集合H中除去；所述判定指标为：

其中P(S_k)为判定指标，A(S_k)是划分区域面积，

为无线资源帧划分区域S_k每个时隙承载比特数，T_k(i)为用户的各个数据队列的平均速率，α_k为划分区域S_k的区域利用率，F(A(S_k))是面积函数，L_f是一个无线资源帧的长度；

重复执行区域划分步骤和区域选择步骤，直到将集合H中的所有用户分配给与其对应的划分区域。

2.根据权利要求1所述的正交频分多址系统无线资源的调度方法，其特征在于：分组调度步骤还包括，为每个用户的每个数据队列指派优先级，在送入缓存队列时按优先级从大到小轮询各个数据队列。

3.根据权利要求2所述的正交频分多址系统无线资源的调度方法，其特征在于：分组调度步骤还包括，将用户的数据队列分为实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列，其中优先级从大到小依次为：实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列；

区域划分步骤还包括，根据最小预留速率来确定所述实时定长数据队列的划分量，根据最小预留速率和最大时延来确定所述实时非定长数据队列的划分量，根据最小预留速率确定所述非实时数据队列的划分量。

4.一种正交频分多址系统无线资源的调度装置，其特征在于：包括，

分组调度器，根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列；

区域划分器，将各个用户的缓存队列作为要进行区域划分的集合H，根据每个用户数据队列的最小预留速率MMR和/或最大时延ML确定集合H中每个用户的缓存队列的划分量，并根据所述每个用户的缓存队列的划分量在未分配资源的正交频分多址系统的无线资源帧中为所述集合H中的每个用户划分区域；

区域选择器，判断各个用户与对应的划分区域的判定指标的大小，所述判定指标最大的用户作为与其对应的划分区域的最终分配，同时将该判定指标最大的用户从集合H中除去；所述判定指标为：

其中P(S_k)为判定指标，A(S_k)是划分区域面积，

为无线资源帧划分区域S_k每个时隙承载比特数，T_k(i)为用户的各个数据队列的平均速率，α_k为划分区域S_k的区域利用率，F(A(S_k))是面积函数，L_f是一个无线资源帧的长度。

5.根据权利要求4所述的正交频分多址系统无线资源的调度装置，其特征在于：所述分组调取器包括调度处理模块，用于根据已接入正交频分多址系统中的各个用户的数据队列的服务质量要求对各个用户的数据队列按先后顺序进行分组调度，并送入到各自的发送缓存队列。

6.根据权利要求5所述的正交频分多址系统无线资源的调度装置，其特征在于：所述分组调取器还包括优先级处理模块，为各个用户的每个数据队列指派优先级，发送缓存队列时按优先级从大到小轮询各个数据队列。

7.根据权利要求6所述的正交频分多址系统无线资源的调度装置，其特征在于：所述分组调度器还包括划分处理模块，将用户的数据队列分为实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列，其中优先级从大到小依次为：实时定长数据队列、实时非定长数据队列和非实时数据队列；

所述区域划分器还用于根据最小预留速率来确定所述实时定长数据队列的划分量，根据最小预留速率和最大时延来确定所述实时非定长数据队列的划分量，根据最小预留速率确定所述非实时数据队列的划分量。

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