專利名稱：一種用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的新算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的新算法，它是基于在滿足給定的公平性要求的情況下，吞吐量累積分布函數(shù)曲線越靠近公平性準(zhǔn)則，吞吐量越高的認(rèn)識(shí)提出的。本算法可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)改變吞吐量和公平性曲線的關(guān)系。而且，從吞吐量和公平性兩者折中的角度出發(fā)，它可以比較容易地找出一種近似最優(yōu)解。
隨著人們對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的不斷增加，移動(dòng)通信系統(tǒng)支持高速數(shù)據(jù)的能力也不斷增強(qiáng)。IS-95只支持低速數(shù)據(jù)，而cdma2000已經(jīng)可以支持中速數(shù)據(jù)。為了在移動(dòng)通信中提供支持高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，Qualcomm公司創(chuàng)造性地提出了cdma2000的演進(jìn)版本1x EV DO，又稱HDR(High Data Rate)。它是基于話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)不同，話音追求的是Erlang最大化，而數(shù)據(jù)則是吞吐量最大化。因此，HDR是專門針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的，它使用單獨(dú)的載頻來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。不同于1x中針對(duì)話音業(yè)務(wù)的功率控制技術(shù)，這里采用了速率控制技術(shù)。每個(gè)時(shí)隙(slot)移動(dòng)臺(tái)測(cè)量一次導(dǎo)頻C/I，以此來(lái)預(yù)測(cè)可以支持的最高傳輸速率，并通過反向的DRC(Data Rate Control)信道向基站報(bào)告?；靖鶕?jù)各移動(dòng)臺(tái)反饋的信息，采用一定的調(diào)度算法，從請(qǐng)求傳輸?shù)囊苿?dòng)臺(tái)中，選擇出一個(gè)用戶，各用戶采用時(shí)分的方式傳輸數(shù)據(jù)。
為了具體說(shuō)明本發(fā)明提出的移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的新算法，下面的例子就是以HDR的框架協(xié)議為背景的。但本發(fā)明所提出的方法及其思想，廣泛適用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配。移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于各移動(dòng)臺(tái)離基站的距離不同，接收信號(hào)的強(qiáng)度不同，如果只讓信道條件好的用戶一直傳輸數(shù)據(jù)，等其信道變差時(shí)，再讓其它信道變好的用戶傳，這樣就充分利用了多用戶分集的效果，將使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大化，這種調(diào)度算法稱做最大C/I算法。從系統(tǒng)吞吐量最大化的角度來(lái)說(shuō)，這種調(diào)度算法是最優(yōu)的，無(wú)論采用別的任何調(diào)度算法，吞吐量都不可能超過它。但它不可避免地照顧不到一些處于小區(qū)邊緣的用戶，使他們長(zhǎng)時(shí)間得不到服務(wù)，即出現(xiàn)“餓死現(xiàn)象”。因此，這種調(diào)度算法被認(rèn)為是最不公平的。
而輪循算法(Round Robin)則不考慮信道條件，對(duì)所有請(qǐng)求服務(wù)的用戶一視同仁，每個(gè)用戶接受服務(wù)的機(jī)會(huì)均等。因此，從占有系統(tǒng)資源的角度看，這種調(diào)度算法是最公平的。實(shí)際上，在討論公平性問題時(shí)，不應(yīng)該只考慮分配資源的方式，還要考慮利用資源的效用，同樣的資源分配給不同的用戶獲得的效用是不一樣的。比如，在這里選擇不同的用戶，由于請(qǐng)求的傳輸速率不同，對(duì)系統(tǒng)吞吐量的貢獻(xiàn)是不同的。正因?yàn)檩喲惴ú荒芾枚嘤脩舴旨男Ч?，其?duì)資源利用的效用較低，使得這種算法的吞吐量受到了很大的限制。為了同時(shí)兼顧系統(tǒng)吞吐量和公平性，Qualcomm在HDR中提出了一種稱為正比公平(ProportionalFairness)的調(diào)度算法，其原理具體可參見A.Jalali等人的“DataThroughput of CDMA-HDR，a High Efficiency Data Rate PersonalCommunication Wireless System”(VTC’2000，PP.1854-1858)一文。現(xiàn)簡(jiǎn)述其原理如下在時(shí)刻t，移動(dòng)臺(tái)k的平均傳輸速率用Rk(t)(k＝1，…，K)表示，其請(qǐng)求傳輸?shù)乃俾视肈RCk(t)表示，則被選中的用戶為k=argmaxj=1,···k{DRCj(t)Rj(t)}---(1)]]>若某一用戶此刻沒有數(shù)據(jù)要傳輸，則DRCk(t)＝0。這里的平均速率Rk(t)按下式更新Rk(t+Δt)=(1-1Tc)Rk(t)+1Tc*Current_Transmission_Rate_of_User_k---(2)]]>式中的Tc是時(shí)間常數(shù)，表示滑動(dòng)時(shí)間窗口的長(zhǎng)度，實(shí)際上反映了一個(gè)用戶對(duì)接收不到數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜淌苣芰Γ^長(zhǎng)的Tc將允許等待較長(zhǎng)的時(shí)間直到該用戶的信道質(zhì)量變好，這有利于系統(tǒng)吞吐量的提高，但可能帶來(lái)附加的延遲。
從上面的表示可以看出，如果移動(dòng)臺(tái)信道條件較好，其請(qǐng)求傳輸?shù)乃俾蔇RCk(t)也較高，就會(huì)使其優(yōu)先權(quán)提高。如果一個(gè)用戶因?yàn)樾诺罈l件較差，特別是由于它處于小區(qū)邊緣，C/I長(zhǎng)時(shí)間較低，得不到傳輸機(jī)會(huì)，則其平均速率就會(huì)減小，這同樣會(huì)使其優(yōu)先權(quán)提高，獲得傳輸機(jī)會(huì)?？梢哉f(shuō)，正比公平算法是尋求系統(tǒng)吞吐量最大化和各用戶之間公平性這兩個(gè)互相對(duì)立的方面折中的一種嘗試，也在一定程度上起到了這個(gè)作用。
上面我們對(duì)公平問題做了直觀的定性分析，3GPP2在鼓勵(lì)提出各種新的調(diào)度算法的同時(shí)，為了衡量各算法公平性確定了一個(gè)定量的準(zhǔn)則，具體可參見2001年5月9日3GPP2的文件1xEV-DV EvaluationMethodology(Rev.26)。該準(zhǔn)則是用各用戶吞吐量歸一化分布函數(shù)(CDF，Cumulative Distribution Function)曲線來(lái)表示的，以下簡(jiǎn)稱公平性曲線，是用所有用戶的平均吞吐量做歸一化的。
該準(zhǔn)則實(shí)際是限制了吞吐量較低的用戶占總用戶數(shù)的比例，比如低于0.1倍平均吞吐量的用戶數(shù)不能超過總用戶數(shù)的10％。按照這個(gè)準(zhǔn)則，所有符合公平性的調(diào)度算法其公平性曲線都處于這三點(diǎn)連成的直線的右側(cè)，否則就是違反了公平性準(zhǔn)則。
但實(shí)際上，正比公平算法遠(yuǎn)不是一種最佳的調(diào)度算法，吞吐量還可以進(jìn)一步提高。同時(shí)，就公平性本身而言，保證每個(gè)用戶的吞吐量達(dá)到一個(gè)最低限制也是很有必要的。否則，盡管達(dá)到了公平性準(zhǔn)則的要求，但仍有部分用戶得到很少的服務(wù)機(jī)會(huì)，使其滿足不了最低需要，這仍然是不公平的。另外，既然要滿足公平性，那么對(duì)信道好的用戶的吞吐量也不能沒有任何限制。在滿足最小和最大吞吐量限制的前提下，可以利用最大C/I算法來(lái)使系統(tǒng)吞吐量盡量最大?；谏厦娴乃枷?，我們提出了一種新的調(diào)度算法，稱做速率受限的最大C/I調(diào)度算法。設(shè)傳輸速率的上限為Rth_max，下限為Rth_min， 平均速率為Tk(t){k＝1，…，K}，優(yōu)先權(quán)指標(biāo)函數(shù)pk(t)∈
]>若 ，使得Pt(t)＝+∞，則由所有滿足此條件的j組成高優(yōu)先權(quán)用戶集合H＝{j|Pt(t)＝+∞，j∈U}，這時(shí)從集合H中任意選取一個(gè)元素。這里的平均速率的更新方法同正比公平算法，見(2)式。
附

圖1是速率受限的最大C/I算法流程圖；附圖2列了幾種不同門限值情況的分布曲線和吞吐量之間的關(guān)系。
在這種算法中，選取不同的傳輸速率門限值，公平性和吞吐量之間的折中是不同的。但在滿足公平性準(zhǔn)則的前提下，歸一化吞吐量累積分布函數(shù)曲線盡量靠近準(zhǔn)則曲線，才能使吞吐量增大的原則卻是不變的。
顯然，增加速率上限，或減小速率下限，都將使曲線向左移動(dòng)，即公平性降低，吞吐量增加，反之亦然。通過調(diào)節(jié)速率的上、下限，就可以得到不同的吞吐量和公平性曲線。因此，可以比較容易的得到吞吐量和公平性折中的近似最優(yōu)解。比如，速率上限取250.0Kbps，下限取14.4Kbps時(shí)吞吐量為1151.68Kbps/sector，此時(shí)已經(jīng)有些不滿足公平性準(zhǔn)則，而上限不變，下限取15.0Kbps時(shí)，就已經(jīng)滿足了公平性準(zhǔn)則，此時(shí)吞吐量為1117.44Kbps，因此，這個(gè)速率的上、下限是接近最優(yōu)解的。
結(jié)合以下附圖，可以幫助我們深入的理解各種調(diào)度算法的實(shí)質(zhì)。這些圖的橫坐標(biāo)是移動(dòng)臺(tái)所處位置到為其服務(wù)的基站的距離，縱坐標(biāo)是各移動(dòng)臺(tái)的吞吐量，這里做了相對(duì)于所有移動(dòng)臺(tái)吞吐量平均值的歸一化。
附圖3是輪循算法歸一化吞吐量和距離的散點(diǎn)圖；附圖4是最大C/I算法歸一化吞吐量和距離的散點(diǎn)圖；附圖5是正比公平算法歸一化吞吐量和距離的散點(diǎn)圖；附圖6是速率受限的最大C/I算法歸一化傳輸速率和距離散點(diǎn)圖；附圖6的速率上限取250.0Kbps，下限取15.0Kbps，滿足公平準(zhǔn)則，公平性曲線見附圖2。
從附圖3中可以看出，由于輪循算法是從各用戶中隨機(jī)選取的，根本沒有考慮到信道的影響，因此沒有多用戶分集的效果，所以隨著距離的變長(zhǎng)，吞吐量緩慢下降。而附圖4是最大C/I調(diào)度算法，由于始終選擇C/I最高的用戶，所以離基站較近的用戶得到的機(jī)會(huì)較多。處于小區(qū)半徑中間位置的用戶，由于信道慢衰和快衰的影響，其C/I可能在一些時(shí)間會(huì)變高，因此也可以被調(diào)度上，但下降趨勢(shì)很快。而小區(qū)邊緣的用戶，由于C/I為最大的概率很小，因此得到傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)很少，這說(shuō)明它顯然足不公平的。附圖5是正比公平算法，由于該算法中一旦平均速率升高，則優(yōu)先權(quán)就會(huì)降低，因此其吞吐量隨距離的下降速度要比輪循算法快一些，但又受平均速率的限制，使得其下降速度比最大C/I算法小得多。附圖6是我們提出的速率受限的最大C/I算法，可以看出，它的分布確實(shí)有些象正比公平算法，隨著移動(dòng)臺(tái)離基站距離的變遠(yuǎn)，移動(dòng)臺(tái)的吞吐量曲線比較緩慢的下降，這就是為什么它滿足公平性準(zhǔn)則。但由于它畢竟利用了多用戶分集作用，即使其傳輸速率的上限受到限制，最高吞吐量仍然保持在接近平均吞吐量4.5倍的程度，這雖比最大C/I算法低了很多，但還是比正比公平算法高將近2倍的平均吞吐量，這也就是為什么這種算法的吞吐量要比正比公平算法高的原因。
附圖7是前三種調(diào)度算法的公平性曲線。
附圖8比較了各種調(diào)度算法的吞吐量，可以看出這種新的調(diào)度算法的優(yōu)勢(shì)。
本文前面的仿真結(jié)果，都是基于每扇區(qū)20個(gè)FTP業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)用戶，業(yè)務(wù)信道的功率比例是80％，信道模型為Pedestrian A，1 finger，120kmph。
本發(fā)明涉及的是一種用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的新算法。通過分析在分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度算法的研究中出現(xiàn)的三種調(diào)度算法，指出體現(xiàn)算法公平性的累積分布函數(shù)曲線和吞吐量之間存在著唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。任何調(diào)度算法，只要提高了系統(tǒng)的吞吐量，就不可避免的損害了公平性。在滿足公平性準(zhǔn)則的前提下，要想提高系統(tǒng)吞吐量，就應(yīng)該盡量使累積分布函數(shù)曲線向左靠近該準(zhǔn)則。因此，考慮到最大C/I算法確實(shí)由于很好的體現(xiàn)了多用戶分集的效果，其吞吐量是各種可能的算法中的一種極限，但同時(shí)卻不滿足公平性的問題，我們提出一種既可以較好的體現(xiàn)最大C/I算法的思想，又滿足公平性準(zhǔn)則要求的新調(diào)度算法。這種算法通過調(diào)節(jié)速率上、下界參數(shù)，就可以比較容易的得到滿足公平性的算法中吞吐量最大的近似最優(yōu)解。
權(quán)利要求
1.一種用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的新算法，該算法在一定的傳輸速率門限范圍內(nèi)，盡量使被調(diào)度方在最有利于對(duì)系統(tǒng)資源高效、合理的利用的情況下被調(diào)度；在超出給定的速率范圍的情況下，綜合考慮資源利用的高效性和被調(diào)度方之間的公平性，對(duì)被調(diào)度方獲取系統(tǒng)資源的機(jī)會(huì)予以限制。
2.如權(quán)利要求1中所述的用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的方法，其特征在于在整個(gè)調(diào)度的過程中，調(diào)度方始終處于主導(dǎo)地位，它按照在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，最有利于系統(tǒng)資源被各調(diào)度方高效、合理地利用的方式來(lái)選擇被調(diào)度方；被調(diào)度方只是將自己的以往被調(diào)度方選中的機(jī)會(huì)和自己對(duì)資源的利用效率等綜合因素反饋給調(diào)度方，做為調(diào)度方?jīng)Q策的依據(jù)信息。
3.如權(quán)利要求2中所述的調(diào)度方?jīng)Q策所依據(jù)的信息主要包括各調(diào)度方以往獲得系統(tǒng)資源的機(jī)會(huì)和利用資源的效率，前者主要用于保證決策的公平性，而后者則用于反映被調(diào)度方本身對(duì)資源利用的效用。
4.如權(quán)利要求3中所述的被調(diào)度方本身對(duì)資源利用的效用，是指在獲得相同的系統(tǒng)資源的前提下，由于被調(diào)度方自身所處的位置和無(wú)線傳播環(huán)境的不同，其取得的有利于系統(tǒng)資源被高效、合理利用的效果不同。
5.如權(quán)利要求1中所述的被調(diào)度方，其特征在于代表相互競(jìng)爭(zhēng)的服務(wù)請(qǐng)求，它們由掌握資源的調(diào)度方進(jìn)行調(diào)度并被分配相應(yīng)的系統(tǒng)資源，它們要把調(diào)度決策所依據(jù)的信息反饋給調(diào)度方。
6.如權(quán)利要求2中所述的調(diào)度方，其作用就是接收和處理被調(diào)度方反饋給它的調(diào)度所依據(jù)的有關(guān)信息，按照一種能滿足各調(diào)度方之間競(jìng)爭(zhēng)公平性的同時(shí)，使系統(tǒng)資源的利用率盡可能高的方式做出決策，將其所掌握的資源分配給被調(diào)度方；調(diào)度方包括調(diào)度算法。
7.如權(quán)利要求1中所述的用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的方法，其特征在于在一定的范圍內(nèi)，對(duì)被調(diào)度方占有系統(tǒng)資源的方式不加任何限制，其決策的唯一依據(jù)就是占有相同資源的情況下，被調(diào)度方利用系統(tǒng)資源的效用。
8.如權(quán)利要求1中所述的用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的方法，其特征在于在被調(diào)度方超出給定范圍的情況下，調(diào)度方?jīng)Q策的依據(jù)不再是被調(diào)度方對(duì)資源利用的效用，而是各用戶之間的公平性。
9.如權(quán)利要求1中所述的用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的方法，其特征在于在被調(diào)度方超出給定范圍的情況下，調(diào)度方為保證各被調(diào)度方之間公平性，采取以下方法若以往給予被調(diào)度方機(jī)會(huì)較多，則無(wú)條件剝奪其再次被調(diào)度上的機(jī)會(huì)；若以往給予被調(diào)度方機(jī)會(huì)較少，則無(wú)條件給予其再次被調(diào)度上的機(jī)會(huì)。
10.如權(quán)利要求9中的調(diào)度方為保證各被調(diào)度方之間的公平所采用的強(qiáng)制給予或剝奪其再次被調(diào)度上的機(jī)會(huì)，其持續(xù)時(shí)間為直至被調(diào)度方達(dá)到了給定的范圍要求。
11.如權(quán)利要求6中所述的公平性，其特征在于所有要利用資源的互相競(jìng)爭(zhēng)的被調(diào)度方都有機(jī)會(huì)利用資源，而不因?yàn)橐徊糠直徽{(diào)度方對(duì)資源利用效率較高或能產(chǎn)生更大的收益而讓它們獨(dú)占資源，也不因?yàn)橐徊糠直徽{(diào)度方對(duì)資源利用效率較低或不能產(chǎn)生較大的收益而不讓它們占有資源；或者說(shuō)，無(wú)論被調(diào)度方對(duì)資源利用效用的高低，調(diào)度方都應(yīng)該使被調(diào)度方滿足一定的服務(wù)質(zhì)量要求和接受滿足最低限額和最高限額的服務(wù)。
12.如權(quán)利要求1中所述的用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的方法，其特征在于其以下基本實(shí)現(xiàn)步驟被調(diào)度方根據(jù)自身所處的位置和無(wú)線傳播環(huán)境的變化，預(yù)測(cè)若取得系統(tǒng)資源將產(chǎn)生的效用，并結(jié)合以往被調(diào)度的機(jī)會(huì)，將調(diào)度方?jīng)Q策所依據(jù)的信息反饋給調(diào)度方；調(diào)度方接收和處理被調(diào)度方反饋給它的調(diào)度所依據(jù)的有關(guān)信息，按照一種能滿足各調(diào)度方之間競(jìng)爭(zhēng)的公平性的同時(shí)，使系統(tǒng)資源的利用率盡可能高的方式做出決策將其所掌握的資源分配給被調(diào)度方；調(diào)度方在處理各被調(diào)度方的反饋時(shí)，是從系統(tǒng)、全局的角度出發(fā)，兼顧公平和系統(tǒng)資源利用的高效、合理，對(duì)所有被調(diào)度方的反饋信息遍歷一遍，如果沒有超出范圍的被調(diào)度方存在，則對(duì)被調(diào)度方占有系統(tǒng)資源的方式不加任何限制，其決策的唯一依據(jù)就是被調(diào)度方占有相同資源情況下的效用；如果有超出范圍的被調(diào)度方存在，則對(duì)于超出上限，即以往給予機(jī)會(huì)較多的被調(diào)度方，無(wú)條件剝奪其再次被調(diào)度上的機(jī)會(huì)；對(duì)于超出下限，即以往給予機(jī)會(huì)較少的被調(diào)度方，無(wú)條件給予其再次被調(diào)度上的機(jī)會(huì)；調(diào)度方分配給各被調(diào)度方機(jī)會(huì)的改變，會(huì)再次由被調(diào)度方做為調(diào)度方?jīng)Q策所依據(jù)的信息反饋給調(diào)度方。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于移動(dòng)環(huán)境下的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源調(diào)度和分配的新算法。在利用最大C/I算法的多用戶分集增益的同時(shí),克服了其不滿足公平性的缺陷。這種新算法可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)改變吞吐量和公平性曲線的關(guān)系。而且,從吞吐量和公平性兩者折中的角度出發(fā),它可以比較容易地找出一種近似最優(yōu)解。此外,本算法除了提高系統(tǒng)的吞吐量之外,也在一定意義上改善了公平性,無(wú)論用戶的信道質(zhì)量如何,都會(huì)得到一個(gè)最低限額的吞吐量,滿足其QoS的要求。
文檔編號(hào)H04L12/56GK1347253SQ0114010
公開日2002年5月1日 申請(qǐng)日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月23日
發(fā)明者王亞峰, 楊大成 申請(qǐng)人:楊大成