專利名稱：一種多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，特別是涉及一種多基站多用戶的 全局比例公平性調(diào)度方法。
背景技術：
目前，國際上針對B3G和4G的技術研究已經(jīng)取得了很大進展， 協(xié)作通信技術作為下一代移動通信系統(tǒng)中的 一個技術亮點，已經(jīng)開始 從理論走向應用。而我國在協(xié)作通信上進行了大量的預研和投入。但 是，目前還沒有出現(xiàn)將協(xié)作通信思想應用于實際通信系統(tǒng)的嘗試。
一種多個基站多個用戶同時進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡結構如圖1所示?；?站和用戶間信息傳輸釆用時分復用的方式，這樣可以保證一個基站可 以給多個用戶終端提供服務。由于無線信道的衰落特性，在移動網(wǎng)絡 中每個基站都存在一定的概率與其鄰近的用戶進行信息傳輸。為了充 分利用無線衰落信道的特性，常用的貪婪調(diào)度策略允許每個基站在每 個時隙選擇信道狀況最好的用戶進行傳輸，但是貪婪調(diào)度算法將導致 距離基站近的用戶在絕大部分時間里占用基站信道資源，從而使得遠 離基站的用戶無法得到足夠的服務時隙，導致用戶間在信息資源利用 方面的公平性降低。另 一種常用的保證用戶間時隙分配公平性的算法 是輪詢傳輸算法，即基站順次服務每個用戶，不管該用戶當前的信道 狀況如何。這種算法可能導致信息資源的浪費。例如，如果當前選擇 傳輸?shù)挠脩籼幱诤懿畹男诺罈l件下，此時所有的傳輸都可能失敗，這 樣將會導致時隙資源浪費。相對而言，比例公平性算法綜合考慮了多 用戶分集和用戶間公平性，用當前可達速率與時間窗內(nèi)平均吞吐量的 比值作為選擇標準，對單個基站的情況可以較好地解決上述問題。對 于多基站的無線網(wǎng)絡，這種比例公平性算法是難以適應，其性能較差。目前的HSDPA ( High Speed Downlink Packet Access,高速下行 分組接入)系統(tǒng)中在下行鏈路的多用戶傳輸任務調(diào)度中釆用美國高通 公司提出的比例公平調(diào)度算法。這種算法可以 一 方面利用無線衰落信
道的多用戶分集特性，提高系統(tǒng)的吞吐量；另一方面又可以保證信道 狀況差的用戶得到相對高的吞吐量，提高系統(tǒng)給不同用戶服務的公平 性。其具體步驟描述如下
第一步在第一個時隙，初始化所有平均吞吐量。在時隙1=1時，
對所有的基站n和用戶m，令^ (0 = 1，其中，n=l, 2,…，N, m =1， 2，…，M。
第二步對每個基站n，根據(jù)如下準則選擇該基站在第t個時隙 傳輸?shù)挠脩?br> 第三步對所有的基站n,設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù) 的值，如下
第四步每個基站更新各自的平均吞吐量-.
及罕")=^ ^ (卜"4 (0
其中，n= 1， 2,…，N, m= 1， 2,…，M。
但是這個傳統(tǒng)的比例公平調(diào)度算法是基于單個基站的，未來通信 系統(tǒng)中多個基站間可以交互信息，利用虛擬天線陣列技術，多個基站 可以同時給多個用戶提供服務，所以亟需一種新的調(diào)度算法完成多基 站多用戶環(huán)境下的調(diào)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供 一種多基站多用戶的全局比例公平 性調(diào)度方法，以實現(xiàn)多個基站協(xié)作，為用戶提供在吞吐量和公平性上
o,當附^附:(0的服務保障。
為達到上述目的，本發(fā)明提供 一種多基站多用戶的全局比例公平 性調(diào)度方法，所述方法包括以下步驟在第一個時隙，初始化所有平
均吞吐量；對所有的基站，選擇每個基站在第t個時隙傳輸?shù)挠脩簦?對所有的基站，設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù)的值；每個基站 更新各自的平均吞吐量；所有基站互相廣播各自的平均吞吐量；每個 基站獲取每個用戶從所有基站獲得的總平均吞吐量。
其中，在所述初始化所有平均吞吐量的步驟中，具體包括在時 隙t=l時，對所有的基站n和用戶m,令1 (0 = 1，其中，n = 1， 2，…， N， m=l， 2，…，M, N為網(wǎng)絡中可以進行協(xié)作通信的基站的數(shù)目， M為網(wǎng)絡中可以與各個基站通信的用戶終端的數(shù)目，^"0為截止到 第t個時隙調(diào)度結東，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量。
其中，在所述選擇每個基站在第t個時隙傳輸?shù)挠脩舻牟襟E中， 具體包括根據(jù)公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
選擇基站n在第t個時隙傳輸?shù)挠脩?，其中，為在第t個時隙里, 基站n給用戶m可以提供的可達速率，U卜l)為截止到第t-l個時 隙調(diào)度結東，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量，之(卜l)為截 止到第t-l個時隙調(diào)度結東，用戶m從所有基站得到的總的平均吞吐 量。
其中，在所述設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù)的值的步驟中， 具體包括根據(jù)公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù)的值，其中，/ "0為基站和用戶 間選擇關系的示性函數(shù)，；^)"表示在第t個時隙，基站n選擇用 戶m進行傳輸；4^^0表示在第t個時隙用戶m沒有被基站n選擇進行傳輸。
其中，在所述每個基站更新各自的平均吞吐量的步驟中，具體包
括對所有的基站n和用戶m，根據(jù)公式
<formula>formula see original document page 8</formula>
每個基站更新各自的平均吞吐量，其中，n= 1, 2，…，N， m= 1， 2，…， M, N為網(wǎng)絡中可以進行協(xié)作通信的基站的數(shù)目，M為網(wǎng)絡中可以與 各個基站通信的用戶終端的數(shù)目，U0為截止到第t個時隙調(diào)度結 束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量，U卜l)為截止到第t-l 個時隙調(diào)度結束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量，、J0為 在第t個時隙里，基站n給用戶m可以提供的可達速率，々j)為基 站和用戶間選擇關系的示性函數(shù)。
其中，在所述所有基站互相廣播各自的，均吞吐量的i^驟中，具 體包括各個基站每隔T個時隙進行一次LW的廣播，U,)為截 止到第t個時隙調(diào)度結束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量。
其中，在所述所有基站互相廣播各自的平均吞吐量的步驟中，具 體包括各個基站在每個時隙以一定的概率p (0<p<l)廣播各自的 U ^，(0為截止到第t個時隙調(diào)度結束，用戶m從基站n得到 的本地平均吞吐量。
其中，在所述每個基站獲取每個用戶從所有基站獲得的總平均吞 吐量的步驟中，具體包括根據(jù)公式
獲取所述總平均吞吐量，其中，lw為截止到第t個時隙調(diào)度結
東，用戶m從所有基站得至l的總的平均吞吐量，N為網(wǎng)絡中可以進 行協(xié)作通信的基站的數(shù)目，^"，"^)為截止到第t個時隙調(diào)度結束，用 戶m從基站n得到的本地平均吞吐量
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案具有如下優(yōu)點1. 每個用戶總的平均吞吐量得到提高。
2. 每個用戶總的平均吞吐量的穩(wěn)定性得到提升。
3. 用戶間總的平均吞吐量的公平性很高。
4. 本發(fā)明可以完全異步執(zhí)行，在異步執(zhí)行的時候仍能保證很好的 收斂性，并且最終收斂到與標準的全局比例公平調(diào)度算法相同的平均 吞吐量。


圖l是現(xiàn)有技術的 一種多個基站多個用戶同時進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡結
構圖2是本發(fā)明的一種多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法的 流程圖3是本發(fā)明標準全局比例公平調(diào)度算法和算法推廣一的比較
圖4是本發(fā)明標準全局比例公平調(diào)度算法和算法推廣二的比較
圖5是本發(fā)明全局比例公平調(diào)度算法與現(xiàn)有技術的比例公平調(diào)度 算法的吞吐量的比較圖6是本發(fā)明全局比例公平調(diào)度算法與現(xiàn)有技術的比例公平調(diào)度 算法的吞吐量抖動的比較圖7是本發(fā)明全局比例公平調(diào)度算法的吞吐量公平性示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細
描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 釆用圖l所示的多個基站多個用戶同時進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡結構時，
本發(fā)明的 一 種多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法的流程如圖2
所示，包括以下步驟
步驟s201,在第一個時隙，初始化所有平均吞吐量。在時隙1=1時，對所有的基站n和用戶m,令UO-l，其中，n=l， 2，…， N， m=l， 2,…，M， N為網(wǎng)絡中可以進行協(xié)作通信的基站的數(shù)目， M為網(wǎng)絡中可以與各個基站通信的用戶終端的數(shù)目，為截止到 第t個時隙調(diào)度結東，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量。
步驟s202,對所有的基站，選擇每個基站在第t個時隙傳輸?shù)挠?戶。根據(jù)公式
wn") 二 arg max "^1^~~^——-
選擇基站n在第t個時隙傳輸?shù)挠脩簦渲?，^(0為在第t個時 隙里，基站n給用戶m可以提供的可達速率，瓦j-l)為截止到第t-l 個時隙調(diào)度結東，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量，l(卜l)為 截止到第t-l個時隙調(diào)度結東，用戶m從所有基站得到的總的平均吞
步驟s203，對所有的基站，設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù) 的值。根據(jù)公式
/』41，，，) ' 〔0,
設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù)的值，其中，/,,,)為基站和 用戶間選擇關系的示性函數(shù)，；m(0^表示在第t個時隙，基站n選 擇用戶m進行傳輸；；j)-0表示在第t個時隙用戶m沒有被基站n
選擇進行傳輸。
步驟s204，每個基站更新各自的平均吞吐量。對所有的基站n 和用戶m,根據(jù)公式
W = $ G — 1) + } ;w(0 。
每個基站更新各自的平均吞吐量，其中，n=l， 2，…，N， m = 1， 2,…，M， N為網(wǎng)絡中可以進行協(xié)作通信的基站的數(shù)目，M為網(wǎng) 絡中可以與各個基站通信的用戶終端的數(shù)目，UO為截止到第t個 時隙調(diào)度結束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量，U"l)為截止到第t-l個時隙調(diào)度結東，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐 量，r，(0為在第t個時隙里，基站n給用戶m可以提供的可達速率， ;m W為基站和用戶間選擇關系的示性函數(shù)。
步驟s205，所有基站互相廣播各自的平均吞吐量，每個基站獲取 每個用戶從所有基站獲得的總平均吞吐量。根據(jù)公式
疋(o二i《附w
獲取所述總平均吞吐量，其中，lw為截止到第t個時隙調(diào)度結
東，用戶m從所有基站得到的總的平均吞吐量，N為網(wǎng)絡中可以進 行協(xié)作通信的基站的數(shù)目，瓦,j)為截止到第t個時隙調(diào)度結東，用 戶m從基站n得到的本地平均吞吐量。
以上過程即為全局比例公平調(diào)度方法的描述，在步驟s205中， 在每個時隙中，當各個基站的調(diào)度和用戶吞吐量更新結東以后，要求 所有的基站間互相廣播各自的平均吞吐量信息給其它基站，這一步驟 將帶來如下問題
(1) 不同的基站間需要精確同步，從而保證每個時隙的對齊；
(2) 每個時隙的調(diào)度結東后，各個基站都要向其它基站廣播， 帶來額外的通信和計算開銷；
于是，我們將該算法進行推廣。
推廣 一 每隔T個時隙廣播本地平均吞吐量》 , m (0的全局比例公 平調(diào)度算法。
首先，我們放寬不同基站在每個時隙都要進行^W廣播的要求， 而是允許各個基站每隔T個時隙進行一次^"0的廣播。仿真證實 該推廣算法可以很好地收斂于標準的全局比例公平調(diào)度算法提供的 結果。仿真結果見圖3所示，該圖3中，所有基站進行本地平均吞吐 量廣播的周期設置為T=100和T=1000。
推廣二完全異步的全局比例公平調(diào)度算法。
該推廣允許每個基站在每個時隙以一定的概率P向其它基站廣播自己的本地吞吐量^,JO。仿真證實該推廣算法可以很好的收斂 于標準的全局比例公平調(diào)度算法提供的結果。具體結果見圖4所示。
在圖4中，每個基站在每個時隙廣播自己本地平均吞吐量的概率設置 為p=0.01和p=0.001。
本發(fā)明可以嵌入到現(xiàn)有的GSM和TD-SCDMA網(wǎng)絡中，也可以
作為下一代通信系統(tǒng)中基站的關鍵技術使用，具有廣的適用范圍。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術中的比例公平調(diào)度算法相比，具有如下優(yōu)點
(1) 每個用戶總的平均吞吐量得到提高。
圖5顯示了相應的結果。對每個用戶而言，釆用全局比例公平 調(diào)度算法得到的總的吞吐量均高于釆用本地比例公平得到的總的吞 吐量。
(2) 每個用戶總的平均吞吐量的穩(wěn)定性得到提升。 總的平均吞吐量的穩(wěn)定性利用其為圍繞平均值的抖動量加以度
量。總的平均吞吐量的抖動量夂(O的定義如下
乙 <formula>formula see original document page 12</formula>
圖6的結果表明對每個用戶而言，釆用全局比例公平調(diào)度算 法得到的總的吞吐量抖動量均低于釆用本地比例公平得到的結果，這 意味著每個用戶能得到更穩(wěn)定服務速率，保證系統(tǒng)的服務質(zhì)量。 (3)用戶間總的平均吞吐量的公平性很高。
本發(fā)明用Jain公平性系數(shù)來衡量每個用戶總的平均吞吐量的公 平性，該公平性系數(shù)定義如下，對一組數(shù)據(jù)x,，X2,…,&,其Jain公平 性系數(shù)為<formula>formula see original document page 12</formula>該系數(shù)越接近于l，表明這組數(shù)據(jù)間的公平性越高，反之，說明 這組數(shù)據(jù)的公平性越低。圖7結果顯示，本發(fā)明導致的用戶間吞吐量 的公平性系數(shù)十分接近于1,說明本發(fā)明能很好的保證不同用戶得到 相對公平的吞吐量分配。
(4)本發(fā)明可以完全異步執(zhí)行，在異步執(zhí)行的時候仍能保證很 好的收斂性，并且最終收斂到與標準的全局比例公平調(diào)度算法相同的 平均吞吐量。
本發(fā)明主要應用于下一代移動通信系統(tǒng)中的基站端，既可以以硬 件的形式將該算法固化在外圍芯片或者嵌入式系統(tǒng)中，利用總線結構 配置在現(xiàn)有的基站服務器上，使不同基站間可以交互提供給各個用戶 的本地平均吞吐量信息，完成從當前移動通信系統(tǒng)向下一代移動通信
系統(tǒng)的演化。另一方面，本發(fā)明又可以以軟件的形式實現(xiàn)，將該軟件 在下一代基站服務器上安裝，利用下一代基站自身的通信功能，執(zhí)行 全局比例公平調(diào)度算法。
本發(fā)明只要求在基站端進行硬件配置或者軟件安裝，對用戶終端 沒有任何實施方式的要求，可以與第二代移動終端配合使用，也可以 支持第三代或者未來的移動通信終端，提高用戶終端的吞吐量并提供 一定的服務公平性的保障。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領 域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1、一種多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟在第一個時隙，初始化所有平均吞吐量；對所有的基站，選擇每個基站在同一時隙t傳輸?shù)挠脩?；對所有的基站，設置所述時隙t的用戶選擇示性函數(shù)的值；每個基站更新各自的平均吞吐量；所有基站互相廣播各自的平均吞吐量；每個基站獲取每個用戶從所有基站獲得的總平均吞吐量。
2、 如權利要求l所述多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法， 其特征在于，在所述初始化所有平均吞吐量的步驟中，具體包括在時隙1=1時，對所有的基站n和用戶m，令&, (0 = 1，其中， n=l， 2,…，N， m=l， 2，…，M, N為網(wǎng)絡中可以進行協(xié)作通信 的基站的數(shù)目，M為網(wǎng)絡中可以與各個基站通信的用戶終端的數(shù)目， U,)為截止到第t個時隙調(diào)度結東，用戶m從基站n得到的本地平 均吞吐量。
3、 如權利要求2所述多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法， 其特征在于,在所述選擇每個基站在第t個時隙傳輸?shù)挠脩舻牟襟E中， 具體包括根據(jù)公式<formula>formula see original document page 2</formula>選擇基站n在第t個時隙傳輸?shù)挠脩?，其中，^(/)為在第t個時隙里， 基站n給用戶m可以提供的可達速率，^--l)為截止到第t-l個時 隙調(diào)度結束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量，之(卜l)為截 止到第t-l個時隙調(diào)度結東，用戶m從所有基站得到的總的平均吞吐 量。
4、如權利要求3所述多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法， 其特征在于，在所述設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù)的值的步驟 中，具體包括根據(jù)公式設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù)的值，其中，； (0為基站和用戶 間選擇關系的示性函數(shù)，；(,)"表示在第t個時隙，基站n選擇用 戶m進行傳輸；；J卜O表示在第t個時隙用戶.m沒有被基站n選擇 進行傳輸。
5、 如權利要求4所述多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法， 其特征在于，在所述每個基站更新各自的平均吞吐量的步驟中，具體 包括對所有的基站n和用戶m,根據(jù)公式<formula>formula see original document page 3</formula>每個基站更新各自的平均吞吐量，其中，n= 1， 2，…，N, m= 1, 2，…， M, N為網(wǎng)絡中可以進行協(xié)作通信的基站的數(shù)目，M為網(wǎng)絡中可以與 各個基站通信的用戶終端的數(shù)目，U0為截止到第t個時隙調(diào)度結 束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量,U卜l)為截止到第t-l 個時隙調(diào)度結束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量，、J0為 在第t個時隙里，基站n給用戶m可以提供的可達速率，/，W為基 站和用戶間選擇關系的示性函數(shù)。
6、 如權利要求5所述多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法， 其特征在于，在所述所有基站互相廣播各自的平均吞吐量的步驟中， 具體包括各個基站每隔T個時隙進行一次^"0的廣播，瓦"O為截止到 第t個時隙調(diào)度結束，用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量。
7、 如權利要求5所述多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法， 其特征在于，在所述所有基站互相廣播各自的平均吞吐量的步驟中， 具體包括各個基站在每個時隙以一定的概率P廣播各自的Uo ， ^"0為 截止到第t個時隙調(diào)度結東,用戶m從基站n得到的本地平均吞吐量。
8、 如權利要求6或7所述多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度 方法，其特征在于，在所述每個基站獲取每個用戶從所有基站獲得的 總平均吞吐量的步驟中，具體包括根據(jù)公式獲取所述總平均吞吐量，其中，之(O為截止到第t個時隙調(diào)度結東， 用戶m從所有基站得到的總的平均吞吐量，N為網(wǎng)絡中可以進行協(xié) 作通信的基站的數(shù)目，^m(0為截止到第t個時隙調(diào)度結束，用戶m 從基站n得到的本地平均吞吐量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多基站多用戶的全局比例公平性調(diào)度方法，包括以下步驟在第一個時隙，初始化所有平均吞吐量；對所有的基站，選擇每個基站在第t個時隙傳輸?shù)挠脩簦粚λ械幕?，設置第t個時隙的用戶選擇示性函數(shù)的值；每個基站更新各自的平均吞吐量；所有基站互相廣播各自的平均吞吐量；每個基站獲取每個用戶從所有基站獲得的總平均吞吐量。采用本發(fā)明時，每個用戶總的平均吞吐量得到提高，每個用戶總的平均吞吐量的穩(wěn)定性得到提升，用戶間總的平均吞吐量的公平性很高，而且本發(fā)明可以完全異步執(zhí)行，在異步執(zhí)行的時候仍能保證很好的收斂性，并且最終收斂到與標準的全局比例公平調(diào)度算法相同的平均吞吐量。
文檔編號H04W72/00GK101436891SQ20081024095
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月24日 優(yōu)先權日2008年12月24日
發(fā)明者輝 周, 樊平毅 申請人:清華大學