基于比例公平原则的基站多播业务调度系统及其方法

摘要

一种无线通信技术领域的基于比例公平原则的基站多播业务调度系统及其方法，包括：用户信息模块、多播组管理模块、多播组计算模块、多播组调度模块和吞吐量更新模块。本发明基于比例公平原则选择比多播组中用户要求的最低速率略高一些的速率作为传输速率，在考虑比例公平原则基础上，在保证信道条件差的用户接收到基本的服务水平的情况下，使信道条件较好的用户接收到质量更高的数据服务。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的装置及其方法，具体是一种基于比例公平原则的基站多播业务调度系统及其方法。

背景技术

随着移动用户对多媒体业务，比如视频剪辑、新闻资讯、天气预报等应用需求的增长，无线通信系统正逐渐向提供高速分组数据业务的方向发展。多媒体广播多播业务(MBMS)的出现，使得向大量用户提供多媒体业务成为现实。MBMS可以同时向大量用户传送相同的业务，其最大优点在于取代了原有多路单播及点对点(PTP)的连接模式而采用多播的传输模式。多播模式因其可将相同的数据内容发送给小区中的多个用户，避免了重复传输大量相同数据而造成的空中接口拥塞，极大地提高整个网络的资源利用率。因此，多播传输方式正日益成为多点无线通信中采用的传输方式。3GPP组织提出了支持多播方式的多媒体业务MBMS(多媒体广播多播业务)，3GPP2组织也提出了对应的广播多播业务BCMCS。

多播传输方式中，基站发射机将相同的数据发送给小区中属于同一多播组的多个用户。在多播方式的每个传输时隙，基站发射机只能以同一个速率向小区中的一个多播组发送数据。在多播业务传输过程中，小区中存在多个多播组并且每个多播组中包含不同数目的用户。一般而言，属于同一多播组的不同用户随机分布在小区中不同位置，因此同一多播组中的不同用户经历不同的信道条件，从而支持的最大传输速率不同。当多播系统采用自适应调制和编码(Adaptive Modulate and Coding，AMC)，用户设备能支持不同的传输数据速率。AMC技术主要通过用户设备反馈测量的信道质量指示(Channel Quality Indicator，CQI)信息选择合适的传输速率。基站接收用户设备反馈的CQI等信息，然后通过UE反馈的CQI和各用户的数据传送需求，得到用户能够支持的最大传输速率为多播组k用户i能够支持的传输速率。

如果基站的数据传输速率高于用户设备当前时刻能够支持的最大传输速率则用户设备将无法接收到任何传输数据。由于同一多播组中的所有用户受限于基站选择的同一速率，因此基站对速率的选择与基站对多播组选择同等重要。如果基站选择较高的传输速率，则多播组中许多用户将无法接收到传输数据；如果基站选择较低的传输速率，则不能充分利用支持高传输速率的用户的信道条件。因此，对于多播传输方式而言，基站调度必须在系统的吞吐量和用户的公平性两个方面取得折中，因此基站多播调度的核心在于选择合适的多播组以及选择合适的传输速率。传统的多播调度方法将传输速率固定在系统的默认速率值并且在所有多播组中进行轮询调度。系统的默认传输速率一般设置为最低的传输速率，即处于小区最边缘的用户能够处理的传输速率。现行的CDMA2000 1xEV-DO系统就是采用这种方式。这种策略在一定程度上保证了不同用户的公平性，但是这种策略无法充分利用不同用户的信道条件，尤其是那些靠近基站的信道条件较好的用户。

经过对现有技术的检索发现，

专利名称为“Apparatus and method for proportional fair scheduling for multicast service in a communication system”的美国申请专利(Pub.No.：US 2007/0115813 A1 Pub.Date：May 24，2007)提出了以最大化多播比例公平准则为目标，根据通信系统提供的信道状态信息，用户设备平均数据速率以及系统的自适应调制编码方法来选择多播业务速率的多播调度方法。

但是该技术采用的多播业务速率，同样也是多播组的最低的数据速率，该技术虽然在一定程度上提高了多播组的吞吐量，但是该技术无法充分利用不同用户的信道条件，尤其牺牲了那些靠近基站的信道条件较好的用户。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于比例公平原则的基站多播业务调度系统及其方法，基于比例公平原则选择比多播组中用户要求的最低速率略高一些的速率作为传输速率，对于多媒体应用来说，本发明在考虑比例公平原则基础上，在保证信道条件差的用户接收到基本的服务水平的情况下，使信道条件较好的用户接收到质量更高的数据服务。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于比例公平原则的基站多播业务调度系统，包括：用户信息模块、多播组管理模块、多播组计算模块、多播组调度模块和吞吐量更新模块，其中：用户信息模块与多播组管理模块相连接并传输多播用户分组信息以及每个用户当前时刻数据速率信息，多播组管理模块与多播组计算模块相连接并传输多播用户分组信息以及每个用户当前时刻速率信息，多播组计算模块与多播组调度模块相连接并传输每个多播组的最优传输速率信息以及每个多播组的效用函数信息，多播组调度模块与多播组管理模块相连接并传输多播组选择和最优传输速率信息，吞吐量更新模块与多播组计算模块相连并传输更新后各个多播组当前的吞吐量信息。

所述的用户信息模块包括基站多播系统的一部分，用于接收用户设备发送的反馈信息，并且得到用户能够支持的最大传输速率；基站多播系统采用自适应调制编码技术(AMC)，用户设备能支持不同的传输数据速率。自适应调制编码技术主要通过用户设备反馈测量的信道质量指示(CQI)信息选择合适的传输速率。基站接收用户设备反馈的信道质量指示等信息，然后通过用户设备反馈的信道质量指示和各用户的数据传送需求，得到用户能够支持的最大传输速率；

所述的多播组管理模块包括存储器单元(比如RAM存储器)以进行多播业务多播组的信息管理，即将各个多播组的分组信息及用户的速率信息输入到多播组计算模块；

所述的多播组计算模块包括处理器单元(比如一个中央处理器CPU)以计算每个多播组在当前时刻不同传输速率下的效应函数；

所述的多播组调度模块包括调度器单元并根据多播组计算模块提供的各个多播组的最优传输速率及效用函数最大的多播组，决定该时刻传输的多播组及该多播组的最优传输速率。

所述的吞吐量更新模块包括存储器单元(比如RAM存储器)以更新每一时刻每个用户的吞吐量，并在更新后将每个用户的吞吐量信息反馈给多播组计算模块。

本发明涉及上述系统的调度方法，包括以下步骤：

第一步：接收用户终端反馈数据速率信息，基站决定每个用户当前时刻能够支持的最大可行传输速率；

第二步：计算每个多播组在当前时隙不同速率下的效用函数；

所述的效用函数为：

$U_k(r,t)=\underset{i=1}{\overset{S_k}{\Sigma }}\frac{r}{T_k^i\left(t\right)}{1}_{\{R_k^i\ge r\}}$

其中：传输速率为r，多播组组号为k，t为时刻，表示第k组第i个用户在t时刻的平均吞吐量，S_k为第k组的用户数目，r为当前的传输速率，为多播组k用户i在t时刻能够支持的最大传输速率。

第三步：选择使每个多播组效用函数最大的传输速率作为该多播组的最优传输速率，具体为：计算出各个多播组在最优传输速率的情况下效用函数，具体由下列等式：

$U_k(r,t)=\underset{i=1}{\overset{S_k}{\Sigma }}\frac{R_k^{*}}{T_k^i\left(t\right)}{1}_{\{R_k^i\ge r\}},$

其中：传输速率为r，多播组组号为k，t为时刻，表示第k组第i个用户在t时刻的平均吞吐量，S_k为第k组的用户数目，r为当前的传输速率。

第四步：选择所有多播组中效用函数最大的一组多播组在最优传输速率下进行传输；

第五步：更新多播组中每个用户在当前时刻的吞吐量，具体为：第k组第i个用户在t+1时刻的平均吞吐量由下式进行更新

$T_k^i(t+1)=(1-\frac{1}{t_c})T_k^i\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{R}_k^{*}\left(t\right)I_k^S\left(t\right)1_{\{R_k^i\left(t\right)\ge r\}},$

其中：当第k组被选择进行传输时，否则表示第k组第i个用户在t+1时刻的平均吞吐量，t_c表示时延时间尺度为时隙数，表示第k组第i个用户在t时刻的平均吞吐量，为多播组k在t时刻最优传输速率，r为当前的传输速率，为多播组k用户i在t时刻能够支持的最大传输速率。

本发明多播系统的基站分布在小区中央，基站多播系统采用时分复用的工作方式，在每一个时隙只有一组用户接收数据。基站多播系统采用自适应调制编码技术(AMC)，用户设备能够支持不同的传输数据速率。自适应调制编码技术主要通过用户设备反馈测量的信道质量指示(CQI)信息选择合适的传输速率。基站接收用户设备反馈的信道质量指示等信息，根据用户设备反馈信息进行信道预测，然后根据信道预测结果在每个调度周期更新调制编码方式，决定用户当前时隙能够支持的最大传输速率不同多播组中的所有用户必须监测自己的信道情况，并在每个时隙将信道质量指示等信息反馈给基站，基站通过用户设备反馈的信道质量指示信息，得到用户能够支持的最大传输速率基站根据所有用户提供的最大速率信息计算每个多播组在不同传输速率下的效应函数。根据效应函数来确定每个时隙选择传输的多播组以及该多播组用于传输的速率。基站多播系统可以在一个时隙或多个时隙进行调度。

本发明利用基站多播系统采用自适应调制和编码(AMC)，用户设备能支持不同的传输数据速率。自适应调制编码技术主要通过用户设备反馈测量的信道质量指示(CQI)信息选择合适的传输速率。基站接收用户设备反馈的信道质量指示等信息，然后通过用户设备反馈的信道质量指示和各用户的数据传送需求，得到用户能够支持的最大传输速率基站调度器根据所有用户提供的最大速率信息计算每个多播组在不同传输速率下的效应函数。根据效应函数来确定每个时隙选择传输的多播组以及该多播组用于传输的速率。本发明的多播调度器基于比例公平原则，在考虑了各个多播组公平性情况下，提高了多播业务的吞吐量。

采用上述的技术解决方案，基站接收用户设备反馈的信道质量指示等信息，然后通过用户终端反馈的信道质量指示和各用户的数据传送需求，得到用户能够支持的最大传输速率，多播调度器通过本发明提出的计算每个多播组在不同传输速率下的效应函数的方法，确定每个时隙选择传输的多播组以及该多播组用于传输的速率，在保证各个多播组公平性的基础上，提高多播业务的吞吐量。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明调度方法流程图。

图3为实施例效果示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：包括：用户信息模块、多播组管理模块、多播组计算模块、多播组调度模块和吞吐量更新模块，其中：用户信息模块与多播组管理模块相连接并传输多播用户分组信息以及每个用户当前时刻数据速率信息，多播组管理模块与多播组计算模块相连接并传输多播用户分组信息以及每个用户当前时刻速率信息，多播组计算模块与多播组调度模块相连接并传输每个多播组的最优传输速率信息以及每个多播组的效用函数信息，多播组调度模块与多播组管理模块相连接并传输多播组选择和最优传输速率信息，吞吐量更新模块与多播组计算模块相连并传输更新后各个多播组当前的吞吐量信息。

所述的用户信息模块包括基站多播系统的一部分，用于接收用户设备发送的反馈信息，并且得到用户能够支持的最大传输速率；基站多播系统采用自适应调制编码技术(AMC)，用户设备能支持不同的传输数据速率。自适应调制编码技术主要通过用户设备反馈测量的信道质量指示(CQI)信息选择合适的传输速率。基站接收用户设备反馈的信道质量指示等信息，然后通过用户设备反馈的信道质量指示和各用户的数据传送需求，得到用户能够支持的最大传输速率；

所述的多播组管理模块包括存储器单元(比如RAM存储器)以进行多播业务多播组的信息管理，即将各个多播组的分组信息及用户的速率信息输入到多播组计算模块；

所述的多播组计算模块包括处理器单元(比如一个中央处理器CPU)以计算每个多播组在当前时刻不同传输速率下的效应函数；

所述的多播组调度模块包括调度器单元并根据多播组计算模块提供的各个多播组的最优传输速率及效用函数最大的多播组，决定该时刻传输的多播组及该多播组的最优传输速率。

所述的吞吐量更新模块包括存储器单元(比如RAM存储器)以更新每一时刻每个用户的吞吐量，并在更新后将每个用户的吞吐量信息反馈给多播组计算模块。

如图2所示，本装置通过以下步骤实现调度：

第一步：用户终端进入蜂窝小区后，基站多播系统根据不同用户的多播业务需求的不同形成不同的多播组，各个多播组根据用户对不同业务的需求量的要求具有相同或者不同的用户数目。由于处于小区不同位置的用户根据需求的多播业务而形成多播组，因此属于同一多播组的不同用户通常具有不同的信道条件，因此能够支持的最大速率不同。

第二步：不同多播组中的所有用户必须监测自己的信道情况，并在每个时隙将信道质量指示等信息反馈给基站，基站通过用户终端反馈的信道质量指示信息，得到用户当前时刻能够支持的最大传输速率设定用户终端能够从基站接收数据的速率有N种；

第三步：本实施例的多播调度器根据下列等式来计算当多播组的传输速率为r时，各个多播组的效用函数：

$U_k(r,t)=\underset{i=1}{\overset{S_k}{\Sigma }}\frac{r}{T_k^i\left(t\right)}{1}_{\{R_k^i\ge r\}}$

其中，U_k(r，t)为传输速率为r时，多播组k在t时刻的效用函数，表示第k组第i个用户在t时刻的平均吞吐量，S_k为第k组的用户数目，r为当前的传输速率，为多播组k用户i在t时刻能够支持的最大传输速率。

第四步：本实施例的多播调度器根据效用函数分别计算N种不同传输速率r下各个多播组的效用函数。对于每一个多播组而言，使该多播组效用函数最大的传输速率即为该多播组的最优传输速率，用表示。

第五步：本实施例多播调度器计算出各个多播组在最优传输速率的情况下效用函数，由下列等式可得：

$U_k(r,t)=\underset{i=1}{\overset{S_k}{\Sigma }}\frac{R_k^{*}}{T_k^i\left(t\right)}{1}_{\{R_k^i\ge r\}}$

第六步：多播调度器选择当前时隙，在最优传输速率的情况下，所有多播组中效用函数最大的多播组进行传输，传输速率即为最优传输速率

第七步：第k组第i个用户在t+1时刻的平均吞吐量由下式进行更新：

$T_k^i(t+1)=(1-\frac{1}{t_c})T_k^i\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{R}_k^{*}\left(t\right)I_k^S\left(t\right)1_{\{R_k^i\left(t\right)\ge r\}}$

当第k组被多播调度器选择进行传输时，否则

其中：表示第k组第i个用户在t+1时刻的平均吞吐量，t_c表示时延时间尺度为时隙数，表示第k组第i个用户在t时刻的平均吞吐量，为多播组k在在t时刻最优传输速率，r为当前的传输速率，为多播组k用户i在t时刻能够支持的最大传输速率。

第八步：在每一个时隙重复上述步骤来选择多播组和相应的传输速率。

如图3所示，该图是本实施例基于比例公平原则的基站多播业务调度方法与现行的CDMA2000 1xEV-DO系统采用的固定速率轮询调度的多播调度方法的性能比较。我们的基于比例公平原则的基站多播业务调度方法采用的可行用户速率为CDMA2000 1xEV-DO标准提供的数据速率{0，38.4，76.8，153.6，204.8，307.2，409.6，614.4，921.6，1228.8，1843.2，2457.6}(单位kbps)。我们将多播用户数目固定为100，将用户分成10组，每组10个用户，然后比较每个多播组吞吐量在本实施例的比例公平原则的多播业务调度方法和固定速率轮询调度的多播调度方法的性能，其中固定速率采用的为现行CDMA2000 1xEV-DO系统采用的204.8kbps的用户速率。从图中可以看出，左边为本实施例基于比例公平原则的多播业务调度方法，右边为固定速率轮询调度多播方法，本实施例的多播调度方法能够在不损害任何一个多播组的性能的情况下，使得每个多播组获得比固定速率轮询调度方法更高的吞吐量，从而既保证了各个多播组的公平性，又大大提高了整个多播系统的吞吐量。

本实施例的各个多播组的效用函数基于比例公平原则，对于每一个多播组而言，使该多播组效用函数最大的传输速率即为该多播组的最优传输速率。最优传输速率最大化多播组中所有用户的累积的当前信道数据速率和平均吞吐量的比值。如果用户的值较小，也就意味着用户当前吞吐量较小，那么的值将会较大，从而意味着该用户能够对所属多播组的最优传输速率选择产生更大的影响。这种速率选择策略能够在一定程度上保证系统中各个用户的公平性。同时，对于每一个多播组而言，使该多播组效用函数最大的传输速率即为该多播组的最优传输速率，因此本实施例的多播调度方法能够在不损害任何一个多播组的性能的情况下，使得每个多播组获得比固定速率轮询调度方法更高的吞吐量，从而既保证了各个多播组的公平性，又大大提高了整个多播系统的吞吐量。