一种OFDM中继系统中混合业务场景调度方法及调度系统

摘要

本发明公开了一种OFDM中继系统中混合业务场景下，基于用户质量体验的资源调度系统和方法。涉及OFDM中继系统。本发明根据实时业务（rtPS）对平均时延的要求和非实时业务（nrtPS）对平均速率的要求，为用户建立统一的用户满意度模型，以反映用户当前的满意程度。通过把子信道分配给在该子信道上满意度增长幅度最大的用户来提高系统整体用户满意度。采用本发明的方法，能够解决目前移动通信系统中只从系统角度考虑，忽略用户感受，造成资源浪费的问题，实现基于用户QoE的资源调度算法。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及OFDM中继系统资源调度，实现系统用户整体满意度最大化的技术方案。

背景技术

下一代无线通信系统中，是以实现高速的数据传输以及无缝全域覆盖为目标。在频谱资源稀缺且昂贵的情况下，只有通过频率复用提高频谱利用率，才能达到这个目标。正交频分多址技术（OFDMA）以其较好的抗多径效应的能力，成为人们关注的焦点。除能够较好降低多径效应引起的频率选择性衰落以外，OFDM网络中把频带分成多个子载波，各个子载波相互独立，使得无线资源分配方式更加灵活，提高了系统频谱利用率。在传统网络中为了实现无缝覆盖，必须增加基站（BS）数量，这会造成费用的增加。而中继（Relay）网络可以在降低网络成本的同时，扩大网络覆盖范围，且具有较好的灵活性。图1为OFDMA中继系统的拓扑结构示意图。在图1中：BS是小区基站，RS是中继，UE是用户，在BS和RS上分别为用户设立缓存区以存放用户数据。

无线资源调度算法在无线网络性能的提升中起着至关重要的作用，尤其是在OFDM中继系统中，多个子载波和两跳链路使得资源调度方式更加灵活。合理的资源调度算法能够很大程度上提升系统容量，保证用户公平性。

目前，针对OFDM中继系统的调度算法大都是基于信道状态信息、队列长度或用户QoS进行的。这些资源调度算法都是从系统角度出发，以最大化系统性能为目标，而没有考虑用户主观体验质量，不能根据用户需求紧急程度进行合理的无线资源分配。在这种情况下，引入了QoE（Quality of Experience）的概念。QoE可以理解为一种以用户体验或感知为标准的服务评价方法。它受服务、用户和环境的影响，通过近似量化的方法，直接反映了用户对所获资源或服务的满意程度。也就是说，用户的满意程度不仅在客观上受系统分配的资源多少影响，还受到人的主观意识的影响，比如，当用户获得足够多的资源，满意度较高时，继续为该用户分配资源，用户满意度的增幅会越来越小，如果按照传统的资源调度算法，就会造成资源分配的不公平。

目前QoE的理论还不成熟，不同的研究人员试图从不同的角度对QoE做出量化评价，因此出现了很多不同的量化方法和评估方法。同时不同用户对服务的要求不相同，比如实时业务对时延要求较高，对平均速率要求相对较低，而非实时业务或BE业务对时延要求较低而对平均速率要求较高。相同的资源分配给不同种类的用户，用户的满意的提升也不会相同。这也为在混合业务场景下对无线资源进行调度分配带来了很大的挑战。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，旨在OFDM中继系统中混合业务场景下，建立统一的用户满意度模型，并根据用户满意度对无线资源进行分配，从而提高系统整体效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在基站（BS）和中继（RS）中设立缓存区以存放用户数据，BS端设置信道状态信息收集模块和队列状态信息收集模块，收集两跳链路中各条链路的信道状态信息以及BS和RS端缓存区的队列状态信息，并估算用户满意程度。根据用户满意度对子信道进行分配。

用户通过中继和基站通信，中继设置缓存区以存放基站发送的数据，并在下一个子时隙对数据进行转发。基站收集链路间的信道状态信息和缓存区的队列状态信息，并估计用户满意度，再根据用户满意度进行资源分配。具体调度方法如下步骤：

信道状态信息提取单元和队列状态信息提取单元分别提取用户QoS要求的时延、速率和实时用户能够容忍的最大时延，计算用户当前时隙的平均时延和平均速率；

根据实时业务和非实时业务分别对时延和平均速率的不同要求，用户满意度估计单元对用户的平均时延或平均速率进行归一化处理，建立用户满意度方程：

$>{\mathrm{MOS}}_m\left(t\right)={\log }_2({\partial }_m·a·\frac{D_{\max }^m-\overline{D_m\left(t\right)}}{D_{\mathrm{req}}^m}+(1-{\partial }_m)·a·\frac{\overline{R_m\left(t\right)}}{R_{\mathrm{req}}^m})$>；

以最大化用户满意度为优化目标，且以用户缓存区队列长度下限和用户满意度上限为限制条件，建立目标函数：

确定用户当前满意度；

反馈信息接收单元接收反馈信道中两跳链路中的信道状态信息和RS端队列长度信息；

调度分配单元根据用户当前满意度以及信道状态信息分配各个子信道，对中继链路用户资源进行调度。

根据基站和中继端的数据队列长度进行资源调度。

反馈信息接收单元从反馈信道获取第一跳中信道状态信息和RS端队列状态信息，初始化获得子信道集合为X；从可用子信道中选取信道条件最好的子信道n；选择BS端队列长度和RS端队列长度差距最大的用户m；将子信道n分配给用户m，更新用户BS端和RS端数据队列信息，子信道集合更新为X＇=X ；直至子信道集合为空。

把每条子信道分配给在该子信道上满意度提升最大的用户，以提高系统用户满意度。

从反馈信道获取第二跳中信道状态信息，初始化子信道集合为X，用户集合为U；从可用子信道中任选一条子信道n，将子信道分配给用户；对实时业务用户，计算用户平均时延，并根据公式：计算子信道n分配给该用户后的用户满意度增长幅度，对非实时业务用户，计算用户平均速率，并根据公式：计算子信道n分配给该用户后的用户满意度增长幅度，其中，MOS_m(t)为用户当前满意度，为把子信道n分配给该用户后的用户满意度；选择ΔMOS(t)最大的用户m，将子信道n分配给用户m，更新用户m的队列状态信息以及平均速率；直至子信道集合为空。

本发明还提出一种OFDM中继系统中混合业务场景下资源调度系统，该系统包括：反馈信息接收单元、信道状态信息提取单元、队列状态信息提取单元、用户满意度估计单元和资源调度单元，信道状态信息提取单元和队列状态信息提取单元分别提取用户QoS要求的时延、速率和实时用户能够容忍的最大时延，计算用户当前时隙的平均时延和平均速率；用户满意度估计单元对用户的平均时延或平均速率进行归一化处理，建立用户满意度方程：

；以最大化用户满意度为优化目标，且以用户缓存区队列长度下限和用户满意度上限为限制条件，建立目标函数，确定用户当前满意度；反馈信息接收单元接收反馈信道中两跳链路中的信道状态信息和RS端队列长度信息；资源调度单元根据用户当前满意度以及信道状态信息分配各个子信道，对中继链路用户资源进行调度。

本发明在混合业务场景下，为不同种类用户建立统一的用户满意度模型，并采取一种基于用户满意度，以最大化系统用户整体满意度为目标的资源调度方法，实现了对无线资源进行合理的分配。

附图说明

图1为中继站的蜂窝移动通信系统的拓扑结构示意图

图2为本发明具体实施方式中调度机制系统结构示意图

图3为本发明具体实施方式中中继链路第一跳资源调度流程图

图4为本发明具体实施方式中中继链路第二跳资源调度流程图

具体实施方式

为使本发明的技术方案优势描述得更加清楚，以下参照附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的应用场景，如图1所示，系统包括基站（BS）、中继（RS）以及用户（UE），假设由于距离原因所有UE只能通过RS和BS通信，不能和BS直接通信。BS端和RS端都设置有缓存区间，以存放用户数据。系统采用OFDM接入方式，在频域上把带宽分为多个独立正交的子信道，在时域上把一个时隙分成两个子时隙分别用于BS-RS链路和RS-UE链路上的数据传输。

图2是BS端信息收集模块以及调度模块示意图。包括：反馈信息接收单元201、临时数据存储单元202、信道状态信息提取单元203、队列状态信息提取单元204、用户满意度估计单元205和资源调度单元206。

反馈信息接收单元负责接收反馈信道中反馈的信息，包括两跳链路中的信道状态信息和RS端队列长度信息。

临时数据存储单元用于存取临时数据，如用户平均速率，BS端和RS端队列平均长度等。

信道状态信息提取单元和队列状态信息提取单元分别提取信道状态信息和队列状态信息。包括：用户QoS要求的时延、速率和实时用户能够容忍的最大时延，获取用户当前时隙的平均时延和平均速率，可以通过排队论中的Little定理推出，可以通过设定时间窗口求得。

用户满意度估计单元负责对用户当前满意度进行估计，具体方法是根据信道状态信息、队列状态信息、临时数据以及不同种类用户的QoS要求，计算用户满意度。

调度分配单元负责根据用户当前满意度以及信道状态信息分配各个子信道。

用户通过中继和基站通信，中继设置缓存区以存放基站发送的数据，并在下一个子时隙对数据进行转发。基站收集链路间的信道状态信息和缓存区的队列状态信息，并估计用户满意度，再根据用户满意度进行资源分配。

本发明系统中包括实时用户和非实时用户，它们对QoS要求不同，实时业务对时延要求较高，而非实时用户对平均速率要求较高。但是从用户角度来分析，实时业务和非实时业务都有相同的特性，就是在用户获得的资源到一定程度以后，再继续为用户分配资源，用户满意度的增幅会逐渐减小。根据这一特性，建立统一的用户满意度模型。用户满意度估计单元对用户的平均时延或平均速率进行归一化处理，建立统一的满意度方程：

$>{\mathrm{MOS}}_m\left(t\right)={\log }_2({\partial }_m·a·\frac{D_{\max }^m-\overline{D_m\left(t\right)}}{D_{\mathrm{req}}^m}+(1-{\partial }_m)·a·\frac{\overline{R_m\left(t\right)}}{R_{\mathrm{req}}^m})$>

其中，MOS_m(t)代表用户m在t时刻的满意程度，根据广泛应用的主观评定标准，“平均估计分值”（MOS）在1到4.5之间，并将MOS连续化。a为常数，a的取值保证MOS_m(t)的取值在[1,4.5]闭区间中的任意值。代表用户类型，表示用户为实时用户，表示用户为非实时用户。

以最大化系统用户满意度为优化目标，且以用户缓存区队列长度下限和用户满意度上限为限制条件，建立目标函数估计用户当前满意度：

其中， I(t)_m能够反映用户m获得的资源，在多业务环境下，对应实时业务和非实时业务分别和用户平均延时和用户平均速率有关。表示用户QoS要求的最小速率或延时，代表用户类型，当用户为实时业务时，当用户为非实时用户时。a为常数，能够保证用户满意度的值在一定范围内。当I(t)_m大于或等于时用户处于满意状态，否则用户不满意。 表示在t时刻用户m在中继链路第二跳上获得的速率，表示在t时刻中继缓存中用户m的队列长度，MOS_m(t)表示在t时刻用户m的满意度, T₀为时隙长度,M为用户数。限制条件可以保证当RS端用户队列没有数据或者用户满意度达到最高时，不再为用户分配过多资源，以避免分配过多的资源。

由于目标函数是一个非凸混合整数优化问题，难以直接求出最优解，本实施例可采用一种基于满意度提升幅度的调度算法。也可采用本领域技术人员熟知的其他方法求解。

反馈信息接收单元接收反馈信道中反馈的信息，包括两跳链路中的信道状态信息和RS端队列长度信息。

调度分配单元根据用户当前满意度以及信道状态信息分配各个子信道，对中继链路用户资源进行调度。

为保证基站端缓存区数据和中继端缓存区数据的平衡，根据基站和中继端的数据队列长度进行资源调度，其具体实施方法如下：

如图3所示是本具体实施方式中，中继链路第一跳用户资源调度流程图，该调度过程包括以下步骤：

步骤301：反馈信息接收单元从反馈信道获取第一跳中信道状态信息和RS端队列状态信息，初始化获得子信道集合为X；

步骤302：从可用子信道中选取信道条件最好的子信道n；

步骤303：选择BS端队列长度和RS端队列长度差距最大的用户m，获取用户m方法可根据公式：确定。其中，和分别表示BS端和RS端的数据队列长度，q为常数，M为系统用户数。

步骤304：将子信道n分配给用户m，更新用户BS端和RS端数据队列信息，子信道集合更新为X＇=X 。

步骤305：判断子信道集合是否为空，如不为空则继续执行步骤304分配子信道，直至子信道集合为空。

图4为本实施方式中，中继链路第二跳用户资源调度流程图。根据优化目标，采用一种次优的调度算法，把每条子信道分配给在该子信道上满意度提升最大的用户，以提高系统用户满意度，其具体实施方法如下：

步骤401：从反馈信道获取第二跳中信道状态信息，初始化子信道集合为X，用户集合为U；

步骤402：从可用子信道中任选一条子信道n；

步骤403：对于用户集合中的每个用户，根据判断其用户类型，如为实时业务用户执行步骤404，否则执行步骤405；

步骤404：计算子信道n分配给该用户后的用户平均时延（可根据Little定理计算），并计算相应用户满意度。根据公式：计算子信道n分配给该用户后的用户满意度增长幅度。其中MOS_m(t)为用户当前满意度；

步骤405：计算子信道n分配给该用户后的用户平均速率，并计算相应用户满意度。根据公式：计算子信道n分配给该用户后的用户满意度增长幅度。其中MOS_m(t)为用户当前满意度；

步骤406，选择ΔMOS(t)最大的用户m，将子信道n分配给用户m，更新用户m的队列状态信息以及平均速率；

步骤407：判断用户m满意度是否为4.5或RS端队列为空。如满足执行步骤408，否则执行409；

步骤408：更新用户集合，使U＇=Um；

步骤409：判断子信道集合是否为空，如不为空则继续按上述方法分配子信道，否则结束。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。