一种引入异构用户业务执行系数的动态资源调度方法

摘要

一种引入异构用户业务执行系数的动态资源调度方法涉及一种在包含认知无线电技术设备的异构无线网络环境中，对多个不同业务需求的用户进行时间和频谱资源(无线信道)的动态调度的方法和策略，更具体地讲，涉及一种在时间和频带上动态调度和分配机会频谱，并使异构网络中不同业务需求的用户间公平、有效使用有限的无线网络资源的方法和策略。该动态资源调度方法具体如下：首次将用户业务特性考虑进网络资源，包括时间和频谱资源的动态分配中；以决定用户业务类型的各种参数来定义用户业务被执行的优先系数，以此对异构用户业务进行排序，从而为有限的可用信道资源的有效分配获得依据；在此基础上，根据频谱利用率最大化原则，进行可用信道分配；获得不同业务需求用户的服务质量保证。

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种在包含认知无线电技术设备的异构无线网络环境中，对多个不同业务需求的用户进行时间和频谱资源(无线信道)的动态调度的方法和策略，更具体地讲，涉及一种在时间和频带上动态调度和分配机会频谱，并使异构网络中不同业务需求的用户间公平、有效使用有限的无线网络资源的方法和策略。

背景技术

目前无线频谱资源的利用情况极不平衡：一些授权频段占用度很高，而有些授权频段则经常空闲。解决这一现象的有效途径之一是机会频谱接入技术。机会频谱接入技术允许在具有认知无线电(CR)系统的网络中，机会地开发和使用闲置的授权频谱资源。

实现机会频谱接入的关键技术包括频谱检测与分析技术、机会频谱管理与调度技术。机会频谱管理与调度技术涉及如何将未被使用的授权用户的频段(信道)公平合理地在不同业务需求的非授权用户间进行分配的问题，即

1.授权系统如何决定在何时分配哪一个可用信道给何种业务需求的用户？

2.授权系统如何在不同业务需求的用户之间保证时间和信道分配的公平性和合理性？

作为这些问题的解决方案，产生了无线网络资源动态调度算法和方案。本发明所研究的方案正是基于以上背景，解决以上问题。所研究的异构网络环境如图1所示。包括授权系统基站(BS)、访问节点(AP)以及用户预定设备(CPE)。

图1示出了在同一个授权网络覆盖范围内，存在多个不同域的非授权用户，非授权用户根据授权用户当前可用信道状况请求基站接入服务，并且每个子域内非授权用户的服务业务类型异构的案例。

参照图1，授权系统基站覆盖范围内的区域分为若干个子区域，每个子区域有若干个访问节点，包含N个有不同业务需求的异构用户。每个区域内可用信道数目为K，K个信道在频谱上的位置及带宽是时变的，并且随着子区域的不同而不同。每个子区域内用户数、可用信道数、信道位置、信道带宽都是时变的，随地域变化的。本发明要解决的问题是，在这种环境下的每个时隙内，使得BS根据各个子区域内用户数、用户业务类型、可用信道数、信道位置、信道带宽等状况对现有的网络资源进行合理有效地分配，保证用户业务需求的满足和不同用户间的通信不发生冲突。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种引入异构用户业务执行系数的动态资源调度方法，至少基本上解决上述问题和/或缺点，并至少提供下面的优点。因此，本发明提供一种基于认知技术的异构网络系统，根据用户业务需求的不同定义用户获得资源的优先级，在时间和频带上动态调度和分配机会频谱，并使异构网络中不同业务需求的用户间公平、有效使用有限的无线网络资源的方法和策略。

技术方案：本发明提供一种在时间和频带上动态调度和分配机会频谱的方法和策略。

首先，这里定义的术语定义如下：

γ：信道信号噪声比CSNR(channel-signal-to-noise ratio)

Λ：用户业务执行系数

λ：用户业务的到达率

μ：用户业务的传输速率

P：用户业务为实时性的概率

τ：用户业务的持续时间

B：系统可用信道带宽

K：系统当前可用信道数目

N：系统当前某个子区域内不同业务需求的用户数目

r：系统可用信道上的信道容量

X：信道分配变量

T：基站分配给用户的时隙的长度

α：时间系数

动态资源调度方案如下：

该方案提供了一种可以根据异构网络用户的不同业务需求定义的资源动态分配依据。该方法首次将用户业务特性考虑进网络资源，包括时间和频谱资源的动态分配中。根据用户业务的类型将用户业务的可执行性进行优先级划分，从而为有限的可用信道资源的有效分配获得依据。在此基础上，根据频谱利用率最大化原则，进行可用信道分配。具有网络资源分配公平性、有效性、自适应等特性，同时获得不同业务需求用户的服务质量保证。

首先，针对用户业务的异构特性，定义用户的业务执行系数

对一个异构网络中的用户而言，表征其业务特征的参数包括业务的到达方式、业务速率(数据传输速率)、业务持续时间、业务实时性要求，在频谱资源有限、多个用户竞争的环境下，用户的业务特征参数不仅决定了用户业务自身被执行的优先级，也影响并决定了用户获得网络资源的优先级。为此，将影响用户业务特征的不同参数整合考虑，定义用户的业务执行系数如下：

Λ(t)＝λ(t)μ(t)P(t)

其中，参数λ表示用户业务的到达率，参数μ表示用户业务的传输速率，参数P表示用户业务为实时性的概率，表达了业务对实时性的要求。参数λ、μ和P都是随时间变化的。

其次，由于在某一时刻，可用信道数K小于有业务需求的用户数N，为确保所有用户使用网络资源的公平合理性，保证不同业务需求用户都能及时获得所需的网络资源，用户的业务执行系数需要根据时间、用户业务的变化以及业务被执行情况进行更新，更新定义为

Λ(t)＝Λ(t-1)D(t-1)+λ(t)μ(t)P(t)

其中，

$D\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}\alpha =\frac{T-\tau }{T},\tau >T\\ 0,\tau \le T\end{array}\right)$

初始化为Λ(0)＝λ(0)μ(0)P(0)。即，用户当前时刻的业务执行系数不仅取决于用户当前时刻业务的状态，还取决于前一时刻的业务执行系数，并且与用户业务的时间性要求密切相关。如果时隙长度为T，用户前一时刻业务持续时间τ，当τ>T时，该用户当前时刻的业务执行系数为前一时刻业务执行系数与时间系数α的乘积再与当前业务执行系数相加之和；当τ≤T时，该用户当前时刻的业务执行系数仅由用户当前时刻的业务状态决定，与前一时刻无关。

最后，通过对N个用户业务执行系数的排序，得到值较大的K个系数对应的用户参与当前时刻授权系统对K个可用信道的分配，以最大化当前时刻整个系统的频谱利用率为目标求得时隙和信道分配参数的最优解，具体算法为：

$\max \underset{n\in V}{\Sigma }\underset{k\in V}{\Sigma }{C}_{\mathrm{nk}}{X}_{\mathrm{nk}}$

其中，C_nk＝B_klog₂(1+γ_nk)，V＝{1，2，…，K}为信道k上的信道容量，γ_nk为用户n在信道k上的信道信号噪声比，B_k为信道k的带宽。

K个信道分配原则为：

1.同一个信道不同同时分配给同一个用户；

2.K个用户中每个用户至少分配一个信道。

为此，为每个用户分配的信道定义变量X_nk，若X_nk＝1意味着信道k分配给用户n，否则X_nk＝0。据此，以上求最优解的约束条件为：

$\underset{n\in V}{\Sigma }\underset{k\in V}{\Sigma }{X}_{\mathrm{nk}}\le K$

$\underset{k\in V}{\Sigma }{X}_{\mathrm{nk}}=1,\forall n\in V$

由此，得到当前时刻基站对K个可用信道在K个非授权用户间的最佳分配。

有益效果：本发明提供一种基于用户业务状态的动态无线网络资源调度方案。

本发明提供一种在异构环境下，首先根据不同需求用户的业务状态定义用户相应业务被执行的系数，由此决定用户获得无线网络资源的优先级。

本发明提供一种在异构网络环境下，根据用户业务需求的时变性，网络可用资源的时变性对异构无线网络资源进行动态更新和调度的算法和方案。

根据本发明的另一方面，动态资源调度方案确保了无线网络资源在时间和频谱资源上的最有效利用，并兼顾不同业务需求用户间的公平性、全面性以及用户业务服务质量保证。

附图说明

通过下面结合附图并进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将变得更加清楚，其中；

图1示出了多用户无线网络资源调度的异构网络环境案例。

图2示出了在异构网络环境中无线网络资源在时间和频谱上进行调度的操作流程图。

具体实施方式

下面将参照附图在这里描述本发明的优先实施例。在下面的说明书中由于已知功能和结构在不必要的细节使本发明模糊，因此不再描述它们。

本发明提供使异构网络无线资源在时间上和频谱上动态分配和管理的方法，根据不同业务需求的表征参数，决定不同用户获得无线网络资源的优先级，以网络可用资源的异构性、时变性、用户业务的异构性、时变性为依据对无线网络资源进行动态调整和分配，做到用户资源共享的公平性和有效性。具体实施方法如下

A.用户业务执行系数

参照图1，在区域1中有N个具有不同业务需求和特性的非授权用户请求基站(BS)分配时隙和信道资源，在当前时刻，BS在区域1中可用信道数为K。参照图2，首先根据区域1中中存在的N个非授权用户的不同业务类型，将表征业务类型的参数，即用户业务到达率λ(t)、用户业务传输速率μ(t)以及用户业务实时性概率P(t)，综合表示为该业务被执行的优先级系数，即用户业务执行系数Λ(t)。该系数说明用户业务的到达越早、用户业务传输速率越高，实时性要求越高越可以优先获得所需无线资源。之后，将当前所有用户的业务执行系数进行排序，系数值较大的前K个用户被选为参与K个当前可用授权信道的分配，其余N-K个用户等待参与下一时刻的信道分配。

B.最优化信道分配

参照图2，以当前时刻全局系统的频谱利用率为目标函数，通过对

$\max \underset{n\in V}{\Sigma }\underset{k\in V}{\Sigma }{C}_{\mathrm{nk}}{X}_{\mathrm{nk}}$

的求解，得到当前时刻BS对区域1中N个非授权用户中的K个用户的时隙和信道分配的最优解，即对具体的n和k赋值。

C.用户业务执行系数更新

参照图2，为适应异构网络时变性、可用信道资源时变性、用户业务时变性、用户分布时变性以及用户资源共享公平性，需要对用户业务执行系数进行及时更新。原则是已被分配到无线网络资源的用户的用户业务执行系数比未被分配到无线网络资源的用户的业务执行系数低；有新业务到达的用户业务执行系数比没有新业务到达的用户业务执行系数低；并且用户业务执行系数是一个累积量，包含用户业务执行情况的历史数据信息。在以上原则下，当前时刻t的N个非授权用户的业务执行系数的更新算法如下。一方面，在前一时刻，即t-1时刻参与K个信道分配的K个用户的业务系数的更新根据公式：

Λ(t)＝Λ(t-1)D(t-1)+λ(t)μ(t)P(t)

并有

$D\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}\alpha =\frac{T-\tau }{T},\tau >T\\ 0,\tau \le T\end{array}\right)$

另一方面，t-1时刻未参与K个信道分配的N-K个用户的业务系数的更新根据公式：

Λ(t)＝λ(t)μ(t)P(t)

在执行系数更新的最后阶段，将更新过的N个用户的业务执行系数重新放入执行系数更新队列，并进行排序。

D.动态资源调度循环

参照图2，用户业务执行系数更新并重新排序后，又选出其中K个系数最大的用户业务参与新一时刻的K个信道的分配中，从此系统进入资源调度和重组的下一个循环过程。