专利名称：一种多基站多用户的全局比例公平性调度方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种多基站多用户的 全局比例公平性调度方法。
背景技术：
目前，国际上针对B3G和4G的技术研究已经取得了很大进展， 协作通信技术作为下一代移动通信系统中的 一个技术亮点，已经开始 从理论走向应用。而我国在协作通信上进行了大量的预研和投入。但 是，目前还没有出现将协作通信思想应用于实际通信系统的尝试。
一种多个基站多个用户同时进行传输的网络结构如图1所示。基 站和用户间信息传输釆用时分复用的方式，这样可以保证一个基站可 以给多个用户终端提供服务。由于无线信道的衰落特性，在移动网络 中每个基站都存在一定的概率与其邻近的用户进行信息传输。为了充 分利用无线衰落信道的特性，常用的贪婪调度策略允许每个基站在每 个时隙选择信道状况最好的用户进行传输，但是贪婪调度算法将导致 距离基站近的用户在绝大部分时间里占用基站信道资源，从而使得远 离基站的用户无法得到足够的服务时隙，导致用户间在信息资源利用 方面的公平性降低。另 一种常用的保证用户间时隙分配公平性的算法 是轮询传输算法，即基站顺次服务每个用户，不管该用户当前的信道 状况如何。这种算法可能导致信息资源的浪费。例如，如果当前选择 传输的用户处于很差的信道条件下，此时所有的传输都可能失败，这 样将会导致时隙资源浪费。相对而言，比例公平性算法综合考虑了多 用户分集和用户间公平性，用当前可达速率与时间窗内平均吞吐量的 比值作为选择标准，对单个基站的情况可以较好地解决上述问题。对 于多基站的无线网络，这种比例公平性算法是难以适应，其性能较差。目前的HSDPA ( High Speed Downlink Packet Access,高速下行 分组接入)系统中在下行链路的多用户传输任务调度中釆用美国高通 公司提出的比例公平调度算法。这种算法可以 一 方面利用无线衰落信
道的多用户分集特性，提高系统的吞吐量；另一方面又可以保证信道 状况差的用户得到相对高的吞吐量，提高系统给不同用户服务的公平 性。其具体步骤描述如下
第一步在第一个时隙，初始化所有平均吞吐量。在时隙1=1时，
对所有的基站n和用户m，令^ (0 = 1，其中，n=l, 2,…，N, m =1， 2，…，M。
第二步对每个基站n，根据如下准则选择该基站在第t个时隙 传输的用户
第三步对所有的基站n,设置第t个时隙的用户选择示性函数 的值，如下
第四步每个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。
但是这个传统的比例公平调度算法是基于单个基站的，未来通信 系统中多个基站间可以交互信息，利用虛拟天线阵列技术，多个基站 可以同时给多个用户提供服务，所以亟需一种新的调度算法完成多基 站多用户环境下的调度。
发明内容
本发明要解决的问题是提供 一种多基站多用户的全局比例公平 性调度方法，以实现多个基站协作，为用户提供在吞吐量和公平性上
o,当附^附:(0的服务保障。
为达到上述目的，本发明提供 一种多基站多用户的全局比例公平 性调度方法，所述方法包括以下步骤在第一个时隙，初始化所有平
均吞吐量；对所有的基站，选择每个基站在第t个时隙传输的用户； 对所有的基站，设置第t个时隙的用户选择示性函数的值；每个基站 更新各自的平均吞吐量；所有基站互相广播各自的平均吞吐量；每个 基站获取每个用户从所有基站获得的总平均吞吐量。
其中，在所述初始化所有平均吞吐量的步骤中，具体包括在时 隙t=l时，对所有的基站n和用户m,令1 (0 = 1，其中，n = 1， 2，…， N， m=l， 2，…，M, N为网络中可以进行协作通信的基站的数目， M为网络中可以与各个基站通信的用户终端的数目，^"0为截止到 第t个时隙调度结東，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量。
其中，在所述选择每个基站在第t个时隙传输的用户的步骤中， 具体包括根据公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
选择基站n在第t个时隙传输的用户，其中，为在第t个时隙里, 基站n给用户m可以提供的可达速率，U卜l)为截止到第t-l个时 隙调度结東，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量，之(卜l)为截 止到第t-l个时隙调度结東，用户m从所有基站得到的总的平均吞吐 量。
其中，在所述设置第t个时隙的用户选择示性函数的值的步骤中， 具体包括根据公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
设置第t个时隙的用户选择示性函数的值，其中，/ "0为基站和用户 间选择关系的示性函数，；^)"表示在第t个时隙，基站n选择用 户m进行传输；4^^0表示在第t个时隙用户m没有被基站n选择进行传输。
其中，在所述每个基站更新各自的平均吞吐量的步骤中，具体包
括对所有的基站n和用户m，根据公式
<formula>formula see original document page 8</formula>
每个基站更新各自的平均吞吐量，其中，n= 1, 2，…，N， m= 1， 2，…， M, N为网络中可以进行协作通信的基站的数目，M为网络中可以与 各个基站通信的用户终端的数目，U0为截止到第t个时隙调度结 束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量，U卜l)为截止到第t-l 个时隙调度结束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量，、J0为 在第t个时隙里，基站n给用户m可以提供的可达速率，々j)为基 站和用户间选择关系的示性函数。
其中，在所述所有基站互相广播各自的，均吞吐量的i^骤中，具 体包括各个基站每隔T个时隙进行一次LW的广播，U,)为截 止到第t个时隙调度结束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量。
其中，在所述所有基站互相广播各自的平均吞吐量的步骤中，具 体包括各个基站在每个时隙以一定的概率p (0<p<l)广播各自的 U ^，(0为截止到第t个时隙调度结束，用户m从基站n得到 的本地平均吞吐量。
其中，在所述每个基站获取每个用户从所有基站获得的总平均吞 吐量的步骤中，具体包括根据公式
获取所述总平均吞吐量，其中，lw为截止到第t个时隙调度结
東，用户m从所有基站得至l的总的平均吞吐量，N为网络中可以进 行协作通信的基站的数目，^"，"^)为截止到第t个时隙调度结束，用 户m从基站n得到的本地平均吞吐量
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点1. 每个用户总的平均吞吐量得到提高。
2. 每个用户总的平均吞吐量的稳定性得到提升。
3. 用户间总的平均吞吐量的公平性很高。
4. 本发明可以完全异步执行，在异步执行的时候仍能保证很好的 收敛性，并且最终收敛到与标准的全局比例公平调度算法相同的平均 吞吐量。
图l是现有技术的 一种多个基站多个用户同时进行传输的网络结
构图2是本发明的一种多基站多用户的全局比例公平性调度方法的 流程图3是本发明标准全局比例公平调度算法和算法推广一的比较
图4是本发明标准全局比例公平调度算法和算法推广二的比较
图5是本发明全局比例公平调度算法与现有技术的比例公平调度 算法的吞吐量的比较图6是本发明全局比例公平调度算法与现有技术的比例公平调度 算法的吞吐量抖动的比较图7是本发明全局比例公平调度算法的吞吐量公平性示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的
具体实施方式
作进一步详细
描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 釆用图l所示的多个基站多个用户同时进行传输的网络结构时，
本发明的 一 种多基站多用户的全局比例公平性调度方法的流程如图2
所示，包括以下步骤
步骤s201,在第一个时隙，初始化所有平均吞吐量。在时隙1=1时，对所有的基站n和用户m,令UO-l，其中，n=l， 2，…， N， m=l， 2,…，M， N为网络中可以进行协作通信的基站的数目， M为网络中可以与各个基站通信的用户终端的数目，为截止到 第t个时隙调度结東，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量。
步骤s202,对所有的基站，选择每个基站在第t个时隙传输的用 户。根据公式
wn") 二 arg max "^1^~~^——-
选择基站n在第t个时隙传输的用户，其中，^(0为在第t个时 隙里，基站n给用户m可以提供的可达速率，瓦j-l)为截止到第t-l 个时隙调度结東，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量，l(卜l)为 截止到第t-l个时隙调度结東，用户m从所有基站得到的总的平均吞
步骤s203，对所有的基站，设置第t个时隙的用户选择示性函数 的值。根据公式
/』41，，，) ' 〔0,
设置第t个时隙的用户选择示性函数的值，其中，/,,,)为基站和 用户间选择关系的示性函数，；m(0^表示在第t个时隙，基站n选 择用户m进行传输；；j)-0表示在第t个时隙用户m没有被基站n
选择进行传输。
步骤s204，每个基站更新各自的平均吞吐量。对所有的基站n 和用户m,根据公式
W = $ G — 1) + } ;w(0 。
每个基站更新各自的平均吞吐量，其中，n=l， 2，…，N， m = 1， 2,…，M， N为网络中可以进行协作通信的基站的数目，M为网 络中可以与各个基站通信的用户终端的数目，UO为截止到第t个 时隙调度结束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量，U"l)为截止到第t-l个时隙调度结東，用户m从基站n得到的本地平均吞吐 量，r，(0为在第t个时隙里，基站n给用户m可以提供的可达速率， ;m W为基站和用户间选择关系的示性函数。
步骤s205，所有基站互相广播各自的平均吞吐量，每个基站获取 每个用户从所有基站获得的总平均吞吐量。根据公式
疋(o二i《附w
获取所述总平均吞吐量，其中，lw为截止到第t个时隙调度结
東，用户m从所有基站得到的总的平均吞吐量，N为网络中可以进 行协作通信的基站的数目，瓦,j)为截止到第t个时隙调度结東，用 户m从基站n得到的本地平均吞吐量。
以上过程即为全局比例公平调度方法的描述，在步骤s205中， 在每个时隙中，当各个基站的调度和用户吞吐量更新结東以后，要求 所有的基站间互相广播各自的平均吞吐量信息给其它基站，这一步骤 将带来如下问题
(1) 不同的基站间需要精确同步，从而保证每个时隙的对齐；
(2) 每个时隙的调度结東后，各个基站都要向其它基站广播， 带来额外的通信和计算开销；
于是，我们将该算法进行推广。
推广 一 每隔T个时隙广播本地平均吞吐量》 , m (0的全局比例公 平调度算法。
首先，我们放宽不同基站在每个时隙都要进行^W广播的要求， 而是允许各个基站每隔T个时隙进行一次^"0的广播。仿真证实 该推广算法可以很好地收敛于标准的全局比例公平调度算法提供的 结果。仿真结果见图3所示，该图3中，所有基站进行本地平均吞吐 量广播的周期设置为T=100和T=1000。
推广二完全异步的全局比例公平调度算法。
该推广允许每个基站在每个时隙以一定的概率P向其它基站广播自己的本地吞吐量^,JO。仿真证实该推广算法可以很好的收敛 于标准的全局比例公平调度算法提供的结果。具体结果见图4所示。
在图4中，每个基站在每个时隙广播自己本地平均吞吐量的概率设置 为p=0.01和p=0.001。
本发明可以嵌入到现有的GSM和TD-SCDMA网络中，也可以
作为下一代通信系统中基站的关键技术使用，具有广的适用范围。 本发明与现有技术中的比例公平调度算法相比，具有如下优点
(1) 每个用户总的平均吞吐量得到提高。
图5显示了相应的结果。对每个用户而言，釆用全局比例公平 调度算法得到的总的吞吐量均高于釆用本地比例公平得到的总的吞 吐量。
(2) 每个用户总的平均吞吐量的稳定性得到提升。 总的平均吞吐量的稳定性利用其为围绕平均值的抖动量加以度
量。总的平均吞吐量的抖动量夂(O的定义如下
乙 <formula>formula see original document page 12</formula>
图6的结果表明对每个用户而言，釆用全局比例公平调度算 法得到的总的吞吐量抖动量均低于釆用本地比例公平得到的结果，这 意味着每个用户能得到更稳定服务速率，保证系统的服务质量。 (3)用户间总的平均吞吐量的公平性很高。
本发明用Jain公平性系数来衡量每个用户总的平均吞吐量的公 平性，该公平性系数定义如下，对一组数据x,，X2,…,&,其Jain公平 性系数为<formula>formula see original document page 12</formula>该系数越接近于l，表明这组数据间的公平性越高，反之，说明 这组数据的公平性越低。图7结果显示，本发明导致的用户间吞吐量 的公平性系数十分接近于1,说明本发明能很好的保证不同用户得到 相对公平的吞吐量分配。
(4)本发明可以完全异步执行，在异步执行的时候仍能保证很 好的收敛性，并且最终收敛到与标准的全局比例公平调度算法相同的 平均吞吐量。
本发明主要应用于下一代移动通信系统中的基站端，既可以以硬 件的形式将该算法固化在外围芯片或者嵌入式系统中，利用总线结构 配置在现有的基站服务器上，使不同基站间可以交互提供给各个用户 的本地平均吞吐量信息，完成从当前移动通信系统向下一代移动通信
系统的演化。另一方面，本发明又可以以软件的形式实现，将该软件 在下一代基站服务器上安装，利用下一代基站自身的通信功能，执行 全局比例公平调度算法。
本发明只要求在基站端进行硬件配置或者软件安装，对用户终端 没有任何实施方式的要求，可以与第二代移动终端配合使用，也可以 支持第三代或者未来的移动通信终端，提高用户终端的吞吐量并提供 一定的服务公平性的保障。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种多基站多用户的全局比例公平性调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤在第一个时隙，初始化所有平均吞吐量；对所有的基站，选择每个基站在同一时隙t传输的用户；对所有的基站，设置所述时隙t的用户选择示性函数的值；每个基站更新各自的平均吞吐量；所有基站互相广播各自的平均吞吐量；每个基站获取每个用户从所有基站获得的总平均吞吐量。
2、 如权利要求l所述多基站多用户的全局比例公平性调度方法， 其特征在于，在所述初始化所有平均吞吐量的步骤中，具体包括在时隙1=1时，对所有的基站n和用户m，令&, (0 = 1，其中， n=l， 2,…，N， m=l， 2，…，M, N为网络中可以进行协作通信 的基站的数目，M为网络中可以与各个基站通信的用户终端的数目， U,)为截止到第t个时隙调度结東，用户m从基站n得到的本地平 均吞吐量。
3、 如权利要求2所述多基站多用户的全局比例公平性调度方法， 其特征在于,在所述选择每个基站在第t个时隙传输的用户的步骤中， 具体包括根据公式<formula>formula see original document page 2</formula>选择基站n在第t个时隙传输的用户，其中，^(/)为在第t个时隙里， 基站n给用户m可以提供的可达速率，^--l)为截止到第t-l个时 隙调度结束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量，之(卜l)为截 止到第t-l个时隙调度结東，用户m从所有基站得到的总的平均吞吐 量。
4、如权利要求3所述多基站多用户的全局比例公平性调度方法， 其特征在于，在所述设置第t个时隙的用户选择示性函数的值的步骤 中，具体包括根据公式设置第t个时隙的用户选择示性函数的值，其中，； (0为基站和用户 间选择关系的示性函数，；(,)"表示在第t个时隙，基站n选择用 户m进行传输；；J卜O表示在第t个时隙用户.m没有被基站n选择 进行传输。
5、 如权利要求4所述多基站多用户的全局比例公平性调度方法， 其特征在于，在所述每个基站更新各自的平均吞吐量的步骤中，具体 包括对所有的基站n和用户m,根据公式<formula>formula see original document page 3</formula>每个基站更新各自的平均吞吐量，其中，n= 1， 2，…，N, m= 1, 2，…， M, N为网络中可以进行协作通信的基站的数目，M为网络中可以与 各个基站通信的用户终端的数目，U0为截止到第t个时隙调度结 束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量,U卜l)为截止到第t-l 个时隙调度结束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量，、J0为 在第t个时隙里，基站n给用户m可以提供的可达速率，/，W为基 站和用户间选择关系的示性函数。
6、 如权利要求5所述多基站多用户的全局比例公平性调度方法， 其特征在于，在所述所有基站互相广播各自的平均吞吐量的步骤中， 具体包括各个基站每隔T个时隙进行一次^"0的广播，瓦"O为截止到 第t个时隙调度结束，用户m从基站n得到的本地平均吞吐量。
7、 如权利要求5所述多基站多用户的全局比例公平性调度方法， 其特征在于，在所述所有基站互相广播各自的平均吞吐量的步骤中， 具体包括各个基站在每个时隙以一定的概率P广播各自的Uo ， ^"0为 截止到第t个时隙调度结東,用户m从基站n得到的本地平均吞吐量。
8、 如权利要求6或7所述多基站多用户的全局比例公平性调度 方法，其特征在于，在所述每个基站获取每个用户从所有基站获得的 总平均吞吐量的步骤中，具体包括根据公式获取所述总平均吞吐量，其中，之(O为截止到第t个时隙调度结東， 用户m从所有基站得到的总的平均吞吐量，N为网络中可以进行协 作通信的基站的数目，^m(0为截止到第t个时隙调度结束，用户m 从基站n得到的本地平均吞吐量。
全文摘要
本发明公开了一种多基站多用户的全局比例公平性调度方法，包括以下步骤在第一个时隙，初始化所有平均吞吐量；对所有的基站，选择每个基站在第t个时隙传输的用户；对所有的基站，设置第t个时隙的用户选择示性函数的值；每个基站更新各自的平均吞吐量；所有基站互相广播各自的平均吞吐量；每个基站获取每个用户从所有基站获得的总平均吞吐量。采用本发明时，每个用户总的平均吞吐量得到提高，每个用户总的平均吞吐量的稳定性得到提升，用户间总的平均吞吐量的公平性很高，而且本发明可以完全异步执行，在异步执行的时候仍能保证很好的收敛性，并且最终收敛到与标准的全局比例公平调度算法相同的平均吞吐量。
文档编号H04W72/00GK101436891SQ20081024095
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者辉 周, 樊平毅 申请人:清华大学