一种电力无线通信系统中保障多业务QoS的调度方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种电力无线系统中保障多业务QoS的调度方法。

背景技术：

电力无线通信中存在多种业务，配电自动化业务与计量、传感器信息采集等等，不同种类的业务的QoS要求不同，例如配电自动化业务传输数据量小，但对时延要求高，需要小的时延；而对于抄电表业务，它对时延要求不高，但由于电表数量庞大，需要传输大量的数据。所以需要特定的调度方案来保障多业务承载下不同种类业务的QoS。

常用的调度方法有三种，分别是最大化信道容量调度(Maximum C/I)，轮询调度以及比例公平调度。最大化信道容量调度是将一个子载波分配给在这个子载波上具有最大信道增益的用户，这样系统吞吐量最大，但是用户之间很不公平，信道质量好的用户获得的带宽大。最大化信道容量调度可以看作动态资源分配算法的吞吐量的上限。与最大化信道容量调度相反的是轮询调度(Round Robin Scheduling)，它不考虑用户之间的信道质量差异，所有用户平均分配子载波，保证用户之间绝对的公平，但是系统吞吐量低，所以轮询调度是动态资源分配算法的吞吐量的下限。比例公平调度算法使用平均数据速率来表征用户间的公平性，具有较好的长期公平性，但是不能保证用户间的短期公平性，且无法。

这三种调度算法都没有考虑到应用层业务对QoS的要求，无法适用于对时延有要求的业务的调度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电力无线通信系统中保障多业务QoS的调度方法，不仅能够满足电力系统中实时业务低时延的要求，同时还能尽量保证资源分配的公平，保障电力系统中多业务的QoS。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电力无线通信系统中保障多业务QoS的调度方法，根据业务的QoS要求分为实时业务以及非实时业务，根据当前信道速率以及数据等待时间为实时业务定义优先级并分配资源，根据前信道速率、数据等待时间以及缓存区大小为非实时业务定义优先级并分配资源，具体步骤如下：

步骤1、将系统中要调度的多种业务分为实时业务与非实时业务两大类；

步骤2、在每个调度周期开始前，依据当前信道下的传输速率、数据等待时间，计算各项实时业务的调度优先级，并根据优先级为各项业务分配资源；

步骤3、若实时业务分配完后仍有剩余资源，则对非实时业务根据当前信道下的传输速率、数据等待时间以及缓存区堆积情况，计算各项非实时业务的调度优先级并分配无线资源；

步骤4、被调度的业务进行传输，在调度周期结束前，更新各项参数准备进入下一个调度周期。

进一步地，步骤1所述的实时业务与非实时业务分别归纳为时延敏感业务和速率敏感业务，其定义为：

时延敏感业务：p_r{W_i＞T_i}≤δ_i，其中W_i是业务i的时延，参数T_i是业务i最大允许时延，参数δ_i是超过最大时延的最大概率；

速率敏感业务：R_i≥r_i，其中R_i是提供给业务i的平均服务速率，要不小于预定的值r_i。

进一步地，步骤2所述依据当前信道下的传输速率、数据等待时间，计算各项实时业务的调度优先级，并根据优先级为各项业务分配资源，具体为：

在实时业务的调度过程中，关注传输超时的危机，考虑信道容量最大利用，而传输超时的危机程度反映业务被调度的紧迫程度，与业务的等待时间相关；在调度过程中，关注当前传输速率以及数据等待时间这个两个因子：

设某类业务的最大时延为a，等待时间为t，则传输超时危机程度表示为f_w(a-t)，t从0开始，最大值为a，且根据QoS保证的规则，f_w(a-t)为等待时间的增函数，即其一阶导数大于0，同时f_w(a-t)表达式的二阶导数值大于0；

假设某类业务在当前信道中的传输速率为r，那信道容量最大因子表示为f_c(r)，f_c(r)为r的增函数；

则业务调度的优先级定义为：f_w(a-t)·f_c(r)。

进一步地，步骤3所述对非实时业务根据当前信道下的传输速率、数据等待时间以及缓存区堆积情况，计算各项非实时业务的调度优先级并分配无线资源，具体为：

在非实时业务调度时，除了采用实时业务时的两个因子当前传输速率以及数据等待时间，增加了一个缓存区堆积因子；

设某个用户的业务数据缓存大小为b，缓存堆积程度反映了缓存对后来业务量的容纳能力，表示为f_s(b)，在缓存区大小有限的情况下，f_s(b)为b的增函数，即f_s(b)的一阶导数大于0；所以，非实时业务的优先级表示为：

f_w(a-t)·f_c(r)·f_s(b)

其中，f_w(a-t)为传输超时危机程度，f_w(a-t)为等待时间t的增函数，a为某类业务的最大时延，t为等待时间；r为某类业务在当前信道中的传输速率，f_c(r)为信道容量最大因子，f_c(r)为r的增函数。

进一步地，步骤4所述在调度周期结束前，更新各项参数准备进入下一个调度周期，其中：各项参数具体包括各业务的等待时间，缓存区大小以及平均传输速率。

进一步地，所述信道容量最大因子表示为f_c(r)，根据该业务当前的瞬时信道质量与所设定时间段内平均信道质量的比值来确定，表示为：

其中，r(t)与分别表示业务在时间t时刻瞬时数据速率和平均数据速率，t_c是历史时间窗，若该业务在时刻t没有被调度，那么此时r(t)＝0。

进一步地，所述传输超时危机程度f_w(a-t)，根据该业务当前等待时间以及最大可容忍等待时间确定，表示为：

其中，t为该业务当前已等待时间，a表示该业务能够容忍的最长等待时间，n≥2保证f_w(t)关于t的一阶和二阶导数都大于0。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)有效保证了电力实时业务传输的低时延；(2)能够对多业务多用户保障其不同的QoS；(3)有效保障了资源在多业务QoS情况下的公平分配。

附图说明

图1是本发明电力无线系统中保障多业务QoS调度方法的示意图。

图2是本发明电力无线系统中保障多业务QoS调度方法的资源分配流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1～2，本发明电力无线通信系统中保障多业务QoS的调度方法，根据业务的QoS要求分为实时业务以及非实时业务，根据当前信道速率以及数据等待时间为实时业务定义优先级并分配资源，根据前信道速率、数据等待时间以及缓存区大小为非实时业务定义优先级并分配资源，具体步骤如下：

步骤1、将系统中要调度的多种业务分为实时业务与非实时业务两大类；

所述的实时业务与非实时业务分别归纳为时延敏感业务和速率敏感业务，其定义为：

时延敏感业务：p_r{W_i＞T_i}≤δ_i，其中W_i是业务i的时延，参数T_i是业务i最大允许时延，参数δ_i是超过最大时延的最大概率；

速率敏感业务：R_i≥r_i，其中R_i是提供给业务i的平均服务速率，要不小于预定的值r_i。

步骤2、在每个调度周期开始前，依据当前信道下的传输速率、数据等待时间，计算各项实时业务的调度优先级，并根据优先级为各项业务分配资源，具体为：

在实时业务的调度过程中，关注传输超时的危机，考虑信道容量最大利用，而传输超时的危机程度反映业务被调度的紧迫程度，与业务的等待时间相关；在调度过程中，关注当前传输速率以及数据等待时间这个两个因子：

设某类业务的最大时延为a，等待时间为t，则传输超时危机程度表示为f_w(a-t)，t从0开始，最大值为a，且根据QoS保证的规则，f_w(a-t)为等待时间的增函数，即其一阶导数大于0，同时f_w(a-t)表达式的二阶导数值大于0；

假设某类业务在当前信道中的传输速率为r，那信道容量最大因子表示为f_c(r)，f_c(r)为r的增函数；

则业务调度的优先级定义为：f_w(a-t)·f_c(r)。

所述信道容量最大因子表示为f_c(r)，根据该业务当前的瞬时信道质量与所设定时间段内平均信道质量的比值来确定，表示为：

其中，r(t)与分别表示业务在时间t时刻瞬时数据速率和平均数据速率，t_c是历史时间窗，若该业务在时刻t没有被调度，那么此时r(t)＝0。

所述传输超时危机程度f_w(a-t)，根据该业务当前等待时间以及最大可容忍等待时间确定，表示为：

其中，t为该业务当前已等待时间，a表示该业务能够容忍的最长等待时间，n≥2保证f_w(t)关于t的一阶和二阶导数都大于0。

步骤3、若实时业务分配完后仍有剩余资源，则对非实时业务根据当前信道下的传输速率、数据等待时间以及缓存区堆积情况，计算各项非实时业务的调度优先级并分配无线资源，具体为：

在非实时业务调度时，除了采用实时业务时的两个因子当前传输速率以及数据等待时间，增加了一个缓存区堆积因子；

设某个用户的业务数据缓存大小为b，缓存堆积程度反映了缓存对后来业务量的容纳能力，表示为f_s(b)，在缓存区大小有限的情况下，f_s(b)为b的增函数，即f_s(b)的一阶导数大于0；所以，非实时业务的优先级表示为：

f_w(a-t)·f_c(r)·f_s(b)

其中，f_w(a-t)为传输超时危机程度，f_w(a-t)为等待时间t的增函数，a为某类业务的最大时延，t为等待时间；r为某类业务在当前信道中的传输速率，f_c(r)为信道容量最大因子，f_c(r)为r的增函数。

步骤4、被调度的业务进行传输，在调度周期结束前，更新各项参数准备进入下一个调度周期，其中：各项参数具体包括各业务的等待时间，缓存区大小以及平均传输速率。

实施例1

结合图1与图2，本发明的方法步骤如下：将系统中要调度的多种业务分为实时业务与非实时业务两大类；在每个调度周期开始时，依据当前信道下的传输速率，数据等待时间，计算各项实时业务的调度优先级并根据优先级为各项业务分配资源；若实时业务分配完后仍有剩余资源，则对非实时业务根据当前信道下的传输速率，数据等待时间以及缓存区堆积情况，计算各项非实时业务的调度优先级并分配无线资源；被调度的业务进行传输，在调度周期结束前，更新各项参数准备进入下一个调度周期。具体可分为以下流程：

1、在每个TTI(传输时间间隔)开始时刻，执行调度算法，进行资源分配；

2、判断此TTI时刻缓存业务中是否存在实时业务，如果有则执行第3步，如果不存在实时业务则直接跳至第6步；

3、根据业务的QoS要求，将业务分为实时业务以及非实时业务两个队列集合；

4、根据当前信道下的传输速率，数据等待时间，计算实时业务集合中各个业务的调度优先级并根据优先级为各项业务分配资源；

5、在满足实时集合中所有实时业务的资源分配后，判断是否还有剩余资源，若有剩余资源则执行第6步，否则跳至第7步；

6、根据当前信道下的传输速率，数据等待时间以及缓存区大小，计算非实时业务集合中各个业务的调度优先级并根据优先级为各项业务分配资源；

7、一个传输时间间隔结束，更新各个业务的数据包数量，包括到达数据包量和被成功调度的数据包数量，同时更新各个业务的等待时间等；

8、判断是否所有业务都调度完成，如果没有完成则跳至第1步，否则结束资源调度过程。

进一步的，步骤4所述依据当前信道下的传输速率，数据等待时间，计算各项实时业务的调度优先级并根据优先级为各项业务分配资源，具体为：

在实时业务的调度过程中，主要关注传输超时的危机，适当考虑信道容量最大利用，而传输超时的危机程度反映业务被调度的紧迫程度，与业务的等待时间相关，所以在调度过程中，关注当前传输速率以及数据等待时间这个两个因子。设某类业务的最大时延为a，等待时间为t，则传输超时危机程度可表示为f_w(a-t)，t从0开始，可取的最大值为a，且根据QoS保证的规则，f_w(a-t)为等待时间的增函数，即其一阶导数大于0。此外，由于一阶导数值的正负情况反映了传输超时危机程度变化的趋势，即增大或减小的情况；其趋势变化的速率变化则反映在二阶导数中，随着业务等待时间的增加，考虑到调度对QoS保障的敏感程度，趋势变化的速率应为增大趋势，趋势变化函数模型为增函数，所以在选择其形式时，应满足：f_w(a-t)表达式的二阶导数值应大于0。

另一方面，假设某类业务在当前信道中的传输速率为r，那信道容量最大因子可表示为f_c(r)，为了尽可能利用信道容量，就要求f_c(r)为r的增函数。

综上所述，业务调度的优先级定义为f_w(a-t)·f_c(r)，优先级数值越大意味着优先给其分配资源。

可选的，在设置信道容量最大因子时可以根据该业务当前的瞬时信道质量与一段时间内的平均信道质量的比值来确定，可表示为：

其中r(t)与分别表示业务在时间t时刻瞬时数据速率和平均数据速率。t_c是为了保障公平性所加的历史时间窗，为了保证对短时信道状态变化取平均。需要注意的是，若该业务在时刻t没有被调度，那么此时r(t)＝0。

可选地，传输超时危机程度可以根据该业务当前等待时间以及最大可以容忍的等待时间确定，可表示为：

其中t为该业务当前已等待时间，a表示该业务能够容忍的最长等待时间，n≥2是为了保证f_w(t)关于t的一阶和二阶导数都大于0。

进一步地，步骤6所述对非实时业务根据当前信道下的传输速率，数据等待时间以及缓存区数据堆积情况，计算各项非实时业务的调度优先级并分配无线资源，具体为：

在非实时业务调度时，除了采用实时业务时的两个因子，增加了一个缓存区堆积因子。设某个用户的业务数据缓存大小为b,缓存堆积程度反映了缓存对后来业务量的容纳能力，可表示为f_s(b)，在缓存区大小有限的情况下，f_s(b)为b的增函数，即其一阶导数大于0。所以，非实时业务的优先级可表示为f_w(a-t)·f_c(r)·f_s(b)。

可选地，缓存堆积程度可以根据该业务当前缓存区大小以及缓存区最大容量确定，可以表示为：

其中b为该业务缓存区当前的大小，B为该业务缓存区最大容量，n≥2是为了保证f_s(b)关于t的一阶和二阶导数都大于0。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。