一种基于优先级的无线资源调度方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是一种基于优先级的无线资源调度方法。
背景技术：
：智能电网背景下的通信有一个最大特点是具有多种类型的业务，不同业务之间的qos(qualityofservice，服务质量)需求差异性大。因此，考虑到智能电网中的业务存在分等级的情况，即电网中业务在对时延、吞吐量、丢包率等指标是有等级区分的。电网中的紧急业务，例如现场应急指挥业务，对服务质量要求非常苛刻，而有些周期性上报业务，例如智能抄表，对服务质量容忍性很大。由于lte网络的广覆盖，高速率，大容量等特点，目前国内智能电网一般采用lte作为基本通信架构，但是标准lte针对以上智能电网的业务分等级和qos需求差异性大等特点并没有相应的解决机制，若不对lte做优化，不能区分不同优先级业务的服务质量，导致高优先级业务不能得到保障。因此，针对以上情况，本文提出一种基于优先级的无线资源调度算法，即优先让等级较高的用户得到系统资源，从而保障其性能。无线通信系统是资源受限的，如何利用有限的系统资源满足不同种类用户的需求是目前资源调度算法研究的重点。lte调度中的优先级排序方法决定了系统何时调度用户和怎样给用户分配资源，它影响着整个系统的性能与效率，因此，lte多用户动态调度中确定用户调度优先级排序的方法至关重要。目前，lte系统调度中比较成熟的排序方法有三种：最大载干比调度算法(maxc/l)，其优先级排序根据用户无线信道质量的好坏，可以求得系统最大吞吐量边界，但完全没有考虑到不同用户的公平性要求；轮循调度算法(rr，roundrobin)，没有特定的优先级排序方法，循环的调度每个用户，每次循环中每个用户以相同的概率占用可分配的时隙和功率，实现了用户间的最佳公平性，然而这种方法没有考虑不同用户的无线信道质量情况，系统的吞吐量和频谱效率都很低；比例公平调度算法(pf，proportionalfair)，优先级排序根据用户被调度的频度和信道质量的好坏综合考虑，在系统吞吐量和用户公平性之间取一个折衷，利用平均数据传输速率来表征用户间的公平性，具有较好的长期公平性，但是这种排序方法不能保证用户间的短期公平性，也没有考虑qos要求。国内外论文提出了许多对调度算法中优先级排序的改进方法，如iturraldem在文章“performancestudyofmultimediaservicesusingvirtualtokenmechanismforresourceallocationinltenetworks”中提出的vt-mlwdf调度算法，在pf算法的基础上，在优先级计算公式中乘以不同优先级用户的qos因子。高优先级用户的qos因子较大，从而提高了实时性要求高的用户的性能；除此之外，计算调度优先级时考虑了缓冲区待发送队列长度，可以为数据量大的用户提高优先级，一定程度上提升了系统吞吐量，但是此方法没有考虑用户等待时间。又如，y.p.li在文章“adelaypriorityschedulingalgorithmfordownlinkreal-timetrafficinltenetworks”中提出的dp-vt-mlwdf算法，在vt-mlwdf算法的基础上，引入了时延因子，并且能反映出时延的紧迫性，等待时间越长，用户的调度优先级因子越大，从而避免了超时丢包。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于优先级的无线资源调度方法，将用户分为高、中、低三个优先级；在优先分配资源给高优先级用户的基础上，通过计算优先级因子实现中、低优先级用户的优先级排序，进而实现资源块rb的合理利用。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于优先级的无线资源调度方法，包括以下步骤：s1.将用户分为高、中、低三个优先级；s2.计算各个用户的调度优先级因子，并根据调度优先级因子大小，实现对中、低优先级用户的调度优先级排序；s3.在每个tti中，检测高优先级用户是否存在待发送的数据；若存在，优先为高优先级用户分配资源块rb，再进入步骤s4；若不存在，直接进入步骤s4；s4.若存在剩余的资源块rb，则按照调度优先级的排序，将剩余的rb资源块分配给中、低优先级用户，直至所有的资源块rb被分配完成。进一步地，所述的步骤s2包括以下子步骤：s21.对于任一用户i，根据接收到的信号，计算用户i在每个载波上的信干噪比sinri,k(t)；其中，i＝1,2,3...,n；n表示用户的总个数；具体地，所述的步骤s21包括以下子步骤：计算用户i在第t个tti时所有载波的信道增益：其中，pli,k(t)，ξi,k(t)，pathi,k(t)分别表示第t个tti时用户i对于第k个子载波的路径损耗、阴影衰落增益和多径衰落增益；gaini,k(t)表示用户i在第t个tti中第k个子载波的信道增益；根据信道增益计算用户i在每个子载波的信干噪比：其中，pk表示基站在第k个子载波的发射功率，n0表示噪声功率；i表示小区间干扰功率；sinri,k(t)表示用户i在第t个tti中第k个子载波的信干燥比。s22.将用户i在其所占用的每个资源块rb中所有载波的信干噪比转化为该资源块rb的有效信噪比：式中，snri,j(t)表示第t个tti时，用户i在第j个rb上的信噪比；m表示一个rb中的子载波数；σ表示一个随不同编码调制方式变化的因子；s23.计算第t个tti中，用户i在第j个rb上所能达到的最大传输速率ri,j(t)：ri,j(t)＝log2(1+sinri,j(t))；s24.计算用户i在第t各tti时的平均传输速率具体地，所述的步骤s24包括以下子步骤：获取用户i在第t-1个tti的平均传输速率根据用户i在第t个tti时的最大传输速率和第t-1个tti的平均传输速率，计算用户i在第t个tti时的平均传输速率式中，tc表示吐量窗口长度。s25.根据不同优先级用户的qos需求，读取丢包率门限和时延门限，计算qos因子ai：δi是用户i所能容忍的丢包率，τi是用户i能容忍的等待时延门限；s26.获取用户i在第tti中待发送缓冲区队列的长度qi(t)；s27.根据待发送队列首包的等待时延，计算出时延因子dp；具体地，所述的步骤s27包括以下子步骤：第一，定义中优先级用户的保护间隔pi：pi＝0.3*τi，式中，τi是用户i能容忍的等待时延门限；第二，计算时延因子dp：如果满足条件：用户i属于中优先级用户，且dhol≥pi，则：如果不满足条件：用户i属于中优先级用户，且dhol≥pi，则：式中，dhol,i是用户i的队首等待时间。s28.根据步骤s21～s27中得到的ri,j(t)，ai，qi(t)，dp，计算用户调度优先级因子k：s29.对每个中、低优先级用户重复步骤s21～s28，得到所有中、低优先级用户的调度优先级因子，并将所得到的调度优先级因子进行大小排序。进一步地，所述的步骤s3包括以下子步骤：s31.检测高优先级用户是否存在待发送的数据：(1)若高优先级用户存在待发送的数据，进入步骤s32；(2)若高优先级用户不存在待发送的数据，直接进入步骤s4；s32.对高优先级用户占用资源进行估计，根据估计结果优先为高优先级用户分配所需资源，实现高优先级用户的资源调度，再进入步骤s4，具体地，对高优先级用户占用资源进行估计方式如下：a、对于高优先级用户i，按照步骤s21～s23，计算第t个tti中，用户i在第j个rb上所能达到的最大传输速率；b、根据计算得到的最大速率值，从高到低依次选取资源块rb，直到所选资源块rb的速率值之和大于高优先级用户i的数据量；对于每个高优先级用户，重复上述步骤a～b，直到为所有高优先级用户均选取相应的资源块rb为止，所有选取的资源块rb总和即为高优先级用户占用资源的估计值。进一步地，所述的步骤s4包括：判断是否存在剩余的资源块：若存在，按照步骤s2得到的调度优先级的排序，将剩余的rb资源块分配给中、低优先级用户，直至所有的资源块rb被分配完成，并进行下一个tti内的资源调度；若不存在，直接进行下一个tti内的资源调度。本发明的有益效果是：本发明将用户分为高、中、低三个优先级；在优先分配资源给高优先级用户的基础上，通过计算优先级因子实现中、低优先级用户的优先级排序，进而实现资源块rb的合理利用；对中、低优先级用户进行优先级因子的计算过程中，对中优先级用户时延因子的计算引入了保护间隔，在快要接近丢包门限的时间里，使得中优先级用户的时延因子呈现指数增长，从而防止丢包；在优先级因子的计算过程中，综合考虑了用户qos需求、待发送队列长度、等待时延及超时紧迫性等因素，提高了传输性能。附图说明图1为本发明的流程图；图2为中、低优先级用户的调度优先级排序流程图；图3为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的高优先级用户吞吐量曲线的对比图；图4为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的高优先级用户时延曲线的对比图；图5为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的高优先级用户丢包率曲线的对比图；图6为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的中优先级用户系统吞吐量曲线的对比图；图7为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的低优先级用户系统吞吐量曲线的对比图；图8为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的高优先级用户公平性曲线的对比图；图9为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的中优先级用户公平性曲线的对比图；图10为本发明中的调度方法和pf、vt-mlwdf、dp-vt-mlwdf三种算法的低优先用户公平性曲线的对比图；图11为调度模型示意图。具体实施方式下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。如图1所示，一种基于优先级的无线资源调度方法，包括以下步骤：s1.将用户分为高、中、低三个优先级；s2.计算各个用户的调度优先级因子，并根据调度优先级因子大小，实现对中、低优先级用户的调度优先级排序；s3.在每个tti中，检测高优先级用户是否存在待发送的数据；若存在，优先为高优先级用户分配资源块rb，再进入步骤s4；若不存在，直接进入步骤s4；s4.若存在剩余的资源块rb，则按照调度优先级的排序，将剩余的rb资源块分配给中、低优先级用户，直至所有的资源块rb被分配完成。如图2所示，所述的步骤s2包括以下子步骤：s21.对于任一用户i，根据接收到的信号，计算用户i在每个载波上的信干噪比sinri,k(t)；其中，i＝1,2,3...,n；n表示用户的总个数；具体地，所述的步骤s21包括以下子步骤：计算用户i在第t个tti时所有载波的信道增益：其中，pli,k(t)，ξi,k(t)，pathi,k(t)分别表示第t个tti时用户i对于第k个子载波的路径损耗、阴影衰落增益和多径衰落增益；gaini,k(t)表示用户i在第t个tti中第k个子载波的信道增益；根据信道增益计算用户i在每个子载波的信干噪比：其中，pk表示基站在第k个子载波的发射功率，n0表示噪声功率；i表示小区间干扰功率；sinri,k(t)表示用户i在第t个tti中第k个子载波的信干燥比；在本申请的实施例中，基站总功率43dbm，每个子载波分配相同的功率，第k个子载波的发射功率就是总功率除以子载波数。s22.将用户i在其所占用的每个资源块rb中所有载波的信干噪比转化为该资源块rb的有效信噪比：式中，snri,j(t)表示第t个tti时，用户i在第j个rb上的信噪比；m表示一个rb中的子载波数，若使用普通前缀的帧结构，则m取值为7，若使用扩展前缀的帧结构，则m取值为6；σ表示一个随不同编码调制方式变化的因子，σ的取值可按如下表查询：s23.计算第t个tti中，用户i在第j个rb上所能达到的最大传输速率ri,j(t)：ri,j(t)＝log2(1+sinri,j(t))；s24.计算用户i在第t各tti时的平均传输速率(也叫平均吞吐量)具体地，所述的步骤s24包括以下子步骤：获取用户i在第t-1个tti的平均传输速率(也叫平均吞吐量)根据用户i在第t个tti时的最大传输速率和第t-1个tti的平均传输速率，计算用户i在第t个tti时的平均传输速率式中，tc表示吐量窗口长度。s25.根据不同优先级用户的qos需求，读取丢包率门限和时延门限，计算qos因子ai：δi是用户i所能容忍的丢包率，τi是用户i能容忍的等待时延门限；若用户的数据包在缓存队列中等待时间超过时延门限，数据包将被丢弃。本申请中丢包率只考虑超时丢包的情况。s26.获取用户i在第tti中待发送缓冲区队列的长度qi(t)；s27.根据待发送队列首包的等待时延，计算出时延因子dp；具体地，所述的步骤s27包括以下子步骤：第一，定义中优先级用户的保护间隔pi：pi＝0.3*τi，式中，τi是用户i能容忍的等待时延门限；第二，计算时延因子dp：如果满足条件：用户i属于中优先级用户，且dhol≥pi，则：如果不满足条件：用户i属于中优先级用户，且dhol≥pi，则：式中，dhol,i是用户i的队首等待时间，dp体现了时延的紧迫性，因为在dp中，分母是时延门限和当前等待时间的差值，能反映出时延的紧迫性，等待时间越长，时延因子会快速增加，防止该用户的数据包超时被丢弃；除此之外，对中优先级用户的保护间隔的引入，在快要接近丢包门限的时间里，使得中优先级用户的dp因子呈现指数增长，从而防止丢包，尽量保证其性能。s28.根据步骤s21～s27中得到的ri,j(t)，ai，qi(t)，dp，计算用户调度优先级因子k：s29.对每个中、低优先级用户重复步骤s21～s28，得到所有中、低优先级用户的调度优先级因子，并将所得到的调度优先级因子进行大小排序。进一步地，所述的步骤s3包括以下子步骤：s31.检测高优先级用户是否存在待发送的数据：(1)若高优先级用户存在待发送的数据，进入步骤s32；(2)若高优先级用户不存在待发送的数据，直接进入步骤s4；s32.对高优先级用户占用资源进行估计，根据估计结果优先为高优先级用户分配所需资源，实现高优先级用户的资源调度，再进入步骤s4，具体地，对高优先级用户占用资源进行估计方式如下：a、对于高优先级用户i，按照步骤s21～s23，计算第t个tti中，用户i在第j个rb上所能达到的最大传输速率；b、根据计算得到的最大速率值，从高到低依次选取资源块rb，直到所选资源块rb的速率值之和大于高优先级用户i的数据量；对于每个高优先级用户，重复上述步骤a～b，直到为所有高优先级用户均选取相应的资源块rb为止，所有选取的资源块rb总和即为高优先级用户占用资源的估计值。进一步地，所述的步骤s4包括：判断是否存在剩余的资源块：若存在，按照步骤s2得到的调度优先级的排序，将剩余的rb资源块分配给中、低优先级用户，直至所有的资源块rb被分配完成，并进行下一个tti内的资源调度；若不存在，直接进行下一个tti内的资源调度。本申请的实施例中，在lte系统级平台上对pf，vt-mlwdf，dp-vt-mlwdf和本发明的调度方法进行对比，高优先级用户分别统计吞吐，时延、丢包率和公平性四个指标，对于中、低优先级的非实时用户，统计得吞吐和公平性两个指标；依照lte系统的参数要求，本发明的仿真参数如下所示：参数数值仿真类型tri_sector_tilted系统频率2ghz带宽3mhztti时长1ms用户移动模型still路径损耗模型ts36942信道模型winnerii+rb数量15高、中、低优先级用户百分比20％40％40％把pf、vt-mlwdf和dp-vt-mlwdf作为对比算法，与本发明提出的无线资源调度方法进行仿真对比分析如下：图3、图4和图5显示了高优先级用户的吞吐量、时延、丢包性能曲线；在图3中，我们可以注意到，当用户数少于15时，四个调度器之间的平均吞吐量几乎相同；但是，当用户数超过15时，本发明提出的调度器性能明显好于其他调度器，并且吞吐量将在达到系统容量之前会线性上升；在图4和图5中，可以看出，提出的调度器具有比其他调度器有更低的延迟和丢包率；这种对高优先级用户的性能的提升在智能电网的应急抢修场景中，是很有意义的。图6显示了中优先级用户的平均吞吐量。可以看出，四种算法中有类似的性能。当用户数超过30时，中优先级用户的吞吐量略高于其他算法，这是因为本发明的算法中对中优先级用户使用了保护间隔，这会有效防止数据包超时被丢弃。低优先级用户的吞吐量如图7所示。可以看到，所提出的算法与其他算法相比吞吐量性能有一些下降。在智能电网中，低优先级用户，例如智能抄表终端，它们对qos的要求较低，这种下降是可以接受的。高、中、低优先级用户的公平性指标如图8、图9和图10所示。由图可知，高优先级用户的公平性得到了很大改善，中优先级用户的公平性得到一些提升。在本申请的实施例中，根据本申请的无线资源调度方法，所得到的调度器模型如图11所示，由模型亦可知，本申请支持高优先级用户的资源抢占，并且在通过算法对中、低优先级用户进行资源分配的过程中，对中优先级用户引入了间隔保护；故实现了资源块rb的合理利用，以及对中优先级用户的丢包保护。当前第1页12