专利名称：一种实现功率控制的方法、系统和基站的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统功率控制技术，尤指一种基于微波存取全球互通(WiMAX， Worldwide Interoperability for Microwave Access )系统的联合 分组调度与功率分配(JSPA， Joint Scheduling and Power Allocation )实现功 率控制的方法、系统和基站。
背景技术：
随着交流信息的内容越来越丰富，人们对交流信息的质量也要求越来越 高，原有的以话音为主的移动通信方式已渐渐不能满足人们的要求，因此移 动通信系统的发展必定在保证话音业务的基础上，提供传送图片、文件，收 发邮件、上网冲浪，点播电影等多媒体业务，以及满足用户对高速数据的需 求的业务。为了在现有网络基础上提供更高速和更先进的无线数据通信业 务，出现了各种用于无线数据通信的增强技术。目前，WiMAX技术以其传输速率高、传输距离远等特点，越来越受到业 界的重视。WiMAX系统主要有两种网络因素，用户台(SS， Subscriber Station ) 和基站(BS， BaseStation)。 WiMAX系统中的无线资源管理采用的关键技术 主要有自适应调制编码(AMC， Adaptive Modulation and Coding )、自动重 传(ARQ， Automatic Repeat Request)、分组调度及功率控制等。其中，功率控制在无线通信系统的资源分配中占有重要的地位。功率控 制的目标是在为每个用户提供可以接受的服务质量的同时减少对其他用户 的千扰。优化的功率控制方法可以使系统容量大大增加，从而提高系统频镨 利用率。目前，功率控制常用的方法是利用信道变化的特性，考虑多用户系统中调度和功率分配带来的增益，提出的保证用户最小平均数据传输速率，最小 化系统平均发送功率的分组调度方案。该方案在每个调度周期内调度信道条 件相对较好，所需发送功率相对较少的用户，并根据分配给该用户的功率确 定用户所能达到的数据速率，保证用户的平均数据传输速率要求得到满足。该方案能够充分保证用户的长期性能(long-term performance),即从 一段比较长的时间内来看，用户的平均数据传输速率能够很好地得到满足。 但是，用户的满意度不仅仅只是由用户的长期性能来衡量的，用户同时也会 有短期性能(short-term performance )需求。该方案对于 一些调度信道条件 稍差，所需发送功率相对较大的用户，很可能导致某些用户在一段相当长的 时间内得不到服务即用户的短期性能得不到满足，从而总体上降低了用户的 满意度。另外一种简单的提案是，在达到一定的误比特率的条件下，接收端要求 接收信干比(CINR)值大于某一阈值即目标CINR值。接收端根据目标CINR 值与当前接收CINR值之间的差值再加上一个偏移量，产生一个功率调整命 令并将其反馈给发送端，发送端根据该调整命令调节发射功率或调制编码方 式。所述偏移量由产商具体确定。该提案仅仅采用通过功率分配技术来提高 系统的性能。从现有功率控制的方案来看，是独立地采用分组调度，或功率分配技术 实现控制，不能很好地提高系统的性能。发明内容有鉴于此，本发明实施例提供一种联合分组调度与功率分配的方法，能 够减小对其他用户和小区的千扰，提高用户的短期性能，从而很好地提高系 统的性能。本发明实施例提供一种联合分组调度与功率分配的系统，能够减小对其 他用户和小区的干扰，提高用户的短期性能，从而很好地提高系统的性能。 本发明实施例提供一种基站，能够联合采用分组调度与功率分配对功率进行控制。本发明实施例的技术方案具体是这样实现的 一种实现功率控制的方法，该方法包括以下步骤基站冲艮据备用户台测量到的信道增益，获取满足各用户的平均传输速率 要求的速率调度优先级，和满足数据包等待时间的时延调度优先级；根据所述速率调度优先级和时延调度优先级，获取发送优先级，并根据 所迷发送优先级调度用户，并以使得速率调度优先级最小时对应的发送功率 作为被调度用户的发送功率。一种实现功率控制的系统，所述系统包括用户台和基站，其中，所述用户台，用于测量信道增益；所述基站，用于根据所述信道增益，获取满足各用户的平均传输速率要 求的速率调度优先级，和获取满足数据包等待时间的时延调度优先级；根据 所述速率调度优先级和时延调度优先级，获取发送优先级，并根据所述发送 优先级调度用户，并以使得速率调度优先级最小时对应的发送功率作为被调 度用户的发送功率。一种基站，所述基站包括信道增益获取模块、速率调度优先级获取模块、 时延调度优先级获取冲莫块、发送优先级获取模块和调度模块，其中，所述信道增益获^f莫块，用于获取所述信道增益；所述速率调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足各用户 的平均传输速率要求的速率调度优先级；所述时延调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足数据包 等待时间的时延调度优先级；所述发送优先级获取模块，用于根据所述速率调度优先级和时延调度优 先级，获取发送优先级；所述调度模块，用于根据所述发送优先级调度用户，并以使得速率调度 优先级最小时对应的发送功率作为4皮调度用户的发送功率。由上述技术方案可见，本发明将分组调度与功率分配相结合，通过对信道状态、分配的发送功率和数据包时延等因素的综合考虑，来实现功率控制。 本发明在保证用户平均数据传输速率要求的前提下，使得系统平均发送功率达到了最小；同时，对于等待时间越长的数据包，给予越高的调度优先级， 满足了用户的短期性能，提高了用户的满意度。本发明实施例提出的联合分组调度与功率分配算法的功率控制方案，在 保证每个业务流的平均数据传输速率及延时要求的前提下，将分组调度与功 率分配相结合，使得基站在统计平均意义下的发射功率达到了最小，减小了 对其他用户和小区的干扰，也提高了用户的短期性能。
图l是本发明方法的流程图； 图2为本发明系统的组成框图。
具体实施方式
为使本发明实施例技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举较 佳实施例，对本发明进一步详细说明。为了找到发送优先级最高的用户，使得在每个用户的平均数据传输速率 及延时能够满足要求的前提下系统的平均发送功率最小。本发明采用公式 (1) ~ (4)所示的数学优化模型人'min Z五(P(忌)'、e(g),) ,，、y'p "i ( U其中，f ^g'"g,2，…g,"为信道增益向量，g"为用户*与基站''之间的信道增益。不失一般性，可省略下标卜即表示为g-化，g"…")；P(')表示功率分配策略，且o^(^h4， L为系统的最大传输功率。如 杲用户A被调度，同时分配给该用户^的功率为^君)，则用户A可达到的数据入(c)为用户A达到数据速率C所需信噪比，是C的递增函数，且力(0) = 0。 在给定信道增益^条件下，达到数据速率c所需的最小发送功率为A^V&。o",尸， (2) 公式(2 )表示了分配给该用户*的功率不能大于系统的最大传输功率。公式(3 )表示了每个用户的数据传输速率不能低于平均数据传输速率。f 1//'爿O"WW其中，Q为用户A的平均数据速率要求，"1G ete 。，</)广 (4) 其中，《W为用户^队列队首数据包的等待时间；A,为预先设置的用 户A所能承受的最大延时，公式(4)表示了用户^队列队首数据包的等待时间应满足小于用户*所能承受的最大延时，对于等待时间超过的数据包 通常会被丢弃。图1是本发明方法的流程图，假设系统中有K个用户，系统采用TDM 方式即一个调度周期只给一个用户发送数据；同时为了方便描述，只考虑单 小区情况，假设基站位于小区中心，采用全向天线结构。如图l所示，本发 明方法包括以下步骤步骤100:基站根据各用户台测量到的信道增益，获取满足各用户的平均传输速率要求的速率调度优先级。本步骤之前，该方法还包括BS覆盖范围内的各个SS在每个调度周期 测量自身与BS间的信道增益，并将测量得到的信道增益反馈给BS。信道增 益的测量和反馈方法具体实现属于本领域技术人员公知技术，且与本发明方 法无关，可参见相关协议，这里不再赘述。假设户必力- ^("^)'1,)^,表示使用分組调度及功率分配策略必^时系统的平均发送功率。其中，2(g) = ^々(g)e{l,n，M///}, 2为调度策略； 如果2(1) = " = 1，2"A，表明当前调度周期内用户A被调度；如果2(§)=淑/， 表明所有用户的信道条件都比较差，当前调度周期不为任何用户传送数据。 综合考虑上述数学模型中的公式(1 ) ~公式(3)，使用拉格朗曰 (Lagrange)乘子法可得公式(5)如下-k 、 a:五乂"ihi其中，假定"dP)"(忌)-A'(义,忌)- argmin /4显然，4(义，京，0)=0,因此，4'a，a^。如果存在速率调度优先级系数义'，使得:"(g) = argmin//(r，忌)(5)(6)(7)(8)(9) (10)其中，那么，{"，/}是公式(i) ~ (3)的一个最优解。如果厶(c)是c的递增函数，且力(0)-0，上述结论将都成立。根据公式(9),最优调度方案为在所有激活用户集合中选取具有最小"'("'^的用户并为其 发送数据，即C(义'，忌)^min,/,'(r,忌)。本步骤中，将—C(r，^看作是为用户k分配的速率调度优先级，速率调2' (3 = arg max{—// (义'，g)} 度优先级最高的用户即为 * 。为了获取速率调度优先级—"'"'，3 ,需要获取速率调度优先级系数A'。 由于要求速率调度优先级系数义'的选取使得公式(9)能够成立，因此，速率调度优先级系数r与&^ "、e'②w的概率分布是有关系的。在实际系统中，q^)'^e、^"的概率分布是无法事先获知的，因此，只能对速率调度优 先级系数义'进衧估计，我到速率调度优先级系数i'，使得对子所有的卜都 有五(Q (P). 1{卿=*)) = G 。由以上分析可知，速率调度优先级系数(是方程式 g(^)-五(q(P)'l(e②,)一C「0的根,获取该方程的根的方法很多，这里以采用随机逼近方法求取速率调度优先级系数《为例进行筒单介绍，详细推导过 程可参考相关文献。速率调度优先级系数(的获得可用公式(11)所示的迭代方法获取 《'=《+ a' -五(q (p)' l騰),)) (i i )适当选取迭代步长"'，比如迭代步长"'=0.001， ^将以概率1收敛于速率调度优先级系数《。公式(11)中的E"(P)'^,")可采用公式(12)获 取《=〔i—+ (p)如果g (g) = *如果g(忌)共A:, 0<"<1 (12)其中，〖表示所述基站''；巧为用户A的平均数据速率，/ 是权重系数，按照实际需要选取，假设希望用户A当前可达到的数据速率q(p)和该用户* 之前统计的平均数据速率，对当前用户A的平均数据速率的影响比重相同，则可取权重系数- =1/2。将公式(12)代入公式(11 )，可得公式(13)如下;t;+1=a;+ '(c「》;) (13)其中，《表示初始值，取为0。步骤101:基站获取满足数据包等待时间的时延调度优先级。时延调度优先级与数据包等待时间《(0的关系可用公式14)所示的代价函数表示聽'.e《、-柳"'(14)0其中，m为正常数，"'为数据包的平均等待时间。基于流媒体业务的特性，对于超过有效期限",x的流媒体数据包，通常采取丢包处理，于是(14) 可写成如公式(15)所示 —爾、(0=匿、-(『-d"0)'Q' 力(r) s D(nax ( 15 )步骤102:根据获得的速率调度优先级和时延调度优先级，获取发送优 先级，根据发送优先级调度用户，并以使得速率调度优先级最小时对应的发 送功率作为被调度用户的发送功率。本步骤中，各用户的发送优先级^^(o是关于速率调度优先级-ca，f)和队首数据包等待时间之(O的函数，如公式(16)所示^"0 =尸{—( 16)其中，FW表示关于《(义J)和《W的函数。在确定各用户发送优先级的过程中，当用户的速率调度优先级—"'Wi)大小相同或相近时，发送优先级函数^《(m4(^依据各队列队首数据包 等待时间《(0区分不同用户的发送优先级P仏(0 ,即发送优先级p/ /* (0在速率调度优先级—"'G，g)相同时的变化趋势为发送优先级关于《(f)的函数，如 公式(17)所示<formula>formula see original document page 12</formula>(17)其中，a表示与《^不相关的函数部分。同理，在各队首数据包等待时间《(0相同或相近时，发送优先级^A(f) 的变化趋势为发送优先级关于速率调度优先级-C(二g)的函数，如公式(18)所示<formula>formula see original document page 13</formula>(18)其中，b表示与速率调度优先级—"'"'忌)不相关的函数部分。综合(17)和(18)两式，可以得到各队列在每个信道资源单元的发送优先级^"(0如公式(19)所示
<formula>formula see original document page 13</formula>(19)其中，9o和e,为常数，假设0 =《.w. ' = l，《=0，将公式(19)代入 (15)，可得实际工程中各用户发送优先级^^0如公式(20)所示 尸/ /<formula>formula see original document page 13</formula> (20)根据公式(20)的计算，向发送优先级户仏(0最大的用户^发送数据，其中用户6,为公式(21)所示<formula>formula see original document page 13</formula>(21)其中，K为系统用户数目。进一步地，发送功率采用公式(7)确定，即将使得速率调度优先级最 小时对应的发送功率作为被调度用户的发送功率。从本发明实施例的技术方案可见，本发明实施例的技术方案在保证每个 业务流的平均数据传输速率及延时要求的前提下，将分组调度与功率分配相 结合，使得基站在统计平均意义下的发射功率达到了最小，减小了对其他用 户和小区的干扰；同时，在保证业务长期性能的同时兼顾了短期性能，具有 较高的工程价值。针对上述方法，本发明实施例还提供了一种联合分组调度与功率分配的 系统，如图2所示，图2为本发明系统的组成框图，该系统包括基站和用户台，其中，所述用户台，用于测量信道增益；所述基站，用于根据所述信道增益，获取满足各用户的平均传输速率要求的速率调度优先级，和获取满足数据包等待时间的时延调度优先级；根据所述速率调度优先级和时延调度优先级，获取发送优先级，根据所述发送优 先级调度用户，并以使得速率调度优先级最小时对应的发送功率作为被调度 用户的发送功率。本发明基站至少包括信道增益获取模块、速率调度优先级获取模块、时 延调度优先级获取模块、发送优先级获取模块和调度模块，其中， 所述信道增益获取模块，用于获取所述信道增益；所述速率调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足各用户 的平均传输速率要求的速率调度优先级；所述时延调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足数据包 等待时间的时延调度优先级；所述发送优先级获取模块，用于根据所述速率调度优先级和时延调度优 先级，获取发送优先级；所述调度模块，用于根据所述发送优先级调度用户，并以使得速率调度 优先级最小时对应的发送功率作为被调度用户的发送功率。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，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种实现功率控制的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤基站根据各用户台测量的信道增益，获取满足各用户的平均传输速率要求的速率调度优先级，和满足数据包等待时间的时延调度优先级；根据所述速率调度优先级和时延调度优先级，获取发送优先级，根据所述发送优先级调度用户，并以使得速率调度优先级最小时对应的发送功率作为被调度用户的发送功率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取满足各用户的平 均传输速率要求的速率调度优先级的方法为获取速率调度优先级系数f，使得对于所有的用户^，都有 五(^分1,^) = &，其中2'⑧"气miH'a',忌)，表示速率调度优先级最高的用户；^为用户A的平均数据速率要求；&(^)为用户*可达到的数据速率； 根据所述速率调度优先级系数义'，通过"'"= "^ <"，忌》计算速率A'(义,忌)^ argmin "(义,哀，P) -一, 、调度优先级，其中 。"(m' ,为发送功率；g^g'"g'2，'U为所述信道增益的向量。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取速率调度优先级系数义'的方法为计算方程g")=五"(P).、齡")—& = 0的根。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方程中E"^)'^,")的获取方法为计算l 《=d-A巧 如果G'(g)^^,其中巧为用户A的平 均数据速率；p是权重系数，^Z^1; /表示所述基站。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取满足数据包等待 时间的时延调度优先级的方法为在《(0^￡>;鹏时，时延调度优先级尸及/ —而^(/)=附《'.(厂")r—""'))",其中，m为正常数；《'为数据包的平均等待时间；夂(/)为用户*队列队首数据包的等待时间；化为预先设置的用尸A所能承受的最大延时。
6. 根据权利要求5所迷的方法，其特征在于，所迷获取发送优先级的方法为发送优先级尸仏(O一《《a,忌)'尸^—雨'"0+《，其中，e。和e,为常数;尸i / —丽^ (/)为时延优先级；—(义，^为速率调度优先级。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，若所述0，.m "' = 1,所述《=G ，则所述发送优先级为/W々)=-"'a，i).e—。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调度的方法为向所 述发送优先级最大的用户、M发送数据；其中= arg m严i尸/ 4 (0} V/t = 1，2,…《，K为系统用户数目。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述发送数据的发送功率为iV(义，g)- argmin发送功率 。"(g)", ，其中，/^为系统的最大传输功率；g = {g" ， g'2，…为所述信道增益的向量，"二 g， P) = -。
10. —种实现功率控制的系统，其特征在于，所述系统包括用户台和基 站，其中，所述用户台，用于测量信道增益；所述基站，用于根据所述信道增益，获取满足各用户的平均传输速率要求的速率调度优先级，和满足数据包等待时间的时延调度优先级；根据所述 速率调度优先级和时延调度优先级，获取发送优先级，根据所述发送优先级 调度用户，并以使得速率调度优先级最小时对应的发送功率作为被调度用户 的发送功率。
11. 根椐权利要求IO所述的系统，其特征在于，所述基站包括信道增 益获取模块、速率调度优先级获取模块、时延调度优先级获取模块、发送优先级获取模块和调度模块，其中，所述信道增益获取;f莫块，用于获取所述信道增益；所述速率调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足各用户的平均传输速率要求的速率调度优先级；所述时延调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足数据包 等待时间的时延调度优先级；所述发送优先级获取模块，用于根据所述速率调度优先级和时延调度优 先级，获取发送优先级；所述调度模块，用于根据所述发送优先级调度用户，并以使得速率调度 优先级最小时对应的发送功率作为被调度用户的发送功率。
12. —种基站，其特征在于，所述基站包括信道增益获取;f莫块、速率调 度优先级获取模块、时延调度优先级获取模块、发送优先级获取模块和调度模 块，其中，所述信道增益获^^莫块，用于获取所述信道增益；所述速率调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足各用户 的平均传输速率要求的速率调度优先级；所述时延调度优先级获取模块，用于根据所述信道增益，获取满足数据包 等待时间的时延调度优先级；所述发送优先级获取模块，用于根据所述速率调度优先级和时延调度优 先级，获取发送优先级；所述调度模块，用于根据所述发送优先级调度用户，并以使得速率调度 优先级最小时对应的发送功率作为被调度用户的发送功率。
全文摘要
本发明公开了一种基于微波存取全球互通(WiMAX)系统的联合分组调度与功率分配实现功率控制的方法、系统和基站。该方案包括基站根据各用户台测量到的信道增益，获取满足各用户的平均传输速率要求的速率调度优先级，和满足数据包等待时间的时延调度优先级；根据获得的速率调度优先级和时延调度优先级，获取发送优先级，根据所述发送优先级调度用户，并以使得速率调度优先级最小时对应的发送功率作为被调度用户的发送功率。本发明在保证每个业务流的平均数据传输速率及延时要求的前提下，将分组调度与功率分配相结合，使得基站在统计平均意义下的发射功率达到了最小，减小了对其他用户和小区的干扰；同时，在保证业务长期性能的同时兼顾了短期性能，具有较高的工程价值。
文档编号H04Q7/30GK101247148SQ20071008012
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月12日 优先权日2007年2月12日
发明者吴和兵, 周雄弟, 朱静宁, 王吉滨, 赵新胜 申请人:华为技术有限公司;东南大学