一种lte下行链路中均衡吞吐量和延迟的资源分配方法
【专利摘要】本发明涉及一种LTE下行链路中均衡吞吐量和延迟的资源分配方法，属于移动通信【技术领域】。该方法针对现有技术中存在的LTE无线网络下行链路的子信道分配算法都没有在吞吐量和延迟之间做到很好的均衡的问题，通过李雅普诺夫最优化的理论设计的调度算法，充分利用用户队列的积压信息和每个调度时隙开始的信道状况来做控制决定使李雅普诺夫漂移与基于网络效用的罚函数之和贪婪的最小化，这样既维持了网络的稳定性，将队列积压降低到一个最小的阻塞状态，又提高了吞吐量，还可以调整系统参数V在基于吞吐量的网络效用和延迟之间做了一个很好的均衡，提高了整体的网络性能。
【专利说明】一种LTE下行链路中均衡吞吐量和延迟的资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动通信【技术领域】，涉及一种LTE下行链路中均衡吞吐量和延迟的资 源分配方法。
【背景技术】
[0002] LTE是3GPP组织提出的3G长期演进计划，已经被公认为是2010到2020年能满足 移动通信需求的技术，而且日益成为通信产业界关注的焦点。提高数据传输率，降低系统的 时延，扩大覆盖范围，增加系统容量，降低成本是LTE的主要目的。资源分配技术是LTE实 现快速传输速率和高数据容量不可缺少的一部分，主要任务是为无线用户合理的分配各 种无线资源，有效的提高服务质量（QoS)和信道利用率。
[0003] LTE下行链路系统中eNodeB负责管理信道的资源分配，在这个系统中，可用的无 线下行链路带宽B在频域上被分为M个资源块（RB)，资源块是时频域最小的资源分配单 元。由于LTE下行链路系统采用的是正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，RB实质上就是成千上百个并行的正交子信道，每个子信道可以分配给在基 站覆盖范围内的一个用户，一个给定的用户可以同时被多个子信道服务，子信道的分配随 着时隙的变化而变化。给用户分配子信道的原则就是必须考虑时变信道的可靠性和用户的 积压，并且保证用户的服务质量。
[0004] 由于无线资源是有限的，而用户的需求相对是无限的，并且由于无线信道的时变 性，所以合理的子信道分配算法对于提高系统的吞吐量和用户的稳定性具有重要的作用， 学术界和业界对此都非常关注。近些年来，致力于LTE无线网络下行链路的子信道分配算法 的研究越来越多，主要的研究成果有（1)最大权重(MaxWeight algorithm)分配算法（参见 文献L. Ying, R. Srikant, A. Eryilmaz, and G. Dullerud,"A large deviations analysis of scheduling in wireless networks,，' IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 52, no. 11, pp. 5088 -5098, Nov. 2006.):此算法使系统的吞吐量最佳化，其主要思想就是将所有可用的服务 器都分配给最长的队列，可以任意打破服务器和其它队列之间的连接关系。虽然此算法 使系统的吞吐量最佳化，但是却导致了很大的延迟。对具有大量服务器的系统来说，这 种分配政策不能保证良好的负载均衡。（2)最长队列迭代优先（iLQF)分配算法（参见 文献 S. Bodas, S. Shakkottai, L. Ying, and R. Srikant, "Scheduling in multi-channel wireless networks:Rate function optimality in the smal 1-bufferregime,，'in Proc. SIGMETRICS/Perfor mance Conf.，Jun. 2009, pp. 121 - 132):此算法的核心思想就是首先 将用户队列和可用的服务器组成一个二分图，信道可靠性就是节点之间的连边。在给定的 循环里首先找到此二分图的最大基数匹配，根据匹配来给用户分配服务器，此算法虽然是 吞吐量最佳化但是算法的复杂度却很高。（3) SSG (Server-Side Greedy)调度算法，此算法 是首先根据新到达的数据包来更新用户队列矩阵，然后再搜索权重最大的用户队列，断开 小队列的连接，将服务器分配给权重最大的队列，继续更新队列继续循环迭代。此算法和最 大权重算法相比在一定程度保证了良好的负载均衡。
[0005] 衡量LTE无线网络下行链路的子信道分配算法的两个最重要的性能指标就是网 络吞吐量、延迟，通过大量的调研发现现有子信道分配算法都没有在吞吐量和延迟之间做 到很好的均衡。因此，设计一个高性能的并且在吞吐量和延迟之间有很好的均衡算法成为 了一个至关重要的挑战。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种LTE下行链路中均衡吞吐量和延迟的资源 分配方法，该方法采用李雅普诺夫最优化的理论设计调度算法，充分利用了用户队列的积 压信息和每个调度时隙开始的信道状况来做各种控制决定，既维持了网络的稳定性，将队 列积压降低到一个最小的阻塞状态，又在基于吞吐量的网络效用和延迟之间做了一个很好 的均衡，提高了整体的网络性能。
[0007] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] -种LTE下行链路中均衡吞吐量和延迟的资源分配方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一：构建李雅普诺夫函数（Lyapunov function) L(t)，用其来衡量网络阻塞的 标量；将每个时隙所有队列的平方和定义为李雅普诺夫函数L(t)，如果L(t)很小，则所有 的队列都很小，如果L(t)很大，则至少有一个队列很大；
[0010] 步骤二：计算李雅普诺夫漂移（Lyapunov drift) : A (t) = L(t+l)_L(t)，表示李 雅普诺夫函数从一个时隙到下一个时隙的差；如果在每个时隙做控制决定，贪婪的最小化 A (t)，这样可以将队列积压降低到一个最小的阻塞状态，维持了网络的稳定性；
[0011]步骤三：构建 drift-plus-penalty, A (t)+VXpenalty (t);构造一个基于吞吐量 的网络效用函数，将此效用函数映射为合适的罚函数penalty (t)，在每个时隙做控制决定 贪婪的减少A (t)+VXpenalty(t)，V是一个非负的系统控制参数，用来均衡队列积压的减 少量和罚函数的减少量，从而既维持了网络的稳定性，将队列积压降低到一个最小的阻塞 状态减少了延迟，又提高了基于吞吐量的网络效用，优化了网络的整体性能。
[0012] 本发明的有益效果在于：本发明通过李雅普诺夫最优化的理论设计的调度算法， 充分利用了用户队列的积压信息和每个调度时隙开始的信道状况来做控制决定使李雅普 诺夫漂移与基于网络效用的罚函数之和贪婪的最小化，这样既维持了网络的稳定性，将队 列积压降低到一个最小的阻塞状态，又提高了吞吐量，还可以调整系统参数V在基于吞吐 量的网络效用和延迟之间做了一个很好的均衡，提高了整体的网络性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0014] 图1为本发明中资源分配模型示意图；
[0015] 图2为本发明中资源分配模型的网络模型示意图；
[0016] 图3为本发明中资源分配算法的子信道分配示意图；
[0017]图4为本发明所述方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0019] 图4为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述方法具体包括以下 步骤：
[0020] 步骤一：构建李雅普诺夫函数（Lyapunov function) L(t)，用其来衡量网络阻塞的 标量；将每个时隙所有队列的平方和定义为李雅普诺夫函数L(t)，如果L(t)很小，则所有 的队列都很小，如果L(t)很大，则至少有一个队列很大；
[0021]步骤二：计算李雅普诺夫漂移（Lyapunov drift):A (t) = L(t+l)_L(t)，表示李 雅普诺夫函数从一个时隙到下一个时隙的差；如果在每个时隙做控制决定，贪婪的最小化 A (t)，这样可以将队列积压降低到一个最小的阻塞状态，维持了网络的稳定性；
[0022] 步骤三：构建 drift-plus-penalty, A (t)+VXpenalty (t);构造一个基于吞吐量 的网络效用函数，将此效用函数映射为合适的罚函数penalty (t)，在每个时隙做控制决定 贪婪的减少A (t)+VXpenalty(t)，V是一个非负的系统控制参数，用来均衡队列积压的减 少量和罚函数的减少量，从而既维持了网络的稳定性，将队列积压降低到一个最小的阻塞 状态减少了延迟，又提高了基于吞吐量的网络效用，优化了网络的整体性能。
[0023] 图1为本发明中资源分配模型示意图，如图所示，eNodeB为每个用户维持数个缓 冲区，在每个传输间隔中，包调度者根据终端用户的信道质量报告和资源分配算法，决定哪 一个用户分配多少资源。在这个系统中，一个用户可能分配一个资源块、多个资源块或不分 配资源块。
[0024] 图2为从网络的角度看本发明中资源分配模型的抽象示意图。从网络的角度来 说，LTE无线网络下行链路系统的资源分配模型可以转换为一个多用户多服务器系统，每 个服务器就代表一个子信道，在每个时隙一个给定的服务器只能为一个用户服务。由于信 道的衰落，每个用户和服务器之间的连接是随着时间而变化的，如果一个用户和一个服务 器之间在时隙t是连接的，则表示这个服务器所代表的子信道在时隙t状态良好。图中有 n个用户的缓冲队列和m个服务器，（^表示要发送给第i个用户的数据包存储队列，其中 i e {1，...，n}，化(t)表示在时刻t到达队列i的数据包的个数，S」表示第j个服务器，其 中j G {1，...，m}，用户队列的动态更新方程为：
【权利要求】
1. 一种LTE下行链路中均衡吞吐量和延迟的资源分配方法，其特征在于：包括W下步 骤： 步骤一：构建李雅普诺夫函数L(t)，用其来衡量网络阻塞的标量；将每个时隙所有队 列的平方和定义为李雅普诺夫函数L(t)，如果L(t)很小，则所有的队列都很小，如果L(t) 很大，则至少有一个队列很大； 步骤二；计算李雅普诺夫漂移：A (t) = L(t+1)-L(t)，表示李雅普诺夫函数从一个时 隙到下一个时隙的差；如果在每个时隙做控制决定，贪婪的最小化A (t)，该样可W将队列 积压降低到一个最小的阻塞状态，维持了网络的稳定性； 步骤H;构建化ift-plus-penalty, A(t)+VXpenalty(t);构造一个基于吞吐量的网 络效用函数，将此效用函数映射为合适的罚函数penalty (t)，在每个时隙做控制决定贪婪 的减少A (t)+VXpenalty(t)，V是一个非负的系统控制参数，用来均衡队列积压的减少量 和罚函数的减少量，从而既维持了网络的稳定性，将队列积压降低到一个最小的阻塞状态 减少了延迟，又提高了基于吞吐量的网络效用，优化了网络的整体性能。
【文档编号】H04W72/04GK104469851SQ201410809216
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月23日 优先权日:2014年12月23日
【发明者】刘期烈, 熊晓玲, 冯志宇, 李云, 曹傧 申请人:重庆邮电大学