專利名稱：：在ofdma系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法
技術領域：
：本發明涉及一種用于OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，屬于無線通信中的資源調度
技術領域：
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背景技術：
：隨著無線通信技術的不斷發展，無線網絡與Internet的融合成為今后通信發展的主流趨勢，傳統的以電路交換業務為主的蜂窩網已經開始沿著全IP的網絡結構不斷發展。在這樣的網絡結構中，全部業務都將基于分組交換，所有數據包都需要由系統統一進行調度。資源調度對于保障無線通信系統的性能起著關鍵性的作用。一方面，從系統吞吐量來看，考慮到不同用戶所處的地理環境的差異，要盡量將資源分配給信道狀況較好的用戶，實現對無線資源的有效利用；另一方面，要保證各類用戶不同的服務質量QoS(Quality-of-Service)要求，實現資源公平、合理的分配。在分組網絡中，最主要的QoS要求之一體現在業務數據包對時延的容忍程度，按照這一原則，通常將一般的分組數據業務劃分為實時業務和非實時業務。實時業務對數據包的時延比較敏感，如VOIP(VoiceoverIP)、視頻流等業務，但是此類業務對丟包率沒有嚴格的要求，傳輸層一般采用UDP(UserDatagramProtocol)協議；非實時業務對時延要求較低，如FTP、HTTP等業務，對于此種類型的業務，需要嚴格保證數據傳送的可靠性，所以傳輸層一般采用TCP(TransferControlProtocol)協議。本發明主要考慮非實時業務的調度。由于具有良好的抗頻率選擇特性，OFDM(正交頻分復用)技術已經成為解決下一代無線寬帶接入的主流技術之一，并且已經被3GPPLTE(Longtermevolution)、IEEE802.16等各大標準采納為物理層關鍵技術。以OFDM為基礎的正交頻分多址OFDMA技術可以實現小區內各用戶之間的正交性，從而有效地避免了用戶間干擾。在正交頻分多址OFDMA系統中，將整個頻帶劃分為若干近似平坦衰落的子帶，在同一個傳輸時間間隔TTI(Transmissiontimeinterval)內，可以同時選取多個用戶利用不同的頻帶進行數據傳輸。與單載波系統相比，從系統角度來看，在調度過程中，除了可以利用用戶信道狀況的時域特性獲得一定的多用戶分集增益，OFDMA系統的多信道并行傳輸特性還進一步在頻域拓展了多用戶分集增益的空間。從用戶角度來看，由于利用不同的頻段進行數據傳輸，可以獲得一定的頻率分集增益，結合一定的頻域交織及糾錯編碼技術，可以大大提高數據傳輸的可靠性。針對無線網絡的資源調度問題，尤其是單載波系統，已經有大量的研究成果，其中最具有代表性的三種算法是最大載干比(MaxC/I)算法，輪詢(Roundrobin)算法和比例公平(Proportionalfair)算法。在最大載干比算法中，在每一個調度時刻，系統都選取當前信道狀況最好的用戶進行數據傳輸，這種調度機制能夠極大地提高系統的吞吐量，具有良好的有效性；但是存在極大的不公平性，因為大部分離基站較遠的用戶由于接收信號的載干比較低，基本上得不到數據傳輸的機會。輪詢算法依次調度系統中的用戶進行數據傳輸，嚴格保證了資源分配的公平性，但是由于沒有考慮用戶的信道狀況，很可能將資源分配給信道狀況非常惡劣的用戶，不能夠實現對無線資源的有效利用。所以，在實際的調度過程中，要兼顧系統與用戶的要求，必須對資源分配的有效性和公平性進行折中處理。為實現這一目標，IS-95/CDMA20001xHDR(Highdatarate)系統首先引入比例公平算法(″CDMA/HDRAbandwidthefficienthighspeeddataservicefornomadicusers″，IEEEComm.Magazine，July，2000.)。關于比例公平，在經濟學上已經給出了嚴格的定義。對于任何一種無線網絡資源的調度算法S，當算法P滿足Σ(Ri(S)-Ri(P))/Ri(P)≤0,i∈U]]>時，即達到了比例公平的目標，此時系統中任何一個用戶性能的提高必然導致系統整體性能的下降。其中U表示系統中的用戶集合，Ri(S)，Ri(P)分別表示采用調度算法S，P時，用戶i的數據速率。此外，比例公平的基本目標是使目標函數∑log(Ri(S))，i∈U達到最大，其中效用函數log(□)用于反映用戶對數據傳輸速率的滿意程度；上述目標函數就是要使系統中所有用戶的效用之和達到最大。對于單載波系統，要達到上述目標，在每一個調度時刻，需要按照j=argmaxiri/Ri‾,]]>i∈U來選取用戶j進行數據傳輸，其中ri表示用戶i當前支持的最大數據速率，表示用戶i達到的平均數據速率。比例公平算法在利用用戶信道狀態信息的同時，考慮了每個用戶實際的數據傳輸速率，盡量保證在用戶信道狀況相對較好的情況下傳輸數據，既體現了用戶之間的公平性，又在一定程度上實現了無線資源的有效利用。一般情況下，單載波系統HDR在同一個調度時刻，只有一個用戶進行數據傳輸。而在OFDMA系統中，由于將整個頻帶劃分為多個并行傳輸的子帶，在同一時刻可以有多個用戶傳輸數據。所以在調度過程中，不僅要考慮信道狀況的時域特性，還需要體現出信道的頻率選擇性。多載波條件下的比例公平通過P=argmaxSΠi∈U(1+Σk∈Ciri,k/(T-1)Ri‾),]]>i∈U實現最優解(參見《Aproportionalfairschedulingformulticarriertransmissionsystems》，刊于IEEECommun.Lett.，vol.9，no.3，pp.210-212，Mar.2005.)，其中ri，k表示當前時刻用戶i在子帶k支持的最大數據速率，表示用戶的平均數據速率，T表示用戶平均數據速率的更新周期，在一定程度上反映了算法對信道狀態變化的敏感程度，若T較小，對信道的變化比較敏感，反之亦然。從上式可看出，多載波條件下比例公平的最優解問題是一個組合優化問題，由于該問題的組合膨脹特性，實現的復雜度較高，難以在工程中實現。一種比較簡單的C-MC-PFS(Conventionalmulti-carrierproportionalfairscheduling)算法(參見《SystemlevelperformanceofOFDMAforwardlinkwithproportionalfairscheduling》，刊于inProc.IEEEPIMRC，vol.2，Sept.2004，pp.1384-1388.)比較容易在實際系統中實現，該算法是HDR系統中的比例公平算法在多載波系統中的一個簡單擴展。在每一調度時刻，依次為各個頻帶按照k(n)＝argmaxkrk，n(t)/Rk′(t)選擇用戶，即在用戶信道狀況較好的時候傳輸數據，其中rk，n(t)表示用戶k在頻帶n上支持的數據速率，Rk′(t)表示截至t時刻用戶k的平均數據速率。該算法通過簡單實用的擴展實現了多載波系統的比例公平，對于本發明有較大的參考價值。由于比例公平算法不考慮具體的QoS要求，一般適用于非實時業務，如FTP、HTTP等。此類業務對數據包的時延沒有嚴格的要求，但是需要在傳輸層使用TCP協議來保證傳輸的可靠性。TCP通過超時重傳或快速重傳來降低業務的丟包率，當發送端在預先設定的重傳超時時間RTO(RetransmissionTimeout)內沒有收到所發出的數據包的正確應答信號，就認為該數據包在網絡中已經丟失，需要在發送端進行重傳。RTO是根據已經傳輸的數據包的回程時間RTT(Roundtriptime)估算得到的，在一定程度上反映了當前的網絡帶寬，所以如果數據包之間的RTT變化比較劇烈，就很難估算后續數據包的RTO。如果估算值過小，將會頻繁地引起不必要的重傳，浪費系統帶寬；反之，則會造成發送端過長的等待，極大地影響了用戶的數據速率。在蜂窩網中，數據包的時延主要包括兩部分接入網時延和核心網時延。接入網時延主要決定于系統所采用的無線資源管理策略，核心網時延主要決定于路由器所采用的排隊策略及網絡的負載狀況。本發明主要考慮接入網部分的調度算法對數據包時延特性的影響。傳統的C-MC-PFS在考慮用戶信道狀況的同時，保證了用戶吞吐量之間的協調，對資源利用的有效性和公平性進行了很好的折中處理。但是由于用戶信道狀況的動態變化，極有可能造成用戶資源分配的不穩定，從而引起數據包時延的不穩定，造成傳輸層性能的惡化。
發明內容有鑒于此，本發明的目的是提供一種用于OFDMA系統中保證非實時業務的數據包時延穩定性的調度方法，該方法能夠為傳輸層提供比較平滑的數據速率，并能夠較好地保持C-MCPFS算法的有效性和公平性。為了達到上述目的，本發明提供了一種用于正交頻分復用多址OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于該方法通過對多載波系統中使用的傳統多載波比例公平調度C-MC-PFS(conventionalmulti-carrierproportionalfairnessscheduling)算法的時延抖動性能進行改進，來完成對頻率資源的分配；所述方法包括下列步驟(1)準備階段劃分頻域和時域資源，以及資源調度的最小單位，確定調度周期，并且確立功率資源分配和所采用的自適應調制編碼方案的原則；(2)信道狀態信息反饋階段為了獲知用戶當前在每個資源塊RB上可支持的數據速率，利用移動臺的上行反饋信道傳輸信道狀態信息，即對每個RB上的載干比進行多比特量化，并對量化信息進行反饋，且在反饋過程中，要兼顧反饋的精度和效率；(3)RB資源分配階段在每個調度時刻，根據用戶的信道狀態信息、已經傳輸的數據速率、已傳數據包的時延信息和當前傳輸時間間隔TTI內用戶已分配到的RB數目，分別對每個RB計算用戶的優先級，然后將RB分配給優先級最高的用戶；即在C-MC-PFS算法基礎上引入數據包時延信息，以便根據用戶已經傳輸的數據包的時延以及當前數據包所經歷的時延來調節用戶的優先級，更好地控制時延抖動；(4)數據傳輸階段在每一個TTI內，當所有的RB都分配好后，根據用戶分配到的各個RB上的信道狀況計算等效信噪比，由此選擇合適的調制編碼方式；然后根據所選調制編碼方式的效率計算用戶當前TTI內可傳送的數據量，并將用戶數據映射到相應的RB上，再更新用戶的平均數據傳輸速率；(5)數據包時延估計階段在比例公平的條件約束下，根據用戶已經傳送的數據包的時延信息，在當前信道狀態下，估算用戶傳送下一個數據包所需要的時間，用于在后續的調度過程中控制數據包的時延；該時延反映了用戶當前的實際傳輸能力，能夠在保持比例公平性能基礎上控制數據包的時延。所述步驟(1)進一步包括下列操作內容將OFDMA系統相鄰的若干個子載波劃分為一個子帶，在時域上設置數量為大于1的自然數N個OFDM符號構成一個子幀，則頻域上的一個子帶和時域上的N個符號間隔構成一次資源調度的最小單位-資源塊RB(Resourceblock)；在每個傳輸時間間隔TTI進行時延穩定性能的調度，即在每個子幀內執行一次調度；在同一個調度時刻，一個RB只分配給一個用戶，且每個用戶分配到的各個RB都采用相同的編碼調制方式，每個子帶上以平均分配方式進行功率分配和不考慮重傳數據包。所述步驟(2)進一步包括下列操作內容在每個傳輸時間間隔TTI內，移動臺測量每個RB上的平均載干比SINR(Signaltointerferenceandnoiseratio)，并采用多比特進行量化，其中多比特的個數N為自然數，可按照SINR的分布情況進行靈活選取，反饋頻率取決于信道變化的快慢程度，要盡量減小上行的信令開銷和移動臺的功耗，并在反饋的精度和效率之間選取較好的折中。所述多比特量化的比特個數N為4，即每個RB上的SINR采用4比特量化，用于代表信道的16種狀態，并由移動臺進行反饋。所述步驟(3)進一步包括下列操作內容(31)根據用戶當前時刻在每個RB上支持的數據速率和已經傳輸的平均數據速率，以及當前正要傳送的數據包所經歷的時延，來控制數據包之間的時延抖動，為此對尚未分配的RB計算用戶的優先級，再將這些RB分配給優先級最高的用戶；其中用戶優先級的計算公式，即第m個RB上的優先級最高的第j個用戶的選擇準則為j=argmaxi(exp(DH,i-DE,iDE,i))a(max(1,OPi))b×ri,m(t)Ri′(t),]]>式中，DH，i為第i個用戶當前正在傳送的數據包的時延，DE，i是根據已經傳送的數據包的時延估計出的傳送下一個數據包所需要的時間，OPi是在當前TTI內第i個用戶已經占用的RB的數目，a，b分別為抖動控制因子和資源占用控制因子的權重系數，自然數i、j分別是用戶序號，ri，m(t)是第i個用戶在第m個RB上支持的數據速率，Ri′(t)是設定的一段時間內第i個用戶的平均傳輸速率，其計算公式為Ri′(t)=(1-1Tc)×Ri′(t-1)+1Tc×ri,]]>式中，ri為當前TTI內，當所有RB分配完畢后，用戶根據所分配的所有RB上的信道狀況進行自適應調制編碼AMC(Adaptivemodulationandcoding)后計算得到的傳輸速率；Tc是用于反映用戶平均數據速率更新快慢的參數，該參數既要體現出信道狀態的變化，又要保證設定時間內資源分配的公平性，通常設置為1000(TTI)；(32)控制同一個TTI內的資源分配公平性為防止用戶在一個TTI內過多占用RB資源，引入資源占用控制因子(max(1，OPi))b，每當用戶分配到一個RB，則在對后續RB計算優先級的過程中，要降低該用戶的優先級；即若第i個用戶在第m個RB上的優先級最高，則更新OPi，OPi＝OPi+1，使得該分配到一個RB的第i個用戶在分配下一個RB時，該用戶的優先級有所降低；如果當前TTI內所有RB都已分配完，則轉入下一步驟(4)，否則返回步驟(31)，繼續分配剩余的RB資源。所述優先級計算公式中的抖動控制因子JCF(JitterControlFactor)是(exp((DH，i-DE，i)/DE，i))a，用于控制數據包之間的時延抖動；若當前正要傳送的數據包的時延小于估算的時延，則降低用戶的優先級，反之，則提高其優先級。所述抖動控制因子JCF對控制數據包之間的時延抖動起著重要作用，在用戶優先級的計算公式j=argmaxi(exp(DH,i-DE,iDE,i))a(max(1,OPi))b×ri,m(t)Ri′(t)]]>中，抖動控制因子的權重系數a的數值大小直接決定時延抖動性能的好壞，a的數值是根據實際需要設置為0.01、0.03、0.05或其它數值，若對時延抖動的要求嚴格，需要增大a的值；反之，減小a的值。所述步驟(4)進一步包括下列操作內容(41)對于每個分配到RB的用戶根據信道狀況進行自適應調制編碼在工程實踐中，為容易實現和減少信令開銷，對每個用戶的所有RB采用相同的調制編碼方式；由于每個RB上的SINR不同，先要根據信道容量公式為每個用戶計算等效信噪比SNREi=21KiΣj=1Kilog2(1+SINRi,j)-1,]]>式中，SNREi為第i個用戶的等效信噪比，SINRi，j為第i個用戶在第j個RB上的載干比，Ki為第i個用戶分配到的RB的個數；然后根據上述等效信噪比選擇相對應的調制編碼方式；(42)根據所選擇的編碼調制方式計算當前TTI用戶的數據傳輸速率ri＝η×Ki×M×N/TTI，其中，η為調制編碼的效率，即每個載波上所承載的信息比特數，Ki為第i個用戶分配到的RB的個數，M為每個RB上子載波的數目，N為每個TTI所包含的OFDM符號數；再利用該當前用戶的數據傳輸速率ri和上述步驟(31)的計算公式對設定時間內該用戶的平均數據傳輸速率Ri′(t)進行更新。所述步驟(5)進一步包括下列操作內容設用戶i當前數據包已傳送的比特數為Bitsri，完整數據包的數量為Bitsp，按照下述公式更新BitsrBitsri＝mod(Bitsri+η×Ki×M×N，Bitsp)，式中，mod表示取模運算；若Bitsri滿足下式(Bitsri+η×Ki×M×N)/Bitsp≥1，表示當前數據包已經傳送完畢，并且進入下一個數據包的傳輸；再根據下述公式來估算傳送下一個數據包所需要的時延DE,i=(1-1Su)×DE,i′+1Su×DH,i′,]]>式中，DE，i為估算出的下一個數據包的傳輸時延，DE，i′為傳送完上一個數據包估算出的時延，DH，i′為當前傳送完的數據包所經歷的時延，Su為反映時延更新速度的時延的更新參數。所述估算傳送下一個數據包所需要的時延的計算公式中的時延的更新參數Su的數值不宜過小，以避免后續數據包的時延跟蹤困難，但數值也不宜過大，以體現出用戶信道狀況的變化，通常Su的取值為2000(TTI)。綜合上述，本發明是一種借助C-MC-PFS的基本思想，針對非實時業務，為OFDMA系統提供的保障數據傳輸速率穩定性的調度方法。本發明的調度方法在調度的過程中考慮了用戶的信道狀況和業務的實際傳送速率，保持了良好的比例公平特性。該方法的創新之處主要有兩點一是引入一定的時延控制機制，若當前正要傳送的數據包的時延小于估算的時延，就降低用戶的優先級；反之，就提高優先級，能夠很好地控制數據包之間的時延抖動的范圍。另一創新點是引入數據包時延的估算，在比例公平原則的約束下，利用已經傳輸的數據包的時延信息，估算出傳送下一個數據包所需要的時延，用于反映用戶在當前信道的傳輸能力，也就是利用估算出的時延來控制后續數據包的時延抖動，從而能夠很好地保持傳統的比例公平算法的特性。通過本發明實施例的仿真試驗結果可以看出，本發明的調度方法不但使數據包的時延抖動性能有了大幅度的改善，且與傳統的比例公平算法相比較，有效性和公平性方面的性能都沒有明顯的下降。因此，本發明具有很好的推廣應用前景。圖1是本發明用于OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法的實現流程方框圖。圖2是本發明用于OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法的吞吐量性能比較示意3是本發明用于OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法的時延抖動性能比較示意4～圖6分別是代表距離基站三種不同地理位置的用戶數據包時延的分布情況示意圖具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例仿真情況對本發明作進一步的詳細描述。參見圖1，介紹本發明用于OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法的五個操作步驟或階段(1)資源劃分、參數初始化的準備階段劃分頻域和時域資源，以及資源調度的最小單位，確定調度周期，并且確立功率資源分配和所采用的自適應調制編碼方案實施的基本原則；具體內容是將OFDMA系統相鄰的若干個子載波劃分為一個子帶，在時域上設置數量為大于1的自然數N個OFDM符號構成一個子幀，則頻域上的一個子帶和時域上的N個符號間隔構成一次資源調度的最小單位-資源塊RB；在每個傳輸時間間隔TTI進行時延穩定性能的調度，即在每個子幀內執行一次調度；在同一個調度時刻，一個RB只分配給一個用戶，且每個用戶分配到的各個RB都采用相同的編碼調制方式，每個子帶上以平均分配方式進行功率分配和不考慮重傳數據包。(2)信道狀態信息反饋階段利用移動臺的上行反饋信道傳輸信道狀態信息，獲知用戶當前在每個資源塊RB上可支持的數據速率，再對每個RB上的載干比進行多比特量化和反饋；且在反饋過程中，要兼顧反饋的精度和效率；具體內容是在每個傳輸時間間隔TTI內，各個移動臺根據下行導頻測量每個子載波上的SINR，計算得到每個RB上的平均載干比SINR，并對SINR采用4比特量化，代表RB的16種信道狀態，然后移動臺根據實際需要和終端能力反饋所有或部分RB上的SINR及對應RB的標識ID。反饋頻率取決于信道的快慢程度，要盡量減小上行的信令開銷和移動臺的功耗，并在反饋的精度和效率之間選取較好的折中。(3)RB資源分配階段在每個調度時刻，根據用戶的信道狀態信息、已經傳輸的數據速率、已傳數據包的時延信息和當前傳輸時間間隔TTI內用戶已分配到的RB數目，分別對每個RB計算用戶的優先級，然后將RB分配給優先級最高的用戶(或按照用戶優先級的高低將RB分配給不同的用戶)；即在C-MC-PFS算法基礎上引入數據包時延信息，以便根據用戶已經傳輸的數據包的時延來調節用戶的優先級，更好地控制時延抖動；作為調度的信息，需要將用戶在每個RB上的SINR換算成最大可支持的數據傳輸速率，本發明建議采用較精確的信息論信道容量的計算方法。然后依次為每個RB選擇優先級最大的用戶進行數據傳輸。優先級計算公式中的抖動控制因子JCF(exp((DH，i-DE，i)/DE，i))a對控制數據包之間的時延抖動起著關鍵性的作用。若當前正要傳送的數據包的時延小于估計的時延，適當降低用戶的優先級；反之，就提高優先級。優先級計算中的抖動控制因子的權重參數a的大小直接決定了時延抖動性能的好壞。a可根據實際的需要進行設置，例如0.01、0.03、0.05等；若對時延抖動的要求比較嚴格，需要增大a的值。當然，穩定的數據包時延是以一定的吞吐量的損失為代價的。優先級計算中的資源占用控制因子權重參數b設置為1。它是為了避免某一用戶在一個調度時刻過多的占用頻帶資源，而為每個用戶在一個TTI內可分配的頻帶資源設置的一個上限。本發明所采用的辦法是在優先級的計算中引入資源占用控制因子(max(1，OPi))b，即每當用戶i分配到一個頻段，OPi就會增加1，在分配下一個RB時，用戶i的優先級就會有所降低，這樣在一定程度上保證了在同一個調度時刻頻域資源分配的公平性。(4)數據傳輸階段在每一個TTI內，當所有的RB都分配好后，將用戶數據映射到相應的RB上；再根據用戶分配到的各個RB上的信道狀況計算等效信噪比，由此選取合適的調制編碼方式，并根據所選調制編碼方式的效率計算用戶當前TTI內可傳送的數據量，然后更新用戶的平均數據傳輸速率；若在當前TTI內所有RB已經分配完成，需要為每個被調度的用戶根據各個RB的信道狀況計算可以傳送的數據量，此時首先要選擇調制編碼方式。在實際通信系統中，考慮到工程實現的復雜度和避免過多的信令開銷，一般對同一用戶的所有RB采用相同的調制編碼方式，所以需要根據單個用戶所有RB上的載干比計算出等效信噪比(可由操作步驟(41)中的計算公式得到)。再根據計算得到的等效信噪比，查詢下面的表1，選擇相對應的合適的調制編碼方案，計算當前TTI內可以傳送的數據量和瞬時數據速率，并且根據操作步驟(31)中的平均數據速率的計算公式更新用戶的平均數據速率。其中參數Tc反映了用戶數據速率更新的快慢，既要體現出信道狀態的變化，又要保證一定時間內資源分配的公平性，參數Tc一般設置為1000(TTI)。表1調制編碼方案(5)數據包時延估計階段在比例公平的條件約束下，根據用戶已經傳送的數據包的時延信息和在當前信道狀態下，估算用戶傳送下一個數據包所需要的時間，用于在后續的調度過程中控制數據包的時延；該時延反映了用戶當前的實際傳輸能力，能夠在保持比例公平性能基礎上控制數據包的時延。根據操作步驟(42)計算得到在所選擇的調制編碼方式下用戶在當前TTI內可以傳送的數據量，再在該步驟計算更新當前數據包已經傳輸的比特數。若判斷當前數據包已經傳送完畢，則進入下一個數據包的傳輸，并根據公式DE,i=(1-1Su)×DE,i′+1Su×DH,i′]]>估算傳送下一個數據包所需要的時間。數據包時延的估計和測算對保持比例公平的特性和控制時延抖動有很重要的作用。在比例公平原則的約束下，估計出傳送下一個數據包所需要的時延，反映了用戶在當前信道的傳輸能力，為后續數據包的傳輸時延的控制提供了很有價值的信息。上述公式中的Su為時延的更新參數，反映了時延更新的速度。Su的更新不宜過快，因為會造成后續數據包的時延跟蹤困難，另一方面，又要體現出用戶信道狀況的變化，Su的取值一般為2000(TTI)。參見圖2和圖3，介紹本發明的一個試驗的實施例情況，并將本發明中提出的數據包穩定時延比例公平(SD-PF，stablerate-proportionalfair)的調度方法與C-MC-PFS算法的性能進行比較。假設一個10M帶寬的OFDMA系統中，可用的數據自載波數目為600，分成24個子帶，每個子帶有25個子載波，每個TTI由7個OFDM符號組成，參數b選取1，Tc選1000，Su選2000，a依次選取0.01、0.03、0.05來對性能進行比較。各個移動臺向基站發送下行信道狀態信息。首先，在每個TTI內，移動臺通過下行導頻測量各個RB上的平均載干比，然后根據信道狀態變化的快慢、實際的業務需求以及移動臺自身的能力來反饋各個RB上的信息，如果信道變化較快，可以盡量縮減反饋周期；若業務量較大，可以反饋較多的RB信息。表1給出了各種調制編碼方案選取的門限值，在每個TTI內，當根據上述準則計算完各個RB上的優先級之后，得到RB的移動臺根據所分配的各個RB上的載干比而計算得到等效信噪比，再根據表1所規定的門限值選取合適的調制編碼方式。選取傳輸方案后，發送端根據所選擇的調制編碼方式的效率計算當前TTI內可以傳送的數據量，并且更新平均數據速率，沒有被調度的用戶同樣需要更新此項參數，只是更新過程中瞬時數據速率設置為0。當判斷用戶在當前TTI內傳送完一個數據包，需要更新包的估計時延，用于在后續調度過程中控制數據包的時延抖動。參見圖3所示的傳統的比例公平方式和本發明方法在不同的權重參數a的情況下時延抖動性能的比較示意圖，為了對時延抖動做出直觀的評價，定義了時延抖動指示DVI(delayvariationindicator)的計算公式DVIi,j=(Di,j-Di‾)/Di‾,]]>其中，DVIi，j表示第i個用戶第j個數據包的時延抖動指示，Di，j表示第i個用戶第j個數據包的時延，表示第i個用戶所有數據包的平均時延。根據試驗的實施例仿真結果可以看出，如果采用傳統的比例公平算法(性能曲線用密集的細虛線表示)，數據包之間的時延波動比較劇烈；如果采用本發明的調度方法，隨著a的值不斷增大，數據包的時延趨于平滑。這對于傳輸層的TCP控制有著至關重要的作用。如果時延抖動過于劇烈，TCP很難估計后續數據包的傳輸超時時間RTO，如果估計得過小，將會頻繁地引起不必要的重傳，浪費系統帶寬；反之，則會造成發送端過長的等待，極大地影響了用戶的數據速率，從而帶來系統性能的下降。參見圖4～圖6，這三個圖分別給出了地理位置不同的三個用戶采用不同調度方法時的數據包時延分布。其中圖4代表離基站比較近的用戶，圖6表示小區的邊緣用戶，圖5代表的用戶介于上述兩者之間。可以看出，采用傳統的比例公平算法，時延分布范圍較大，采用本發明的調度方法，隨著權重參數a的數值增大，時延分布趨于集中。由于對時延抖動的控制，在一定程度上損失了用戶及系統的吞吐量，這一點可以從圖2中看出。所以隨著a的增大，由于用戶平均速率的降低，數據包的平均時延會有所增加，時延分布會相應地向右偏移。從下面的表2可以看出，系統吞吐量的損失并不顯著，與傳統的比例公平算法相比較，當a為0.05時，吞吐量的損失不到18％，而此時時延抖動性能有了很大程度的改善，這對于TCP層數據速率的保證有著很重要的意義，因為劇烈的時延抖動帶來的頻繁重傳會引起上層業務數據包吞吐量的嚴重降低，所以犧牲一定的鏈路層的吞吐量來換取相對穩定的數據包時延是很有意義的。表2系統吞吐量比較總之，本發明的調度方法在保持有效性和公平性的基礎上，通過在其實現步驟中引入一定的時延抖動控制機制，在很大程度上降低了時延變化的動態范圍，能夠為傳輸層提供比較平滑的數據速率，并且實現簡單，具有較高的工程應用價值。權利要求1.一種用于正交頻分復用多址OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于該方法通過對多載波系統中使用的傳統多載波比例公平調度C-MC-PFS算法的時延抖動性能進行改進，來完成對頻率資源的分配；所述方法包括下列步驟(1)準備階段劃分頻域和時域資源，以及資源調度的最小單位，確定調度周期，并且確立功率資源分配和所采用的自適應調制編碼方案的原則；(2)信道狀態信息反饋階段為了獲知用戶當前在每個資源塊RB上可支持的數據速率，利用移動臺的上行反饋信道傳輸信道狀態信息，即對每個RB上的載干比進行多比特量化，并對量化信息進行反饋，且在反饋過程中，要兼顧反饋的精度和效率；(3)RB資源分配階段在每個調度時刻，根據用戶的信道狀態信息、已經傳輸的數據速率、已傳數據包的時延信息和當前傳輸時間間隔TTI內用戶已分配到的RB數目，分別對每個RB計算用戶的優先級，然后將RB分配給優先級最高的用戶；即在C-MC-PFS算法基礎上引入數據包時延信息，以便根據用戶已經傳輸的數據包的時延以及當前數據包所經歷的時延來調節用戶的優先級，更好地控制時延抖動；(4)數據傳輸階段在每一個TTI內，當所有的RB都分配好后，根據用戶分配到的各個RB上的信道狀況計算等效信噪比，由此選擇合適的調制編碼方式；然后根據所選調制編碼方式的效率計算用戶當前TTI內可傳送的數據量，并將用戶數據映射到相應的RB上，再更新用戶的平均數據傳輸速率；(5)數據包時延估計階段在比例公平的條件約束下，根據用戶已經傳送的數據包的時延信息，在當前信道狀態下，估算用戶傳送下一個數據包所需要的時間，用于在后續的調度過程中控制數據包的時延；該時延反映了用戶當前的實際傳輸能力，能夠在保持比例公平性能基礎上控制數據包的時延。2.根據權利要求1所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述步驟(1)進一步包括下列操作內容將OFDMA系統相鄰的若干個子載波劃分為一個子帶，在時域上設置數量為大于1的自然數N個OFDM符號構成一個子幀，則頻域上的一個子帶和時域上的N個符號間隔構成一次資源調度的最小單位-資源塊RB；在每個傳輸時間間隔TTI進行時延穩定性能的調度，即在每個子幀內執行一次調度；在同一個調度時刻，一個RB只分配給一個用戶，且每個用戶分配到的各個RB都采用相同的編碼調制方式，每個子帶上以平均分配方式進行功率分配和不考慮重傳數據包。3.根據權利要求1所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述步驟(2)進一步包括下列操作內容在每個傳輸時間間隔TTI內，移動臺測量每個RB上的平均載干比SINR，并采用多比特進行量化，其中多比特的個數N為自然數，可按照SINR的分布情況進行靈活選取，反饋頻率取決于信道變化的快慢程度，要盡量減小上行的信令開銷和移動臺的功耗，并在反饋的精度和效率之間選取較好的折中。4.根據權利要求3所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述多比特量化的比特個數N為4，即每個RB上的SINR采用4比特量化，用于代表信道的16種狀態，并由移動臺進行反饋。5.根據權利要求1所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述步驟(3)進一步包括下列操作內容(31)根據用戶當前時刻在每個RB上支持的數據速率和已經傳輸的平均數據速率，以及當前正要傳送的數據包所經歷的時延，來控制數據包之間的時延抖動，為此對尚未分配的RB計算用戶的優先級，再將這些RB分配給優先級最高的用戶；其中用戶優先級的計算公式，即第m個RB上的優先級最高的第j個用戶的選擇準則為j=argmaxi(exp(DH,i-DE,iDE,i))a(max(1,OPi))b×ri,m(t)Ri′(t),]]>式中，DH，i為第i個用戶當前正在傳送的數據包的時延，DE，i是根據已經傳送的數據包的時延估計出的傳送下一個數據包所需要的時間，OPi是在當前TTI內第i個用戶已經占用的RB的數目，a，b分別為抖動控制因子和資源占用控制因子的權重系數，自然數i、j分別是用戶序號，ri，m(t)是第i個用戶在第m個RB上支持的數據速率，Ri′(t)是設定的一段時間內第i個用戶的平均傳輸速率，其計算公式為Ri′(t)=(1-1Tc)×Ri′(t-1)+1Tc×ri,]]>式中，ri為當前TTI內，當所有RB分配完畢后，用戶根據所分配的所有RB上的信道狀況進行自適應調制編碼AMC后計算得到的傳輸速率；Tc是用于反映用戶平均數據速率更新快慢的參數，該參數既要體現出信道狀態的變化，又要保證設定時間內資源分配的公平性，通常設置為1000(TTI)；(32)控制同一個TTI內的資源分配公平性為防止用戶在一個TTI內過多占用RB資源，引入資源占用控制因子(max(1，OPi))b，每當用戶分配到一個RB，則在對后續RB計算優先級的過程中，要降低該用戶的優先級；即若第i個用戶在第m個RB上的優先級最高，則更新OPi，OPi＝OPi+1，使得該分配到一個RB的第i個用戶在分配下一個RB時，該用戶的優先級有所降低；如果當前TTI內所有RB都已分配完，則轉入下一步驟(4)，否則返回步驟(31)，繼續分配剩余的RB資源。6.根據權利要求5所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述優先級計算公式中的抖動控制因子JCF是(exp((DH，i-DE，i)/DE，i))a，用于控制數據包之間的時延抖動；若當前正要傳送的數據包的時延小于估算的時延，則降低用戶的優先級，反之，則提高其優先級。7.根據權利要求6所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述抖動控制因子JCF對控制數據包之間的時延抖動起著重要作用，在用戶優先級的計算公式j=argmaxi(exp(DH,i-DE,iDE,i))a(max(1,OPi))b×ri,m(t)Ri′(t),]]>中，抖動控制因子的權重系數a的數值大小直接決定時延抖動性能的好壞，a的數值是根據實際需要設置為0.01、0.03、0.05或其它數值，若對時延抖動的要求嚴格，需要增大a的值；反之，減小a的值。8.根據權利要求1所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述步驟(4)進一步包括下列操作內容(41)對于每個分配到RB的用戶根據信道狀況進行自適應調制編碼在工程實踐中，為容易實現和減少信令開銷，對每個用戶的所有RB采用相同的調制編碼方式；由于每個RB上的SINR不同，先要根據信道容量公式為每個用戶計算等效信噪比SNREi=21KiΣj=1Kilog2(1+SINRi,j)-1,]]>式中，SNREi為第i個用戶的等效信噪比，SINRi，j為第i個用戶在第j個RB上的載干比，Ki為第i個用戶分配到的RB的個數；然后根據上述等效信噪比選擇相對應的調制編碼方式；(42)根據所選擇的編碼調制方式計算當前TTI用戶的數據傳輸速率ri＝η×Ki×M×N/TTI，其中，η為調制編碼的效率，即每個載波上所承載的信息比特數，Ki為第i個用戶分配到的RB的個數，M為每個RB上子載波的數目，N為每個TTI所包含的OFDM符號數；再利用該當前用戶的數據傳輸速率ri和上述步驟(31)的計算公式對設定時間內該用戶的平均數據傳輸速率Ri′(t)進行更新。9.根據權利要求1所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述步驟(5)進一步包括下列操作內容設用戶i當前數據包已傳送的比特數為Bitsri，完整數據包的數量為Bitsp，按照下述公式更新BitsriBitsri＝mod(Bitsri+η×Ki×M×N，Bitsp)，式中，mod表示取模運算；若Bitsri滿足下式(Bitsri+η×Ki×M×N)/Bitsp≥1，表示當前數據包已經傳送完畢，并且進入下一個數據包的傳輸；再根據下述公式來估算傳送下一個數據包所需要的時延DE,i=(1-1Su)×DE,i′+1Su×DH,i′,]]>式中，DE，i為估算出的下一個數據包的傳輸時延，DE，i′為傳送完上一個數據包估算出的時延，DH，i′為當前傳送完的數據包所經歷的時延，Su為反映時延更新速度的時延的更新參數。10.根據權利要求9所述的保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，其特征在于所述估算傳送下一個數據包所需要的時延的計算公式中的時延的更新參數Su的數值不宜過小，以避免后續數據包的時延跟蹤困難；但數值也不宜過大，以體現出用戶信道狀況的變化，通常Su的取值為2000(TTI)。全文摘要一種用于OFDMA系統中保證非實時業務數據包時延穩定性的調度方法，是通過對多載波系統中比例公平算法－C－MC－PFS算法的時延抖動性能進行改進，來完成對頻率資源的分配；包括下列五個操作步驟(1)劃分資源和設置初始化參數的準備階段，(2)信道狀態信息反饋階段，(3)RB資源分配階段，(4)數據傳輸階段，(5)數據包時延估計階段。本發明方法在調度過程中考慮了用戶的信道狀況和業務的實際傳送速率，保持了良好的比例公平特性。其創新之處主要有兩點引入時延控制機制和數據包時延的估算，該方法能夠為傳輸層提供比較平滑的數據速率，并能夠較好地保持C－MCPFS算法的有效性和公平性。文檔編號H04Q7/36GK101026577SQ20071006290公開日2007年8月29日申請日期2007年1月19日優先權日2007年1月19日發明者顧軍,牛凱,賀志強,吳偉陵申請人:北京郵電大學