降低系统上行传输时延的三维资源动态分配方法和装置.pdf

本发明公开了一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法和装置，从时域，频域，空域三维的角度对资源进行合理高效的动态分配。包括：将用户的业务根据不同的时延，速率要求进行分组，计算出用户属于分组的业务的资源占用优先权参数；计算出时域的调度优先级并据此对用户进行时域调度；计算出频域的调度优先级，并据此进行频域资源的分配；根据信道质量合理分配空域资源的传输方式。最后，三维资源分配计算结束后，系统对生成的映射表进行查表操作，根据表中数据进行快速的资源分配。本发明能够达到优先对信道质量较好、时延要求较高、速率要求较大的用户进行资源分配，具有降低资源分配算法复杂度，增强传输可靠性和降低丢包率的特点。

权利要求书1.  一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法，其特征在于，在每次运行周期中包括以下几个步骤：第一步：将用户集ΩUE＝{UE1,UE2,…,UEi,…,UEN},i＝1,…,N所包含的业务根据不同性能要求进行分组，建立业务分组表；第二步：根据用户i属于业务分组j的业务的长期时延和长期速率，以及业务分组j的时延门限和业务分组j的速率要求值，计算出用户i属于业务分组j的业务的资源占用优先权参数PRIi,j(t)；第三步：根据用户i在t时刻的最大速率、长期速率、待发送数据量的缓存大小和资源占用优先权参数计算出时域的调度优先级Ti(t)，并据此对用户进行时域调度(TDPS)，按照Ti(t)递减的顺序依次对用户进行调度，直至系统无资源可分配时停止调度。；第四步：根据用户i在资源块m上所能达到的最大速率、长期速率和Ti(t)计算出频域的调度优先级Fi,m，并据此对TDPS中确定的待调度用户进行资源块(RB)的分配，在未分配的RB集和未分配的用户集中选择Fi,m最大的RB-UE对{RBx,UEy}，将RBx分配给UEy并以RBx为中心向两边扩展，将相邻的未被分配的RB分配给UEy直到左右两边的资源块都不可扩展或者分配的RB个数已经大于等于用户需要的RB个数；第五步：根据信道质量选择空域资源的传输方式，当信噪比SINR＞SINR0时，选择使用空间复用传输数据，反之，则选择使用空间分集传输数据，其中，SINR0为选择传输方式的门限值；第六步：时域、频域和空域三维资源分配的相关计算结束后，生成三维资源映射表，表中包含获得调度资格的用户清单、用户和资源块的对应关系清单和MIMO的发送形式；系统对映射表进行查表操作，根据表中数据进行快速的资源分配；每次调度和RB分配的过程是在传输时间间隔的倍数重复以上第一步到第六步。2.  根据权利要求1所述的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三 维资源动态分配方法，其特征在于，所述第一步中根据Gi∈[djbudget,rjbudget]j=1,2,...,J]]>       [规则1]对用户所包含的业务进行分组，其中，为业务分组j的时延门限，为业务分组j的速率要求值。3.  根据权利要求1所述的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法，其特征在于，所述第二步中根据        [规则2]Di,j(t)=(1-α)Di,j(t-1)+αDi,j(t)Ri,j(t)=(1-α)Ri,j(t-1)+αRi,j(t)]]>        [规则3]计算出用户i属于业务分组j的业务的资源占用优先权参数PRIi,j(t)，其中，Di,j(t)和Ri,j(t)分别为用户i属于业务分组j的业务的长期时延和长期速率，α为滑动窗口常数，0＜α＜1，是为避免业务在达到最大时延还未被分配资源从而造成丢包而引入的修正值。4.  根据权利要求3所述的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法，其特征在于，所述第三步中根据Ti(t)=ri(t)Ri(t)·Qi(t)·ΣjPRIi,j(t)]]>       [规则5]计算时域的调度优先级Ti(t)，其中，ri(t)为t时刻用户i所能达到的最大速率，Ri(t)为用户i在时刻t的长期速率，计算方法同[规则3]，Qi(t)为用户i通过缓冲区状态报告上报的待发送数据量的缓存大小，为用户i的资源占用优先权参数。5.  根据权利要求3所述的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法，其特征在于，所述第四步中根据Fi,m=ri,m(t)Ri,m(t)Ti(t)]]>        [规则6]计算出频域的调度优先级Fi,m，其中，ri,m(t)和Ri,m(t)分别为RB m分配给用户i时，在RB m上所能达到的最大数据发送速率和长期速率；根据       [规则7]计算用户需要的RB个数，其中，Qi(t)为用户i通过缓冲区状态报告上报的待发送数据量的缓存大小，M为系统中所有资源块的总数。6.  根据权利要求1所述的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法，其特征在于，所述第四步中的以RBx为中心向两边扩展，将相邻的未被分配的RB分配给UEy时采用如下规则：当满足[规则8]时将RBx+1分配给UEy，当满足[规则9]时将RBx-1分配给UEy，Fy,x-1≤Fy,x+1max(Fi,x+1)=Ry,x+1]]>        [规则8]Fy,x-1>Fy,x+1max(Fi,x-1)=Fy,x-1]]>         [规则9]其中，Fy,x-1为UEy占用资源块x-1时的频域调度优先级值，Fy,x+1为UEy占用资源块x+1时的频域调度优先级值。7.  降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配装置，其特征在于，包括：待调度用户队列模块，参数输入模块，用于接收待调度用户队列模块输出的待调度用户队列，设置各待调度用户的性能要求参数，输出带有性能要求参数的待调度用户队列，所述性能要求参数包括用户最大时延和速率要求；调度器模块，用于对带有性能要求参数的待调度用户队列依次进行时域资源分配、频域资源分配和空域资源分配；以及，三维资源映射表模块，用于结合待调度用户队列和调度器模块的分配结果生成三维资源映射表，所述映射表中包含时域调度中获得调度资格的用户清 单、用户和资源块的对应关系清单和MIMO的发送形式；所述调度器模块包括：时域资源分配器单元，用于将用户的业务根据不同的时延和速率要求进行分组，计算出用户的业务的资源占用优先权参数以及时域的调度优先级并据此对用户进行时域调度，输出具有调度资格的用户清单；频域资源分配器单元，用于计算频域的调度优先级，并据此对时域资源分配器输出的具有调度资格的用户进行频域资源RB的分配；以及，空域资源分配器单元，用于根据信道质量选择空域资源的传输方式，当信噪比大于设定的门限值时，选择使用空间复用传输数据，反之，则选择使用空间分集传输数据。

说明书降低系统上行传输时延的三维资源动态分配方法和装置
技术领域
本发明是一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法和装置，属于移动通信系统中无线资源管理研究领域。
背景技术
目前LTE已经能够提供高达100Mbps的下行速率，随着大规模MIMO和超高频传输技术的发展，1Gbps的实验局已经成功搭建，理论速率更是高达10Gbps。另一方面，随着手机硬件性能的大幅提升和应用程序爆发式的增长，用户需求从单一的语音业务发展为语音，流媒体，网页浏览，在线游戏等一系列业务相融合。业务也表现出种类多，时延要求高，速率变化范围大，突发性强的特点，因此需要更加高效灵活的资源管理方法。
传统的资源管理主要通过准入控制、功率控制、切换控制、无线资源调度和分配等方法来联合实现。其中，无线资源调度和分配算法主要有按序调度和分配的方法，考虑信道质量、传输数据包大小、HoL等待时间、用户公平性等独立因素的资源调度和分配算法。这些算法针对移动通信系统有限的无线资源的使用进行了优化设计，在一定程度上提高了系统的性能。未来移动通信系统将会提供更多的业务，无线资源也将呈现时域、频域、码域、空域的多维特性。因此，无线资源分配时采用较为单一的考虑标的已经不能满足需求，加之仅仅考虑某方面的性能往往会引起其他性能的恶化。所以，应该考虑在承载多业务条件下，从多维的角度来设计无线资源的分配算法，以最大限度的合理、充分利用无线资源，在不增加额外投入的情况下提高系统的性能。
发明内容
发明目的:本发明针对降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法进行研究，面向实际工程应用，将上行时域，频域和空域三维资源相结合，提出了一种能够降低移动通信系统传输时延及资源块分配复杂度的方法和装置，能够简单快速地实现多用户多业务场景下的上行三维资源分配。
技术方案:为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法， 其特征在于，在每次运行周期中重复以下几个步骤：
第一步：将用户集ΩUE＝{UE1,UE2,…,UEi,…,UEN},i＝1,…,N所包含的业务根据不同性能要求进行分组，建立业务分组表；
第二步：根据用户i属于业务分组j的业务的长期时延和长期速率，以及业务分组j的时延门限和业务分组j的速率要求值，计算出用户i属于业务分组j的业务的资源占用优先权参数PRIi,j(t)；
第三步：根据用户i在t时刻的最大速率、长期速率、待发送数据量的缓存大小和优先权参数计算出时域的调度优先级Ti(t)，并据此对用户进行时域调度(TDPS)，按照Ti(t)递减的顺序依次对用户进行调度，直至系统无资源可分配时停止调度。
第四步：根据用户i在资源块m上所能达到的最大速率、长期速率和Ti(t)计算出频域的调度优先级Fi,m，并据此对TDPS中确定的待调度用户进行资源块(RB)的分配，在未分配的RB集和未分配的用户集中选择Fi,m最大的RB-UE对{RBx,UEy}，将RBx分配给UEy并以RBx为中心向两边扩展，将相邻的未被分配的RB分配给UEy直到左右两边的资源块都不可扩展或者分配的RB个数已经大于等于用户需要的RB个数；
第五步：根据信道质量选择空域资源的传输方式，当信噪比SINR＞SINR0时，选择使用空间复用传输数据，反之，则选择使用空间分集传输数据，其中，SINR0为选择传输方式的门限值；
第六步：时域、频域和空域三维资源分配的相关计算结束后，生成三维资源映射表，表中包含获得调度资格的用户清单、用户和资源块的对应关系清单和MIMO的发送形式；系统对映射表进行查表操作，根据表中数据进行快速的资源分配；
每次调度和RB分配的过程是在传输时间间隔的倍数重复以上第一步到第六步。
所述第一步中根据
Gi∈[djbudget,rjbudget],j=1,2,···,J]]>              [规则1]
对用户所包含的业务进行分组，其中，为业务分组j的时延门限，为业务分组j的速率要求值。
所述第二步中根据
               [规则2]
Di,j(t)=(1-α)Di,j(t-1)+αDi,j(t)Ri,j(t)=(1-α)Ri,j(t-1)+αRi,j(t)]]>           [规则3]
计算出用户i属于业务分组j的业务的资源占用优先权参数PRIi,j(t)，其中，Di,j(t)和Ri,j(t)分别为用户i属于业务分组j的业务的长期时延和长期速率，α为滑动窗口常数，0＜α＜1，是为避免业务在达到最大时延还未被分配资源从而造成丢包而引入的修正值。
所述第三步中根据
Ti(t)=ri(t)Ri(t)·Qi(t)·ΣjPRIi,j(t)]]>           [规则5]
计算时域的调度优先级Ti(t)，其中，ri(t)为t时刻用户i所能达到的最大速率，Ri(t)为用户i在时刻t的长期速率，计算方法同[规则3]，Qi(t)为用户i通过缓冲区状态报告上报的待发送数据量的缓存大小，为用户i的资源占用优先权参数。
所述第四步中根据
Fi,m=ri,m(t)Ri,m(t)Ti(t)]]>              [规则6]
计算出频域的调度优先级Fi,m，其中，ri,m(t)和Ri,m(t)分别为RB m分配给用户i时，在RB m上所能达到的最大数据发送速率和长期速率；根据
          [规则7]计算用户需要的RB个数，其中，Qi(t)为用户i通过缓冲区状态报告上报的待发送数据量的缓存大小，M为系统中所有资源块的总数。
所述第四步中的以RBx为中心向两边扩展，将相邻的未被分配的RB分配给UEy时采用如下规则：当满足[规则8]时将RBx+1分配给UEy，当满足[规则9]时将RBx-1分配给UEy，
Fy,x-1≤Fy,x+1max(Fi,x+1)=Fy,x+1]]>             [规则8]
Fy,x-1>Fy,x+1max(Fi,x-1)=Fy,x-1]]>            [规则9]
其中，Fy,x-1为UEy占用资源块x-1时的频域调度优先级值，Fy,x+1为UEy占用资源块x+1时的频域调度优先级值。
降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配装置，包括：
待调度用户队列模块；
参数输入模块，用于接收待调度用户队列模块输出的待调度用户队列，设置各待调度用户的性能要求参数，输出带有性能要求参数的待调度用户队列，所述性能要求参数包括用户最大时延和速率要求；
调度器模块，用于对带有性能要求参数的待调度用户队列依次进行时域资源分配、频域资源分配和空域资源分配；
以及，三维资源映射表模块，用于结合待调度用户队列和调度器模块的分配结果生成三维资源映射表，所述映射表中包含时域调度中获得调度资格的用户清单、用户和资源块的对应关系清单和MIMO的发送形式；
所述调度器模块包括：
时域资源分配器单元，用于将用户的业务根据不同的时延和速率要求进行分组，计算出用户的业务的资源占用优先权参数以及时域的调度优先级并据此对用 户进行时域调度，输出具有调度资格的用户清单；
频域资源分配器单元，用于计算频域的调度优先级Fi,m，并据此对时域资源分配器输出的具有调度资格的用户进行频域资源RB的分配；
以及，空域资源分配器单元，用于根据信道质量选择空域资源的传输方式，当信噪比大于设定的门限值时，选择使用空间复用传输数据，反之，则选择使用空间分集传输数据。
有益效果：本发明的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法和装置，通过将不同时延等性能要求的业务进行分组，含有对时延敏感和有速率保障需求业务的用户能够获得较高的优先级，在时域上表现为可以得到优先的调度，在频域上表现为可以得到更多的资源块，从而增强用户通信的有效性和可靠性。最后，通过在空域根据信道质量进行分集和复用的切换，进一步提升了资源的利用率。算法的主要工作是在时域上计算用户的资源占用优先权大小，频域上使用向两边扩张资源块的分配方法并考虑空域资源的传输形式，使得在实际系统运行过程中复杂度不高，系统资源的分配有较高的效率。
附图说明
图1是一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法的流程图。
图2是一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法的实现装置图。
图3是一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法的资源块分配示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本实施例采用20M的系统带宽，可用的资源块数量为100个。每个TTI包含两个0.5ms的时隙，每个时隙包含7个OFDM符号，10个TTI构成一个无线帧长。系统具体参数如表1。
表1 系统参数
参数参数值带宽20MHz子载波数量100时隙长度0.5mseNodeB半径1km发送天线×接收天线2×2移动模型Random Walk多径模型Jakes model阴影衰落模型对数模型路径损耗模型L＝128.1+37.6log10d用户移动速度3km/h
如图1所示，本发明实施例提供的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配方法的具体实施步骤如下：
第一步：将用户集ΩUE＝{UE1,UE2,…,UEi,…,UEN},i＝1,…,N所包含的业务根据不同性能要求进行分组，建立业务分组表。分组准则为：
Gi∈[djbudget,rjbudget],j=1,2,···,J]]>          [规则1]
其中，为业务分组j的时延门限，为业务分组j的速率要求值。分组情况如表2。
表2 业务的速率预算值和最大传输时延值
业务类型速率预算(kbps)最大传输时延(ms)VoIP10(G.729编码方案)50Video200100HTTP100300FTP50300
第二步：根据
          [规则2]
计算出用户i属于业务分组j的业务的资源占用优先权参数PRIi,j(t)。其中，Di,j(t)和Ri,j(t)分别为用户i属于业务分组j的业务的长期时延和长期速率。Di,j(t)和Ri,j(t)根据
Di,j(t)=(1-α)Di,j(t-1)+αDi,j(t)Ri,j(t)=(1-α)Ri,j(t-1)+αRi,j(t)]]>              [规则3]
得出。这是以指数递减加权的移动平均，各数值的加权影响力随时间呈指数式递减。加权程度由常数滑动窗口α(0＜α＜1)决定，一般情况取α＝0.5。是为避免业务在达到最大时延还未被分配资源从而造成丢包而引入的修正值，根据
         [规则4]
得出。其中，为时延量的一个门限值。
第三步：根据资源占用优先权对用户进行时域调度(TDPS)，时域的调度优先级Ti(t)根据
Ti(t)=ri(t)Ri(t)·Qi(t)·ΣjPRIi,j(t)]]>           [规则5]
计算得出。其中，ri(t)为t时刻用户i所能达到的最大速率，可以根据香农公式求出，Ri(t)为用户i在时刻t的长期速率，计算方法同[规则3]，Qi(t)为用户i通过缓冲区状态报告(BSR)上报的待发送数据量的缓存大小，为用户i的资源占用优先权参数。按照Ti(t)递减的顺序依次对用户进行调度，直至系统无资源可分配时停止调度。
第四步：频域调度(FDPS)过程对TDPS中确定的待调度用户进行资源块(RB)的分配。根据
Fi,m=ri,m(t)Ri,m(t)Ti(t)]]>               [规则6]
计算出频域的调度优先级Fi,m。其中，ri,m(t)和Ri,m(t)分别为RB m分配给用户i时，在RB m上所能达到的最大数据发送速率和长期速率，计算方法同ri(t)和Ri(t)。根据
          [规则7]
计算出用户i所需要的RB个数。系统中所有的资源块RB构成RB集ΩRB＝{RB1,RB2,…,RBm,…,RBM},m＝1,…,M，初始情况下，未分配的RB集未分配的用户集根据[规则6]，如图3所示，在和中选择Fi,m最大的RB-UE对{RBx,UEy},1≤x≤M,1≤y≤N，将RBx分配给UEy并更新和以分配给UEy的资源块RBx为中心在内向两边扩展资源块，考虑左边资源块RBx-1和右边资源块RBx+1，满足如下规则
Fy,x-1≤Fy,x+1max(Fi,x+1)=Fy,x+1]]>                [规则8]
并且RBx+1没有被分配，则将RBx+1分配给UEy并更新对于Fy,x-1＞Fy,x+1的情况同样处理。[规则8]中Fy,x-1为UEy占用资源块x-1时的频域调度优先级值，Fy,x+1为UEy占用资源块x+1时的频域调度优先级值，max(Fi,x+1)＝Fy,x+1表示在RBx+1上，对于所有的UEi，UEy有最大的频域调度优先级值。重复此过程，直到如图3中RBx-9和RBx+7处资源块都不可扩展时，或者分配的RB个数已经大于等于ni,RB，则重复第四步进行下一个用户的资源分配，如图3中在RBx+12处进行UEz的资源块分配，最终分配给UEy的资源块为[RBx-8，RBx+6]。如果为空，则 结束资源块的分配过程。
第五步：RB分配完毕后，用户使用分配的RB在2×2的MIMO信道上进行传输。当信道质量较好，即SINR＞SINR0时，使用空间复用传输数据，提高数据的传输速率；反之，则使用空间分集传输数据，提高数据传输的可靠性。其中，SINR0为选择传输方式的门限值，可设为10dB。
第六步：时域、频域和空域三维资源分配的相关计算结束后，生成三维资源映射表。表中包含获得调度资格的用户清单(时域)、用户和资源块的对应关系清单(频域)和MIMO的发送形式(空域)。系统对映射表进行查表操作，根据表中数据进行快速的资源分配。
每次调度和RB分配的过程是在传输时间间隔(TTI)的倍数(如k*TTI(k＝1,2,...K)，K为k取值上界)重复以上第一步到第六步。
如图2所示，本发明实施例提供的一种降低TD-LTE/TD-LTE-A系统上行传输时延的三维资源动态分配装置，包括待调度用户队列模块，参数输入模块，调度器模块和三维资源映射表模块，其中调度器模块包括时域资源分配器单元，频域资源分配器单元和空域资源分配器单元。
参数输入模块接收待调度用户队列模块输出的待调度用户队列，设置各待调度用户的性能要求参数(包括用户最大时延和速率要求等)，输出带有性能要求参数的待调度用户队列至调度器模块；调度器模块对带有性能要求参数的待调度用户队列依次进行时域资源分配、频域资源分配和空域资源分配，并将调度结果输出三维资源映射表模块，生成三维资源映射表，表中包含时域调度中获得调度资格的用户清单、用户和资源块的对应关系清单和MIMO的发送形式。系统对生成的映射表进行查表操作，根据表中数据进行快速的资源分配。
调度器模块的时域资源分配器单元，用于将用户的业务根据不同的时延和速率要求进行分组，计算出用户的业务的资源占用优先权参数以及时域的调度优先级并据此对用户进行时域调度，输出具有调度资格的用户清单；频域资源分配器单元，用于计算频域的调度优先级，并据此对时域资源分配器输出的具有调度资格的用户进行频域资源RB的分配；空域资源分配器单元，用于根据信道质量选择空域资源的传输方式，当信噪比大于设定的门限值时，选择使用空间复用传输 数据，反之，则选择使用空间分集传输数据。
本发明能够达到优先对信道质量较好、时延要求较高、速率要求较大的用户进行资源分配。在保证业务速率要求的基础上，降低了系统的上行传输时延。为满足上行资源块必须连续的要求，在RB分配时采用了从质量最好的RB向两边扩展的简化方法。本发明具有降低资源分配算法复杂度，增强无线信号传输可靠性和降低丢包率的特点。