专利名称：具有公平控制和服务质量支持的调度器的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信，具体地说涉及对数据进行调度以便从一个基站发往一个或多个移动终端。
背景技术：
分配通信资源、如时间或频率的无线通信网需要调度器来选择要发送的数据。当多个用户争用这些资源时，调度器必须分析输入的数据并确定具有最高发送优先级的数据。传统上优先级一直基于使总系统吞吐量最大或维持一定服务质量(QoS)水平以确保及时发送数据。在使吞吐量最大化时，具有较好信道条件的用户比那些具有较差信道条件的用户获得更多支持。因此，除非发现对时间敏感的数据，否则总是赋予具有不太有利的信道条件的用户较低的优先级。
现有系统中已经以有限方式提供了QoS分析，例如通过只处理准备好发送的数据部分或利用缓冲区尺寸。通常，输入数据被缓存到对应于用户的队列中。如果QoS分析只包括准备好要发送的数据部分而非整个队列，则队列中的剩余数据不影响优先级。因此，紧急数据直到准备好供发送才能由调度器处理，这导致QoS失效和低效率。另一方面，大的缓冲区尺寸不一定意味着缓冲区中的所有分组都是紧急的。这些失效和低效率通常还影响那些具有不太有利的信道条件的用户。
已有一些实现固定的公平等级并使吞吐量最大化的方案。但是，这些方案缺乏(a)控制用户之间公平(包括不公平)的能力，(b)延迟保证措施以及(c)考虑队列中的数据的足够多信息的能力。无线网络运营商可能希望在其系统中控制公平度。给定现有调度器的固有的固定公平等级，需要一种可以使总计吞吐量最大化，在用户之间实现期望的公平等级并且同时满足QoS要求的调度器。
发明概述本发明提供了一种可以使总计吞吐量最大化、同时在用户之间取得可控公平度且满足服务质量(QoS)要求的调度器。该调度器配置为可从与等待接收数据的接入终端相关联的多个队列中选择要发送的下一数据单元。针对每个接入终端，根据时间衰落因子、吞吐量公平因子和延迟QoS因子计算加权因子。选定要发送的单元对应于具有最大总加权因子的接入终端。对每个将要发送的单元重复所述处理。
时间衰落因子是接入终端的当前信道条件相对于接入终端的平均信道条件的量度。虽然信道条件量度可采用许多种技术来导出，但本发明的一个实施例根据接入终端提供的载干(C/I)比监测信道条件。术语“当前信道条件”可以是从接入终端获得的C/I比或基于任何补偿技术、如预测的补偿C/I比。吞吐量公平因子是每个接入终端的吞吐能力的函数。为了在所有用户之间实现期望的最小程度的公平，吞吐量公平因子使具有较低吞吐能力的接入终端的优先级提高而使具有较高吞吐能力的接入终端的优先级降低。吞吐量公平因子可以是实际吞吐量、信道条件或其组合的函数。
延迟QoS因子是一个单元或一系列单元的延迟限制的函数。延迟限制通常规定一个单元或一系列单元必须在其间传递的时间。函数最适合于说明分组的延迟限制和要发送的数据量。工作中，对每个队列中的单元加以分析并赋予与延迟限制成反比的权重。对给定队列中各单元的权重求和以得到延迟QoS因子。可根据待发送数据量来进一步调整QoS延迟因子。在计算延迟QoS因子时，最好对每个队列中的所有单元加权。为了减少处理，可以为具有比规定限定值大的延迟限制的单元分配额定权重。
本专业的技术人员会理解本发明的范围并在结合附图阅读如下优选实施例的详细说明之后了解本发明的其他方面。
附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，用于说明本发明的几个方面，并连同本说明书一起用于解释本发明原理。
图1是根据本发明一个实施例的无线通信环境的框图表示；图2是根据本发明一个实施例的流程图；图3A和3B是分别说明两个用户的示例性的当前信道条件与平均信道条件关系的曲线；图4A和4B是分别说明公平和不公平吞吐量特性的曲线；图5是说明随时间变化的示例性加权因子特性的曲线。
优选实施例的详细说明以下阐述的实施例提供了使本专业的技术人员能够实施本发明的必要信息，并说明实施本发明的最佳模式。在参照附图阅读如下说明之后，本专业的技术人员会理解本发明的概念并认识到本说明书中未具体论述的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和所附权利要求书的范围内。
现参照图1。无线网络使用接入点、如基站10，以便与选定覆盖区域或小区内的接入终端如移动终端12进行通信。相应的各组基站10得到通信网14的支持，通信网14可包括移动交换中心、公共交换电话网(PSTN)、分组交换网或其组合。通信网14用于向或从基站10传送分组。分组可以直接分组交换方式或基于电路交换平台进行传送。将分组传送到基站10的方式对本发明而言不是至关重要的。
在从基站10至选定移动终端12的下行通信期间，基站10必须确定用以将从来自通信网14的分组中接收的数据发往移动终端12的方式和顺序。相应地，基站10可包括具有控制数据流通过数据面20的控制面18的控制系统16。为了与移动终端12进行通信，数据面20将处理在控制面18控制之下通过网络接口22从通信网14接收的分组。分组被处理成若干单元，而后传递给射频(RF)收发器电路24发送。为简洁起见，术语“分组”指由基站10从通信网14接收的分组化数据。术语“单元”指从基站10发往移动终端12的分组化数据。一个单元可包括一个或多个分组的全部或任意部分。虽然单元可与分组直接对应，但最好为单元赋予一定尺寸，其中分组尺寸可随分组不同而不同。单元可包括话音数据或传统数据。
从基站10至移动终端12的前向链路将包含一个或多个信道，这些信道分成若干定义的时隙。RF收发器电路24配置为按照控制面18的指示对指定单元进行调制并在单一时隙期间经一个或多个天线26发送经过调制的单元。RF收发器电路24最好配置为根据信道条件、移动终端12的能力或所需传输标准来实现不同的调制、编码技术和速率。本专业的技术人员会认识到各种可能的调制技术以及可以在给定时隙内发送多个单元。
控制面18包括调度器28，调度器28配置为根据信道条件、所需吞吐量公平性和服务质量(QoS)控制至移动终端12的数据单元的传输。在工作期间，接收对应于许多移动终端12的分组并将其存储在与数据面20相关联的缓冲区30中。缓冲区30划分成多个队列，其中每个队列与给定移动终端12相关联。如果分组未与单元直接对应，则将输入分组处理成期望单元。这些单元以接收它们的顺序存储在相应队列中。队列最好采用先入先出(FIFO)配置。
参照图2所示的流程图，其中说明调度器28的工作机制。要发送的单元不断被放入对应移动终端12的队列中(步骤100)。进而，调度器28会连续监测每个移动终端12的信道条件和吞吐率(步骤102和104)。信道条件表示基站10至移动终端12的传输信道质量。吞吐率可以是实际数据吞吐量、信道条件或其组合的函数。
信道条件可连续变化并可利用许多种技术来确定。例如，表示信号功率对干扰功率的量度的载干比(C/I)可以从移动终端12反馈给基站10。调度器28最好会连续跟踪信道条件并维护每个移动终端12在选定时间段内的平均信道条件及当前信道条件。类似地，调度器28最好会跟踪每个移动终端12的平均的和当前的数据吞吐率。
调度器28持续对每个队列中的单元进行分析以确定要发送的下一个单元。对每个发送的单元进行如下处理。调度器28首先将确定所支持的每个移动终端12的当前信道条件(步骤106)。根据确定的当前信道条件，针对每个移动终端计算时间衰落因子(步骤108)。如上所述，C/I或类似的信道条件量度可用于确定当前信道条件。时间衰落因子最好是每个移动终端12的当前信道条件相对于平均信道条件的量度。
针对相对于其平均信道条件具有最佳信道条件的移动终端12提高时间衰落因子。这样，与偏向于选择具有最佳当前或平均信道条件的移动终端12的方案相比，每个移动终端12从基站10接收数据的可能性更大。参照图3A和3B，用户2的移动终端12在时刻t将具有比用户1大的时间衰落因子，因为用户1的当前信道条件与平均信道条件之比大于用户2的当前信道条件与平均信道条件之比。为用户2的移动终端12分配较大时间衰落因子有助于补偿相对于用户1的移动终端12的历史性较低信道条件和较高当前信道条件。时间衰落因子(T)可以实现为 或者T＝当前C/I(分贝)-平均C/I(分贝)平均C/I是在平均窗口期间获得的，平均窗口近似为20倍衰落期间。衰落期间定义为2fd-1，其中fd是最大多普勒频率。例如，在fd＝5赫兹的移动情形下，平均窗口为2秒。
接着，调度器28将为每个移动终端12计算吞吐量公平因子(步骤110)。吞吐量公平因子确定要赋予给在支持较高吞吐量的位置上的移动终端12与在支持较低吞吐量的位置上的移动终端12的优先级。虽然网络通常配置为使吞吐量最大化以及错误地通过赋予那些可以较高速率进行通信的移动终端12优先地位来使吞吐量最大化，但即便要以容量为代价，所有用户也应获得最低程度的公平对待。吞吐量公平因子用于控制移动终端12之间的吞吐量分配。参照图4A和4B，图4A说明一种更公平的分配，而图4B说明一种看似不公平的分配。调度器28将生成较高吞吐量公平因子以允许那些具有不太有利的信道条件的移动终端12取得期望的平均吞吐量。
吞吐量公平因子(F)可以通过Fi＝Rif来实现，其中Ri是移动终端i(12)的平均吞吐能力以及f控制期望的公平度。平均吞吐能力最好根据平均信道条件获得，而不是仅仅依赖于向给定移动终端12发送期间的吞吐率。相应地，在一个实施例中Ri是每个用户i的信道条件的函数。本专业的技术人员会认识到，实际的和平均的数据吞吐量可用于辅助确定公平因子。在本示例中，改变参数f可提供不同的公平等级。例如，当f大于零时，吞吐量公平因子F对较高速率用户而言较大，从而允许更多不公平。相反，当f小于零时，吞吐量公平因子F对较高速率用户而言较小，从而允许更多公平。
调度器28接下来将确定与移动终端12相关联的每个队列中各单元的所需传递时间(步骤112)。延迟限制涉及其间一个单元(或分组)必须被传递以确保规定的服务质量的时间，可用于确定终止时间(expiry time)。延迟限制通常与分组相关联，分组可以分解成一个或多个单元。通过对每个队列中的所有或有效数量的单元进行分析，调度器28甚至可在队列中要发送的下一单元不具有迫近的延迟限制时根据传送队列中位置较深的分组的紧急程度作出加权决定。
在确定排队单元的终止时间之后，调度器28将计算每个移动终端12的延迟QoS因子(D)(步骤114)。每个移动终端12的延迟QoS因子(D)最好基于移动终端12的队列中的所有单元。在所提供的示例中，为每个队列中的每个分组赋予一个与传递时间的倒数相对应的权重，传递时间为终止时间减当前时间。为较接近终止时间的单元赋予比离终止时间较远的单元较大的权重。为了减少调度器28的计算负荷，可为传递时间(终止时间-当前时间)大于给定门限或触发子TRIG的单元分配归一化的权重。根据队列中每个单元的权重，针对每个队列首的单元计算延迟QoS因子(D)。虽然可以采用各种加权标准，但下面描述本发明一个实施例所用的加权函数。
如图5所示，本实施例为剩余传递时间大于TRIG地单元分配归一化的权重。此延迟QoS因子是在每个时隙开始时通过对所有QoS水平的队列中的所有分组求加权和而计算得到的。第i个用户的加权QoS因子由下式给出当(传递时间(j)-当前时间)＜TTRIG时， 延迟QoS因子(D)是数据量和由延迟限制所确定的必需传递时间的函数。因此，延迟QoS因子(D)随流量和单元紧急程度增加而增加。而且，如果存在大量远离延迟限制的单元，则QoS因子(D)可以很大。因此，调度器28可为具有大量提前数据的用户赋予优先权。
为队列中的每个单元赋予一个权重，该权重与剩余传递时间成反比。接近终止时间的单元比到达延迟界限之前具有足够多时间的单元具有较大的权重。只对具有大于零的剩余传递时间的单元计数。此外，数据量或一个或多个单元所表示的分组大小也会影响延迟QoS因子(D)。如果一个单元的剩余传递时间大于TTRIG，则应用归一化的权重加权，且D就是所有分组之和。本质上，参数TTRIG确定何时对给定单元应用比例加权。
调度器28随后将根据每个队列首部单元的时间衰落因子(T)、吞吐量公平因子(F)和延迟QoS因子(D)限制要发送的下一单元(步骤116)。组合这三个因子的一种方法是根据这三者的乘积定义优先级加权指数(P)P＝n(Ti)x(Fi)y(Di)z，其中，Ti、Fi、Di分别是第i个用户的时间衰落因子、吞吐量公平因子和延迟QoS因子，x、y、z是适当选择的乘幂，以及n是归一化常数。相应地，对位于每个队列首部的单元计算三个因子的乘积。选择传送具有最大加权因子的单元。一旦选定，就由RF收发器电路24对位于队列前部的具有最大权重的单元进行调制并于下一时隙期间发送(步骤118)。对每个可用时隙重复所述连续的处理。
本专业的技术人员会认识到对本发明优选实施例的各种改进和修改。所有这类改进和修改都视为在本文公开的概念和所附权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种用于对数据单元的发送进行调度以将其传递给多个接入终端的接入点，包括a)用于从通信网接收数据的网络接口；b)用于向多个接入终端发送数据单元的无线接口；c)具有对应于所述多个接入终端的多个队列的控制系统，所述控制系统适于i)将通过所述通信网接收的数据作为数据单元存储在对应于所述多个接入终端的所述多个队列中；ii)根据相对于与所述多个接入终端中每个终端对应的平均信道条件的当前信道条件确定时间衰落因子；iii)根据所述多个接入终端中每个终端的吞吐能力确定吞吐量公平因子；iv)根据与所述多个接入终端中每个终端的至少一个单元相关的传递时间确定延迟服务质量(QoS)因子；v)根据对应于所述多个接入终端中每个终端的所述时间衰落因子、所述吞吐量公平因子和所述延迟QoS因子计算加权因子；以及vi)根据所述加权因子从所述多个队列之一选择要通过所述无线接口发送的单元。
2.如权利要求1所述的接入点，其特征在于，所述控制系统还适于a)确定一段时期内的所述平均信道条件；b)确定所述当前信道条件；以及c)计算所述当前信道条件与所述平均信道条件之比，以确定所述时间衰落因子。
3.如权利要求1所述的接入点，其特征在于，所述当前和平均信道条件是从载干比导出的。
4.如权利要求1所述的接入点，其特征在于，所述吞吐量公平因子是以据信可在具有较好信道条件的接入终端和具有较差信道条件的接入终端之间实现选定的公平等级的方式计算的。
5.如权利要求1所述的接入点，其特征在于，所述吞吐量公平因子是所述平均信道条件的函数。
6.如权利要求1所述的接入点，其特征在于，所述吞吐量公平因子还是平均吞吐率的函数。
7.如权利要求6所述的接入点，其特征在于，所述吞吐量公平因子还是所述平均信道条件的函数。
8.如权利要求1所述的接入点，其特征在于，对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子是每个队列中包含每个队列中要发送的下一单元的多个所述单元的所述传递时间的函数。
9.如权利要求8所述的接入点，其特征在于，对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子是要发送的数据量的函数。
10.如权利要求1所述的接入点，其特征在于，所述控制系统还适于a)计算与所述多个队列的每个队列中的多个所述单元的所述传递时间成反比的权重；以及b)通过对所述多个队列的每个队列中的所述多个单元的权重求和而计算对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子。
11.如权利要求10所述的接入点，其特征在于，所述控制系统还配置成可为具有大于规定门限的传递时间的单元分配规定的权重。
12.一种对对应于多个接入终端的队列中缓存的数据单元的发送进行调度的方法，所述方法包括a)根据相对于与所述多个接入终端中每个终端对应的平均信道条件的当前信道条件确定时间衰落因子；b)根据所述多个接入终端中每个终端的吞吐能力确定吞吐量公平因子；c)根据与所述多个接入终端中每个终端的至少一个单元相关的传递时间确定延迟服务质量(QoS)因子；d)根据对应于所述多个接入终端中每个终端的所述时间衰落因子、所述吞吐量公平因子和所述延迟QoS因子计算加权因子；以及e)根据所述加权因子从所述多个队列之一选择要通过所述无线接口发送的单元。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括a)确定一段时期内的所述平均信道条件；b)确定所述当前信道条件；以及c)计算所述当前信道条件与所述平均信道条件之比，以确定所述时间衰落因子。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述当前和平均信道条件是从载干比导出的。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述吞吐量公平因子是以据信可在具有较好信道条件的接入终端和具有较差信道条件的接入终端之间实现选定的公平等级的方式计算的。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述吞吐量公平因子是所述平均信道条件的函数。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述吞吐量公平因子还是所述平均吞吐率的函数。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述吞吐量公平因子还是所述平均信道条件的函数。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子是每个队列中包含每个队列中要发送的下一单元的多个所述单元的所述传递时间的函数。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子是要发送的数据量的函数。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括a)计算与所述多个队列的每个队列中的多个所述单元的所述传递时间成反比的权重；以及b)通过对所述多个队列的每个队列中的所述多个单元的权重求和而计算对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于还包括为具有大于规定门限的传递时间的单元分配规定的权重。
23.一种具有用于对对应于多个接入终端的队列中缓存的数据单元的发送进行调度的软件的计算机可读媒体，所述软件包含用于执行如下操作的指令a)根据相对于与所述多个接入终端中每个终端对应的平均信道条件的当前信道条件确定时间衰落因子；b)根据所述多个接入终端中每个终端的吞吐能力确定吞吐量公平因子；c)根据与所述多个接入终端中每个终端的至少一个单元相关的传递时间确定延迟服务质量(QoS)因子；d)根据对应于所述多个接入终端中每个终端的所述时间衰落因子、所述吞吐量公平因子和所述延迟QoS因子计算加权因子；以及e)根据所述加权因子从所述多个队列之一选择要通过所述无线接口发送的单元。
24.如权利要求23所述的计算机可读媒体，其特征在于还包含用于执行如下操作的指令a)确定一段时期内的所述平均信道条件；b)确定所述当前信道条件；以及c)计算所述当前信道条件与所述平均信道条件之比，以确定所述时间衰落因子。
25.如权利要求23所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述当前和平均信道条件是从载干比导出的。
26.如权利要求23所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述吞吐量公平因子是以据信可在具有较好信道条件的接入终端和具有较差信道条件的接入终端之间实现选定的公平等级的方式计算的。
27.如权利要求23所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述吞吐量公平因子是所述平均信道条件的函数。
28.如权利要求23所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述吞吐量公平因子是平均吞吐率的函数。
29.如权利要求28所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述吞吐量公平因子还是所述平均信道条件的函数。
30.如权利要求28所述的计算机可读媒体，其特征在于，对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子是每个队列中包含每个队列中要发送的下一单元的多个所述单元的所述传递时间的函数。
31.如权利要求30所述的计算机可读媒体，其特征在于，对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子是要发送的数据量的函数。
32.如权利要求28所述的计算机可读媒体，其特征在于还包含用于执行如下操作的指令a)计算与所述多个队列的每个队列中的多个所述单元的所述传递时间成反比的权重；以及b)通过对所述多个队列的每个队列中的所述多个单元的权重求和而计算对应于每个接入终端的所述延迟QoS因子。
33.如权利要求28所述的计算机可读媒体，其特征在于还包含为具有大于规定门限的传递时间的单元分配规定的权重的指令。
全文摘要
本发明提供了一种可使总吞吐量最大而同时在用户之间实现受控公平分配且满足服务质量(QoS)要求的调度器。该调度器配置为可从与等待接收数据的接入终端相关的多个队列中选择要发送的下一个数据单元。针对每个接入终端，根据时间衰落因子、吞吐量公平因子和延迟QoS因子计算加权因子。选择发送的单元对应于具有最大总加权因子的接入终端。对每个将要发送的单元重复所述处理。
文档编号H04L12/56GK1613234SQ02827040
公开日2005年5月4日 申请日期2002年9月26日 优先权日2001年11月16日
发明者K·K·-K·欧, G·塞纳拉斯, Y·C·钟, W·黄 申请人:北方电讯网络有限公司