本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及多用戶mimo系統(tǒng)中用戶調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

lte是ip化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，引入了正交頻分復(fù)用和多輸入多輸出等關(guān)鍵技術(shù)。多用戶mimo系統(tǒng)通過空分復(fù)用實現(xiàn)了多個用戶占用相同時頻資源進(jìn)行并行數(shù)據(jù)流傳送，進(jìn)一步提高了頻譜效率。3gpp定義了四種類型的服務(wù)，給定了各自的速率要求以及時延要求。在多用戶mimo系統(tǒng)中進(jìn)一步優(yōu)化吞吐量和保證qos就是在這種背景下提出來的無線資源調(diào)度問題。調(diào)度即動態(tài)的將最適合的時/頻資源分配給用戶使之共享信道，是保證qos以及優(yōu)化系統(tǒng)容量的關(guān)鍵。在lte網(wǎng)絡(luò)中，為了保證qos，提出了很多調(diào)度算法，如fls(framelevelscheduler)、exp(exponential)、pf(proportionalfair)、mlwdf(modifiedlargestweighteddelayfirst)等等。

fls幀優(yōu)先級調(diào)度方法根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的以太網(wǎng)類型應(yīng)用流量控制工具，使得高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的帶寬得到保障。exp基于指數(shù)準(zhǔn)則的分組調(diào)度算法在調(diào)度判決時綜合考慮用戶的相對信道條件、時延敏感度、隊首分組等待時間等條件，具有吞吐量最優(yōu)的特性。pf算法主要策略是使得用戶的瞬時傳輸速率大的或者吞吐量小的用戶將獲得較高的優(yōu)先級，在公平性和吞吐量之間尋求一種平衡。m-lwdf是在pf算法的基礎(chǔ)上增加了對時延、綜合信道質(zhì)量、服務(wù)速率的考慮。

最重要的是，上述提到所有算法均沒有考慮終端緩存。當(dāng)考慮終端緩存時，基站發(fā)送的數(shù)據(jù)暫存在緩存中，用戶也將從緩存中提取數(shù)據(jù)用于業(yè)務(wù)。一方面可以充分利用信道，當(dāng)信道條件好時向用戶傳送數(shù)據(jù)并預(yù)存在緩存中，以增大系統(tǒng)吞吐量；另一方面，可以根據(jù)終端緩存的情況調(diào)整用戶的優(yōu)先級，當(dāng)緩存中有數(shù)據(jù)時，用戶允許較低的調(diào)度優(yōu)先級控制時延。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種多用戶mimo系統(tǒng)中考慮終端緩存的用戶調(diào)度方法，從保證用戶的qos的角度出發(fā)，利用lyapunov算法得到系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)的調(diào)度方案。

步驟1、在基站端，將不同用戶所需的數(shù)據(jù)標(biāo)記為不同的隊列，構(gòu)成等待基站調(diào)度的隊列集合，并在每個調(diào)度周期開始時進(jìn)行更新；

步驟2、用戶app提取數(shù)據(jù)對應(yīng)于數(shù)據(jù)出終端緩存器，基站發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)于數(shù)據(jù)進(jìn)終端緩存器，在每個調(diào)度周期開始時對用戶終端緩存器進(jìn)行更新；

步驟3、以系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)作為約束之一，調(diào)整調(diào)度方法，該穩(wěn)定狀態(tài)即基站產(chǎn)生用戶所需數(shù)據(jù)的平均速率與用戶app在終端提取數(shù)據(jù)的平均速率保持一致；

步驟4、以保證用戶時延要求作為另一個約束，調(diào)整調(diào)度方法，在基站端為所有用戶根據(jù)其業(yè)務(wù)類型設(shè)計虛擬服務(wù)，無論當(dāng)前調(diào)度周期此用戶是否被調(diào)度，所述虛擬服務(wù)總是在基站監(jiān)測到其終端緩存小于門限值時啟動；

步驟5、建立基站吞吐量最大的目標(biāo)函數(shù)，該函數(shù)的約束條件由步驟3和步驟4得到,在每個調(diào)度周期開始時更新隊列，構(gòu)造lyapunov函數(shù)，將目標(biāo)函數(shù)和lyapunov漂移通過懲罰因子結(jié)合起來得到漂移懲罰函數(shù)，利用lyapunov算法最小化其上界，據(jù)此得到基站的調(diào)度策略。

所述目標(biāo)函數(shù)為表示用戶k的時間平均傳輸速率。

本發(fā)明的有益效果：

1.能夠保證基站在滿足時延要求的基礎(chǔ)上傳輸用戶數(shù)據(jù)，并且能夠保證基站產(chǎn)生的用戶所需數(shù)據(jù)的速率與用戶app在終端提取數(shù)據(jù)的速率在平均意義上的一致性。

2.在上述qos保證的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基站吞吐量的最大化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的流程圖；

圖2為圖1實施例中多用戶mimo下行信道模型；

圖3為四種類型業(yè)務(wù)的時延和速率要求。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

步驟1、建立系統(tǒng)模型。

將不同用戶所需的數(shù)據(jù)標(biāo)記為不同的隊列，構(gòu)成等待基站調(diào)度的隊列集合，并在每個調(diào)度周期開始時進(jìn)行更新。

如圖2所示，在多用戶mimo系統(tǒng)中，基站共有n根天線，最多能同時服務(wù)于m個用戶。系統(tǒng)中共有k個用戶，第k個用戶的接收天線數(shù)為nk，基站產(chǎn)生的該用戶所需數(shù)據(jù)包的速率為λk。在一個調(diào)度周期開始時，基站執(zhí)行上一調(diào)度周期產(chǎn)生的調(diào)度策略α(t)，并據(jù)此為每一個用戶k分配傳輸速率γk(t)，最終將從所有待調(diào)度用戶k中選擇不超過m個用戶，并將其數(shù)據(jù)從基站端緩存器傳輸?shù)较鄳?yīng)的用戶終端緩存器。用戶k以速率μk從緩沖器中提取數(shù)據(jù)用于特定業(yè)務(wù)，當(dāng)用戶k的業(yè)務(wù)需要數(shù)據(jù)而緩沖器為空，并且沒有數(shù)據(jù)到達(dá)時就會產(chǎn)生時延，影響用戶app的qos。

系統(tǒng)最大支持的用戶數(shù)m由下式給出：

其中nj代表用戶j的接收天線數(shù)，n代表基站的天線總數(shù)。

以一個時隙為調(diào)度周期，時隙t產(chǎn)生的調(diào)度策略記為α(t)＝{α1(t),…,αk(t),…αk(t)}，其中，αk(t)表示基站在時隙t對用戶k的調(diào)度方案，并由下式給出：

因為基站同時支持用戶數(shù)有上限，所以上式必須滿足:

此外，用戶k的帶寬歸一化速率rk(t)由下式給出：

其中,nk代表用戶k的接收天線數(shù)，pk,j代表用戶k的第j個接收天線信道中的傳輸功率，βk,j代表用戶等效矩陣的奇異值。

由此得到在時隙t決定的每一個用戶k所需數(shù)據(jù)的傳輸速率為:

γk(t)＝αk(t)rk(t)(4)

每個調(diào)度周期結(jié)束時都會產(chǎn)生一個調(diào)度策略，它指示了基站在下一個調(diào)度周期將哪些用戶所需的數(shù)據(jù)從基站端緩存送入相應(yīng)的用戶終端緩存中。在一個新的調(diào)度周期開始時，基站端根據(jù)用戶所需數(shù)據(jù)以及上一調(diào)度周期的調(diào)度策略更新緩存狀態(tài)。

步驟2、用戶終端緩存狀態(tài)描述。

每個調(diào)度周期結(jié)束時產(chǎn)生的調(diào)度策略，它決定了在下一個調(diào)度周期哪些用戶的終端緩存器中將有數(shù)據(jù)進(jìn)入。此外，當(dāng)前調(diào)度周期內(nèi)，用戶業(yè)務(wù)根據(jù)需求會從其終端緩存器中提取數(shù)據(jù)，這也會影響下一個調(diào)度周期用戶終端緩存的初始狀態(tài)。在一個新的調(diào)度周期開始時，根據(jù)上一調(diào)度周期中的數(shù)據(jù)提取情況以及上一調(diào)度周期的調(diào)度策略，更新用戶終端緩存。

構(gòu)造一個隊列模型來描述這一過程：

qk(t+1)＝max{qk(t)-μk(t),0}+γk(t)(5)

其中,μk(t)為用戶k的app從終端緩存中提取數(shù)據(jù)的速率，γk(t)為基站向用戶k的終端緩存中發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率。max{qk(t)-μk(t),0}表示用戶可取的數(shù)據(jù)量不超過終端緩存器中的緩存。

需要說明的是，設(shè)計這一隊列的目的是監(jiān)視用戶終端緩存的狀態(tài)，以助于基站調(diào)整用戶的優(yōu)先級。比如，在一個調(diào)度周期中，當(dāng)緩存器非空時，用戶app可以提取緩存中已有的數(shù)據(jù)用于用戶業(yè)務(wù)，而不依賴于當(dāng)前調(diào)度周期基站是否向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，此時基站可以對該用戶賦予較低的調(diào)度優(yōu)先級。

步驟3、數(shù)據(jù)包傳送描述。

穩(wěn)定狀態(tài)下，基站產(chǎn)生用戶所需數(shù)據(jù)的平均速率與用戶app在終端提取數(shù)據(jù)的平均速率應(yīng)保持一致。直觀上，若將整個調(diào)度及傳輸過程視作黑盒操作，只考慮系統(tǒng)輸入和輸出，顯然基站產(chǎn)生的用戶所需數(shù)據(jù)包將作為輸入，而用戶app從終端緩存中提取的數(shù)據(jù)包將作為輸出，平均意義上輸入速率應(yīng)等于輸出速率,以達(dá)到供求平衡，即設(shè)計虛擬隊列來描述這一情況，隊列的更新公式為：

hk(t+1)＝hk(t)-μk(t)+λk(t)(6)

其中λk(t)為基站產(chǎn)生用戶k所需數(shù)據(jù)包的速率，μk(t)為用戶k的app從終端緩存中提取數(shù)據(jù)的速率。

步驟4、時延描述。

在基站端為所有用戶根據(jù)其業(yè)務(wù)類型設(shè)計一個虛擬服務(wù)，無論當(dāng)前調(diào)度周期此用戶是否被調(diào)度，該服務(wù)總是在基站監(jiān)測到其終端緩存小于某一門限值時啟動，當(dāng)終端緩存小于某門限值時，該終端上報給基站，該門限值也取決于業(yè)務(wù)類型。

具體的業(yè)務(wù)類型見圖3?？紤]到實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)的區(qū)別，將非實時業(yè)務(wù)的門限值定為0，而實時業(yè)務(wù)的門限值定為該種業(yè)務(wù)以最高傳輸速率傳輸時最大時延內(nèi)的數(shù)據(jù)量。

用戶允許的時延越大意味著基站為這一服務(wù)所承諾的速率越小。用這種服務(wù)的速率來描述用戶端的時延，通過構(gòu)造一個虛擬隊列來描述這一服務(wù)，即基站對用戶終端緩存器中數(shù)據(jù)緩存量的大小所做出的反應(yīng)。隊列的更新公式如下：

其中，qk(t)代表在調(diào)度時隙t用戶k的終端緩存中數(shù)據(jù)包的情況,代表用戶k的終端緩存門限值，若用戶k的終端緩存中的數(shù)據(jù)低于此門限值，基站在產(chǎn)生下一調(diào)度周期中的調(diào)度策略時將會賦予其較高的優(yōu)先級。需要說明的是，若多個調(diào)度周期中該用戶仍舊未被調(diào)度，即基站一直沒有將其所需數(shù)據(jù)送入終端緩存器，該用戶就會產(chǎn)生時延，從而影響用戶app的qos。上式表示當(dāng)用戶k的app從終端緩存器中提取數(shù)據(jù)μk(t)后，緩存qk(t)仍大于門限值qmin時，服務(wù)不啟動；反之，基站啟動該服務(wù)，并為用戶k按照其業(yè)務(wù)類型分配虛擬傳輸速率εk。

如前所述，當(dāng)該服務(wù)啟動，但多個調(diào)度周期中該用戶仍舊未被基站調(diào)度，即無數(shù)據(jù)進(jìn)k入終端緩存，用戶就會產(chǎn)生時延，可以證明的是，在這種虛擬服務(wù)機(jī)制下的最大時延滿足：

其中，的定義式將在步驟5的式(23)中給出。

步驟5、產(chǎn)生調(diào)度策略。

建立基站吞吐量最大的目標(biāo)函數(shù)；此外，每個調(diào)度周期開始時，步驟2～步驟4中定義的各個隊列都將進(jìn)行更新。步驟2中所定義隊列的更新意味著用戶終端緩存狀態(tài)的刷新，這有助于步驟4根據(jù)終端緩存選擇合適的虛擬隊列形式以調(diào)整用戶優(yōu)先級。步驟3中所定義隊列的更新反映系統(tǒng)的輸入輸出狀態(tài)。

根據(jù)這些更新后的隊列構(gòu)造lyapunov函數(shù)。將目標(biāo)函數(shù)和lyapunov漂移通過懲罰因子結(jié)合起來得到漂移懲罰函數(shù)，而后利用lyapunov算法最小化其上界。直觀上，通過最小化該上界可以幫助穩(wěn)定lyapunov隊列，并且控制吞吐量。特別的，當(dāng)某用戶終端緩存小于門限值時，由步驟4看出，其虛擬隊列將從無到有，此時調(diào)度策略必須做出調(diào)整。按照步驟4中對虛擬隊列的定義，基站將努力在后續(xù)調(diào)度周期為其分配傳輸速率以保證lyapunov隊列的穩(wěn)定，相當(dāng)于在調(diào)度策略產(chǎn)生時賦予該用戶較高的優(yōu)先級。據(jù)此得到的調(diào)度策略將決定下一調(diào)度周期基站所服務(wù)的用戶。

目標(biāo)函數(shù)如下

其中，

代表用戶k的時間平均傳輸速率。(10)由多用戶mimo系統(tǒng)中在同一時間使用同一頻率的多個用戶相互之間的干擾決定。(11)表示追求穩(wěn)定的系統(tǒng)狀態(tài)，即基站產(chǎn)生的用戶所需數(shù)據(jù)的速率等于用戶app在終端提取數(shù)據(jù)的速率。(12)約束表示當(dāng)用戶終端緩存量低于門限值時，該用戶有一個最低虛擬傳輸速率εk。

本實施例所構(gòu)造的lyapunov函數(shù)為：

lyapunov漂移的定義式為：

δ(θ(t))＝e{l(θ(t+1))-l(θ(t))|θ(t)}(15)

將目標(biāo)函數(shù)和lyapunov漂移結(jié)合起來得到漂移懲罰函數(shù)：

其中，v≥0代表權(quán)值，體現(xiàn)出隊列積壓最小化和吞吐量最大化之間的權(quán)衡。

將lyapunov函數(shù)的隊列積壓推到一個域中，使l(θ(t))≤m(m是一個常數(shù))，會幫助穩(wěn)定各個隊列，以保證約束條件得到滿足。但是要在滿足約束的條件下使得目標(biāo)函數(shù)值最大，所以不再單單最小化式(15)來保證隊列穩(wěn)定，而是最小化式(16)來同時控制隊列的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的吞吐量。通過推導(dǎo)式(16)的上界，轉(zhuǎn)而最小化該上界，來達(dá)到相同的效果。下面推導(dǎo)漂移懲罰函數(shù)的上界：

其中的b是一個常數(shù)，它滿足：

需要設(shè)計一個調(diào)度算法去最小化式(17)得到的漂移懲罰函數(shù)的上界。根據(jù)機(jī)會主義最小化期望的思想，最小化如下不等式右邊的項同樣可以達(dá)到目的。

為了強(qiáng)調(diào)出基站向用戶k的終端緩存中發(fā)送其所需數(shù)據(jù)包的速率取決于調(diào)度策略和信道狀態(tài)，記可以看出要想最小化不等式(19)，設(shè)計調(diào)度策略α(t)＝{α1(t),…,αk(t),…αk(t)}。

這個算法滿足其中的經(jīng)過理論推導(dǎo)將滿足如下定義。

定義

其中，是基站向用戶終端緩存發(fā)送數(shù)據(jù)的速率極限，是基站產(chǎn)生用戶所需數(shù)據(jù)的速率極限。這里定義的將用于決定在步驟4中確定虛擬服務(wù)傳輸速率εk。