基于TD-LTE系統(tǒng)的無線資源調(diào)度策略分析與實(shí)現(xiàn)

李亞軍,王全寶,董亞光,朱 軍,馬宏博

(1.上海貝爾股份有限公司,上海201206;2.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院,上海200240)

1 引 言

TD-LTE(Time-division Long Term Evolution)作為我國自主知識產(chǎn)權(quán)的移動通信技術(shù)之一,以其不對稱頻譜、高頻譜利用率、低用戶面時(shí)延等特點(diǎn)越來越受到世界各大主流運(yùn)營商和設(shè)備商的關(guān)注,成為提供無處不在移動通信業(yè)務(wù)的主要演進(jìn)方向。由于MIMO(Multiple Input and Multiple Output)技術(shù)以及自適應(yīng)調(diào)制編碼等先進(jìn)技術(shù)的引入,使得LTE系統(tǒng)對無線資源的分配具有了很大的靈活性,同時(shí)對無線資源調(diào)度提出了更高的要求[1]。

按照3GPP(The 3rd Generation Partner Project)協(xié)議的要求,無線資源調(diào)度在MAC(Medium Access Control)層實(shí)現(xiàn)[2]。與2G、3G系統(tǒng)相比,除了傳統(tǒng)的時(shí)域和碼域的調(diào)度外,TD-LTE同時(shí)涉及用戶和空域的調(diào)度,這使得MAC層的調(diào)度更加復(fù)雜。另一方面,盡管協(xié)議中規(guī)定了一些調(diào)度的QoS(Quality of Service)控制內(nèi)容,但是對具體的MAC層調(diào)度實(shí)現(xiàn)卻并沒有涉及,從而為設(shè)備供應(yīng)商研發(fā)具有不同策略與性能調(diào)度器提供了空間。針對不同的調(diào)度方法,文獻(xiàn)[3]分析了最大載干比算法、公平算法和比例公平調(diào)度算法吞吐量、延遲等指標(biāo)的差異,并得出了比例公平調(diào)度算法優(yōu)于其余算法的結(jié)論,但是沒有結(jié)合LTE的獨(dú)特性質(zhì)提出具體的方法和實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]結(jié)合LTE系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)的QoS特點(diǎn),基于其不同的付費(fèi)優(yōu)先級提出了新的調(diào)度算法,但是其算法只是針對比例公平算法,并沒有考慮不同策略在統(tǒng)一框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)的可能性,而且沒有具體的平臺實(shí)現(xiàn)。針對以上特點(diǎn),本文在分析TD-LTE調(diào)度器的不同調(diào)度策略的基礎(chǔ)上,提出了基于用戶業(yè)務(wù)QoS感知的算法統(tǒng)一框架以及實(shí)現(xiàn)方法,同時(shí)給出了不同調(diào)度策略下的實(shí)測性能比較。

2 TD-LTE系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度框架

根據(jù)3GPP協(xié)議,控制面信令或者用戶面數(shù)據(jù)經(jīng)過分組數(shù)據(jù)匯聚子層(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)和鏈路控制(Radio Link Control,RLC)子層處理后形成邏輯信道(logic channel)到達(dá)MAC層,MAC層根據(jù)不同的業(yè)務(wù)流的QoS要求,結(jié)合當(dāng)前的信道質(zhì)量情況,在保證用戶公平以及系統(tǒng)吞吐量性能的前提下,動態(tài)地為用戶分配相應(yīng)的無線時(shí)頻資源以及功率控制信息并通過調(diào)度信令下發(fā)給UE(User Equipment),UE按照指定的編碼方式和MIMO模式在給定的無線時(shí)頻資源上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

一般說來,MAC層調(diào)度器根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息、信道測量信息來對無線信道的時(shí)頻資源以及功率資源進(jìn)行動態(tài)分配和調(diào)整。TD-LTE系統(tǒng)的下行調(diào)度器組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 TD-LTE下行調(diào)度器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Architecture of downlink scheduler in TD-LTE

由于無線信道的時(shí)變特性,調(diào)度器必須獲得當(dāng)前無線信道的質(zhì)量情況,從而來決定調(diào)度的度量(metric)以及最終下發(fā)給終端UE的資源調(diào)制和編碼模式。因此,獲得測量報(bào)告是調(diào)度器進(jìn)行資源調(diào)度的基礎(chǔ)。對于下行鏈路,信道測量主要由UE側(cè)完成并通過上行業(yè)務(wù)信道和上行控制信道進(jìn)行信道質(zhì)量指標(biāo)(Channel Quality Indication,CQI)上報(bào),調(diào)度器根據(jù)UE反饋的CQI進(jìn)行信道估計(jì);對于上行信道,信道測量主要由基站的物理層根據(jù)UE發(fā)送上行解調(diào)參考信號(DMRS)或者探測參考信號(SRS)完成,調(diào)度器根據(jù)上述信息對上行鏈路進(jìn)行信道估計(jì)。調(diào)度器根據(jù)信道估計(jì)確定初始的資源調(diào)制和編碼方式,并結(jié)合用戶當(dāng)前的業(yè)務(wù)流情況以及無線承載的QoS信息形成調(diào)度度量,根據(jù)一定的調(diào)度策略,完成資源的動態(tài)分配;同時(shí),調(diào)度器根據(jù)混合重傳自動請求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)進(jìn)程的反饋情況進(jìn)行塊差錯率(Block Error Rate,BLER)控制,調(diào)整資源的調(diào)制和編碼方式,從而在一定程度上抵御快衰落帶來的影響。資源調(diào)度任務(wù)完成后形成傳輸信道(transport channel),發(fā)送給物理層;同時(shí),調(diào)度器將調(diào)度信息通過指令經(jīng)過下行控制信道發(fā)送給UE,UE根據(jù)相應(yīng)的指令完成數(shù)據(jù)傳輸。

在具體實(shí)現(xiàn)上,TD-LTE系統(tǒng)調(diào)度器分為上行調(diào)度器和下行調(diào)度器兩個功能模塊,分別負(fù)責(zé)上行和下行共享物理信道的分配。與下行調(diào)度器不同的是,上行調(diào)度器還需獲得UE的發(fā)送功率抬升空間從而來確定分配給UE的資源塊個數(shù)。由于本文主要研究的對象是調(diào)度策略,因此將主要圍繞下行調(diào)度器展開。

3 調(diào)度算法分類

無線調(diào)度算法決定著無線資源在無線承載中的分配規(guī)則,是調(diào)度流程的核心。在無線系統(tǒng)中,由于無線信道的時(shí)變和衰落特性,吞吐量性能和公平性互為折衷。這里,吞吐量一般用小區(qū)單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量來衡量;公平則指小區(qū)內(nèi)所有用戶是否都獲得一定的服務(wù)機(jī)會。因此,系統(tǒng)吞吐量性能以及公平性成為調(diào)度算法設(shè)計(jì)的兩個主要目標(biāo)。

按照以上原則,基本的調(diào)度策略分為輪詢調(diào)度(Round Robin)、最大載干比(MAX C/I)以及比例公平(Proportional Fair)等。

(1)輪詢調(diào)度是一種最為簡單的調(diào)度策略,最早來源于計(jì)算機(jī)的任務(wù)調(diào)度。其基本思想是調(diào)度器依次輪詢所有滿足條件的無線承載,分給每個無線承載相同的時(shí)頻資源。因此,從公平的角度考慮,輪詢調(diào)度是最為公平的調(diào)度策略。另一方面,由于輪詢調(diào)度并沒有考慮無線承載不同的信道質(zhì)量情況,其吞吐量性能也是最差的。通常,輪詢調(diào)度被認(rèn)為是公平性的上界和吞吐量性能的下界。輪詢調(diào)度在每次調(diào)度執(zhí)行時(shí)并不考慮無線承載以往的被服務(wù)情況,即為無記憶性調(diào)度方式。

(2)最大載干比調(diào)度策略在調(diào)度過程中總是優(yōu)先滿足當(dāng)前處于無線信道質(zhì)量最好的無線承載,因此,可以達(dá)到系統(tǒng)吞吐量最大的調(diào)度目的。由于系統(tǒng)在每個調(diào)度周期內(nèi)總是選取該瞬間信道質(zhì)量最好的無線承載,所以可以獲得瞬間最大的頻譜效率,這也是最大載干比命名的由來。同時(shí),由于處于邊緣的UE或者無線承載有可能得不到調(diào)度而處于餓死的狀態(tài),該調(diào)度策略系統(tǒng)的公平性最差。最大載干比調(diào)度也屬于無記憶性調(diào)度。

(3)比例公平調(diào)度介于輪詢調(diào)度和最大載干比調(diào)度策略之間,可以兼顧到系統(tǒng)的吞吐量性能以及公平。實(shí)際上,給定最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)

其中,效用函數(shù)U(u)是一個單調(diào)遞增且連續(xù)可微的嚴(yán)格凹函數(shù),wi是流量控制的權(quán)重,C為常數(shù)。可以證明,一些凹函數(shù)可以在業(yè)務(wù)流量控制方面獲得基于權(quán)重w的流量公平[5]。通常,比例公平調(diào)度都需要參考一定服務(wù)時(shí)間窗口內(nèi)的被服務(wù)情況,因此是一種記憶性調(diào)度。

總之,調(diào)度算法控制著共享資源的分配,在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的性能。由于LTE的用戶數(shù)據(jù)完全通過共享信道傳輸,同時(shí)需要滿足高速數(shù)據(jù)速率和QoS的需求,因此MAC調(diào)度算法在LTE系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。

4 基于QoS的比例公平調(diào)度實(shí)現(xiàn)

按照調(diào)度框架,引入用戶 u調(diào)度度量函數(shù)如下:

則目標(biāo)函數(shù)為

其中,ρu(t)代表了當(dāng)前信道的頻譜效率,λu(t)代表了一段時(shí)間內(nèi)的被服務(wù)的流量,ωu是引進(jìn)的一個與QoS有關(guān)的調(diào)度因子,α則代表著調(diào)度策略對記憶的依賴程度。顯而易見,如果設(shè)α=0,上述目標(biāo)函數(shù)表現(xiàn)為包含QoS信息的最大載干比調(diào)度策略;α=1,則表述為含QoS信息的比例公平調(diào)度;隨著 α的進(jìn)一步增大,目標(biāo)函數(shù)對過去的分配信息依賴越來越大,從而表現(xiàn)為增強(qiáng)型的比例公平調(diào)度算法。假定α=1,由于不同用戶的ρu(t)是獨(dú)立同分布的,因此在任意時(shí)刻同一個小區(qū)內(nèi)的不同用戶獲取服務(wù)的概率是相等的。當(dāng)用戶獲取服務(wù)時(shí),他的信道情況必然是最好的。如果一個用戶因?yàn)樾诺蕾|(zhì)量比較差,特別是由于他處于小區(qū)邊緣使得頻譜利用率低下而長時(shí)間得不到發(fā)送機(jī)會,其平均吞吐量必然減少;這種情況下用戶同樣就會提高優(yōu)先權(quán),最終獲得傳輸機(jī)會。因此,從長時(shí)間來看,小區(qū)內(nèi)的用戶占用相同的時(shí)長進(jìn)行通信,是一種公平調(diào)度算法。同時(shí),由于系統(tǒng)進(jìn)行了服務(wù)時(shí)機(jī)選擇,用戶只有在信道質(zhì)量較好的時(shí)候才獲得服務(wù),所以系統(tǒng)吞吐量也能夠得以提高。

(1)ωu的設(shè)計(jì):ωu主要是QoS感知的調(diào)度因子,可以包含有關(guān)QCI參數(shù)的一些信息,例如GBR業(yè)務(wù)信息、優(yōu)先級丟包率等。

(2)λu(t)的設(shè)計(jì):比例公平算法對時(shí)間窗的長度通常有嚴(yán)格的要求,一般要足以覆蓋快衰落的變化,并且滿足用戶的時(shí)延要求。不難想象,如果時(shí)間窗過短,則分母的作用依然很小,起不到公平的作用;相反,如果時(shí)間窗過長,則會影響到對質(zhì)量好的信道應(yīng)用的概率,因此,需要不斷調(diào)整和優(yōu)化。另一方面,這個值也可以采用平均流量來代替,這樣經(jīng)過一階平滑處理后可以得到一個相對穩(wěn)定的值。本文實(shí)現(xiàn)采用這一種方法。

5 實(shí)測結(jié)果

我們在實(shí)驗(yàn)外場對上述調(diào)度算法進(jìn)行了性能測試,并給出了實(shí)測結(jié)果。外場測試環(huán)境屬于密集城區(qū)環(huán)境,采用了15個UE分別置于好、中、差點(diǎn)。好點(diǎn)采用直視徑通信,中點(diǎn)和差點(diǎn)采用了非直視徑通信。分別測試α=0,1,2時(shí)調(diào)度器性能(ωu=1情況下可代表MAX C/I、PF和enhanced PF),測試業(yè)務(wù)為FTP下載,采用滿Buffer業(yè)務(wù)下載;接入業(yè)務(wù)穩(wěn)定3 min以上開始記錄數(shù)據(jù),每一種調(diào)度策略獲得5組數(shù)據(jù),經(jīng)過平均后得到結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同調(diào)度策略性能比較Fig.2 Comparison between different algorithms from field testing

圖中結(jié)果表明,如前所述,最大載干比算法抑制了信道質(zhì)量差的信道,從而獲得了最佳的吞吐量,而PF則在吞吐量和公平性之間獲得了折衷,增強(qiáng)型的PF則更傾向于公平,其代價(jià)是損失了部分的吞吐量,這樣的結(jié)果也符合Gupta的理論[6]。

6 結(jié)束語

本文提出了一種針對TD-LTE系統(tǒng)的MAC層調(diào)度器的包含不同調(diào)度策略的統(tǒng)一算法框架,并給出了具體實(shí)現(xiàn)?？蚣懿粌H可以在不同的調(diào)度策略之間方便地轉(zhuǎn)換,同時(shí)考慮了基于QoS感知的調(diào)度因子,從而能滿足不同QoS服務(wù)要求的多用戶調(diào)度。實(shí)測結(jié)果表明了算法實(shí)現(xiàn)與理論的一致性。下一步的工作包含深入研究QoS感知的分類調(diào)度策略以及調(diào)度時(shí)間窗自適應(yīng)控制等以進(jìn)一步完善算法。

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