HSDPA實時業(yè)務(wù)調(diào)度算法在丟包率方面的仿真分析

孫霞，韓冷，王顯坤

（1.重慶郵電大學移通學院，重慶 401520；2.重慶郵電大學，重慶 400065；3.山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250101）

HSDPA實時業(yè)務(wù)調(diào)度算法在丟包率方面的仿真分析

孫霞1，韓冷2，王顯坤3

（1.重慶郵電大學移通學院，重慶 401520；2.重慶郵電大學，重慶 400065；3.山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250101）

主要研究了HSDPA無線通信系統(tǒng)中的分組調(diào)度算法。對HSDPA通信系統(tǒng)的分組調(diào)度算法M-LWDF和EXP進行了分類討論，并通過視頻業(yè)務(wù)參考模型對M-LWDF和EXP算法在丟包率方面進行仿真來研究它們的性能。仿真結(jié)果表明，在條件相同的情況下，M-LWDF算法比EXP算法的丟包率略高。

高速下行分組接入 修正的最大加權(quán)時延優(yōu)先算法 指數(shù)比例公平算法

1 引言

HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分組接入）是應用于UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）的一種高速下行分組包接入技術(shù)。理論上它能提供高達14.4Mbps的用戶數(shù)據(jù)速率，而且使傳輸時延大為降低。HSDPA通過自適應調(diào)制和編碼、信道傳輸資源和功率資源共享、快速調(diào)度、更短的時間間隔、快速混合自動重傳請求等來提高分組數(shù)據(jù)的吞吐量。

為給不同業(yè)務(wù)需求的用戶提供滿意的服務(wù)，無線分組調(diào)度（PS，Packet Scheduling）算法將進行統(tǒng)一資源調(diào)度，PS根據(jù)算法決定戶進行通信時所使用的無線資源。在保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）和用戶公平性的條件下，無線分組調(diào)度算法對無線資源進行分配，如碼道、頻率、時間等，其目標是保證系統(tǒng)吞吐量最大化。

一般來說，HSDPA的分組調(diào)度有以下幾類：

◆輪循（Round Robin）調(diào)度方式；

◆最大C/I（Best CQI Scheduler）調(diào)度方式；

◆正比公平（Proportional Fair Scheduler）方式；

◆修正的最大加權(quán)時延優(yōu)先（M-LWDF，Modified Largest Weighted Delay First）算法調(diào)度方式；

◆指數(shù)比例公平（EXP，Exponential Proportional）算法調(diào)度方式。

其中M-LWDF調(diào)度方式和EXP調(diào)度方式是具有支持時延約束的實時業(yè)務(wù)調(diào)度方式，下面對M-LWDF和EXP調(diào)度方式進行具體討論。

2 實時業(yè)務(wù)和實時業(yè)務(wù)無線分組調(diào)度算法

2.1 實時業(yè)務(wù)

3G無線網(wǎng)絡(luò)中的實時業(yè)務(wù)類型如表1所示：

表1 UMTS業(yè)務(wù)分類

（1）會話類業(yè)務(wù)（Conversation）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和普及，流媒體（Streaming Media）技術(shù)迅速發(fā)展，典型的會話類業(yè)務(wù)不僅僅是傳統(tǒng)意義上的電話，也包含了可視電話和電視會議等業(yè)務(wù)。實時會話業(yè)務(wù)要求傳輸?shù)膶崟r性、順序性、端到端的傳輸時延小以及傳輸?shù)纳舷滦袑ΨQ。由于人們感官限制，會話類業(yè)務(wù)允許端到端的最大時延要根據(jù)人對視頻會話的感覺來決定。

（2）流類業(yè)務(wù)（Streaming）

流類業(yè)務(wù)典型代表有音頻流、實時視頻流等業(yè)務(wù)。由于它是單向傳輸，不需要進行交互，所以實時性要求沒有會話類業(yè)務(wù)那么嚴格。

在QoS類型中，會話類對時延的要求最為苛刻。為使用戶有良好的感知，對低時延和時延抖動都有嚴格的要求。流類型業(yè)務(wù)并不講究播放端與源端之間的精確同步，只要能夠保證用戶聽到或看到的是前后順序正確、連續(xù)的的音、視頻，因此流類型對時延的敏感度稍低于會話類型，對時延要求不高。表2列出了會話類和流類的QoS參數(shù)對比：

表2 會話類和流類的QoS參數(shù)對比

2.2 M-LWDF調(diào)度算法

最大權(quán)重時延優(yōu)先算法的用戶優(yōu)先級定義如公式（1）所示：

式中，用戶i在第n個傳輸時間間隔的優(yōu)先級用Pi[n]表示，每個傳輸時間間隔所支持的最大用戶數(shù)據(jù)速率用Ri表示，用戶平均吞吐量的估計用λi表示。仿真中按照公式（1）計算，時間窗口長度為1000TTI，用戶i的HOL分組延時用Di表示，第n個傳輸時間間隔隊列的HOL分組的隊列延時用Di[n]表示，用戶i在隊列中等待的時延限制用Ti表示，δi是來區(qū)別不同QoS優(yōu)先級的用戶QoS參數(shù)[2]。

從公式（1）可以看出，分組的QoS參數(shù)決定用戶的優(yōu)先級，傳輸優(yōu)先級越高，QoS要求越高，不同的業(yè)務(wù)類型和QoS參數(shù)，其傳輸?shù)燃壊煌?。Ri是對用戶信道狀況的瞬時反映，在用戶信道條件較好的條件下能夠獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸優(yōu)先級，導致信道條件差的用戶則無法獲取服務(wù)。考慮用戶的公平性，為使信道條件差的用戶能夠獲得服務(wù)，必須要降低信道條件好的用戶的傳輸優(yōu)先級，丟棄隊列中等待時間超時的分組。因此M-LWDF算法會增大等待時間久的分組的優(yōu)先級，防止分組被丟棄。適當增加時延限制，可以減小分組被丟棄的概率。

2.3 EXP調(diào)度算法

EXP是基于公平比調(diào)度和指數(shù)加權(quán)的時延平衡機制算法，是朗訊實驗室在M-LWDF算法之后提出的一個新算法，該算法的調(diào)度優(yōu)先級公式如公式（2）和公式（3）所示：

式（2）和式（3）中，Wi(t)表示用戶i在基站緩沖隊列HOL分組延時，表示信道支持的平均數(shù)據(jù)速率，μi(t )表示用戶i在時刻t信道所支持的瞬時數(shù)據(jù)傳輸速率。表示QoS級別，iδ表示不能滿足時延的最大概率，Ti表示用戶i的時延門限。

EXP算法對緩沖隊列的分組延時做了指數(shù)處理，比M-LWDF算法具有更好的時延特性。當指數(shù)系數(shù)接近于1時，EXP算法與M-LWDF算法具有相近的結(jié)果。由于EXP算法提升了優(yōu)先級中HOL分組延時的比例，即使在信道用戶較多的情況下仍然能夠很好地滿足實時業(yè)務(wù)的QoS要求。

3 支持實時業(yè)務(wù)算法仿真分析

3.1 視頻流業(yè)務(wù)模型

在第三代移動通信系統(tǒng)應用中，視頻流業(yè)務(wù)是一項重要業(yè)務(wù)。本文選取從基站到移動終端方向觀察到的視頻流業(yè)務(wù)的穩(wěn)態(tài)模型作為業(yè)務(wù)參考模型[5]，如圖1所示，所研究的調(diào)度算法是支持實時業(yè)務(wù)的算法。通過設(shè)置接收端緩存器的初始時延（通常是幾秒的間隔），保證視頻流業(yè)務(wù)在一定范圍內(nèi)具有一致的時延和抖動。第三代移動通信標準已經(jīng)采納H.263和MEPG4協(xié)議用于視頻業(yè)務(wù)，本文的仿真采用的是MEPG4標準。由于流媒體業(yè)務(wù)對分組時延要求比較嚴格，分組時延最大變化率小于5%。視頻流點播業(yè)務(wù)（VOD，Video on Demand）是流業(yè)務(wù)的典型應用。在數(shù)據(jù)分組層次上，不同的視頻業(yè)務(wù)由于物體的移動性以及壓縮算法的不同，其業(yè)務(wù)模型各自不同。

圖1 視頻業(yè)務(wù)的參考模型

在視頻業(yè)務(wù)模型中，設(shè)定整個仿真處于同一個會話中。視頻數(shù)據(jù)的每一幀到達時間間隔為T，幀速率決定T的大小。通過一定的算法，可以把每一幀進行分解，分解后每一幀具有固定數(shù)量的數(shù)據(jù)幀片段，每一個片段作為一個分組進行發(fā)送。編碼延時是指一幀中分組間的間隔，它是在視頻編碼器進行編碼時產(chǎn)生的。業(yè)務(wù)流參數(shù)如表3所示。

3.2 仿真結(jié)果及分析

視頻流業(yè)務(wù)是時延敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，本仿真充分考慮分組時延。假設(shè)在一個小區(qū)有M個用戶，傳輸模式為時分復用，其相關(guān)的數(shù)據(jù)流為由遠端服務(wù)器傳來的N個分組流，由基站實現(xiàn)HSDPA的大部分功能。如果當前M個用戶都進行連接請求，基站會建立1個數(shù)據(jù)隊列用來保存用戶的相關(guān)連接信息。假設(shè)系統(tǒng)中多媒體業(yè)務(wù)為K組實時業(yè)務(wù)類別，每個業(yè)務(wù)的優(yōu)先級與其業(yè)務(wù)類別相對應。如第i類業(yè)務(wù)對應的優(yōu)先級為i，定義當i=1時，業(yè)務(wù)具有最高優(yōu)先級；當i=K時，業(yè)務(wù)具有的優(yōu)先級最低。超過等待時間的分組會被丟掉。下面給出了M-LWDF和EXP算法在丟包率方面的仿真結(jié)果，具體如圖2和圖3所示。

表3 業(yè)務(wù)流參數(shù)

圖2 M-LWDF和EXP算法的丟包率仿真比較

圖3 每扇區(qū)10用戶的丟包率仿真比較

由圖2和圖3可以看出，M-LWDF和EXP算法的丟包率大致相同；當扇區(qū)用戶數(shù)為10的時候，M-LWDF算法的丟包率略大于EXP算法的丟包率。

4 結(jié)束語

本文研究了EXP和M-LWDF實時業(yè)務(wù)調(diào)度算法，并對兩種算法各自的特點進行了分析。通過對兩種算法在特定條件下丟包率的仿真比較得出結(jié)論——在條件相同的情況下，EXP算法比M-LWDF算法丟包率略低。

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Simulation Analysis on Packet Loss Rate of Real-Time Traffi c Scheduling Algorithm in HSDPA

SUN Xia1, HAN Leng2, WANG Xian-kun3
(1. College of Mobile Telecommunications, Chongqing University of Posts and Telecom, Chongqing 401520, China; 2. Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 3. Shandong Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Co., Ltd., Jinan 250101, China)

Packet scheduling algorithms in HSDPA wireless communication system were researched in this paper. M-LWDF and EXP packet scheduling algorithms in HSDPA system were discussed and their performances were simulated according to packet loss rate using video traffi c reference model. Simulation results show that M-LWDF algorithm has slightly higher packet loss rate than EXP algorithm under the same conditions.

high speed downlink packet access modifi ed largest weighted delay fi rst algorithm exponential proportional fair algorithm

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.011

TN914

A

1006-1010(2015)10-0057-04

孫霞,韓冷,王顯坤. HSDPA實時業(yè)務(wù)調(diào)度算法在丟包率方面的仿真分析[J]. 移動通信, 2015,39(10): 57-60.

2015-01-14

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

孫霞：重慶郵電大學移通學院講師，碩士研究生畢業(yè)于重慶郵電大學，現(xiàn)任職于重慶郵電大學移通學院，研究方向為移動通信。