基于業(yè)務(wù)測(cè)量的LTE調(diào)度機(jī)制

肖清華（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014）

0 前言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展使得LTE［1-2］作為一種能夠保證多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）［3］及用戶公平性的無線寬帶通信技術(shù)，得到越來越廣泛應(yīng)用。為提高系統(tǒng)資源利用率，LTE采取共享信道機(jī)制，需要根據(jù)快速變化的傳播環(huán)境、外界干擾以及系統(tǒng)負(fù)荷等因素，及時(shí)動(dòng)態(tài)地在用戶之間分配物理資源。因此，調(diào)度機(jī)制在LTE系統(tǒng)中顯得至關(guān)重要。而調(diào)度的業(yè)務(wù)包括非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)調(diào)度的敏感性不高，如E-mail，后者如 VoLTE［4］、視頻業(yè)務(wù)［5］等。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在丟包率、系統(tǒng)吞吐量和業(yè)務(wù)時(shí)延上要求更高，也是用戶更關(guān)注的一類業(yè)務(wù)。因此，本文也以實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)為目標(biāo)，結(jié)合客戶感知和系統(tǒng)資源2個(gè)方面綜合地考慮其調(diào)度機(jī)制。

目前最常用的調(diào)度算法有最大速率算法、輪詢RR算法、比例公平PF算法和最短作業(yè)優(yōu)先SJF算法等［6-7］，它們并沒有對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，也沒有從客戶感知的角度對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估。吳大鵬等人［8］提出了一種排隊(duì)延遲感知的LTE調(diào)度機(jī)制（QDA——Queuing Delay Aware），但它只是簡(jiǎn)單地顧及單業(yè)務(wù)，并沒有考慮并發(fā)的多業(yè)務(wù)，此外，對(duì)系統(tǒng)的影響，如資源負(fù)荷等未提及。與此類似，文獻(xiàn)［5］也是對(duì)視頻業(yè)務(wù)在調(diào)度過程中的HOL（Head of Line）延遲進(jìn)行判定，并動(dòng)態(tài)地調(diào)整隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)。所不同的是，考慮了分組丟失的數(shù)量，但也只是短期內(nèi)提升了調(diào)度的公平性。楊俊蓉等［9］對(duì)Bell實(shí)驗(yàn)室的M-LWDF可變最大加強(qiáng)時(shí)延優(yōu)先調(diào)度算法進(jìn)行了改進(jìn)，不僅考慮了用戶的信道條件，還增加了對(duì)時(shí)延和速率變化的反應(yīng)敏感度，是LTE調(diào)度算法優(yōu)化的一個(gè)方向。類似的修正還有王鵬等人［10］，通過優(yōu)先級(jí)的二次計(jì)算來提高資源塊的利用率，并引入補(bǔ)償因子來彌補(bǔ)由此產(chǎn)生的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)性能下降，代價(jià)是復(fù)雜度有所提高。實(shí)際上，除了考慮LTE調(diào)度實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延敏感外，更多地把多業(yè)務(wù)質(zhì)量保障、系統(tǒng)資源占用率及對(duì)帶寬的影響納入進(jìn)來是整個(gè)調(diào)度機(jī)制優(yōu)化的重點(diǎn)與方向［11-17］。

為此，本文提出一個(gè)基于業(yè)務(wù)測(cè)量的LTE公平性調(diào)度算法（SMSA——Service Measure based Scheduling Algorithm），能夠揚(yáng)長(zhǎng)避短，同時(shí)兼顧實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的排隊(duì)時(shí)延與接入帶寬。

1 SMSA模型

1.1 調(diào)度機(jī)制

LTE資源分配的基本單位定義為RB資源塊，一個(gè)RB在時(shí)域上包含6或7個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)，在頻域上包含連續(xù)的12個(gè)子載波。調(diào)度器每隔一個(gè)TTI調(diào)度一次，每個(gè)TTI時(shí)間長(zhǎng)度為1 ms，在每個(gè)TTI內(nèi)，根據(jù)信道指示等外部信息，依據(jù)不同的調(diào)度算法，計(jì)算出每個(gè)用戶用于發(fā)送每個(gè)業(yè)務(wù)的RB資源塊。

1.2 時(shí)延評(píng)估

信噪比等外界因素的影響將會(huì)導(dǎo)致SMSA調(diào)度隊(duì)列長(zhǎng)度變長(zhǎng)，從而使得信道條件差的用戶遲遲得不到調(diào)度，造成“挨餓”的現(xiàn)象，需要及時(shí)提升其調(diào)度優(yōu)先級(jí)。

對(duì)用戶i申請(qǐng)的多業(yè)務(wù){(diào)j=1，2，…，M}，假設(shè)每類業(yè)務(wù)在隊(duì)列中等待時(shí)間分別為{TW1，TW2，…，TWM}，該類業(yè)務(wù)所能允許的最大時(shí)延分別為{TM1，TM2，…，TMM}，則對(duì)每一類業(yè)務(wù)，定義時(shí)延權(quán)重：式中：

e(?)——以 e為底的指數(shù)函數(shù)

TWij——用戶i所申請(qǐng)的業(yè)務(wù)j的等待時(shí)間

TMij——用戶i所申請(qǐng)的業(yè)務(wù)j的最大時(shí)延

對(duì)于用戶i的多類業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)延的綜合權(quán)重定義如下：

1.3 業(yè)務(wù)測(cè)量

時(shí)延評(píng)估只是簡(jiǎn)單地考慮了實(shí)時(shí)多業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的影響，但對(duì)用戶申請(qǐng)業(yè)務(wù)的到達(dá)率、申請(qǐng)成功率，以及對(duì)系統(tǒng)資源占用的影響絲毫沒有顧及。

對(duì)用戶i申請(qǐng)業(yè)務(wù)j的概率定義如下：

式中：

ρa(bǔ)r_ij——用戶i申請(qǐng)業(yè)務(wù)j的到達(dá)概率

αij——用戶i申請(qǐng)業(yè)務(wù)j的阻塞率

ρa(bǔ)p_ij——用戶i申請(qǐng)業(yè)務(wù)j的申請(qǐng)概率

在t時(shí)刻的概率定義如下：

接著，計(jì)算：

式中：

β——加權(quán)因子

結(jié)合式（4）與（5）可得：

需要根據(jù)業(yè)務(wù)申請(qǐng)概率的大小，對(duì)業(yè)務(wù)占用帶寬進(jìn)行適時(shí)地修正。

假設(shè)THij表示申請(qǐng)業(yè)務(wù)j所占用的帶寬，計(jì)算如下：

式中：

NPRBij——用戶i申請(qǐng)業(yè)務(wù)j占用的物理資源塊數(shù)量

BW——每個(gè)物理資源塊的占用帶寬，即180 kHz

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在式（7）的基礎(chǔ)上，計(jì)算t時(shí)刻的單位業(yè)務(wù)概率帶寬：

再根據(jù)式（8）綜合考慮用戶i申請(qǐng)的多業(yè)務(wù)對(duì)整個(gè)LTE系統(tǒng)占用的資源帶寬：

類似地，給出帶寬評(píng)估模型：

式中：

THri——LTE系統(tǒng)給用戶i分配的最大帶寬

2 調(diào)度算法

SMSA調(diào)度算法在對(duì)單業(yè)務(wù)時(shí)延進(jìn)行評(píng)估的同時(shí)，綜合考慮了對(duì)系統(tǒng)帶寬占用的影響。

設(shè)定加權(quán)因子γ，計(jì)算第n個(gè)TTI時(shí)用戶i的調(diào)度優(yōu)先級(jí)為：

a）當(dāng)用戶感知降低，時(shí)延增大時(shí)，可增大權(quán)重因子γ。

b）當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加，資源占用緊張時(shí)，可適當(dāng)減小γ。

c）對(duì)于申請(qǐng)單業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)種類較少的用戶，可適時(shí)通過增大γ因子實(shí)現(xiàn)傾斜。

d）如果用戶只申請(qǐng)VoLTE或視頻業(yè)務(wù)，也可適時(shí)增大γ。

e）用戶信道條件不好，信噪比較差，也可通過增大γ來保障其服務(wù)質(zhì)量。

3 仿真

3.1 仿真環(huán)境

本文采用Matlab對(duì)SMSA算法進(jìn)行仿真，具體參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果與分析

表1 仿真參數(shù)

3.2.1 系統(tǒng)吞吐量

對(duì)在運(yùn)動(dòng)過程中不同數(shù)量的終端進(jìn)行不同調(diào)度算法的仿真，小區(qū)總吞吐量的對(duì)比顯示如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)吞吐量

給予合適的γ因子，SMSA會(huì)在業(yè)務(wù)時(shí)延與系統(tǒng)帶寬之間折中考慮。在當(dāng)前的仿真中，隨著用戶數(shù)量的增加，SMSA吞吐量增長(zhǎng)的幅度小于SJF與QDA，表示算法本身在均衡時(shí)延與帶寬指標(biāo)。

3.2 .2丟包率統(tǒng)計(jì)

對(duì)3種調(diào)度算法在調(diào)度過程中產(chǎn)生的丟包數(shù)量及丟包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。

SMSA更傾向于調(diào)度占用帶寬和業(yè)務(wù)時(shí)延小的用戶，對(duì)于信道條件不好的多業(yè)務(wù)，如果占用帶寬高，雖然可以通過加權(quán)因子調(diào)節(jié)，但總體上丟包率會(huì)上升，但上升到一定階段后，上升的幅度會(huì)減小。

圖2 丟包率

3.2.3 公平性

圖3給出了公平性仿真結(jié)果。毫無疑問，RR的公平性仍然是所有算法中最高的，這是由其準(zhǔn)則決定的，而SJF根本沒考慮公平性，其公平性是最低的。SMSA通過調(diào)節(jié)時(shí)延與帶寬的加權(quán)因子，保持對(duì)QDA的優(yōu)越性。但總體來說，隨著調(diào)度用戶的增加，所有算法的公平性均在降低。

圖3 公平性

4 結(jié)束語(yǔ)

用戶調(diào)度屬于無線資源管理中的一種，能夠?qū)TE的空口資源進(jìn)行規(guī)劃和合理利用，其主要目的是利用有限的無線資源為網(wǎng)絡(luò)用戶提供盡可能好的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證，在無線信道狀態(tài)變化時(shí)靈活地分配RB資源，從而提高頻譜利用率。本文從實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的敏感性出發(fā)，兼顧業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)帶寬的占用，提出了一種新的LTE調(diào)度算法，能夠比較均衡地調(diào)整多業(yè)務(wù)用戶的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，從而保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和客戶感知。