eMBB場景下一種基于分類集的5G公平性調(diào)度算法

金 晶，肖清華（.中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江杭州 30040；.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 3004）

1 概述

5G移動通信網(wǎng)是一個全方位服務(wù)、多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)［1-3］，它通過信息技術(shù)的演進與創(chuàng)新，來滿足用戶多樣化的業(yè)務(wù)需求。無論是目前流行的汽車自動駕駛，還是沉浸式的AR/VR 體驗，無不是背后5G 技術(shù)的支撐。大致來說，5G 技術(shù)可以細分為eMBB、uRLLC、eMTC 三大場景。其中，eMBB 提供更大的數(shù)據(jù)帶寬，uRLLC 在極低的時延條件下以超高的可靠性傳輸零星的數(shù)據(jù)量，eMTC 則支持海量機器接入，主要針對物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等應(yīng)用。而5G 作為一種無線通信系統(tǒng)，其資源是稀缺的。因此，為了實現(xiàn)以上不同的場景，就需要資源調(diào)度［4-5］機制來完成此類任務(wù)。在現(xiàn)有關(guān)于5G 調(diào)度的研究中，更多的是針對如何降低5G 網(wǎng)絡(luò)時延［6-7］，因為業(yè)務(wù)低時延可以直接提升客戶滿意度。趙?。?］研究了一種基于PDMA 的低功耗大連接免調(diào)度算法，針對的是eMTC場景。張詩壯等人［9］則提出了一種基于純數(shù)據(jù)的可以避免參考信號碰撞的mMTC免調(diào)度接入算法。在eMBB 領(lǐng)域，夏杰［10］等人提出了一種基于公平性的打孔算法，朱立雷研究了如何提升5G 用戶感知的優(yōu)化速率［11］。在實際的5G 業(yè)務(wù)使用中，單獨的場景應(yīng)用范圍往往比較狹窄，更多的是跨場景或混合業(yè)務(wù)［12-14］，基于此文獻［15］提出了典型的M-LWDF 算法。作者之前也類似地提出一種吞吐量優(yōu)先的LTE 公平性調(diào)度TFFG 算法［16］，結(jié)合時延和吞吐量的性能傾斜進行了一番探討。但這些研究，要么算法復(fù)雜度高，要么對不同QoS 要求的用戶保障級別不足。為此，作者提出一種eMBB 場景下基于分類集的5G 公平性調(diào)度算法（Considering classified Sets and Fairness guaranteed 5G Scheduling algorithm for eMBB，CSFSM），能夠兼顧業(yè)務(wù)的不同指標(biāo)要求。

2 CSFSM模型及算法

CSFSM 算法通過對n個業(yè)務(wù)SvrT={Svr1，Svr2，…，Svrn}實施調(diào)度，設(shè)置相應(yīng)的時延開關(guān)來判定業(yè)務(wù)是否存在超時行為。在超時的情況下，通過創(chuàng)建輪空集來提升其調(diào)度權(quán)重，而在不超時的正常情況下，對于低速且期望速率不高的業(yè)務(wù)實施適度的盡力而為服務(wù)，對于其他業(yè)務(wù)，分別因?qū)嶋H速率與期望速率的不同，實施差異化的調(diào)度。

2.1 目標(biāo)業(yè)務(wù)

為了敘述方便，假設(shè)n個業(yè)務(wù)的申請速率分別為{Vt1，Vt2，…，Vtn}，理想速率為{Vd1，Vd2，…，Vdn}，當(dāng)前業(yè)務(wù)時延為{Dly1，Dly2，…，Dlyn}，相應(yīng)的時延容忍為{Dlm1，Dlm2，…，Dlmn}。

2.2 設(shè)置業(yè)務(wù)時延開關(guān)量

設(shè)置時延開關(guān)量的目的是為了超時預(yù)警，因此設(shè)置了統(tǒng)一的時延預(yù)警系數(shù)τwn。對于當(dāng)前時刻SvrT={Svr1，Svr2，…，Svrn}中的每個業(yè)務(wù)Svri，計算：

其中，τi表示業(yè)務(wù)Svri的時延偏離度；如果滿足，

則將該業(yè)務(wù)的時延開關(guān)量置1，否則置0。

2.3 創(chuàng)建輪空集

計算當(dāng)前所有業(yè)務(wù)的總吞吐量：

計算各業(yè)務(wù)相應(yīng)的權(quán)重：

計算最大權(quán)重：

其中，max(·)表示最大值函數(shù)。

CSFSM 對所有業(yè)務(wù)Svri進行跟蹤，調(diào)度器每輪空一次，相應(yīng)業(yè)務(wù)的計數(shù)器φi加1。

若滿足以下條件，

其中，φlk表示當(dāng)前所有業(yè)務(wù)的輪空預(yù)警閾值。

則將該業(yè)務(wù)Svri納入到輪空集LK中，

并計算輪空集中所有業(yè)務(wù)的優(yōu)先級：

2.4 創(chuàng)建適度盡力而為集

計算所有業(yè)務(wù)申請速率的數(shù)學(xué)期望值：

計算第1剩余集合：

對于第1剩余集合中的每個業(yè)務(wù)Svrj，若滿足條件：φj＜φlk和Vdj＜Vtmean，則將該業(yè)務(wù)Svrj納入到適度盡力而為集MBE中：

計算所有業(yè)務(wù)優(yōu)先級的數(shù)學(xué)期望值：

并更新MBE集合中的各業(yè)務(wù)的優(yōu)先級：

2.5 創(chuàng)建其他剩余集

計算步進優(yōu)先級：

創(chuàng)建第2剩余集：

在Svrlft2中篩選出滿足以下條件的業(yè)務(wù)：

將這些業(yè)務(wù)納入第3 剩余集Svrlft3中，保持Svrlft3中的業(yè)務(wù)優(yōu)先級γw不變，即

在Svrlft2中篩選出滿足以下條件的業(yè)務(wù)：

將這些業(yè)務(wù)納入第4剩余集Svrlft4中：

計算其中業(yè)務(wù)優(yōu)先級的最大值：

對Svrlft4的每項業(yè)務(wù)，若其時延開關(guān)量為0，則更新其優(yōu)先級，γz=γ4m；否則，更新其優(yōu)先級，γz=γ4m+γΔ，并將該業(yè)務(wù)的超時開關(guān)量置0。

在Svrlft2中篩選出滿足以下條件的業(yè)務(wù)：

將這些業(yè)務(wù)納入第5 剩余集Svrlft5中。對Svrlft5的每項業(yè)務(wù)，若其時延開關(guān)量為0，則保持Svrlft5中的業(yè)務(wù)優(yōu)先級γw不變；否則，更新其優(yōu)先級，γz=γz+γΔ，并將該業(yè)務(wù)的超時開關(guān)量置0。

2.6 調(diào)度算法

對已經(jīng)更新過優(yōu)先級的業(yè)務(wù)集SvrT={Svr1，Svr2，…，Svrn}，根據(jù)更新后的優(yōu)先γ（ii∈{1,2..n} ）送入5G 調(diào)度器進行調(diào)度。

3 仿真驗證

3.1 仿真環(huán)境

將本文的CSFSM 算法，與常用的RR 輪循、作者之前的TFFG 以及典型的M-LWDF 算法［15］進行Matlab 仿真對比，具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 系統(tǒng)吞吐量

對在運動過程中不同數(shù)量的終端采用不同調(diào)度算法的仿真，小區(qū)總吞吐量的對比如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)吞吐量

CSFSM 會盡可能對滿足要求的業(yè)務(wù)進行優(yōu)先調(diào)度，進而提高了系統(tǒng)吞吐量，而TFFG 則采取的是一刀切的方式，吞吐量提升是最明顯的，但會帶來時延的提高和公平性的降低。M-LWDF 是一種修改后的最大權(quán)重算法，雖然也會考慮時延，但在吞吐量體現(xiàn)上相對并不太明顯，RR吞吐量效能最低。

3.2.2 時延統(tǒng)計

對幾種調(diào)度算法在調(diào)度過程中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)時延進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)時延

由圖2可知，CSFSM 對時延控制的效果最好，主要因為引入了時延開關(guān)量，對時延開關(guān)量置1 的業(yè)務(wù)及時進行調(diào)度，降低了整體的業(yè)務(wù)時延，效果遠好于TFFG和M-LWDF方法。

3.2.3 公平性

對幾種調(diào)度算法的公平性進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。

圖3 調(diào)度公平性

從圖3 可以看出，RR 的公平性是所有算法中最高的，這是由其準(zhǔn)則決定的，而本文提出的CSFSM 算法其次，接下來是M-LWDF 和TFFG 算法。TFFG 極致地調(diào)度高吞吐量用戶，在系統(tǒng)總資源受限的情況下會產(chǎn)生較大的副作用，即低速率業(yè)務(wù)被搶占，調(diào)度的公平性自然就降低了。

總而言之，CSFSM 算法能公平地兼顧系統(tǒng)吞吐量與業(yè)務(wù)時延，更適和在跨eMBB和uRLLC場景中使用。

4 結(jié)束語

用戶調(diào)度屬于無線資源管理中的一種，能夠?qū)?G系統(tǒng)的空口資源進行規(guī)劃和合理利用，其主要目的是在有限的無線資源條件下為網(wǎng)絡(luò)用戶提供盡可能好的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證［17-18］，在無線信道狀態(tài)變化時靈活地分配RB 資源，從而提高頻譜利用率。本文從分類集的角度出發(fā)，將不同業(yè)務(wù)需求細分為不同的集合，從而采取不同的控制策略，提出了一種新的5G 調(diào)度算法，能夠動態(tài)調(diào)整混合業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級，兼顧了業(yè)務(wù)之間的公平性，從而保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和客戶感知。