基于LTE 網(wǎng)絡(luò)的QoS 保障調(diào)度算法

李維雙，馮 馳

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

無線資源管理就是對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的空口資源的規(guī)劃和調(diào)度，主要目的為在有限的無線資源下為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶提供盡可能好的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證，在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布不均勻、無線信道不斷干擾起伏變化的情況下，靈活、動(dòng)態(tài)分配無線資源，最大限度提高頻譜利用率.

目前，應(yīng)用最廣泛，最為經(jīng)典的無線資源調(diào)度算法有最大速率算法、輪詢算法及比例公平算法等［1－2］.這些算法都是以系統(tǒng)吞吐量和公平性考慮為初衷，沒有考慮針對(duì)業(yè)務(wù)的保障，如VoIP、交互式網(wǎng)絡(luò)游戲等業(yè)務(wù)，對(duì)LTE 的時(shí)延指標(biāo)要求極為嚴(yán)格，因而應(yīng)該獲得優(yōu)先調(diào)度的機(jī)會(huì).但是經(jīng)典調(diào)度算法，以及近年提出的改進(jìn)算法其主要思路集中在系統(tǒng)吞吐量與用戶間公平性上的權(quán)衡，對(duì)業(yè)務(wù)的優(yōu)先保障較少涉及，尤其是時(shí)延敏感業(yè)務(wù)如何在網(wǎng)絡(luò)中有效傳輸，滿足時(shí)延需求.因此，本文提出一種綜合考慮業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)QoS 保障和無線網(wǎng)絡(luò)吞吐率的綜合調(diào)度算法，致力于平衡算法復(fù)雜度和系統(tǒng)傳輸時(shí)延保障、系統(tǒng)吞吐率.

1 技術(shù)原理

1.1 LTE 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)度過程及其問題

LTE 資源分配的基本單位定義為資源塊(Resource Block，RB)，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(Transmission Time Interval)調(diào)度1 次，每個(gè)TTI 時(shí)間長(zhǎng)度為1 ms.在每一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，根據(jù)信道狀態(tài)、待調(diào)度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列的狀態(tài)及服務(wù)質(zhì)量需求，調(diào)度器依據(jù)一定的調(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)的資源塊［3］.

LTE 的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略中遍歷問題是調(diào)度關(guān)注的核心問題.遍歷策略是指資源分配的實(shí)施方式，分為逐個(gè)用戶或逐個(gè)RB 兩種方式.逐個(gè)用戶遍歷策略為:依據(jù)一定的算法計(jì)算得到用戶間的優(yōu)先級(jí)排序，隨后依據(jù)得到的優(yōu)先級(jí)順序，各用戶獲得無線資源.逐個(gè)用戶遍歷的優(yōu)勢(shì)在于能夠方便的照顧各用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，并便于公平性的保障;其存在的問題是各用戶的優(yōu)先級(jí)計(jì)算是依據(jù)每個(gè)用戶在整個(gè)信道帶寬下的整體通信質(zhì)量而判定的，并沒有考慮不同子信道的差異性，最終將影響系統(tǒng)的資源利用率.逐個(gè)RB 方式的資源遍歷策略:針對(duì)每個(gè)TTI 中的各個(gè)RB 分別計(jì)算各用戶獲取該資源的優(yōu)先級(jí)，然后將該RB 分配給優(yōu)先級(jí)高的用戶.逐個(gè)RB 遍歷策略的優(yōu)勢(shì)在于能夠更有效地利用無線資源，但劣勢(shì)在于逐個(gè)RB 遍歷的固有RB順序?qū)⒁胂到y(tǒng)性能損失［4－5］.

既然兩種遍歷策略各有優(yōu)劣，我們考慮在一個(gè)遍歷策略中同時(shí)采用兩種遍歷方式，而兩種方式的轉(zhuǎn)換由當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)決定:業(yè)務(wù)的QoS 保障受到威脅時(shí)，采用逐個(gè)用戶方式分配資源;而當(dāng)系統(tǒng)資源利用率較低時(shí)，采用逐個(gè)RB 方式分配資源.

1.2 一種混合遍歷調(diào)度算法

根據(jù)以上問題本文提出一種混合遍歷調(diào)度算法.為了降低個(gè)體QoS 保障對(duì)于系統(tǒng)的資源利用以及公平性的影響，引入一種混合調(diào)度機(jī)制.而為了盡可能提高系統(tǒng)性能，算法配置了可調(diào)整參數(shù)盡量滿足業(yè)務(wù)保障與系統(tǒng)吞吐率的需求.同時(shí)通過利用LTE 標(biāo)準(zhǔn)所定義的QCI 參數(shù)作為業(yè)務(wù)保障參考，獲得了較低的計(jì)算負(fù)擔(dān).

綜上，無線資源調(diào)度器有兩種工作模式:逐用戶調(diào)度模式和逐RB 調(diào)度模式.每個(gè)TTI 調(diào)度器都有可能處于逐用戶調(diào)度模式或者逐RB 調(diào)度模式.若當(dāng)前TTI 存在用戶時(shí)延等QoS 指標(biāo)得不到保障時(shí)，調(diào)度器進(jìn)入逐用戶調(diào)度模式，否則進(jìn)入逐RB調(diào)度模式.當(dāng)用戶數(shù)據(jù)的等待時(shí)延BusinessDelay 超過QCI所定義的可容忍的時(shí)延時(shí)進(jìn)入逐用戶調(diào)度模式，如式(1).

其中:BusinessDelaymax為QCI 定義的該業(yè)務(wù)最大允許的排隊(duì)時(shí)延.BusinessDelayref為時(shí)延指標(biāo)保障的調(diào)整參量，用于控制QoS 保障的程度.BusinessDelayref的數(shù)值越大，QoS 保障越好，同時(shí)系統(tǒng)的公平性越差.

1.2.1 逐用戶調(diào)度模式

當(dāng)存在不滿足QoS 要求的業(yè)務(wù)調(diào)度器進(jìn)入逐用戶調(diào)度模式，因而QoS 的保障是逐用戶調(diào)度模式主要面對(duì)的問題.用戶間的優(yōu)先級(jí)排序直接依據(jù)LTE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方式進(jìn)行:當(dāng)同時(shí)存在多個(gè)業(yè)務(wù)不滿足QoS 要求，且這些業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的用戶擁有足夠好的無線信道質(zhì)量時(shí)，調(diào)度 器應(yīng)該優(yōu)先滿足高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)延預(yù)算，如果用戶的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)相同則優(yōu)先滿足信道條件好的用戶的業(yè)務(wù)需求.以QCI和CQI 作為用戶業(yè)務(wù)調(diào)度的排隊(duì)參考值可以有效加快排隊(duì)算法的執(zhí)行速度，降低計(jì)算量［3］.

1.2.2 逐RB 調(diào)度模式

若當(dāng)前沒有瀕臨不滿足QoS 要求業(yè)務(wù)，或所有不滿足QoS 要求的業(yè)務(wù)的緊急數(shù)據(jù)已經(jīng)分配好資源，但仍然存在可以用RB和待發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)度器進(jìn)入逐RB 調(diào)度模式.逐RB 調(diào)度模式的設(shè)計(jì)目標(biāo)是獲得良好的公平性及資源利用效率間的折中點(diǎn).采用逐RB 的遍歷策略，即若RBi還沒有被分配出去，將分配給公式(2)所定義的優(yōu)先級(jí)最高的用戶.

Priority(i，j)表示逐RB 調(diào)度模式下用戶j 在RBi上的優(yōu)先級(jí).Rj表示用戶j 已經(jīng)獲得的平均數(shù)據(jù)速率，由公式(3)確定.表示用戶j 在RBi上的信道質(zhì)量指示，參數(shù)n 是引入的可變因子.

其中:T 是時(shí)間窗口長(zhǎng)度.AvarageRj(t－1)是用戶j在上一個(gè)TTI 計(jì)算的平均數(shù)據(jù)速率，而是用戶j 在上一個(gè)TTI 獲得的即時(shí)數(shù)據(jù)速率，由上一個(gè)TTI 的資源分配結(jié)果及CQI 確定，見公式(4).

其中:αi，j為0 或1，若αi，j取值為1 則表示RBi分配給了用戶j，若取值為0 則表示RBi未分配給用戶j.Ri，j為用戶j 在RBi上獲得的數(shù)據(jù)傳輸速率，可由用戶j 在RBi上的CQI(i，j)獲得，見公式(5).

其中:effciency(i，j)為CQI 表中CQI(i，j)所對(duì)應(yīng)的efficiency 數(shù)值，RE為一個(gè)RB 上的資源元素個(gè)數(shù)，即頻域載波數(shù)與時(shí)域的OFDM 符號(hào)個(gè)數(shù)的乘積，如一個(gè)RB 對(duì)應(yīng)12個(gè)頻域載波和7個(gè)OFDM 符號(hào)，則一個(gè)RB 的RE個(gè)數(shù)為84個(gè).

公式(2)所定義的調(diào)度算法類似于比例公平算法，利用CQI 作為排隊(duì)參考量可以有效降低計(jì)算復(fù)雜度、提高系統(tǒng)排序計(jì)算速度.調(diào)整因子n 用來調(diào)整排隊(duì)策略，n 較大則優(yōu)先滿足信道質(zhì)量好的用戶增加系統(tǒng)吞吐率，n 較小則優(yōu)先滿足獲得服務(wù)少的用戶系統(tǒng)獲得了更好的公平性，參數(shù)n 的引入用于平衡系統(tǒng)吞吐率與用戶調(diào)度的公平性.

2 仿真結(jié)果

由于在不同的仿真場(chǎng)景下，調(diào)度器所帶來的性能增益也將有所不同，為了體現(xiàn)調(diào)度算法本身的特點(diǎn)設(shè)定仿真場(chǎng)景為實(shí)際遇到的較一般場(chǎng)景:各用戶的數(shù)據(jù)速率固定，QCI 等概率取1～9，CQI 等概率取0～15;系統(tǒng)帶寬為5 MHz，每個(gè)RB 的頻域載波個(gè)數(shù)為12個(gè)，時(shí)域的OFDM 符號(hào)個(gè)數(shù)為7個(gè).

表1 給出了在該仿真場(chǎng)景下不同QCI 優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)平均超時(shí)數(shù)據(jù)量.從表中可以看出，采用混合模式機(jī)制相比于僅僅采用逐RB 遍歷優(yōu)勢(shì)極其明顯:當(dāng)用戶數(shù)量很多(網(wǎng)絡(luò)繁忙)的情況下高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)依然沒有超時(shí)數(shù)據(jù).而逐RB 調(diào)度模式調(diào)度算法在服務(wù)質(zhì)量上對(duì)于不同業(yè)務(wù)不做區(qū)分.

表1 混合模式與逐RB 調(diào)度模式時(shí)延保障對(duì)比

圖1 比較了逐RB 調(diào)度模式與混合模式的系統(tǒng)吞吐量比較，可以看出混合模式當(dāng)用戶數(shù)較多時(shí)候?yàn)榱吮Ｕ蠘I(yè)務(wù)QoS 會(huì)犧牲部分系統(tǒng)吞吐量;圖2比較了在不同時(shí)延調(diào)整門限下系統(tǒng)的平均超時(shí)數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)速率公平性間的關(guān)系，時(shí)延門限調(diào)整值越大超時(shí)的數(shù)據(jù)越少，QoS 保障越好，但是數(shù)據(jù)速率公平性變差;圖3為在不同n 參數(shù)情況下系統(tǒng)吞吐量與公平性的仿真曲線，系統(tǒng)吞吐量隨著n 的增加而增大，同時(shí)公平性變差.

圖1 系統(tǒng)吞吐率

圖2 長(zhǎng)期速率公平性

圖3 參數(shù)n 對(duì)系統(tǒng)的吞吐量和公平性影響

3 結(jié)語

為了滿足LTE 系統(tǒng)中不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS保障，本文提出了一種混合模式調(diào)度算法，該算法同時(shí)考慮了業(yè)務(wù)保障與系統(tǒng)吞吐量要求，在優(yōu)先滿足業(yè)務(wù)的QoS 需求的情況下最大程度的提高了系統(tǒng)吞吐量.通過仿真結(jié)果可以看出采用混合調(diào)度模式時(shí)盡管系統(tǒng)繁忙依然可以有效保障業(yè)務(wù)的QoS，而當(dāng)系統(tǒng)中沒有瀕臨不滿足QoS 需求的業(yè)務(wù)時(shí)系統(tǒng)采用逐RB 遍歷方式顯著提高了系統(tǒng)吞吐量.通過時(shí)延調(diào)整因子系統(tǒng)可以調(diào)整不同業(yè)務(wù)的QoS 保障情況，時(shí)延調(diào)整因子越大，系統(tǒng)的QoS 保障越好，然而犧牲了用戶間的公平性;通過CQI 冪指數(shù)n 的調(diào)整算法可以在用戶間的公平性和系統(tǒng)吞吐量上獲得良好的折中.有效地保障了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS 需求，同時(shí)平衡了系統(tǒng)吞吐量與用戶間公平性.

［1］DAHLMAN E，PARKVALL S，SKOLD J.3G Evolution:HSPA and LTE for Mobile Broadband［M］.USA:Academic Press，2008:18－235.

［2］LEE S B，PEFKIANAKIS I，MEYERSON A，et al.Proportional fair frequency－domain packet scheduling for 3GPP LTE uplink［C］//INFOCOM 2009，IEEE，2009:2611－2615.

［3］［意］SESIA S，［摩洛哥］TOUFIK I，［英］BAKER M，et al.LTE－UMTS 長(zhǎng)期演進(jìn)理論與實(shí)踐［M］.馬 霓，鄔 鋼，張曉博，等譯.北京:人民郵電出版社，2009:24－127.

［4］PROEBSTER M，MUELLER C M，BAKKER H.Adaptive fairness control for a proportional fair LTE scheduler［C］//Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC)，2010 IEEE 21st International Symposium on.IEEE，2010:1504－1509.

［5］DELGADO O，JAUMARD B.Scheduling and resource allocation for multiclass services in LTE uplink systems［C］//Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications (WiMob)，2010 IEEE 6th International Conference on IEEE，2010:355－360.