OFDM中繼系統(tǒng)中保證混合業(yè)務(wù)QoS的研究

戴翠琴， 王 亮， 王海寶

重慶郵電大學移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶400065

隨著無線用戶和多媒體業(yè)務(wù)的急劇增加，無線通信系統(tǒng)對時間、空間、頻譜和功率等資源的高效利用提出了更高要求.合理有效的資源調(diào)度技術(shù)不僅能夠提升小區(qū)邊緣性能和系統(tǒng)吞吐量，還能更好地滿足用戶服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)、公平性等方面的需求.因此，新一代寬帶無線通信中的資源調(diào)度技術(shù)受到研究者的廣泛關(guān)注，被視為提高無線系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一.

在正交頻分復用(orthogonal frequency division multiple,OFDM)中繼系統(tǒng)中，中繼作為一種空間分集技術(shù)可以顯著增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，還能進一步提高系統(tǒng)吞吐量，極大地提高了無線資源的利用率.因此，為了更合理而有效地利用系統(tǒng)資源，基于OFDM中繼系統(tǒng)的資源調(diào)度算法成為近年來的研究熱點.文獻[1]在傳統(tǒng)比例公平(proportional fair,PF)算法的基礎(chǔ)上加入了速率比值因子，提出了兩跳比例公平(two hop proportional fair,THPF)算法，并應(yīng)用于OFDM中繼系統(tǒng)，在一定程度上提升了用戶的公平性，卻不能充分保證用戶的吞吐性能.文獻[2]針對OFDM中繼系統(tǒng)提出了一種基于目標用戶功率的調(diào)度算法，解決了系統(tǒng)吞吐性能問題，但該算法是一個廣義層次上的調(diào)度，并沒有區(qū)分兩個時隙的調(diào)度.文獻[3]對文獻[2]的算法進行改進，在調(diào)度的兩個時隙中通過路由選擇獲得最佳用戶并為其分配資源，大大提高了資源利用率，解決了文獻[2]中未區(qū)分時隙進行調(diào)度的問題.文獻[1-3]提出的調(diào)度算法在一定程度上改進了中繼系統(tǒng)性能，但均為針對實時業(yè)務(wù)的調(diào)度算法，并沒有考慮到非實時業(yè)務(wù)的調(diào)度問題.文獻[4]針對非實時業(yè)務(wù)進行研究，提出了最大加權(quán)時延優(yōu)先(largest wait delay first,LWDF)算法，雖然提升了非實時業(yè)務(wù)的系統(tǒng)吞吐量，但不能保證非實時業(yè)務(wù)的丟包率和時延要求.文獻[5]針對非實時業(yè)務(wù)中的丟包問題，提出了基于隊列長度的混合調(diào)度算法，在一定程度上改善了調(diào)度過程中的丟包問題.基于文獻[5]的研究，文獻[6]提出了一種優(yōu)化算法，不僅將丟包率控制在一定的范圍內(nèi)，而且提高了非實時業(yè)務(wù)的時延特性.分析上述文獻可知，目前已有的OFDM中繼系統(tǒng)的資源調(diào)度算法主要針對單一類型的業(yè)務(wù)進行調(diào)度，并未解決如何更有效地應(yīng)對混合業(yè)務(wù)的調(diào)度問題.

隨著寬帶無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，通信業(yè)務(wù)由單一型向混合型過渡，于是用戶QoS要求成為衡量通信質(zhì)量的一個很重要的性能指標.混合型業(yè)務(wù)可以分為實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)，實時業(yè)務(wù)的用戶QoS要求主要表現(xiàn)為用戶對速率的要求，非實時業(yè)務(wù)的用戶QoS要求主要表現(xiàn)為用戶對丟包率和時延特性的要求.因此，如何在混合業(yè)務(wù)中采用合理的調(diào)度算法的同時保證用戶QoS要求的問題變得十分重要，目前已有相關(guān)文獻對混合業(yè)務(wù)的資源調(diào)度問題進行了研究.文獻[7-8]較早地在OFDM中繼系統(tǒng)中提出了區(qū)分混合業(yè)務(wù)的調(diào)度算法，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ).文獻[9]提出了一種在混合業(yè)務(wù)下基于效用函數(shù)的調(diào)度算法，提升了系統(tǒng)調(diào)度性能，但在兩個時隙中要采用統(tǒng)一的調(diào)度方式，使系統(tǒng)的資源能得以充分利用.基于文獻[9]的研究，文獻[10]提出了分步跨層調(diào)度算法，不僅在兩個時隙中采用了不同的調(diào)度策略，而且對混合業(yè)務(wù)區(qū)分調(diào)度，為不同業(yè)務(wù)提供了合理的資源利用.文獻[11]針對混合型業(yè)務(wù)的調(diào)度提出了一種時域自適應(yīng)的調(diào)度(adaptive time domain scheduling algorithm,ATDSA)算法，在區(qū)分混合業(yè)務(wù)的同時能充分利用資源，提升系統(tǒng)的公平性和吞吐量.以上研究僅針對混合業(yè)務(wù)進行區(qū)分調(diào)度，但都沒有考慮到如何保證混合業(yè)務(wù)用戶的QoS要求.

為了對混合業(yè)務(wù)進行區(qū)分調(diào)度的同時保證用戶QoS要求，本文在OFDM中繼系統(tǒng)中提出相對最長隊列優(yōu)先/相對比例公平(relative largest queue aware first/relative proportional fair,R-LQAF/RPF)的調(diào)度算法.相比于傳統(tǒng)PF和LWDF算法，R-LQAF/RPF算法既能區(qū)分調(diào)度混合型業(yè)務(wù)(對實時型業(yè)務(wù)采用RPF算法保證了用戶對速率的要求，對非實時業(yè)務(wù)采用R-LQAF算法減少了用戶的丟包率)，又能充分保證混合業(yè)務(wù)的QoS要求.

1 系統(tǒng)模型

單個小區(qū)的系統(tǒng)模型如圖1所示[12]，圖中有一個基站(base station，BS)、K(文中的K取6)個固定的中繼節(jié)點(relay station，RS)和M個用戶(mobile station，MS)，MS隨機地分布在小區(qū)內(nèi)，調(diào)度時采用集中式調(diào)度模型，即資源的調(diào)度統(tǒng)一由BS管理，RS不具有調(diào)度的功能.假設(shè)BS到六邊形頂點的距離為R，每個RS位于BS和六邊形頂點的連線上，且與基站的距離為2R/3.如圖1所示，小區(qū)分為七部分，最中間的部分為直傳用戶分布的區(qū)域，剩下的六個形狀相同的區(qū)域是以六邊形的每個頂點為圓心，以2R/3為半徑的圓交織組成.這六個區(qū)域為中繼用戶分布的區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)均有一個RS采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decoding forward,DF)方式為分布在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的MS提供服務(wù).RS采用時分雙工(time division duplexing,TDD)模式，每個時隙分為兩個子時隙.對于直傳用戶，由BS在第1時隙直接給其分配資源；對于中繼用戶，BS第1時隙給RS分配資源，第2時隙再由RS轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的資源到相應(yīng)的MS.

圖1 系統(tǒng)模型Figure 1 System model

系統(tǒng)中的調(diào)度機制不考慮協(xié)作傳輸，故最大的鏈路數(shù)為L=M+K.假設(shè)系統(tǒng)總帶寬為B，系統(tǒng)中有N個子載波，則每個子載波的帶寬為B/N[13]；直傳用戶M和中繼節(jié)點K在子信道N上的信道增益分別為、，通過中繼K傳輸?shù)闹欣^用戶M在子信道N上的增益為；和ρn分別表示中繼和基站在子信道N上的發(fā)送功率；dm,n、dm,k,n、dk,n分別表示直傳用戶、中繼用戶、中繼子信道的分配標示，若dm,n=1，則表示子信N分配給用戶M，若dm,n=0，則表示用戶沒有得到分配，標示dm,k,n、dk,n的取值與之類似；?！?ln(5BER)/1.6，系統(tǒng)加性高斯白噪聲為w=N0B/N，其中N0為噪聲功率譜密度.

直傳用戶M在時隙t內(nèi)的速率為

中繼節(jié)點K在時隙t內(nèi)第1子時隙的速率為

中繼用戶M在時隙t內(nèi)第2子時隙的速率為

在實際的無線通信系統(tǒng)中，兩跳鏈路的傳輸速率等于兩跳鏈路容量的最小值，則中繼用戶M的實際速率為

在OFDM系統(tǒng)中，無線資源是一個時域和頻域?qū)?yīng)的二維塊狀結(jié)構(gòu).在時域方面，無線資源劃分為多個時隙；在頻域方面，無線資源劃分為多個子信道，每個子信道由多個子載波組成.在多用戶OFDM系統(tǒng)中，一個時隙中的子信道是一個最小資源劃分單位，被稱為資源塊(resource block,RB)[14].文中的算法即實現(xiàn)對不同用戶合理的分配RB.

混合業(yè)務(wù)的場景設(shè)定如下：實時業(yè)務(wù)(real time,RT)分組和非實時業(yè)務(wù)(non-real time,NRT)分組按照1:1的比例組成混合業(yè)務(wù)，實時業(yè)務(wù)最大允許時延服從5～10ms的均勻分布，非實時業(yè)務(wù)的最大允許時延服從10～20ms的均勻分布.

調(diào)度模型圖如圖2所示.首先，系統(tǒng)以10ms為界限將混合業(yè)務(wù)分為實時和非實時業(yè)務(wù)，然后將不同類型的業(yè)務(wù)送入調(diào)度器，針對不同的業(yè)務(wù)采取不同的調(diào)度算法并為其分配RB.調(diào)度算法根據(jù)用戶位置判斷用戶的類型，若為直傳用戶，基站通過無線信道發(fā)送對應(yīng)的信號；若為中繼用戶，基站首先發(fā)送信號給中繼，中繼接收到信號后立刻轉(zhuǎn)發(fā)給中繼用戶.用戶接收到信號后，將信道狀態(tài)信息反饋給基站，基站接收到用戶的反饋信號后進行資源再次分配.

圖2 調(diào)度模型圖Figur e 2 Scheduling model

2 基于混合業(yè)務(wù)QoS保證的調(diào)度算法

2.1 PF和LW DF算法

文獻[1]提到目前針對實時業(yè)務(wù)應(yīng)用較多的PF算法，其調(diào)度準則的表達式為

式中，ji表示算法最終選擇的用戶，ri(t)表示t時刻第i個用戶的實際速率，表示t時刻用戶i的平均傳輸速率，的更新如式(6)所示，其中T表示窗口長度

文獻[4]針對非實時業(yè)務(wù)提出了LWDF算法，其調(diào)度優(yōu)先級表達式為

式中，ai=-lgδi/τi為與非實時業(yè)務(wù)QoS要求相關(guān)的優(yōu)先級因子，其中τi為用戶i能容忍的最大分組時延,δi為可容忍的超出最大時延的分組比例上限；ri,k(t)表示t時刻第i個用戶在子載波k上的實際速率，表示t時刻用戶i的平均傳輸速率，Wi(t)為用戶i在t時刻緩沖區(qū)的隊頭時延.最終選擇的用戶可表示為

2.2 R-LQAF/RPF算法

針對實時業(yè)務(wù)的用戶，用戶的實時速率是用戶QoS的重要指標，PF算法不能充分滿足用戶的實時速率的要求；針對非實時業(yè)務(wù)，丟包率是一個很重要的衡量用戶QOS的標準，LWDF算法雖能在一定程度上提高系統(tǒng)的時延性能，但系統(tǒng)的丟包率相對較差.針對以上問題，文中引入了R-LQAF/RPF算法，其優(yōu)點是不僅能針對混合業(yè)務(wù)進行調(diào)度，而且能較好地滿足混合業(yè)務(wù)QoS要求.

R-LQAF/RPF算法的優(yōu)先權(quán)表達式為

式中，F(xiàn)(x)的表達式為ζi的表達式為ψi的表達式為

則最終的調(diào)度目標可表示為

如式(9)所示，R-LQAF/RPF調(diào)度算法針對不同業(yè)務(wù)采取不同的調(diào)度算法，可以區(qū)分混合業(yè)務(wù).R-LQAF/RPF算法引入了相對變化函數(shù)F(x)，其中ri,k(t)、ai、與式(7)中的定義相同，α為可調(diào)優(yōu)先級因子，Qi(t)表示用戶i在t時刻用戶隊列的長度.式(10)中的ε、φ是決定曲線變化的參數(shù)，通過改變ε的值能改變函數(shù)縱向的變化尺度，通過改變φ的值可以改變曲線的變化急緩程度.F(x)函數(shù)的部分截圖如圖3所示，其中ε=1，φ=0.3，x∈[0,3].當x=1時，F(xiàn)(x)的值為1；當x∈[0,1]時，F(xiàn)(x)為單調(diào)遞增凸函數(shù)；當x∈[1,+∞)時，F(xiàn)(x)為單調(diào)遞增凹函數(shù).

圖3 函數(shù)F(x)的曲線圖Figure 3 Curve of function F(x)

對非實時業(yè)務(wù)而言，式(9)引入了相對變化函數(shù)F(ψi)，ψi為變化因子，其表達式見式(12).由ψi的表達式可知ψi＞0，其中Qi(t)、ri,k(t)與式(9)中的定義相同，Tht為系統(tǒng)中時延門限.如果Qi(t)＞ri,k(t)Tht，則表示時刻t用戶i的隊列長度已經(jīng)超過了系統(tǒng)此時所能處理的隊列長度，此時系統(tǒng)通過函數(shù)F(ψi)函數(shù)特性增加非實時業(yè)務(wù)用戶調(diào)度的優(yōu)先級，反之可降低其優(yōu)先級.

2.3 算法流程

系統(tǒng)中每個調(diào)度周期分兩個階段(即兩個子時隙)進行，資源先分配給第2個時隙，再分給第1個時隙.

第1階段 第2時隙的資源分配

步驟1 根據(jù)系統(tǒng)模型，首先判斷單個小區(qū)內(nèi)的用戶是中繼用戶還是直傳用戶，選擇其中的中繼用戶，記作用戶集合K={1,2,3,···,k1,···,k2}，初始化系統(tǒng)的資源塊(RB)，記作N={1,2,3,···,n}.

步驟2 根據(jù)業(yè)務(wù)的時延特性，以10ms為界限將混合業(yè)務(wù)分為實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)，根據(jù)式(9)對實時業(yè)務(wù)用戶采取RPF調(diào)度算法；根據(jù)RPF算法計算出其優(yōu)先級較大的用戶k1，給用戶k1分配一個RB，對非實時業(yè)務(wù)采取R-LQAF算法；根據(jù)R-LQAF算法計算出其優(yōu)先級較大的用戶k2，給用戶k2分配一個RB.

步驟3 將已經(jīng)分配的RB從資源塊集合N中清除，同時從用戶集合中清除已分配的用戶.

步驟4 更新資源塊N和用戶集合K,然后轉(zhuǎn)向步驟2，直到每個用戶都被分配RB.

第2階段 第1時隙的資源分配

采用SPSS19.0的統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理,計量資料以均數(shù)±標準差(±s)表示,采用t檢驗,計數(shù)資料以率(%)表示,采用χ2檢驗,P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

步驟1 根據(jù)小區(qū)模型，判斷在單個小區(qū)內(nèi)的用戶是中繼用戶還是直傳用戶，選擇其中的中繼和直傳用戶，分別記為R={1,2,3,···,r}和M={1,2,3,···,m1,···,m2}.

步驟2 針對中繼用戶，首先給小區(qū)內(nèi)每個中繼分配RB并計算中繼第1時隙和第2時隙的容量.

步驟3 比較中繼第1時隙和第2時隙的容量，如果中繼第1時隙的容量比第2時隙小，則繼續(xù)給中繼用戶分配RB，直到中繼的第1時隙的容量大于第2時隙的容量.

步驟4 根據(jù)業(yè)務(wù)的時延特性，以10ms為界限將混合業(yè)務(wù)分為實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)，根據(jù)式(9)對實時業(yè)務(wù)用戶采取RPF調(diào)度算法；根據(jù)RPF算法計算出其優(yōu)先級較大的用戶m1，給用戶m1分配一個RB；對非實時業(yè)務(wù)采取R-LQAF算法；根據(jù)RLQAF算法計算出其優(yōu)先級較大的用戶m2，給用戶m2分配一個RB.

步驟5 將已經(jīng)分配的RB從資源塊集合N中清除，并將已分配資源的用戶從集合M中清除.

步驟6 如果第1時隙有多余的RB，則將剩下的RB全部分給直傳用戶；如果第1時隙的RB不足，可將任意一個分配給中繼用戶的RB分配給直傳用戶.

步驟7 返回步驟1，準備下一次調(diào)度.

3 仿真驗證及結(jié)果分析

下面通過MATLAB進行了數(shù)值仿真分析，驗證上述推導和算法分析.假設(shè)在單個小區(qū)模型內(nèi)，用戶數(shù)目為50個，隨機分布在小區(qū)內(nèi)，設(shè)置小區(qū)的半徑為600m，基站和中繼的發(fā)射功率分別為36d Bm和18d Bm,調(diào)度資源數(shù)目為10個RB，載波數(shù)量為128，即子信道的數(shù)目為128，調(diào)度周期為t= 5×10-3s，子信道帶寬為120kHz，噪聲功率譜密度為-174d Bm/Hz.仿真模型采用六徑瑞利衰落模型，每條路徑中采用Clarke平坦衰落模型[15].數(shù)據(jù)包采用泊松模型，數(shù)據(jù)包到達速率為104bit/s，隊列中的數(shù)據(jù)包采用先進先出的方式，時延門限為50ms.若數(shù)據(jù)包等待時間超過50ms.則會產(chǎn)生丟包.

針對實時業(yè)務(wù)，為滿足其QoS要求，須對用戶速率的要求達到一定滿意程度，才能保證用戶的實時性.圖4比較了PF算法、RPF算法以及文獻[1]提到的THPF算法的用戶速率需求滿意度.由圖4可以看出，PF算法不能很好地區(qū)分第1時隙和第2時隙的資源分配，因此PF算法對用戶速率的滿意度不如THPF算法；同時，THPF算法和PF算法的用戶速率需求滿意度明顯低于RPF算法，這是因為THPF和PF算法沒有考慮用戶需求速率，而RPF算法由于加入了對用戶需求速率的考慮，對用戶的速率需求滿意度大大增加.

圖5描述了THPF算法、PF算法和RPF算法的吞吐性能.如圖5所示，PF算法在每次調(diào)度過程中將最好的信道資源分配給速率較大的直傳用戶和中繼用戶，故PF算法具有最好的吞吐性能；THPF算法兼顧第1時隙和第2時隙的對用戶速率需求滿意度性能的把握，其吞吐量有所下降；RPF算法忽略了用戶吞吐性能，但保證了用戶實際速率的需求，從而充分保證實時業(yè)務(wù)對實時速率的要求.

針對非實時業(yè)務(wù)，要盡量使用戶丟包率降到最最小，才能保證非實時業(yè)務(wù)QoS指標.圖6對比了LWDF算法和R-LQAF算法的丟包率.從圖6中可以看出，R-LQAF算法的丟包率明顯低于LWDF算法的丟包率.因為在R-LQAF算法中加入了相對變化函數(shù)，如果某用戶隊列的實際長度大于系統(tǒng)中此時刻所能處理的隊列長度，則增加此用戶的優(yōu)先級，否則就降低該用戶的調(diào)度優(yōu)先級，相對變化函數(shù)的加入大大減少了系統(tǒng)丟包率.

圖4 實時業(yè)務(wù)用戶速率需求滿意度的比較Figure 4 Comparison of real-time business users'satisfaction of demanded rate

圖5實時業(yè)務(wù)用戶系統(tǒng)吞吐量的比較Figure 5 Comparison of real-time business system throughput

圖7 比較了LWDF算法和R-LQAF算法的吞吐性能，可以看出R-LQAF算法的吞吐量性能明顯優(yōu)于LWDF算法的吞吐量性能.因為R-LQAF算法相比LWDF算法丟包率較低，系統(tǒng)在單個調(diào)度周期內(nèi)包裹丟失的數(shù)量較少，系統(tǒng)中存在的包裹總數(shù)較多，所以采用R-LQAF算法使得系統(tǒng)吞吐量相對較大.

4 結(jié)語

圖6 非實時業(yè)務(wù)用戶丟包率的比較Figure 6 Comparison of non-real-time business users'packet loss rate

圖7 非實時業(yè)務(wù)用戶系統(tǒng)吞吐量的比較Figure 7 Comparison of non-real-time business system throughput

基于OFDM中繼系統(tǒng)，研究了如何保證混合業(yè)務(wù)中用戶QoS要求的問題.通過建立OFDM中繼協(xié)作系統(tǒng)模型，采用Clarke平坦衰落模型模擬了系統(tǒng)中的各個信道，推導了系統(tǒng)信道容量的表達式，提出了R-LQAF/RPF算法.仿真結(jié)果表明，通過分析比較非實時用戶實際隊列長度和系統(tǒng)所能處理的隊列長度，采用R-LQAF算法可以進一步降低系統(tǒng)丟包率；結(jié)合實時用戶需求速率，采用RPF算法可使系統(tǒng)最大程度地滿足實時業(yè)務(wù)用戶對速率需求.所提出的R-LQAF/RPF算法在有效分配資源的同時，能夠更好地保障混合業(yè)務(wù)下不同用戶QoS要求.

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