E—UTRA中一種多業(yè)務(wù)兩步比率公平調(diào)度算法

陳斌　艾浩軍

【摘要】符合3GPP多業(yè)務(wù)處理原則的子信道調(diào)度方案是影響E-UTRA系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。為減少填充和提高多用戶分集效應(yīng)，提出了一種多業(yè)務(wù)兩步比率公平調(diào)度算法。在不區(qū)分用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的情況下，先采用實(shí)際緩存量替代傳統(tǒng)比率公平算法中的傳輸速率來分配子信道；業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的未分配用戶再按比率公平算法確認(rèn)的優(yōu)先權(quán)重從低到高來擠占業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)低的用戶所分配的子信道，從而確保符合3GPP提出的服務(wù)完高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)后再服務(wù)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的多業(yè)務(wù)處理原則。仿真結(jié)果表明，該算法能在保證用戶公平的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)吞吐量。

【關(guān)鍵詞】子信道調(diào)度 多業(yè)務(wù) E-UTRA

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-16-

[Abstract]Sub-channel scheduling scheme satisfying the principle of multi-service operation in 3GPP is the key technology for E-UTRA. A multi-service two-step proportional fair （PF） scheduling scheme is proposed for reducing padding probability and increasing multi-user/service diversity. In the first step， the actual buffered data size is utilized to allocate sub-channels instead of the achievable data rate by the conventional PF algorithm. Service priority is not considered in this step. In the second step， the users in high service priority without enough resource allocation during the first step will occupy the resources assigned to the low prioritized user from low scheduling priority to high scheduling priority value computed by PF algorithm， which meets the principle of multi-service operation proposed by 3GPP. The simulation results demonstrate that the proposed scheme can increase throughput while maintaining the fairness among users.

[Key words]sub-channel scheduling scheme multi-service E-UTRA

1 引言

E-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access）[1]系統(tǒng)由于采用了正交頻分復(fù)用接入（OFDMA）、多天線（MIMO）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）、多業(yè)務(wù)調(diào)度等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，具備了更高的傳輸速率，已成為當(dāng)今最主流的一種第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)。其中，多業(yè)務(wù)調(diào)度算法是保證用戶公平性和提高系統(tǒng)吞吐量的關(guān)鍵技術(shù)；RR（Round Robin，輪循）[2]算法雖然吞吐量較低，但實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、公平性好，得到較多應(yīng)用；PF（Proportional Fair，比率公平）[3]算法綜合考慮了吞吐量和公平性，總體性能最優(yōu)，已成為一個(gè)無線分組調(diào)度的基準(zhǔn)算法。文獻(xiàn)[4]、[5]和[6]在公平性、QoS、多業(yè)務(wù)等方面對(duì)傳統(tǒng)PF算法進(jìn)行了改進(jìn)，但在實(shí)際使用的E-UTRA系統(tǒng)中，調(diào)度單位是子信道而不是子載波，并且必須嚴(yán)格符合3GPP規(guī)定的按業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行信道分配的多業(yè)務(wù)處理原則，即服務(wù)完高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)后再服務(wù)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)[7]。以上算法并未完全滿足這些要求，容易造成不必要的填充，影響系統(tǒng)性能。

2 兩步比率公平調(diào)度算法

針對(duì)上述問題，本文提出一種符合3GPP多業(yè)務(wù)處理原則的兩步比率公平子信道調(diào)度算法。首先，在不區(qū)分用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的情況下，采用實(shí)際緩存量替代傳統(tǒng)比率公平算法中的傳輸速率來分配子信道；其次，業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的未分配用戶再按比率公平算法確認(rèn)的優(yōu)先權(quán)重從低到高來擠占業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)低的用戶所分配的子信道。該算法基于通信實(shí)際緩存量，既嚴(yán)格遵守了3GPP多業(yè)務(wù)處理原則，又避免了高業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)低緩存量用戶（如VoIP用戶）占用最好信道時(shí)產(chǎn)生的大量無效填充，提高了系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)還提高了用戶公平性。

本算法的具體實(shí)施步驟如圖1所示：

步驟1：改進(jìn)的比率公平調(diào)度算法

在不區(qū)分用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的情況下，采用實(shí)際緩存量替代子信道傳輸速率來改進(jìn)傳統(tǒng)的比率公平調(diào)度算法。當(dāng)子信道速率小于或等于用戶實(shí)際緩存量時(shí)，優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式的分子仍為子信道速率；而當(dāng)子信道速率大于用戶實(shí)際緩存量時(shí)，則優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式的分子改為用戶實(shí)際緩存量。

各調(diào)度用戶的權(quán)重優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式如下：

步驟2：業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的用戶擠占業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)低的用戶

按用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低檢查步驟1的子信道調(diào)度結(jié)果是否符合3GPP規(guī)定的多業(yè)務(wù)處理原則，即是否在業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)低的用戶得到信道的時(shí)候，業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的用戶未能得到信道。如果出現(xiàn)這種情況，則未能分配到信道的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的用戶根據(jù)步驟1得到的權(quán)重優(yōu)先級(jí)從低到高擠占業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)較低的用戶。重復(fù)該步驟，直到完全符合3GPP規(guī)定的多業(yè)務(wù)處理原則。endprint

3 系統(tǒng)仿真

目前E-UTRA系統(tǒng)為了嚴(yán)格符合3GPP規(guī)定的多業(yè)務(wù)處理原則，是按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行分層調(diào)度。如E-UTRA系統(tǒng)中最常見的兩類業(yè)務(wù)VoIP和FTP同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，是先調(diào)度完業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的VoIP用戶，再對(duì)FTP用戶進(jìn)行調(diào)度。

筆者選取3GPP SCM中定義的一種典型郊區(qū)宏場(chǎng)景來進(jìn)行仿真。小區(qū)半徑1 500m，小區(qū)內(nèi)均勻分布30個(gè)用戶，用戶分為VoIP和FTP兩種業(yè)務(wù)。比較對(duì)象為本文提出的算法及E-UTRA系統(tǒng)中常用的兩種調(diào)度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真條件具體如表1所示：

調(diào)度算法主要考察指標(biāo)為系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性。由于VoIP用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高，必須全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用戶間進(jìn)行比較。假設(shè)總用戶數(shù)為30個(gè)不變，VoIP和FTP用戶數(shù)則可變，VoIP用戶為1—9，而相應(yīng)的FTP用戶數(shù)則是29—21。如圖2所示，當(dāng)橫坐標(biāo)VoIP用戶數(shù)為1時(shí)，自動(dòng)代表FTP用戶數(shù)是29；當(dāng)VoIP用戶數(shù)為6時(shí)，表示此時(shí)FTP用戶數(shù)是24。圖3橫坐標(biāo)也同理。從圖2和圖3可以看出，本文提出的算法無論在系統(tǒng)吞吐量還是在用戶公平性上都比E-UTRA系統(tǒng)中現(xiàn)用的兩種調(diào)度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）調(diào)度方法都是由VoIP用戶先進(jìn)行調(diào)度，數(shù)據(jù)量較小的VoIP用戶先占據(jù)了最好的子信道，浪費(fèi)了信道容量，產(chǎn)生了較多的填充，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較大的FTP只能占據(jù)較差的子信道，從而影響了系統(tǒng)整體吞吐量。而本文提出的調(diào)度方案VoIP用戶并不是占據(jù)最好的子信道，只是占用了跟其數(shù)據(jù)量相匹配的較差子信道，而把好的容量大的信道分配給數(shù)據(jù)量大的FTP用戶，這樣提高了多用戶分集效應(yīng)，減少了填充概率，從而提高了系統(tǒng)整體吞吐量。對(duì)于FTP用戶，三種調(diào)度方法都是PF算法，而PF算法是信道條件越平均用戶公平性就越好。本文提出的調(diào)度方法由于VoIP用戶占據(jù)了較差的信道，F(xiàn)TP用戶所能分配的信道間差異相對(duì)減小，所以信道條件相對(duì)平均，用戶公平性也較好。

4 結(jié)束語

本文提出了一種符合3GPP多業(yè)務(wù)處理原則的兩步比率公平調(diào)度算法。與E-UTRA系統(tǒng)中現(xiàn)有多業(yè)務(wù)調(diào)度算法相比，該調(diào)度算法基于用戶實(shí)際緩存量，減少了填充概率，并充分利用多用戶分集效應(yīng)，提高了系統(tǒng)整體吞吐量和用戶公平性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA and UTRAN[S]. 2005.

[2] 周艷，李方偉，韓瑋. LTE系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信， 2008（23）： 39-41.

[3] Holtzman J M. CDMA Forward Link Waterfilling Power Control[C]. Vehicular Technology Conference， 2000： 1663-1667.

[4] Shin S， Ryu B H. Packet Loss Fair Scheduling Scheme for Real-Time Traffic in OFDMA Systems[J]. ETRI Journal， 2004，26（5）： 391-396.

[5] 陳磊，盧軍，印翀. LTE基于QoS業(yè)務(wù)的比例公平調(diào)度算法研究[J]. 光通信研究， 2012（5）： 64-67.

[6] 張春英，欒曉明. 改進(jìn)的正比公平調(diào)度算法[J]. 信息技術(shù)， 2011（8）： 67-72.

[7] 3GPP TS 25.321. Medium Access Control （MAC） Protocol Specification[S]. 2005.

[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者簡(jiǎn)介

陳斌：高級(jí)工程師，中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)所博士后，現(xiàn)任職于湖北省國(guó)土資源廳信息中心，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信和國(guó)土資源信息化。

艾浩軍：副教授，現(xiàn)任職于武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。endprint

3 系統(tǒng)仿真

目前E-UTRA系統(tǒng)為了嚴(yán)格符合3GPP規(guī)定的多業(yè)務(wù)處理原則，是按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行分層調(diào)度。如E-UTRA系統(tǒng)中最常見的兩類業(yè)務(wù)VoIP和FTP同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，是先調(diào)度完業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的VoIP用戶，再對(duì)FTP用戶進(jìn)行調(diào)度。

筆者選取3GPP SCM中定義的一種典型郊區(qū)宏場(chǎng)景來進(jìn)行仿真。小區(qū)半徑1 500m，小區(qū)內(nèi)均勻分布30個(gè)用戶，用戶分為VoIP和FTP兩種業(yè)務(wù)。比較對(duì)象為本文提出的算法及E-UTRA系統(tǒng)中常用的兩種調(diào)度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真條件具體如表1所示：

調(diào)度算法主要考察指標(biāo)為系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性。由于VoIP用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高，必須全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用戶間進(jìn)行比較。假設(shè)總用戶數(shù)為30個(gè)不變，VoIP和FTP用戶數(shù)則可變，VoIP用戶為1—9，而相應(yīng)的FTP用戶數(shù)則是29—21。如圖2所示，當(dāng)橫坐標(biāo)VoIP用戶數(shù)為1時(shí)，自動(dòng)代表FTP用戶數(shù)是29；當(dāng)VoIP用戶數(shù)為6時(shí)，表示此時(shí)FTP用戶數(shù)是24。圖3橫坐標(biāo)也同理。從圖2和圖3可以看出，本文提出的算法無論在系統(tǒng)吞吐量還是在用戶公平性上都比E-UTRA系統(tǒng)中現(xiàn)用的兩種調(diào)度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）調(diào)度方法都是由VoIP用戶先進(jìn)行調(diào)度，數(shù)據(jù)量較小的VoIP用戶先占據(jù)了最好的子信道，浪費(fèi)了信道容量，產(chǎn)生了較多的填充，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較大的FTP只能占據(jù)較差的子信道，從而影響了系統(tǒng)整體吞吐量。而本文提出的調(diào)度方案VoIP用戶并不是占據(jù)最好的子信道，只是占用了跟其數(shù)據(jù)量相匹配的較差子信道，而把好的容量大的信道分配給數(shù)據(jù)量大的FTP用戶，這樣提高了多用戶分集效應(yīng)，減少了填充概率，從而提高了系統(tǒng)整體吞吐量。對(duì)于FTP用戶，三種調(diào)度方法都是PF算法，而PF算法是信道條件越平均用戶公平性就越好。本文提出的調(diào)度方法由于VoIP用戶占據(jù)了較差的信道，F(xiàn)TP用戶所能分配的信道間差異相對(duì)減小，所以信道條件相對(duì)平均，用戶公平性也較好。

4 結(jié)束語

本文提出了一種符合3GPP多業(yè)務(wù)處理原則的兩步比率公平調(diào)度算法。與E-UTRA系統(tǒng)中現(xiàn)有多業(yè)務(wù)調(diào)度算法相比，該調(diào)度算法基于用戶實(shí)際緩存量，減少了填充概率，并充分利用多用戶分集效應(yīng)，提高了系統(tǒng)整體吞吐量和用戶公平性。

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[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者簡(jiǎn)介

陳斌：高級(jí)工程師，中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)所博士后，現(xiàn)任職于湖北省國(guó)土資源廳信息中心，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信和國(guó)土資源信息化。

艾浩軍：副教授，現(xiàn)任職于武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。endprint

3 系統(tǒng)仿真

目前E-UTRA系統(tǒng)為了嚴(yán)格符合3GPP規(guī)定的多業(yè)務(wù)處理原則，是按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行分層調(diào)度。如E-UTRA系統(tǒng)中最常見的兩類業(yè)務(wù)VoIP和FTP同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，是先調(diào)度完業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的VoIP用戶，再對(duì)FTP用戶進(jìn)行調(diào)度。

筆者選取3GPP SCM中定義的一種典型郊區(qū)宏場(chǎng)景來進(jìn)行仿真。小區(qū)半徑1 500m，小區(qū)內(nèi)均勻分布30個(gè)用戶，用戶分為VoIP和FTP兩種業(yè)務(wù)。比較對(duì)象為本文提出的算法及E-UTRA系統(tǒng)中常用的兩種調(diào)度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真條件具體如表1所示：

調(diào)度算法主要考察指標(biāo)為系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性。由于VoIP用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高，必須全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用戶間進(jìn)行比較。假設(shè)總用戶數(shù)為30個(gè)不變，VoIP和FTP用戶數(shù)則可變，VoIP用戶為1—9，而相應(yīng)的FTP用戶數(shù)則是29—21。如圖2所示，當(dāng)橫坐標(biāo)VoIP用戶數(shù)為1時(shí)，自動(dòng)代表FTP用戶數(shù)是29；當(dāng)VoIP用戶數(shù)為6時(shí)，表示此時(shí)FTP用戶數(shù)是24。圖3橫坐標(biāo)也同理。從圖2和圖3可以看出，本文提出的算法無論在系統(tǒng)吞吐量還是在用戶公平性上都比E-UTRA系統(tǒng)中現(xiàn)用的兩種調(diào)度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）調(diào)度方法都是由VoIP用戶先進(jìn)行調(diào)度，數(shù)據(jù)量較小的VoIP用戶先占據(jù)了最好的子信道，浪費(fèi)了信道容量，產(chǎn)生了較多的填充，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較大的FTP只能占據(jù)較差的子信道，從而影響了系統(tǒng)整體吞吐量。而本文提出的調(diào)度方案VoIP用戶并不是占據(jù)最好的子信道，只是占用了跟其數(shù)據(jù)量相匹配的較差子信道，而把好的容量大的信道分配給數(shù)據(jù)量大的FTP用戶，這樣提高了多用戶分集效應(yīng)，減少了填充概率，從而提高了系統(tǒng)整體吞吐量。對(duì)于FTP用戶，三種調(diào)度方法都是PF算法，而PF算法是信道條件越平均用戶公平性就越好。本文提出的調(diào)度方法由于VoIP用戶占據(jù)了較差的信道，F(xiàn)TP用戶所能分配的信道間差異相對(duì)減小，所以信道條件相對(duì)平均，用戶公平性也較好。

4 結(jié)束語

本文提出了一種符合3GPP多業(yè)務(wù)處理原則的兩步比率公平調(diào)度算法。與E-UTRA系統(tǒng)中現(xiàn)有多業(yè)務(wù)調(diào)度算法相比，該調(diào)度算法基于用戶實(shí)際緩存量，減少了填充概率，并充分利用多用戶分集效應(yīng)，提高了系統(tǒng)整體吞吐量和用戶公平性。

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[6] 張春英，欒曉明. 改進(jìn)的正比公平調(diào)度算法[J]. 信息技術(shù)， 2011（8）： 67-72.

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[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者簡(jiǎn)介

陳斌：高級(jí)工程師，中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)所博士后，現(xiàn)任職于湖北省國(guó)土資源廳信息中心，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信和國(guó)土資源信息化。

艾浩軍：副教授，現(xiàn)任職于武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。endprint