LTE中多业务的下行调度算法

　　摘要：针对现有调度算法的不足，提出了一种新的基于服务质量(QoS)的长期演进项目(LTE)的改进下行调度算法。根据多业务的用户，该算法在修正的最大加权时延优先(M-LWDF)算法的基础上引入了指数因子。仿真结果表明，该算法增加了时延较大的用户被调度的几率，提高了系统的公平性。

　　引言

　　LTE采用扁平的全IP网络架构，其性能有了很大的提高。而调度处于媒体访问控制(Media Access Control，MAC)层的中心环节，调度算法的好坏直接影响整个系统的性能。而现有的调度算法不能较好地满足业务时延要求。文献[1][2][3]中的三种经典的调度算法Max C/I，RR和PF均未考虑业务时延要求，不适合实时业务。文献[4]中提出的M-LWDF算法适于高数据速率业务，考虑对头延时(head of line，HOL)，提高了实时业务的性能，但不适于非实时业务，且是一种非公平调度算法。为了兼顾实时和非实时业务，提高用户调度的公平性，该文提出一种基于QoS的下行调度算法，结合M-LWDF算法的优点，引入一个指数因子，结合各业务不同的QCI值和信道状况，对有限的无线资源进行调度。文章具体安排如下：第一部分讲了调度机制，第二部分分析了调度器，第三部分研究了改进的调度算法，第四部分给出了系统评估标准，第五部分阐述了下行调度的具体实现，第六部分绘出了仿真结果并进行了分析，第七部分对整篇文章进行了总结。

　　调度机制

　　目前的调度机制主要有三种：静态调度、动态调度和半静态调度。静态调度就是在固定的时刻调度固定的资源，资源分配持续整个业务，它不考虑信道条件。因为在业务的整个过程均分配无线资源，所以静态调度的最大缺点是浪费资源。而动态调度刚好相反，它根据用户反馈的信道条件的不同，在每个TTI均动态地选择资源进行调度，所以这种调度机制享受了信道的时频域全分集。但它需要大量的控制信令来完成交互，这可能阻塞数据包的发送。为了减少信令的开销，LTE针对VoIP[5]这样的一类传输包小且有一定规则的业务，提出了半静态调度机制。该机制通过RRC进行初始配置，其重传转为动态调度。具有一次授权，周期使用的特点，大大节省LTE系统用于调度指示的PDCCH资源。由于LTE是针对多用户多业务的，而用户的业务主要分为实时业务(real time，RT)和非实时业务(Non-real time，NRT)，其中RT业务包括VoIP(Voice over Internet Phone)、Video conferencing、在线游戏等，NRT业务包括FTP、website browsing等。为了适应各类业务的需求，该文决定采用半静态调度和动态调度有机结合的调度机制。

　　下行调度器概述

　　由图1可知，本调度器[7]的输入需要考虑的因素有UE能力、eNB缓冲状态、无线资源、QoS[8]、业务类型和CQI、ACK的反馈等等。其中UE能力是由RRC的UECapabilityEnquiry和UEInformationRequest发送给MAC层调度模块的。LTE可支持的终端等级为5个，从等级1到等级5，5为最高等级，1为最低等级，这些等级表现在数据的传输能力上(这里主要说下行方向)。调度器根据这些输入因素采用合适的调度算法选取合适的资源进行调度，并根据信道的条件进行自适应的调整。

　　调度的改进

　　M-LWDF[9]算法是为支持CDMA-HDR系统中多个实时数据用户而设计的。主要思想是在PF算法的基础上充分考虑了数据包的队列时延因子。其计算公式如下：

　　HOL包延迟超过该用户的时延门限值的最高概率。虽然本算法相对PF算法获得了相对低的丢包率。但它是一种非公平算法。

　　在此基础上对M-LWDF算法进行修改，引入了指数因子，该算法的思想是设定启动优先级加速的警戒线，当延时因子超过警戒线时其优先级显著增加进而获得绝对的优先级，其具体的计算公式如下：

　　系统性能评估准则及调度仿真

　　系统吞吐量

　　一个小区的数据吞吐量一般用小区总的数据速率来标识，其单位为bps/cell。在设计调度算法时，应使系统吞吐量尽可能大。系统吞吐量[10][11]可用(3)式表示。

　　(3)

　　其中ptransmit，(t)是用户i在t时刻已传输的数据包的大小，K是用户总数，T是仿真总时间。

　　用户公平性

　　用户间公平性反映了用户获得无线资源的机会，用户总希望以同等的机会接受服务。为此选用累计分布函数(Cumulative Distribution Function，CDF)曲线标准来衡量用户的公平性。该公平性CDF曲线如下表所示。按照这个准则，所有处于这3个点连成的直线的右侧的曲线都符合公平性的调度算法，否则就是违反了公平性原则。

　　下行调度的实现

　　该文的仿真使用C++程序，整个系统采用3个正六边形的规则小区，每个小区内随机撒入10个用户，用户的移动速度8km/h。每个小区中心位置设有一个eNodeB，控制所有可用的RB，所有的用户均共享这些RB[12]。设系统带宽10MHz即50个RB。为了简化系统模型，假定eNodeB侧为无限缓存，这样就不会出现由于缓存不足、包溢出，而导致的丢包率。表2给出了仿真的基本参数的设置。

　　仿真结果及分析

　　采用系统吞吐量和用户公平性准则来对M-LWDF算法和改进的M-LWDF算法的小区吞吐量以及公平性进行分析对比，图2是对比不同算法下每个小区的小区吞吐量，图3是对比了整个系统用户的归一化吞吐量的CDF曲线，以评价不同算法的公平性。

　　通过3个小区吞吐量的对比可以看出，改进的M-LWDF算法使小区吞吐量有小幅的降低。这是因为改进的M-LWDF算法为了提高公平性，对提高等待时间较长，接近时延门限值的用户的优先级进行了加速提升，这样被调度的信道质量较差的用户数有一定的升高，势必影响系统的整体吞吐量和时延特性。但是同时这种优先级的加速只针对了接近优先级加速时延门限的这一部分用户，信道质量更差，速率更低的一些用户得到调度的几率仍然很低，所以系统吞吐量的下降仍然控制在可接受的范围之内，并未使系统的性能有严重的下降。

　　在公平性分析比较中，公平性准则采用了表1中介绍的公平性准则CDF曲线。这条标准线也在图3中给出。该准则实质上是限制了低吞吐量用户占总用户数的比例，比如低平均吞吐量10%的用户数不能超过总用户数的10%。按照这个准则，可以看出M-LWDF算法和改进的M-LWDF算法的CDF曲线均位于标准线的右侧，符合公平性准则。

　　此外，改进的M-LWDF算法相对于原算法来说，低于平均吞吐量的用户比例有所降低，系统的整体公平性有所提升。

　　结论

　　针对现有调度机制的不完整和调度算法的不足，该文提出了一种动态调度和半静态调度相结合的调度机制和基于QoS的改进下行调度算法。通过对仿真结果的分析得出结论，该改进算法对时延较大用户的调度优先级的加速起到了作用，增加了这部分用户被调度的机会，从而提高了系统的公平性。但是该文没有考虑基站侧为有限缓存的情况，是今后研究的重点。

　　参考文献：

　　[1] 梁倩.支持实时多媒体业务QoS的LTE下行调度研究[J].现代电信科技， 2012(4)：36-40

　　[2] 吴志彪.HSDPA系统中分组调度算法研究[J].山东通信技术，2005，25(4)：28-31

　　[3] 刘博.LTE中基于QoS的下行分组调度算法的研究[D].长春：吉林大学， 2011

　　[4] RAMLI H A M， BASUKALA R， SANDRASEGARAN K， PATACHAIANAND R. Performance of Well Known Packet Scheduling Algorithms in the Downlink 3GPP LTE System[C]// IEEE 9th Malaysia International Conference on Communications. Kuala Lumpur， Malaysia：IEEE，2009：815—819

　　[5] S. SAHA， R. QUAZI. Priority-Coupling–A Semi-Persistent MAC Scheduling Scheme for VoIP Traffic on 3G LTE[J]

　　[6] SUN S Y，YU Q Y， MENG W X. A Configurable Dual-Mode Algorithm on Delay-Aware Low-Computation Scheduling and Resource Allocation in LTE Downlink [C]//IEEE Wireless Communications and Networking Conference： MAC and Cross-Layer Design.IEEE，2012：1444-1449

　　[7] V.TRAN S，M.ELTAWIL A. Optimized Scheduling Algorithm for LTE Downlink System[C]. 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference： MAC and Cross-Layer Design.2012.1462-1466

　　[8] 姚丹，崔维嘉，季仲梅.基于QCI优先级的分组调度算法[J].计算机工程，2011.37(9)：141-143

　　[9] 赵训威，林辉. 3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范[M].1版.北京：人民邮电出版社，2010

　　[10] 刘醒梅.TD-LTE系统的无线分组调度研究[D].北京：北京邮电大学，2011.19-21

　　[11] SANDRASEGARAN K， RAMLI H A M， BASUKALA R. Delay-Prioritized Scheduling (DPS) for Real Time Traffic in 3GPP LTE System[C]//IEEE Communications Society subject matter experts for publication. WCNC：IEEE， 2010

　　[12] 郑华晋，刘晓林，宋春林等.基于QoS的LTE下行分组调度算法[J].计算机工程，2012，38(1)：288-290

　　[13] 夏鸣.LTE系统一种基于比例公平的调度算法[D].广州：华南理工大学.2011

　　[14] V.TRAN S， M.ELTAWIL A. Optimized Scheduling Algorithm for LTE Downlink System[C]//IEEE Wireless Communications and Networking Conference： MAC and Cross-Layer Design .IEEE，2012：1462-1466

　　[15] PIRO G， Boggia G. Two-Level Downlink Scheduling for Real-Time Multimedia Services in LTE Networks[C]//IEEE Transactions on Multimedia：IEEE，2011：1052-1064

　　崔亚南 苏寒松 朱世兵 天津大学 电子信息工程系（天津300072）