一種基于ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ協議的下行調度系統

謝杰華　欒英姿　郭燕鵬

【摘要】文章介紹了IEEE802.16e中的下行調度機制，針對目前下行分組調度器中由數據映射帶來的padding時隙造成的資源浪費問題，結合二級調度架構，設計了一個新型的下行分組調度器。仿真表明，該調度器能有效提升系統性能。

【關鍵詞】IEEE802.16e 服務流 下行分組調度 padding QoS

1 引言

IEEE802.16e協議中，MAC層提供基于連接的數據傳輸服務，提出了服務流的概念——在一個連接上傳輸的、具有特定服務質量（QoS）的、由MAC層服務數據單元（MAC SDU）組成的單向數據流。每個激活的服務流都有一個與之關聯的連接，實現數據傳輸。服務流機制為上下行鏈路提供QoS保證。

IEEE802.16e協議定義了五類服務流，分別是：UGS（Unsolicited Grant Service）、ERT-VR（Extended Real-time Variable Rate）、RT-VR（Real-time Variable Rate）、NRT-VR（Non-real-time Variable Rate）和BE（Best Effort Service）。同時協議還給出了這五類服務流的QoS參數，不同的服務流有不同的服務要求，所以QoS參數也不一樣。

IEEE802.16e協議中，下行分組調度主要由BS端的MAC層來完成，它根據當前各下行業務流的狀態和系統的總帶寬來決定帶寬分配，然后根據各服務流分配到的資源發送下行數據到終端。這里所指的服務流狀態包括：隊列長度、包時延和服務流的QoS參數集等。

2 現有下行調度器問題分析

一個下行分組調度器通常需要完成三個操作：下行分組調度、無線資源分配和數據映射。分組調度是要確定分組的發送順序；而資源分配則是將無線資源分配給各用戶各連接，反映各連接在當前幀中所能發送的數據量；數據映射主要完成burst區域的劃分（在IEEE802.16e中，一個burst區域在幀結構中就是一個矩形區域），并將服務流數據填入其中，最后生成下行映射消息DL-MAP。這三個操作根據調度架構的不同，可以實現不同的組合。在很多情況下，下行分組調度和無線資源分配是同時進行的，即在調度算法中就已經實現了無線資源的分配。

關于下行調度算法，目前比較常見的有：RR（Round Robin），最大載干比MAX C/I，比例公平PF（Proportional Fairness），M-LWDF（Modified Largest Weighted Delay First），EXP（Exponential Rule）等。一般的下行調度器都只采用一種算法來對所有服務流進行調度，稱為一級調度器；如果不同類型的服務流采用不同的調度算法，本文稱其為二級調度器。一級調度器實現簡單，但是由于不同類型的業務具有不同類型的QoS要求，如果單按某一個規則來給所有類型的業務確定優先級，就很難在保證公平性的同時保證各業務流的QoS要求，而這正是二級調度器的優點所在。二級調度器對不同類型的服務流采用不同的優先級規則，相同類型的服務流使用相同的優先級規則，而不同類業務流之間則通過總調度器來保證它們之間的公平性，從而實現所有業務流的公平性和QoS保證。根據調度算法的調研，二級調度器更受重視。

數據映射的處理對象是協議數據單元（PDU），也就是說之前被調度出隊的SDU都是在完成PDU構建之后進入數據映射操作階段的。數據映射將可以用同一種編碼調制方式傳輸的PDU映射到同一個矩形burst中，是一個典型的非線性規劃問題。這樣會出現某個burst矩形區域能夠傳輸的數據量和該區域中實際填入的數據量不匹配的情況。如果前者大于后者，就會出現協議中提到的padding問題，即對burst矩形區域中未填滿的部分用已知的數據去填充（比如全0），浪費了部分資源。一旦數據映射算法設計不合適，由于padding帶來的資源浪費將會十分嚴重，從

而大大降低系統資源利用率。而目前的下行調度算法卻都很少考慮這個問題。本文將對此設計一個新的下行調度器，以充分降低padding所帶來的資源浪費。

3 本文提出的下行分組調度器

為了解決上述問題，本文通過調整下行調度的操作順序來緩解這一浪費情況。圖1是本文所設計的下行分組調度器的結構，該調度器是如何實現padding時隙再利用的呢？接下來通過分析其工作流程便可得知。

如圖1所示，高層發來的SDU經過分類器映射到相應的服務流上，每個服務流有一個SDU隊列，服務流SDU隊列按服務類型存儲；調度出隊的SDU構建PDU后進入對應的PDU隊列，服務流的PDU隊列基于用戶存儲。圖1中虛線相連的部分是調度器的核心部分，主要有一個總調度器aggregate scheduler和四個類調度器UGS scheduler、RT-VR scheduler、NTR-VR scheduler和BE scheduler。這里把ERT-VR服務流和RT-VR服務流統一按RT-VR服務流來處理，所以只用到了4個類調度器。

圖1中標注出了該調度器的4個操作流程，下面依次介紹這四步操作：

（1）總調度器aggregate scheduler根據總調度算法將系統資源分配給各個類調度器。

（2）各個類調度器根據自己的調度算法將總調度器分配的資源分配給該類服務的所有服務流。

（3）burst區域劃分及資源調整。

? burst區域劃分：根據（2）的分配結果，進行burst區域劃分，將能夠使用同一種編碼調制方式的連接映射到同一個burst矩形區域中。

? 資源調整：對burst中所承載的連接所分配到的時隙數進行適當的調整，以降低padding時隙數。設burst1是一個3×3=9（時隙）的矩形區域，用于承載連接1、2、3的數據。資源調整分以下三種情況：

（a）若（2）給這三個連接分配的時隙數依次為4、3、3，即共10個時隙。由于10>9，burst1無法完全滿足它們的需求，此時需要根據資源調整算法進行調整。設調整后三個連接的資源依次為4、3、2，那么burst1中三個連接最終實際利用到的時隙數分別為4、3、2。

（b）若（2）給這三個連接分配的時隙數依次為4、3、2，即共9個時隙，那么burst1剛好能完全滿足它們的需求，此時資源調整模塊不做任何調整。即三個連接最后利用到的時隙數為4、3、2。

（c）若（2）給三個連接分配的時隙數依次為4、2、2，即共8個時隙。由于8<9，burst1能夠完全滿足這三個連接的需求，若不再做任何處理的話，會有1個時隙空余，根據協議要求這個時隙將被padding，從而被浪費。在這種情況下，資源調整模塊會對這三個連接的資源進行調整。設調整后三個連接的時隙數依次為4、3、2，剛好9個時隙，即padding時隙被連接2利用上了。三個連接最終用到的時隙數分別為4、3、2。

通過資源調整，顯然能夠大大減少由于數據映射帶來的padding時隙數，從而提高系統資源利用率。

（4）各SDU隊列根據（3）分配到的資源，調用PDU構建模塊，構建大小合適的PDU，映射到各連接所對應的burst區域中，從而組成一個邏輯下行子幀。

4 仿真

我們仿真了單個小區內多個用戶的情況，所有用戶均勻分布在BS的覆蓋范圍內，BS端根據用戶的下行信道質量來選擇用戶下行數據傳輸所用的編碼調制方式。仿真的詳細參數設置如表1所示，仿真結果如圖2所示。從圖2可以看到，系統的平均吞吐量能夠達到近14Mbps。

參考文獻

[1]IEEE Std 802.16e-2005. DRAFT Standard for Local and metropolitan area networks, Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems[S]. June 2008.

[2]Hua Wang, Lars Dittmann. Adaptive Radio Resource Allocation in Hierarchical QoS Scheduling for IEEE 802.16 systems[C]. IEEE GLOBECOM 2007: 4769-4774.★

【作者簡介】

謝杰華：西安電子科技大學通信工程學院在讀碩士研究生，研究方向為WiMAX接入系統，目前主要從事MAC層系統仿真工作。

欒英姿：西安電子科技大學通信工程學院碩士生導師，研究方向為多載波寬帶無線通信中的關鍵技術。

郭燕鵬：西安電子科技大學通信工程學院在讀碩士研究生，研究方向為3GPP長期演進技術（LTE），目前主要從事網絡接入控制研究。

收稿日期：2009年1月5日