HSDPA中繼系統全局公平性調度方案

丁曉貴，劉桂江

(安慶師范學院計算機與信息學院，安徽安慶 246011)

HSDPA(高速下行分組接入)作為3.5G的移動通信協議之一，在下行鏈路中提供分組數據業務，在5 MB的帶寬上可提供 10 Mbit·s－1峰值速率［1］。中繼作為LTE系統中的核心技術，可以提高系統的吞吐率和覆蓋率［2］。引入中繼后HSDPA系統如何調度，保證基站用戶和中繼用戶內部的公平性，達到全局公平性調度，是本文研究的方向。

目前，在LTE －A 系統［3－4］中，主要定義了兩類中繼。第一類中繼能夠單獨發導頻，同步信道和控制信道，并具有獨立調度的能力。因此，從用戶端觀察第一類中繼完全等效于基站，但從中繼端觀察，中繼從核心網獲得數據必須通過基站。第二類中繼由于沒有自己的控制信道，因此第二類中繼只能增強基站的信號而并不具有獨立調度的能力。第二類中繼由于不發導頻，因此對中繼到用戶的信道難以估計。雖然PF算法［5］可以在吞吐率和公平性之間獲得折中，但只能保證基站用戶和中繼用戶內部的公平性，并不能保證基站用戶和中繼用戶之間的公平性。

1 系統模型

文中采用較常用的小區結構和中繼部署場景—7小區21扇區的系統模型［6］，網絡拓撲結構如圖1所示。系統中鏈路分為直傳鏈路、中繼回程鏈路和中繼用戶接入鏈路［7］。考慮雙載波的載波分配方案，載波分配如圖2所示，基站采用載波1為中繼服務，中繼采用載波2為中繼用戶服務，而基站用戶可以同時接收來自于基站的載波1和載波2。在調度的過程中，基站首先在載波1上調度基站用戶和中繼，然后在載波2上調度基站用戶;而中繼在載波2上調度中繼用戶。

圖1 網絡拓撲結構

圖2 載波分配方案

2 全局公平性調度方案

PF［8］調度算法能夠在系統吞吐率和公平性［9］之間取得較好的折中，但當中繼引入HSDPA系統后，中繼鏈路和直傳鏈路同時存在，PF調度算法不能直接用于該中繼網絡。而兩跳比例公平算法［10］(THPF)可以保證中繼用戶和基站用戶內部的公平性，難以保證兩者之間的公平性。因此，需要進一步優化比例公平算法，并通過設計調度優先權來保證基站用戶和中繼用戶之間的公平性。

2.1 全局公平性調度算法

在不改變基站用戶和中繼用戶內部的公平性的情況下，最大化系統的公平性。為此，先根據文獻［5］給出公平性因子的計算方法

其中，R表示各用戶的平均吞吐率;N表示系統中的總用戶數。

假設一個扇區內共有K個中繼，N個用戶，其中歸屬于基站的有N0個用戶，歸屬于第i個中繼的有Ni個用戶，且不妨假設基站所有資源都用于基站用戶時，基站用戶采用 PF 調度，其吞吐率分別為 R0，1，R0，2，…，R0，N0;若基站所有資源均給第i個中繼回程鏈路使用時，中繼用戶采用 PF 調度，其吞吐率分別為 Ri，1，Ri，2，…，Ri，Ni。現假設基站所有資源中的a0比例給基站用戶使用，ai比例給第i個中繼回程鏈路使用，其中0＜ai＜1，i=0，1，…，K，則整個系統的公平性因子

因而問題就轉為如下一個優化的問題

采用拉格朗日乘子法，得到

由于所有中繼用戶和基站用戶都是采用PF調度，因此可以合理假設所有基站用戶和中繼用戶內部公平性因子相等，從而只要當式(6)成立時，系統的公平性就能達到次優

2.2 調度優先權設計

由于HSDPA系統中不同的MCS等級所占用的功率資源和碼資源不同，為了提高公平性，將用戶的瞬時傳輸率與所占碼資源進行歸一化。對于中繼引入優先級修正因子來對其優先級進行修正，調度算法的優先級如下:

對于直連用戶

其中，Cd－user，i表示直連用戶 i瞬時傳輸率;Sd－user，i(t)表示直連用戶i瞬時占用的碼道數，Rd－user，i(t)表示直連用戶i的平均傳輸率。

對于中繼

其中，C realy，i(t)表示中繼 i瞬時傳輸率;S realy，i(t)表示中繼i瞬時占用的碼道數;R realy，i(t)表示中繼i的平均傳輸率;H realy，i(t)表示中繼i的優先級修正因子，更新如式(7)所示。

對于中繼用戶

其中，Cri－user，j(t)表示中繼 i到該中繼下的用戶 j的瞬時傳輸率;Sri－user，j(t)表示中繼i到該中繼下的用戶 j瞬時占用的碼道數;Rri－user，j(t)表示中繼i到該中繼下用戶j的平均傳輸率。

2.3 算法具體步驟

(1)基站端調度。初始化待重傳的直連用戶和中繼，并給其分配碼資源;在載波1上計算直連用戶和中繼的優先級，并按優先級從高到低對載波1碼資源進行分配，直到所有碼資源分配完為止;在載波2上計算直連用戶的優先級，并按優先級從高到低對載波2碼資源進行分配，直到所有碼資源分配完為止。更新平均吞吐率，具體更新方法如下

其中，S表示調度到的直連用戶或中繼集合。

(2)中繼端調度。初始化待重傳的中繼用戶，并給其分配碼資源;在載波2上計算中繼用戶優先級，并按優先級從高到低對中繼載波2的碼資源進行分配，直到所有碼資源分配完為止;采用式(11)更新中繼用戶平均吞吐率。

3 仿真分析

通過Matlab對提出的基于全局公平性的兩層PF調度算法(BF－THPF)進行仿真，并與一般的兩層PF調度算法(THPF)和沒有中繼的場景(w/o relay)進行了比較。具體仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖3比較了3種情況下的公平性，從圖中可以看出，基于公平性的兩層PF調度算法和沒有中繼的場景公平性基本一致，而一般的兩層PF調度算法公平性相對較差。

圖3 公平性因子

圖4和圖5分別給出了用戶吞吐率CDF曲線和用戶平均吞吐率曲線。由于一般的兩層PF調度算法沒有考慮到中繼下的用戶數，因此用戶吞吐率分布更離散，如圖4所示，兩層PF調度算法的用戶吞吐率分布在高、低的概率較大，而基于公平性的PF調度算法，通過負反饋的形式更新中繼優先級的修正因子，考慮到中繼下的用戶數，因此用戶吞吐率更多的集中在中間，這就導致兩種算法的用戶吞吐率曲線有交叉。如圖5所示，有中繼場景下的用戶平均吞吐率高于沒有中繼時用戶平均吞吐率，且基于公平性的兩層PF調度算法的用戶平均吞吐率高于一般兩層PF調度算法。

4 結束語

對引入中繼HSDPA系統調度方案進行了研究。提出了一種基于全局公平性的調度方案，該方案不需要反饋額外的數據就可以保證基站用戶和中繼用戶之間的公平性。通過仿真，驗證了該調度方案在系統總吞吐率和系統公平性方面都具有更好的性能。

［1］曾華.HSDPA無線通信系統分組調度算法研究［D］.成都:電子科技大學，2006.

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