基于QoS付費業(yè)務(wù)的LTE下行跨層分組調(diào)度算法

王 輝，王 璨，張功國

（1.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 401121;2.重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065）

基于QoS付費業(yè)務(wù)的LTE下行跨層分組調(diào)度算法

王 輝1，王 璨2，張功國1

（1.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 401121;2.重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065）

通過對LTE下行跨層分組調(diào)度各種算法的研究分析，從時延、丟包率、吞吐量和公平性等因素入手，在原有的比例公平性調(diào)度算法（PF）上進行改進，加入了補償因子和付費權(quán)重值，使得改進型跨層調(diào)度算法，在吞吐量有一定提高的情況下，有效地降低了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的丟包率和時延，并確保了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的公平性。

LTE;QoS業(yè)務(wù);調(diào)度算法

【本文獻信息】王輝，王璨，張功國.基于QoS付費業(yè)務(wù)的LTE下行跨層分組調(diào)度算法［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

隨著LTE技術(shù)的成熟，準(zhǔn)4G網(wǎng)絡(luò)商用的到來，更多的用戶將搶先使用LTE所帶來的快速網(wǎng)絡(luò)QoS業(yè)務(wù)。那時，系統(tǒng)將會出現(xiàn)擁塞、丟包、時延和公平性被破壞等一系列現(xiàn)象，針對這些現(xiàn)象國內(nèi)外許多文獻采用或者改進了已有的比例公平算法（PF），但仍存在不足［1－5］:如提高頻譜效率，其對公平性的考慮不夠;考慮了信道的質(zhì)量，確保系統(tǒng)吞吐量的要求，也將公平性與業(yè)務(wù)時延要求相結(jié)合，對PRB進行動態(tài)調(diào)度，還保證了用戶使用資源的公平性，但是對網(wǎng)絡(luò)商用付費后，系統(tǒng)改變用戶的優(yōu)先級考慮不足;降低了實時用戶的丟比特率，但是影響了整個系統(tǒng)的吞吐量和非實時業(yè)務(wù)的公平性;保證付費用戶相應(yīng)業(yè)務(wù)的各項QoS質(zhì)量得以提高，也可以更好地適應(yīng)QoS業(yè)務(wù)多樣性的特征，但是對各業(yè)務(wù)信道覆蓋差異的因素考慮不足。針對以上不足之處，本文提出了一種按照用戶付費情況確定用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級的PF算法。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示的跨層調(diào)度結(jié)構(gòu)，eNB端控制物理資源塊（PRB）的調(diào)度，高層分組數(shù)據(jù)到達MAC層UE的緩存器中，MAC層通過物理層反饋信道狀態(tài)信息、用戶的緩存隊列信息和用戶的QoS限制等要求，選擇最合理的調(diào)度分配方式，物理層為該用戶進行資源塊和功率的分配。此時，混合類業(yè)務(wù)的分組數(shù)據(jù)在物理層以PRB形式從eNB端發(fā)送到UE端。

圖1 跨層調(diào)度結(jié)構(gòu)

2 信道模型

本文是以先到先服務(wù)原則，如圖2中所示，假設(shè)以LTE扇區(qū)為背景，下行系統(tǒng)的總帶寬為B，子載波間隔為Δf，有K個用戶均勻分布在單蜂窩中，總共有N個資源塊等待分配。在用戶QoS保證下針對混合型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，eNB分配不同的資源塊（PRB）給不同的用戶，并且每個RB只能分配給一個用戶，每個用戶能夠分配到多個RB。

2.1 隊列長度

假設(shè)隊列最大長度為Qmax，一個包的長度為L，用戶緩存隊列在t時刻有Qk（t）等待發(fā)送，而用戶k在時間間隔Ts內(nèi)基站的服務(wù)速率為RQoS。同時上層又發(fā)來Ak（t）個分組到達用戶緩存中，在t+1時刻用戶k的隊列數(shù)為

圖2 跨層資源分配模型

2.2 傳輸速率

由香農(nóng)公式得到業(yè)務(wù)的瞬時傳輸速率

式中:B表示信道帶寬，k代表用戶，m代表子載波。

假設(shè)上層分組數(shù)據(jù)到達率服從參數(shù)為λ的泊松分布，得到

式中:E{AK（t）}為期望。則

BER代表AMC原理中目標(biāo)誤碼率，νkm代表瞬時SINR，滿足

式中:Pk為基站總的發(fā)射功率;βkm代表分配所得到的子載波比例;NK為高斯白噪聲的功率密度;hkm代表信道增益。這兩個指標(biāo)都是從物理層反饋得到。

隊列的時間窗為TW，各個隊列的平均速率R（t）是根據(jù)指數(shù)平滑的思想得到業(yè)務(wù)平均調(diào)度的速率，在t+1時刻有業(yè)務(wù)調(diào)度的平均速率為

另一種情況下，沒有業(yè)務(wù)調(diào)度的平均速率為

2.3 信道選擇

信道質(zhì)量的好壞，可以決定分配業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包長度。將信道質(zhì)量不高的頻段，盡量分配給數(shù)據(jù)包長度較小的業(yè)務(wù)隊列;而將信道質(zhì)量高的頻段，留給數(shù)據(jù)包長度較大的業(yè)務(wù)。

2.4 調(diào)度優(yōu)先級模型

傳統(tǒng)的PF調(diào)度算法的優(yōu)先級可表示為

式中:GPF表示業(yè)務(wù)的瞬時速率比上平均速率，然后根據(jù)優(yōu)先級給用戶分配PRB，使得每個用戶分配得到一個或者多個PRB。如今的調(diào)度算法都是在此基礎(chǔ)上加以改進，出現(xiàn)了很多關(guān)于多業(yè)務(wù)公平性的調(diào)度算法。

3 調(diào)度模型的改進

由于LTE業(yè)務(wù)的多樣性，不同業(yè)務(wù)對QoS要求不同，尤其是在進入商用后，大量用戶涌入，運營商為了區(qū)別用戶使用業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，實現(xiàn)付費業(yè)務(wù)后，理應(yīng)讓付費高的用戶享有更高優(yōu)先級，相對地提高其公平性。

在此基礎(chǔ)之上，對傳統(tǒng)的PF算法模型，考慮在優(yōu)先級中加入時延、丟包率和信道質(zhì)量因素，按照之前的情況，分配給它們合理的優(yōu)先級權(quán)重值。因此傳統(tǒng)PF算法修改為

式中:增加的函數(shù)exp（a×PC+b×DC+cγ）為一個連續(xù)的非負的凸函數(shù);a，b，c，d表示收費后業(yè)務(wù)優(yōu)先級資源調(diào)度的權(quán)重值;PC表示的是丟包率，當(dāng)業(yè)務(wù)隊列到達的包長L加上當(dāng)前的包長超過了最大包長Qmax就發(fā)生丟包現(xiàn)象，而數(shù)據(jù)包的到達服從參數(shù)為λ的泊松分布，得到

式中:Qk（t）表示當(dāng)前數(shù)據(jù)包隊長;Qmax表示最長數(shù)據(jù)包隊長。

DC表示隊列平均時延，由Little公式得到

式中:E（Q）表示隊列狀態(tài)均值;λ表示業(yè)務(wù)的到達速率。由此，可以得到

在同一業(yè)務(wù)優(yōu)先級高的情況下，信道質(zhì)量較差的用戶就應(yīng)該跟信道質(zhì)量好的用戶有一樣的吞吐量才能保證其公平性。式（10）中，γ為補償因子，對吞吐量大的用戶分流，對吞吐量小的用戶補償。其式為

若Φmax≠0，在Ts內(nèi)用戶接收的流量計算如下

式中:Φ表示用戶流量，即為服務(wù)速率。

4 仿真分析

本文仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)

通過MATLAB對新算法的仿真驗證，利用兩種不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的新算法和傳統(tǒng)業(yè)務(wù)PF算法進行對比，并把隊列1的優(yōu)先級設(shè)為最高，其次為隊列2，最低為PF算法的隊列3。仿真后得到圖3。

圖3 丟包率仿真圖

如圖3表示不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的平均丟包率。由圖可知，在傳統(tǒng)的PF算法中，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的丟包率隨著時間的變化趨近于一個定值，而在本文所提的新算法中，具有相同信道質(zhì)量的用戶優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)PF算法的丟包率一致，也滿足最低要求。而在本文所提算法中優(yōu)先級高的用戶丟包率明顯降低。

由圖4可知，具有用戶付費優(yōu)先級高的隊列1在開始階段遠遠高于另外兩種業(yè)務(wù)，然而系統(tǒng)運行一段時間后，當(dāng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)過多時，3種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)吞吐量幾乎一致，但都能保證滿足各自的要求。

圖4 隊列相對平均吞吐量

由圖5可知，付費優(yōu)先級高的隊列1時延為最小，而其他兩種隊列2由于優(yōu)先級低和隊列3數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃惴ǖ牟煌蛊鋾r延高于隊列1。

圖5 隊列時延

5 結(jié)論

本文提出了一種針對LTE系統(tǒng)付費優(yōu)先級QoS業(yè)務(wù)跨層調(diào)度分組傳輸算法。該算法通過仿真驗證表明，在保證了其公平性的情況下，吞吐量略有提高，并有效降低了付費業(yè)務(wù)的丟包率和時延。從仿真結(jié)果來看，該算法具有一定的實用性，適合在LTE系統(tǒng)中商用。

:

［1］劉金波.基于QoS保證的多用戶OFDM系統(tǒng)跨層資源分配［J］.信息技術(shù)，2011（5）:53－59.

［2］鄭華晉，劉曉林.基于QoS的LTE下行分組調(diào)度算法［J］.計算機工程，2012（1）:289－291.

［3］錢耘之，任參軍，唐蘇文，等.基于多業(yè)務(wù)QoS的LTE下行資源分配算法［J］.通信技術(shù)，2010（4）:190－192.

［4］李校林，付澍，胡楠.一種基于LTE業(yè)務(wù)特征的調(diào)度算法切換系統(tǒng)［J］.電訊技術(shù)，2011（3）:93－98.

［5］BAI Bo，CAO Zhigang.QoS guaranteed cross－layer multiple traffic scheduling in TDM－OFDMA wireless network［C］//Proc.IEEE International Conference on Communications.［S.l.］:IEEE Press，2008:2895－2900.

［6］LI Peng，CHANG Yilin，F(xiàn)ENG Nina，et al.A cross－layer algorithm of packet scheduling andresource allocation for multi－user wireless video transmission［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2011，57（3）:1128－1134.

張功國（1979— ），碩士，工程師，主要從事無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的研究。

LTE Downlink Cross－layer Packet Scheduling Algorithm Based on QoS Paid Business

WANG Hui1，WANG Can2，ZHANG Gongguo1

（1.Chongqing Information Technology Designing Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China;2.Institute of the Applications of Advanced Telecommunications Technology，CUPT，Chongqing 400065，China）

By researching various algorithm of the LTE downside of scheduling，from the delay，packet loss rate，throughput and fairness of factors，the Proportion Fairness（PF）scheduling algorithm in the original algorithm is improved，the compensation factor and paid weights are added，making cross layer scheduling algorithm improved，it can improve the throughput，effectively reduce the high priority business lost package rate and the time delay，and ensure the high priority the fairness of the business.

LTE;QoS business;scheduling algorithm

TN949.6

B

王 輝（1980— ），工程師，主要從事無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的研究;

王 璨（1986— ），碩士生，主要研究方向為LTE移動通信的信令分析和算法研究;

責(zé)任編輯:許 盈

2012－07－27