基于QoS優(yōu)化的LTE動(dòng)態(tài)資源分配算法*

鄭智華

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東深圳518055)

基于QoS優(yōu)化的LTE動(dòng)態(tài)資源分配算法*

鄭智華

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東深圳518055)

文中對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE的動(dòng)態(tài)資源分配算法進(jìn)行研究,通過分析不同業(yè)務(wù)類型的QoS需求,設(shè)定用戶使用業(yè)務(wù)類型的QoS參數(shù),確定優(yōu)先級(jí)大小,通過QOS來表示不同業(yè)務(wù)的時(shí)間延遲;同時(shí)對(duì)小區(qū)切換用戶的優(yōu)先等級(jí)分析,設(shè)置了切換因子,提出了基于QoS優(yōu)化的改進(jìn)算法,并進(jìn)行系統(tǒng)仿真計(jì)算分析,結(jié)果表明和傳統(tǒng)算法相比,系統(tǒng)性能得到有效改進(jìn),進(jìn)一步提高了系統(tǒng)公平性并增加小區(qū)吞吐量。

吞吐量 QoS 動(dòng)態(tài)資源分配

0 引 言

3GPP在2004年底正式推出了下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE(Long Term Evolution)項(xiàng)目,其后LTE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展迅速。為了更好地滿足廣大用戶多媒體業(yè)務(wù)需求,提高上網(wǎng)速度及更好的頻譜利用率,LTE系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)成為測(cè)試系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

1 動(dòng)態(tài)資源分配算法概述

1.1 動(dòng)態(tài)資源分配算法概述

在現(xiàn)有的IEEE802.16中,定義了5種服務(wù)流媒體業(yè)務(wù),不同的業(yè)務(wù)類型包括不同標(biāo)準(zhǔn)QoS要求。為了確保達(dá)到QoS標(biāo)準(zhǔn),IEEE802.16同時(shí)定義了MAC(Media Access Control)協(xié)議以及數(shù)據(jù)交付機(jī)制來支持不同的QoS需求。因此在實(shí)際應(yīng)用中需要設(shè)計(jì)資源分配方案。如果和2G系統(tǒng)一樣,簡(jiǎn)單應(yīng)用靜態(tài)的資源分配算法,必然導(dǎo)致資源利用率低以及難以滿足多媒體業(yè)務(wù)QoS要求。因此,文獻(xiàn)[1-2]表明有效的動(dòng)態(tài)資源分配算法是提高LTE性能關(guān)鍵技術(shù)之一,可以有效地提高頻譜利用率以及滿足不同多媒體業(yè)務(wù)的QoS要求。

動(dòng)態(tài)資源分配是根據(jù)LTE系統(tǒng)的用戶(UE)狀況,主要是依據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息,自適應(yīng)地為每

個(gè)用戶分配資源,主要包括資源的調(diào)度及功率開銷。因此在LTE動(dòng)態(tài)資源分配中還必須考慮用戶的接入類型,CQI(Channel Quality Indicator),上行及下行功率,RB(Radio Bear)資源塊以及系統(tǒng)負(fù)荷等多種因素,利用動(dòng)態(tài)分配的方法使系統(tǒng)QoS優(yōu)化,從而獲得更大的系統(tǒng)吞吐量。

在LTE系統(tǒng)動(dòng)態(tài)資源分配中,基站需要合理利用有限的資源包括功率和可用的頻率帶寬資源,和用戶之間有效的信息交流,正如引言中提到的需要考慮用戶的信道狀況,根據(jù)CQI等情況進(jìn)行資源自適應(yīng)分配,來提高系統(tǒng)的QoS性能。

1.2 動(dòng)態(tài)資源的經(jīng)典算法

在LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)中,由于每個(gè)用戶的流動(dòng)性和位置不確定性,因此用戶的信道質(zhì)量會(huì)隨著時(shí)間不斷變化,主要是用戶的位置以及周圍無線傳輸?shù)沫h(huán)境對(duì)信號(hào)的影響。

文獻(xiàn)[2-3]中LTE系統(tǒng)經(jīng)典動(dòng)態(tài)資源分配算法主要為最大載干比(Max C/I)算法,提供吞吐量上限,輪詢RR算法(Round Robin)提供公平性上限以及根據(jù)比例公平PF(Proportional Fair)得出的折中算法。在經(jīng)典的研究算法中最大載干比(Max C/I)算法只考慮吞吐量而并不考慮不同用戶之間的公平性。在每個(gè)調(diào)度的周期內(nèi),對(duì)用戶的載干比(C/I)進(jìn)行計(jì)算排隊(duì),也就是分配的依據(jù)根據(jù)用戶信道傳輸質(zhì)量,信道傳輸質(zhì)量好的用戶優(yōu)先得到服務(wù),因此最大載干比(C/I)算法由此獲得系統(tǒng)的吞吐量上限及最優(yōu)頻譜利用率。其用戶優(yōu)先等級(jí)可以根據(jù)下列算法排序:

但Max C/I算法由此引起的問題是處在小區(qū)邊緣或者周圍無線傳輸環(huán)境比較差的用戶一直不能分配到系統(tǒng)資源,不能保證系統(tǒng)的公平性。

反之,在RR算法中只考慮用戶的公平性,在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙內(nèi),用戶非空隊(duì)列采用輪詢方式接受系統(tǒng)的資源分配服務(wù)。LTE系統(tǒng)公平地將資源分配給有數(shù)據(jù)發(fā)送的UE,無論用戶處于長(zhǎng)時(shí)間及短時(shí)間內(nèi),輪循算法都可以保證用戶之間的時(shí)間公平性,算法容易實(shí)現(xiàn)。但是由于算法沒有分析不同用戶信道傳輸質(zhì)量,沒有考慮到資源的使用效率,系統(tǒng)吞吐量很低的。因此RR算法公平性最好,系統(tǒng)吞吐量最差。

于是折中的辦法是比例公平PF算法,傳統(tǒng)的比例公平算法是根據(jù)用戶優(yōu)先級(jí)別的高低順序依次選擇用戶進(jìn)行服務(wù)。在一個(gè)多用戶的小區(qū)中,當(dāng)信道條件好的用戶被連續(xù)分配服務(wù),其平均數(shù)據(jù)傳輸速率就會(huì)增大,從而降低其優(yōu)先級(jí)別,同時(shí)對(duì)于信號(hào)質(zhì)量不好的并長(zhǎng)期得不到服務(wù)的用戶提高優(yōu)先級(jí)別,來保證系統(tǒng)用戶的公平性原則。比例公平PF算法的優(yōu)先等級(jí)可以由以下公式得到:

式中,(C/I)j(t)代表j用戶在t時(shí)刻的載干比,也表示用戶的信道質(zhì)量,Rj(t)代表j個(gè)用戶在時(shí)隙t內(nèi)的數(shù)據(jù)平均傳輸速率。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)候, (C/I)j(t)=0,因此PF算法中,選中分配的用戶為:

算法考慮到用戶的公平性原則,也兼顧到系統(tǒng)的吞吐量。

2 基于QoS優(yōu)化的動(dòng)態(tài)資源分配

2.1 基于QoS優(yōu)化動(dòng)態(tài)資源建模分析

在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE中多小區(qū)多用戶的QoS優(yōu)化的動(dòng)態(tài)資源分配實(shí)際上可以歸納成帶約束條件的優(yōu)化建模[4-5],對(duì)時(shí)隙,子載波,比特,功率等分配要素多樣性及不同優(yōu)化目標(biāo)的確定成為求解的最大難點(diǎn)。

對(duì)于TD-LTE系統(tǒng),每個(gè)小區(qū)不同用戶不能使用同一條子載波,子載波數(shù)量是由該用戶的業(yè)務(wù)來決定,系統(tǒng)分配給小區(qū)的帶寬即子載波的數(shù)量有限,因此要解決子載波資源的合理利用,并考慮上下時(shí)隙配比,遠(yuǎn)距離交叉時(shí)隙干擾程度等。當(dāng)然QoS優(yōu)化的結(jié)果是希望用戶得到最大容量,且保證系統(tǒng)的公平性,讓每個(gè)用戶都能合理使用資源。

假定系統(tǒng)有M個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)有I個(gè)用戶和N個(gè)載波,Pm,i,j代表第i個(gè)用戶在第j個(gè)子載波上的發(fā)送功率,P表示一個(gè)小區(qū)總的可用發(fā)射功率。表示第i個(gè)用戶在子載波j上的信道增益,假定每個(gè)子載波的噪聲功率均為σ2,則可以得到用戶i的信噪比為:

因此用戶i在子載波上的比特傳輸速率為:

式中,ρ=-ln(Re)/1.5,Re代表該用戶的誤碼率。而用戶i的平均吞吐量為

式中,bi表示用戶在時(shí)間T內(nèi)接受到的比特?cái)?shù),n為小區(qū)總數(shù),ω為信道帶寬,T為傳輸時(shí)間,L為總的用戶數(shù)目。因此用戶平均吞吐量為:

式中,ti是第i個(gè)用戶的激活時(shí)間。因此系統(tǒng)的公平性定義為:

實(shí)際上在分配的時(shí)候還必須考慮到用戶的時(shí)延及最長(zhǎng)可以等候時(shí)間等。由式(2)可以得到每個(gè)用戶平均傳輸速率更新為:

式中,Tc代表時(shí)間窗的長(zhǎng)度,反映了用戶等待資源分配的忍受度。當(dāng)Tc增大時(shí),表示用戶可以忍受較長(zhǎng)時(shí)間直到信道質(zhì)量達(dá)到良好水平,這樣可以提高系統(tǒng)的吞吐量,但增加了附加時(shí)延。

2.2 基于QoS優(yōu)化的動(dòng)態(tài)資源分配改進(jìn)算法

對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),丟比特率往往是衡量QoS的一個(gè)重要指標(biāo),若延時(shí)時(shí)間超過等待時(shí)間門限,則就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)比特丟失;對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)類型,小區(qū)的吞吐量是衡量QoS的重要指標(biāo)。

因此根據(jù)不同用戶業(yè)務(wù)類型的QoS指標(biāo),提出QoS優(yōu)化的改進(jìn)算法,設(shè)置第i個(gè)用戶使用業(yè)務(wù)類型的QoS權(quán)重因子為βi,并由此可以確定用戶傳輸速率是否可變。分析QoS權(quán)值來分析不同業(yè)務(wù)的時(shí)間延遲,確定恒定速率實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)還是可變速率實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。對(duì)不同的業(yè)務(wù)設(shè)定為不同的權(quán)重值。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)具有最高優(yōu)先級(jí),并采用接入控制算法。對(duì)于交互業(yè)務(wù)來說,允許時(shí)延,權(quán)值設(shè)置相對(duì)小一些,背景型業(yè)務(wù)允許長(zhǎng)時(shí)延,其權(quán)重值設(shè)置相當(dāng)小。

圖1 QoS改進(jìn)算法與傳統(tǒng)算法吞吐量比較Fig.1 Throughput comparison ofmodifeid QoSalgorithm and traditional algorithm

改進(jìn)的基于QoS優(yōu)化的動(dòng)態(tài)資源分配算法可以提高用戶連續(xù)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。其優(yōu)先分配用戶為:

式中,αi為切換因子。考慮到切換用戶處于小區(qū)邊緣,往往優(yōu)先等級(jí)較低,但用戶得到實(shí)時(shí)連續(xù)服務(wù)是服務(wù)等級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo),因此改進(jìn)的方案中設(shè)置了切換因子αi,來提高新進(jìn)入小區(qū)用戶的優(yōu)先等級(jí),并根據(jù)用戶的CQI數(shù)據(jù)得到:

式中,τi為小區(qū)新用戶切換時(shí)間因子,0.5≤τi≤1,非切換用戶τi=1,Medium(CQIi)(t)為用戶i在最近10個(gè)時(shí)隙內(nèi)的平均CQI。將式(11)帶入式(10),可以得到:

因此具體資源分配改進(jìn)方案如下:

1)當(dāng)用戶進(jìn)入資源分配時(shí),首先確定用戶的QoS需求,實(shí)時(shí)性較強(qiáng)用戶,按照接入算法控制,其他用戶直接進(jìn)行資源調(diào)度分配,執(zhí)行步驟3)。

2)若實(shí)時(shí)用戶傳輸速率恒定,確定系統(tǒng)是否處于過載,如果沒有,則進(jìn)入動(dòng)態(tài)資源分配申請(qǐng)排隊(duì),如果速率可調(diào)則給出對(duì)應(yīng)的速率值。

3)資源調(diào)度中需確定不同業(yè)務(wù)的QoS權(quán)重以及切換用戶的連續(xù)服務(wù)性,根據(jù)式(12)得到優(yōu)先排隊(duì)等級(jí),具有最大優(yōu)先權(quán)的用戶請(qǐng)求首先接受服務(wù)。

3 仿真結(jié)果與性能分析

對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真,以便驗(yàn)證算法在多業(yè)務(wù)下的性能,仿真包括用戶移動(dòng)切換等過程。路徑損耗考慮了快衰落和慢衰落因子,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)模型,其中βi權(quán)重因子取值可以依據(jù)不同類型QoS權(quán)值大小,按業(yè)務(wù)類型進(jìn)行設(shè)置,話音業(yè)務(wù)的βi=0.8,流媒體業(yè)務(wù)的βi=0.5,交互業(yè)務(wù)的βi=0.2而背景業(yè)務(wù)的βi=0.05。仿真包括小區(qū)吞吐量和服務(wù)公平性等。用戶公平性通過式(8)來衡量,用戶SF越大則對(duì)應(yīng)其公平性越好。系統(tǒng)其他參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting up of system simulation parameters

從圖1的QoS改進(jìn)算法與三種傳統(tǒng)算法小區(qū)吞吐量比較可以得到,在用戶數(shù)目逐步增大到150以上時(shí),QoS改進(jìn)算法在小區(qū)吞吐量上比傳統(tǒng)的比例公平算法提高約10%,因?yàn)镼oS優(yōu)化改進(jìn)保證實(shí)時(shí)用戶優(yōu)先等級(jí),提高系統(tǒng)的頻譜利用率。同時(shí),通過圖2的QoS改進(jìn)算法與經(jīng)典算法的公平性比較,可以看到在用戶數(shù)目增大的時(shí)候,同樣提高了系統(tǒng)的資源分配的公平性,因?yàn)榍袚Q用戶在小區(qū)的邊緣, QoS改進(jìn)算法考慮了切換用戶的優(yōu)先等級(jí),因此和傳統(tǒng)比例算法比較提高了系統(tǒng)的公平性。

圖2 QoS改進(jìn)算法與傳統(tǒng)算法公平性比較Fig.2 Fairness comparison ofmodifeid QoS algorithm and traditional algorithm

4 結(jié) 語

本文對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE的動(dòng)態(tài)資源分配算法進(jìn)行研究,依據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息,自適應(yīng)地為每個(gè)用戶分配資源。通過分析比較了傳統(tǒng)經(jīng)典算法包括最大載干比,輪詢及比例公平算法,結(jié)合輪詢算法和最大載干比算法分別給出的公平性和吞吐量上限,提出了QoS改進(jìn)算法,該算法結(jié)合了不同用戶的QoS需求,確定延時(shí)等級(jí),并考慮切換用戶優(yōu)先性,通過仿真結(jié)果顯示,和傳統(tǒng)比例算法相比,提高了小區(qū)的吞吐量并增加系統(tǒng)的公平性。

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鄭智華(1967—),男,博士,教授,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及資源分配。

ZHENG Zhi-hua,(1967-),male,Ph.D., professor,mainly engaged in radio resource allocation and mobile system optimization.

LTE Dynam ic Resource A llocation A lgorithm based on QoSOptim ization

ZHENG Zhi-hua
(Shenzhen Polytechnic,Shenzhen Guangdong 518055,China)

LTE dynamic resource allocation algorithm for the next generation mobile communication systems is discussed.Through the analysis on different types of traffic QoS requirements,the QoSparameters ofuser service types are determined and priority levels also established,and QoS is used to display different service time-delays.Meanwhile,the handoff factor is also setup through priority analysis of the cellhandoff users.Thus the modified dynamic resource allocation algorithm based on QoS optimization is further proposed and simulated.Simulation results show that the system performance is effectively improved,moreover,the system fairness and cell throughput also increased as compared with traditional algorithms.

throughput;QoS;dynamic resource allocation

TN929.533

A

1002-0802(2014)12-1405-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.012

2014-09-09;

2014-11-05 Received date：2014-09-09;Revised date：2014-11-05

深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金(No.JCY20120617143714854)

Foundation Item:ShenZhen strategic emerging industry development funds.No.JCY20120617143714854