HSDPA中繼系統實時業務調度算法研究

丁曉貴 胡丁丁

【摘要】 在傳統的高速下行鏈路分組接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）系統中，對于實時業務的調度，主流算法是修正的最大加權時限優先（Modified-Largest Weight Deadline First，M-LWDF）算法。但由于中繼的引入，中繼用戶的延時增加必然會導致中繼用戶的丟包率增大，從而降低了系統的性能。基于此，本文提出了一種改進的M-LWDF算法，并通過VoIP業務對該算法進行了仿真驗證。結果表明該算法能夠在保證用戶QoS要求的前提下，提高系統吞吐量。

【關鍵詞】 高速下行鏈路分組接入 中繼 分組時延 調度

由于中繼技術能夠提高系統吞吐率，增強系統覆蓋，因而在B3G/4G系統[1][2]中得到了廣泛的關注，并已經被LTE-A標準所采用[3]。對于HSDPA標準，目前也有公司在開始考慮引入中繼來提升系統性能。

在現有的HSDPA系統中，對于實時業務的調度，文獻[6]針對HSDPA移動中繼系統，通過分析直傳用戶和中繼用戶的時延差，提出了一種實時業務的調度方案。然而，移動中繼一般只做簡單的重傳操作且只服務于一個用戶，因此其時延計算與固定中繼存在較大的差別，從而導致該調度方案并不能很好的應用于本文場景。本文針對HSDPA系統中FDM Type I中繼，通過分析中繼用戶的時延，提出了一種改進的M-LWDF算法，并通過系統級仿真對該算法的性能進行了分析。

一、HSDPA中繼系統場景及其分析

HSDPA中繼系統場景[4]如圖1所示，包含一個eNB（evolved Node B，eNB），K個中繼和N個用戶，其中歸屬于基站的有N0個用戶，集合為N0={1，2，…，N0}，歸屬于第i個中繼節點的有Ni個用戶，集合為Ni={1，2，…，Ni}。eNB和中繼根據各鏈路反饋的信道質量指示CQI（Channel Quality Index，CQI）確定編碼調制等級（Modulation and Coding Scheme，MCS），選擇合適的編碼和調制方式，保證數據傳輸的正確性。數據包到達eNB之后按照FIFO進行排隊，并記錄當前的時間戳。MAC層資源調度器根據隊列信息（Queue Information，QI），如隊列頭分組時延、隊列長度以及CQI等對各個用戶和中繼進行調度。

1.1 基站用戶QoS約束

1.2 中繼用戶QoS約束

二、HSDPA中繼系統的實時業務調度算法

在傳統的HSDPA系統中，由于中繼的引入，同一個中繼節點下有多個QoS不同的業務，因此采用傳統的M-LWDF調度算法會導致以下兩個問題：（1）中繼節點下有多個用戶，不同用戶的QoS要求和HoL分組時延不同，而M-LWDF調度算法涉及到QoS要求和HoL分組時延，因此選擇哪一個分組的QoS要求和HoL分組時延用于中繼節點的優先級計算，這是HSDPA中繼系統調度算法的第一個問題。（2）每個中繼節點下一般有多個用戶，如何保證用戶多、接近時延門限數據包多的中繼能夠獲得更高的調度優先級，這將是HSDPA中繼系統調度算法的第二個問題。

2.1 基站直傳用戶和中繼用戶接入鏈路的調度算法

根據HSDPA中繼系統場景分析，本文所提算法的調度優先級設計分為三個部分：基站直傳用戶、中繼Backhaul鏈路和中繼用戶接入鏈路，其中前兩者優先級由基站計算并應用于基站端的調度過程，中繼用戶接入鏈路的優先級由中繼節點計算，應用于中繼端的調度過程。

2.2 中繼Backhaul鏈路的調度算法

中繼節點，其優先級的計算直接關系到系統性能的優劣。對于問題（1），從公式（4）中可以看出，M-LWDF調度優先級計算公式中涉及到QoS要求和HoL分組時延的因子有αj和Wj（t），針對中繼節點分別引入兩個參數αr，i和Wr，i（t）用于計算中繼節點的調度優先級，如公式（5）和（6）所示：

三、仿真分析

搭建了HSDPA中繼系統的實時業務調度仿真平臺，用于驗證本文提出的HSDPA中繼系統的實時業務調度算法的系統性能，并與傳統的兩層M-LWDF調度算法和沒有中繼場景（w/o relay）下的M-LWDF調度算法以及HSDPA移動中繼系統中的調度算法（MR-Schedule Scheme）進行了比較。仿真中每個扇區部署4個中繼，信道模型采用PA3信道，業務模型采用VoIP業務[7]，分組包大小固定為80byte，最大時延容忍門限為50ms，分組時延超過該門限的分組就會被基站丟棄。

圖2出了不同調度算法下的系統吞吐量的比較，從圖中可以看出，本文所提與對比算法在用戶數較少時，吞吐量接近，而當用戶較多時，明顯要優于對比算法。圖3和圖4分別給出了不同調度算法下的平均分組時延和丟包率，圖中可以看出，用戶數較少時性能接近，而當用戶數增加時，本文所提算法的性能優勢比較明顯。

本文在中繼技術增強的HSDPA系統中，從實時業務的業務質量要求和中繼用戶的分組時延要求出發，提出了一種針對HSDPA中繼系統的實時業務調度算法。通過仿真對該算法進行了性能分析，并與沒有中繼場景下的M-LWDF調度算法、中繼場景下文獻[10]中的參考算法和傳統的兩跳M-LWDF算法進行了比較。仿真結果表明該算法在系統性能方面有較好的表現。