基于BF-THPF負反饋調度算法研究

丁曉貴,胡丁丁

(1.安慶師范大學 計算機與信息學院，安徽 安慶 246133；2.安徽移動通信有限責任公司，安徽 合肥 230012)

1 引言

在HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)系統中，通常基站和用戶之間會安排中繼，系統模型如圖1所示。基站可以通過直傳鏈路到用戶，也可以通過中繼回路鏈路到中繼，再通過中繼接入鏈路到用戶。常見的調度算法有無中繼PF調度算法(W/O relay)，兩跳比例公平算法(THPF)等。

圖1 中繼系統模型

1.1 無中繼PF調度算法(W/O relay)

在沒有中繼的場景下，仿真中采用PF調度算法，其調度優先級

ω

(

t

)計算如下：

(1)

式中，

C

(

t

),

R

(

t

)分別表示用戶

j

在時刻

t

的瞬時吞吐率和平均吞吐率，該算法優點是簡單，能夠做到調度的公平性，缺點是吞吐率非常低。

1.2 兩跳比例公平算法(THPF)

兩跳比例公平算法(THPF)基站用戶調度算法如式(1)所示，中繼用戶調度算法如式(2)所示。

(2)

兩跳比例公平算法(THPF)分別對直傳用戶和中繼下用戶調度進行了研究，優點是保證了各自調度的公平性，缺點是很難做到二者之間公平。在THPF調度算法的基礎上，從中繼端入手，通過增加負反饋，利用過往的數據來修正調度優先級系數，從而提升用戶平均吞吐率、公平性因子、邊緣用戶吞吐率等性能指標。

2 BF-THPF調度算法

要想做到全局公平性，基站用戶和中繼下用戶平均吞盡率盡可能相等，有

(3)

實際中，受到干擾等原因影響，式(3)難以成立。為此，引入一個參數

Δ

記錄等號兩邊差值，即

(4)

2.1 調度優先級計算

按照圖1所示模型，基站直傳用戶個數用

N

表示，瞬時吞吐率用

C

,(

t

)表示，過往

T

時間周期內平均吞吐率用

R

,(

t

)表示，下同。則對于基站直傳用戶

j

的優先級

ω

,(

t

)如式(5)所示。

(5)

同樣，中繼節點

i

下的用戶

j

的優先級

ω

,(

t

)如式(6)所示。

(6)

為了盡量做到全局公平，利用負反饋對中繼節點

i

優先級進行修正。用

ε

,(

t

)表示中繼節點

i

優先級修正因子；

β

為更新步長，是一個較小的正值。修正因子改變受直傳用戶和基站平均吞吐率差值影響如式(7)所示。

(7)

帶有修正因子的中繼節點調度優先級計算

ω

,如式(8)所示。

(8)

2.2 調度原則

按照式(5)、式(6)、式(7)、式(8)計算結果，對優先級從大到小進行排序，對優先級高的用戶增加調度概率，做到全局公平。

(1)用戶信道質量差的用戶，需要增加調度概率。由于干擾或通信距離較長等因素，過往

T

時間周期平均吞吐率小，即調度優先級計算公式分母變小，導致其優先級變大。

(2)長時間沒有被調度到的用戶或瞬時吞吐率變大的用戶，需要增加調度概率。某個用戶的信道質量瞬間變得很好時，即分子變大，導致其優先級變大。

3 BF-THPF算法實現

根據圖1所示，BF-THPF算法分為基站端和中繼端，且基站端受載波1和載波2方式影響，介紹如下。

3.1 基站端調度算法實現

(1)初始化。分別設置載波1和載波2上的調度用戶集合

C

={ }和

C

={ }；(2)載波1上的分組調度。①計算載波1上基站直傳用戶的調度優先級，如式(5)所示；②將載波1上基站直傳用戶的調度優先級從大到小進行排序，設排序的結果為

j

=1,2,…,

N

；③當

j

≤

N

，并且基站載波1剩余碼資源夠用戶

j

調度使用時，執行如下循環：

C

=

C

∪{

j

},

j

=

j

+1;④當基站載波1剩余碼資源不夠用戶

j

調度使用或

j

>

N

時，上述循環結束。(3)載波2上的分組調度。①計算載波2上基站直傳用戶和中繼節點的調度優先級，如式(5)和式(6)所示；②將載波2上基站直傳用戶的調度優先級和中繼節點的調度優先級一起從大到小進行排序，設排序的結果為

k

=1,2,…,

N

+

k

；③當

k

≤

N

+

K

且基站載波2剩余碼資源夠節點

k

調度使用時，執行如下循環：

C

=

C

∪{

k

},

k

=

k

+1;④當基站載波1剩余碼資源不夠節點

k

調度使用或

k

>

N

+

K

時，上述循環結束。

(4)更新基站用戶和中繼的平均吞吐率，同時更新中繼優先級修正因子。

3.2 中繼端調度算法實現過程

(1)初始化。設調度用戶集合

C

={}。(2)中繼

i

上的分組調度。①計算中繼

i

到該中繼下用戶

j

的調度優先級如式(6)所示；②將該調度優先級集合從大到小進行排序，設排序的結果為

k

=1,2,…,

N

；③當

k

≤

N

且中繼

i

上剩余碼資源夠中繼用戶

k

調度使用時，執行如下循環：

C

=

C

∪{

k

},

k

=

k

+1;④當中繼

i

上剩余碼資源不夠用戶

k

調度使用或

k

>

N

時，上述循環結束。(3)更新中繼端中繼用戶平均吞吐率

R

,(

t

)。BF-THPF算法中繼端調度過程結束。

4 仿真及其結果分析

利用MATLAB搭建了仿真平臺，按照圖1所示調度非實時業務。將研究所提出的算法與W/O relay、THPF進行了比較，具體仿真參數如下：

小區半徑(ISD)：500m；載頻：2GHz；NodeB-UE路徑損耗：L=128.1+37.6log10(R)；NodeB-RN有直射徑時路徑損耗：L=100.7+23.5log10(R)；RN-UE有直射徑時路徑損耗：L=103.8+20.9log10(R)；接收機類型：Type 3i LMMSE；基站發射功率：46dBm；業務模型：Full Buffer。

4.1 吞吐率

三種算法吞吐率變化曲線如圖2所示。由圖2可知，橫坐標為中繼到扇區中心距離，為了方便比較，研究采用對小區半徑歸一化的形式。縱坐標為用戶平均吞吐率(Kbps)。無中繼場景下用戶平均吞吐率在470 Kbps左右，較低；THPF其次；BF-THPF調度算法達到540 Kbps以上，最優。另外，當中繼到扇區中心距離為0.5左右時，吞吐率最高。原因是受到中繼節點的回程鏈路性能和邊緣用戶覆蓋率的影響，這涉及到中繼位置優化的問題。

5%用戶(邊緣用戶)平均吞吐率如圖3所示。從圖3仿真結果可以看出，BF-THPF算法能成倍提高邊緣用戶吞吐率。

圖2 用戶平均吞吐率隨中繼位置變化曲線 圖3 5%用戶平均吞吐率

三種場景下用戶平均吞吐率如圖4所示。由圖4可知，無中繼的場景下，所有用戶都為基站用戶，無中繼用戶，故只有兩條曲線，其平均吞吐率都較低。中繼的引入可以帶來性能的提升。重點觀察THPF和BF-THPF算法，THPF算法基站用戶平均吞吐率達到770 Kbps，而中繼用戶則只有520 Kbps左右。由于BF-THPF算法引入了負反饋，所有用戶平均吞吐率都在700 Kbps上下，公平性更優。

4.2 公平性

公平性因子實驗結果如圖5所示。由圖5可知，無中繼場景調度算法簡單，公平性一定較好。THPF調度算法公平性較差，這也是研究BF-THPF調度算法的理由。BF-THPF算法和無中繼場景調度算法公平性因子相近，說明BF-THPF調度算法不以犧牲公平性為代價來換取用戶吞吐率。

圖4 用戶平均吞吐率 圖5 系統公平性因子

5 結束語

在密集小區中，對于非實時業務調度方案，既要保證用戶吞吐率，又要兼顧公平性。BF-THPF通過對瞬時吞吐率、過往平均吞吐率等指標記錄，合理利用它們設置調度優先級因子。特別是在中繼節點對優先級因子引入修正系數，改變中繼節點調度概率，保證直傳用戶和中繼下用戶公平。設計仿真平臺，對上述吞吐率和公平性性能進行了驗證，仿真結果表明BF-THPF算法公平性較好，吞吐率較高，切實可行。