分組調(diào)度算法在LTE 中應(yīng)用研究

原少純

摘要：在多業(yè)務(wù)傳輸?shù)膱鼍爸校诓煌瑯I(yè)務(wù)的不同QoS需求的調(diào)度策略研究不多。針對此問題，通過將不同QoS等級和要求加入到調(diào)度策略的影響因素中，提出了一種應(yīng)用于LTE的多目標(biāo)協(xié)同分組調(diào)度算法，綜合利用信道質(zhì)量、隊(duì)列狀態(tài)以及每種業(yè)務(wù)的QoS參應(yīng)用于數(shù)要求等信息，在有限的頻率資源下盡力使每種業(yè)務(wù)的QoS要求都得到滿足。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文將業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)要求有目的性地加入到算法的優(yōu)先級公式中，且設(shè)計了用戶滿意度函數(shù)來衡量算法的綜合性能。仿真結(jié)果表明，該算法能根據(jù)不同QoS要求來動態(tài)分配資源，使每種業(yè)務(wù)的QoS要求都盡量得到滿足，且提高了整體用戶滿意度。

關(guān)鍵詞：調(diào)度；QoS；用戶滿意度；LTE

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）17-0258-02

分組調(diào)度是實(shí)現(xiàn)資源分配的重要環(huán)節(jié)，而調(diào)度算法是調(diào)度要遵守的資源分配規(guī)則，一個好的調(diào)度算法對網(wǎng)絡(luò)性能的提升發(fā)揮著巨大的作用。在QoS感知調(diào)度算法中，無論是針對一個具體業(yè)務(wù)還是一種類型的業(yè)務(wù)，首先需要分析研究業(yè)務(wù)的QoS要求，根據(jù)具體要求設(shè)計調(diào)度算法。保證所關(guān)注的業(yè)務(wù)QoS的基礎(chǔ)上，盡可能的兼顧到其他業(yè)務(wù)的調(diào)度性能，提高系統(tǒng)公平性。

大多數(shù)研究和相關(guān)文獻(xiàn)存在一個共同的問題，即只關(guān)注一種業(yè)務(wù)或者一類業(yè)務(wù)的QoS要求，而忽略了其他業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求，容易導(dǎo)致整體用戶滿意度的下降。因此對多業(yè)務(wù)調(diào)度算法的研究是有其必要性和研究意義的。文獻(xiàn)[33-34]中只是關(guān)注多業(yè)務(wù)中的一個具體的業(yè)務(wù)，算法設(shè)計的思想是優(yōu)先保證研究業(yè)務(wù)的QoS實(shí)現(xiàn)，其他業(yè)務(wù)不再具體細(xì)分，他們的QoS是否得到保證沒有得到仿真驗(yàn)證；文獻(xiàn)[1]中明確指出四種業(yè)務(wù)的不同QoS要求，算法設(shè)計過程中使用了KKT條件，尋求不等式約束下的最優(yōu)解，但算法復(fù)雜度較高。

調(diào)度器根據(jù)不同業(yè)務(wù)流的QoS要求，在盡量保證用戶公平以及吞吐量要求的前提下，動態(tài)地為用戶分配相應(yīng)的無線資源并通過調(diào)度信令發(fā)送給UE。調(diào)度算法的研究自開展以來，由于其重要性，專注于各方面的研究層出不窮，例如吞吐量最大化，最大化公平性，業(yè)務(wù)QoS要求保證等等。為了取得吞吐量和公平性之間的平衡，Jalali等人提出了比例公平（PF）算法[10]，其優(yōu)先級公式如下：

其中，[rk（t）]是用戶k的瞬時數(shù)據(jù)速率，[Rk（t）]是用戶k在時間窗口（[tc]）內(nèi)的平均數(shù)據(jù)速率。PF算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性之間的良好的折中。面向具體業(yè)務(wù)、場景或業(yè)務(wù)QoS要求，以提高用戶感知。常用方法是在PF算法上改進(jìn)，改進(jìn)方式是將業(yè)務(wù)QoS參數(shù)放入PF算法的優(yōu)先級公式。

1 系統(tǒng)模型

下行分組調(diào)度的一般模型如圖1所示。

一般要預(yù)先設(shè)置小區(qū)、小區(qū)用戶、RB、以及用戶得到的RB集合等系統(tǒng)模型，具體定義如下：

·小區(qū)，[M={1，2，3，…，M}]，M是小區(qū)總數(shù)；小區(qū)用[I={1，2，3，…，K}] [I={1，2，3，…，K}]，K是用戶總數(shù)；可用RB集合，[H={1，2，3，…，C}]，C是RB總數(shù)；用戶k分得的RB集合，[Ik，k=1，2，3，…，K]. 每個子載波可達(dá)到的傳輸速率使用香農(nóng)公式得到[37]：

[ck，n（t）=Blog2（1+1.5-ln（5BER）υk，n），k∈I，n∈N] （3）

其中N是子載波集合，B是子載波帶寬為15KHz，BER是目標(biāo)誤比特率，[υk，n]是瞬時SNIR值，公式如下：

[υk，n=βk，nPkhk，n2NkB] （4）

其中[Pk]是用戶k的發(fā)射功率，[βk，n]是分配給子載波n的功率比，[hk，n]代表信道質(zhì)量，[Nk]則是高斯白噪聲。所以用戶k在RB c上的傳輸速率由最小的[ck，n（t）]決定，表示為：

[ηk，c（t）=12minυk，n（t），c∈H] （5）

子載波n屬于RB c，每個RB包含12個子載波，C是可用RB總數(shù)。在每個TTI，用戶 k的傳輸速率為：

[rk（t）=c=1Cηk，c（t）χk，c（t）] （6）

其中[χk，c（t）=1]表示RB c分配給用戶k，否則其值為0，且滿足限制條件：[k=1Kχk，c（t）=1]，表示每個RB只分配給一個用戶。

2 調(diào)度算法

2.1 基于最小速率目標(biāo)的調(diào)度算法

對于GBR業(yè)務(wù)而言，其QoS特征是對傳輸速率的要求，每TTI內(nèi)的平均傳輸速率需要滿足下式：

[E{rk（t）}≥Tk，?k∈I] （7）

其中，[E{rk（t）}]在這里可以是PF算法中的平均傳輸速率[Rk（t）]，[Tk]是用戶k的最小傳輸速率要求。令non-GBR業(yè)務(wù)的[Tk=0]。[Rk（t）]更新公式為：

[Rk（t+1）=（1-1tc）Rk（t）+1tcrk（t+1）] （8）

欲使得每種GBR業(yè)務(wù)在每TTI都能滿足（5），調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)[f1（Rk（t），Tk）]應(yīng)滿足以下條件：

a、非負(fù)性，[f1（Rk（t），Tk）≥0]；

b、[Rk（t）≤Tk]時該函數(shù)的取值應(yīng)該大于[Rk（t）≥Tk]時的取值，簡單的表示為[f1（Rk（t）≤Tk）>f1（Rk（t）≥Tk）]；

c、速率要求得到滿足后，應(yīng)將[Rk（t）]的取值控制在[Tk]和與[Tk]差值不大的數(shù)值間浮動，使（6）式成立，且不會讓[Rk（t）]大[Tk]太多，以節(jié)省資源為其他業(yè)務(wù)服務(wù)?；谝陨戏治觯苏{(diào)度優(yōu)先級函數(shù)可設(shè)計為：

[g1=argmaxk∈Irk（t）Rk（t）?f1（Rk（t），Tk）=argmaxk∈Irk（t）Rk（t）?exp（（Tk-Rk（t））/Tk）] （9）

2.2 基于多業(yè)務(wù)QoS要求的調(diào)度算法

在多業(yè)務(wù)傳輸中，不同類型業(yè)務(wù)的QoS要求不同，這就要求調(diào)度算法能同時滿足多個QoS目標(biāo)需求，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良好性能。本文中的QoS目標(biāo)是同時保證最小傳輸速率和時延，將提出的算法命名為MCPS（Multi-target Cooperative Packet Scheduling，多目標(biāo)協(xié)同分組調(diào)度）算法，其優(yōu)先級函數(shù)設(shè)計為：

其中，優(yōu)先級公式分為兩部分，后半部分的[φ（Rk（t），Tk；Dk（t），delkmax）]為邊緣效用函數(shù)，[αk]和[βk]分別是最小傳輸速率和時延參數(shù)的權(quán)重，[K']是發(fā)起同一個業(yè)務(wù)的用戶總數(shù)。因?yàn)椴煌臉I(yè)務(wù)對兩個參數(shù)的要求是不同的，要求某一個參數(shù)時相應(yīng)的權(quán)重值為1，否則權(quán)重值為0，這樣有利于平衡不同業(yè)務(wù)間的公平性。

優(yōu)先級的前半部分借用了比例公平思想，最主要的目的是有利于發(fā)起相同業(yè)務(wù)的用戶間的公平性的實(shí)現(xiàn)，前半部分提高了QoS要求沒有滿足的用戶的優(yōu)先級，同時又能有效地控制QoS要求已滿足的用戶的優(yōu)先級。邊緣效用函數(shù)有兩個相反的作用，在一種業(yè)務(wù)QoS要求未得到滿足時，邊緣效用函數(shù)對該業(yè)務(wù)優(yōu)先級的增加有推動作用，而若其QoS要求已得到滿足則起到相反的作用，阻止剩余資源繼續(xù)分配給該業(yè)務(wù)，轉(zhuǎn)而分給其他業(yè)務(wù)。就本文設(shè)置的三種業(yè)務(wù)而言，MCPS算法的目標(biāo)是按照業(yè)務(wù)QoS要求的高低來決定其調(diào)度優(yōu)先級，在優(yōu)先滿足高QoS要求用戶的需求后，盡量將剩資源分配給其他業(yè)務(wù)。

3 仿真分析

如上圖所示，表示的似乎業(yè)務(wù)類型2 用戶滿意度的比較，對比了PF算法和本文提出MCPS算法滿滿意度?？梢?，對于業(yè)務(wù)類型1，兩種算的用戶度基本基本一致，而對于2和3業(yè)務(wù)來說，MCPS 下的用戶滿意度比PF下的用戶滿意高出很多。可見本文提出的算法取得了明顯效果。

上圖分析了在不同算法下，業(yè)務(wù)類型2的最小速率需求，可見本文提出的算法很好地滿足了需求。而PF算法大部分的情況下，并不能滿足最小的吞吐量需求。這也說明了業(yè)務(wù)2在PF調(diào)度算法下的用戶滿意度不足的原因。

4 總結(jié)

本文首先介紹了單業(yè)務(wù)的 QoS感知調(diào)度算法，然后并分析了目前多業(yè)務(wù)的調(diào)度算法的不足。之后基于現(xiàn)在的調(diào)度算法模型提出了多目標(biāo)協(xié)同分組調(diào)度算法，且設(shè)計了用戶滿意度函數(shù)來衡量算法的整體性能?；跇I(yè)務(wù)的吞吐量和用戶滿意度的仿真結(jié)果表明，在混合業(yè)務(wù)傳輸模式下， 本文的該算法可以滿足各種業(yè)務(wù)的QoS需求，有效地提高了資源利用率用戶整體滿意度。

參考文獻(xiàn)：

[1] Necker M C. A comparison of scheduling mechanisms for service class differentiation in LTE networks[J]. AEU-International Journal of Electronics and Communications，2009， 60（2）： 136-141.

[2] 鄭培超， 賈韶軍， 宋瀚濤. OFDMA 系統(tǒng)保證服務(wù)質(zhì)量的分組調(diào)度算法[J]. 電子與信息學(xué)報， 2008， 30（8）： 1779-1782.