李亚军,王全宝,董亚光,朱 军,马宏博

(1.上海贝尔股份有限公司,上海201206;2.上海交通大学航空航天学院,上海200240)

1 引 言

TD-LTE(Time-division Long Term Evolution)作为我国自主知识产权的移动通信技术之一,以其不对称频谱、高频谱利用率、低用户面时延等特点越来越受到世界各大主流运营商和设备商的关注,成为提供无处不在移动通信业务的主要演进方向。由于MIMO(Multiple Input and Multiple Output)技术以及自适应调制编码等先进技术的引入,使得LTE系统对无线资源的分配具有了很大的灵活性,同时对无线资源调度提出了更高的要求[1]。

按照3GPP(The 3rd Generation Partner Project)协议的要求,无线资源调度在MAC(Medium Access Control)层实现[2]。与2G、3G系统相比,除了传统的时域和码域的调度外,TD-LTE同时涉及用户和空域的调度,这使得MAC层的调度更加复杂。另一方面,尽管协议中规定了一些调度的QoS(Quality of Service)控制内容,但是对具体的MAC层调度实现却并没有涉及,从而为设备供应商研发具有不同策略与性能调度器提供了空间。针对不同的调度方法,文献[3]分析了最大载干比算法、公平算法和比例公平调度算法吞吐量、延迟等指标的差异,并得出了比例公平调度算法优于其余算法的结论,但是没有结合LTE的独特性质提出具体的方法和实现。文献[4]结合LTE系统不同业务的QoS特点,基于其不同的付费优先级提出了新的调度算法,但是其算法只是针对比例公平算法,并没有考虑不同策略在统一框架内实现的可能性,而且没有具体的平台实现。针对以上特点,本文在分析TD-LTE调度器的不同调度策略的基础上,提出了基于用户业务QoS感知的算法统一框架以及实现方法,同时给出了不同调度策略下的实测性能比较。

2 TD-LTE系统调度器调度框架

根据3GPP协议,控制面信令或者用户面数据经过分组数据汇聚子层(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)和链路控制(Radio Link Control,RLC)子层处理后形成逻辑信道(logic channel)到达MAC层,MAC层根据不同的业务流的QoS要求,结合当前的信道质量情况,在保证用户公平以及系统吞吐量性能的前提下,动态地为用户分配相应的无线时频资源以及功率控制信息并通过调度信令下发给UE(User Equipment),UE按照指定的编码方式和MIMO模式在给定的无线时频资源上进行数据传输。

一般说来,MAC层调度器根据业务数据信息、信道测量信息来对无线信道的时频资源以及功率资源进行动态分配和调整。TD-LTE系统的下行调度器组成结构框图如图1所示。

图1 TD-LTE下行调度器结构框图Fig.1 Architecture of downlink scheduler in TD-LTE

由于无线信道的时变特性,调度器必须获得当前无线信道的质量情况,从而来决定调度的度量(metric)以及最终下发给终端UE的资源调制和编码模式。因此,获得测量报告是调度器进行资源调度的基础。对于下行链路,信道测量主要由UE侧完成并通过上行业务信道和上行控制信道进行信道质量指标(Channel Quality Indication,CQI)上报,调度器根据UE反馈的CQI进行信道估计;对于上行信道,信道测量主要由基站的物理层根据UE发送上行解调参考信号(DMRS)或者探测参考信号(SRS)完成,调度器根据上述信息对上行链路进行信道估计。调度器根据信道估计确定初始的资源调制和编码方式,并结合用户当前的业务流情况以及无线承载的QoS信息形成调度度量,根据一定的调度策略,完成资源的动态分配;同时,调度器根据混合重传自动请求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)进程的反馈情况进行块差错率(Block Error Rate,BLER)控制,调整资源的调制和编码方式,从而在一定程度上抵御快衰落带来的影响。资源调度任务完成后形成传输信道(transport channel),发送给物理层;同时,调度器将调度信息通过指令经过下行控制信道发送给UE,UE根据相应的指令完成数据传输。

在具体实现上,TD-LTE系统调度器分为上行调度器和下行调度器两个功能模块,分别负责上行和下行共享物理信道的分配。与下行调度器不同的是,上行调度器还需获得UE的发送功率抬升空间从而来确定分配给UE的资源块个数。由于本文主要研究的对象是调度策略,因此将主要围绕下行调度器展开。

3 调度算法分类

无线调度算法决定着无线资源在无线承载中的分配规则,是调度流程的核心。在无线系统中,由于无线信道的时变和衰落特性,吞吐量性能和公平性互为折衷。这里,吞吐量一般用小区单位时间内传输的数据总量来衡量;公平则指小区内所有用户是否都获得一定的服务机会。因此,系统吞吐量性能以及公平性成为调度算法设计的两个主要目标。

按照以上原则,基本的调度策略分为轮询调度(Round Robin)、最大载干比(MAX C/I)以及比例公平(Proportional Fair)等。

(1)轮询调度是一种最为简单的调度策略,最早来源于计算机的任务调度。其基本思想是调度器依次轮询所有满足条件的无线承载,分给每个无线承载相同的时频资源。因此,从公平的角度考虑,轮询调度是最为公平的调度策略。另一方面,由于轮询调度并没有考虑无线承载不同的信道质量情况,其吞吐量性能也是最差的。通常,轮询调度被认为是公平性的上界和吞吐量性能的下界。轮询调度在每次调度执行时并不考虑无线承载以往的被服务情况,即为无记忆性调度方式。

(2)最大载干比调度策略在调度过程中总是优先满足当前处于无线信道质量最好的无线承载,因此,可以达到系统吞吐量最大的调度目的。由于系统在每个调度周期内总是选取该瞬间信道质量最好的无线承载,所以可以获得瞬间最大的频谱效率,这也是最大载干比命名的由来。同时,由于处于边缘的UE或者无线承载有可能得不到调度而处于饿死的状态,该调度策略系统的公平性最差。最大载干比调度也属于无记忆性调度。

(3)比例公平调度介于轮询调度和最大载干比调度策略之间,可以兼顾到系统的吞吐量性能以及公平。实际上,给定最优目标函数

其中,效用函数U(u)是一个单调递增且连续可微的严格凹函数,wi是流量控制的权重,C为常数。可以证明,一些凹函数可以在业务流量控制方面获得基于权重w的流量公平[5]。通常,比例公平调度都需要参考一定服务时间窗口内的被服务情况,因此是一种记忆性调度。

总之,调度算法控制着共享资源的分配,在很大程度上决定了整个系统的性能。由于LTE的用户数据完全通过共享信道传输,同时需要满足高速数据速率和QoS的需求,因此MAC调度算法在LTE系统中具有举足轻重的地位。

4 基于QoS的比例公平调度实现

按照调度框架,引入用户 u调度度量函数如下:

则目标函数为

其中,ρu(t)代表了当前信道的频谱效率,λu(t)代表了一段时间内的被服务的流量,ωu是引进的一个与QoS有关的调度因子,α则代表着调度策略对记忆的依赖程度。显而易见,如果设α=0,上述目标函数表现为包含QoS信息的最大载干比调度策略;α=1,则表述为含QoS信息的比例公平调度;随着 α的进一步增大,目标函数对过去的分配信息依赖越来越大,从而表现为增强型的比例公平调度算法。假定α=1,由于不同用户的ρu(t)是独立同分布的,因此在任意时刻同一个小区内的不同用户获取服务的概率是相等的。当用户获取服务时,他的信道情况必然是最好的。如果一个用户因为信道质量比较差,特别是由于他处于小区边缘使得频谱利用率低下而长时间得不到发送机会,其平均吞吐量必然减少;这种情况下用户同样就会提高优先权,最终获得传输机会。因此,从长时间来看,小区内的用户占用相同的时长进行通信,是一种公平调度算法。同时,由于系统进行了服务时机选择,用户只有在信道质量较好的时候才获得服务,所以系统吞吐量也能够得以提高。

(1)ωu的设计:ωu主要是QoS感知的调度因子,可以包含有关QCI参数的一些信息,例如GBR业务信息、优先级丢包率等。

(2)λu(t)的设计:比例公平算法对时间窗的长度通常有严格的要求,一般要足以覆盖快衰落的变化,并且满足用户的时延要求。不难想象,如果时间窗过短,则分母的作用依然很小,起不到公平的作用;相反,如果时间窗过长,则会影响到对质量好的信道应用的概率,因此,需要不断调整和优化。另一方面,这个值也可以采用平均流量来代替,这样经过一阶平滑处理后可以得到一个相对稳定的值。本文实现采用这一种方法。

5 实测结果

我们在实验外场对上述调度算法进行了性能测试,并给出了实测结果。外场测试环境属于密集城区环境,采用了15个UE分别置于好、中、差点。好点采用直视径通信,中点和差点采用了非直视径通信。分别测试α=0,1,2时调度器性能(ωu=1情况下可代表MAX C/I、PF和enhanced PF),测试业务为FTP下载,采用满Buffer业务下载;接入业务稳定3 min以上开始记录数据,每一种调度策略获得5组数据,经过平均后得到结果如图2所示。

图2 不同调度策略性能比较Fig.2 Comparison between different algorithms from field testing

图中结果表明,如前所述,最大载干比算法抑制了信道质量差的信道,从而获得了最佳的吞吐量,而PF则在吞吐量和公平性之间获得了折衷,增强型的PF则更倾向于公平,其代价是损失了部分的吞吐量,这样的结果也符合Gupta的理论[6]。

6 结束语

本文提出了一种针对TD-LTE系统的MAC层调度器的包含不同调度策略的统一算法框架,并给出了具体实现。框架不仅可以在不同的调度策略之间方便地转换,同时考虑了基于QoS感知的调度因子,从而能满足不同QoS服务要求的多用户调度。实测结果表明了算法实现与理论的一致性。下一步的工作包含深入研究QoS感知的分类调度策略以及调度时间窗自适应控制等以进一步完善算法。

[1]张新程.LTE空中接口技术与性能[M].北京:人民邮电出版社,2009.ZHANG Xin-cheng.LTE air interface:T echnology and Performance[M].Beijing:Post and T elecom Press,2009.(in Chinese)

[2]3GPP TS36.321,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Medium Access Control(MAC)protocol specification[S].

[3]Ruangchaijatupon N,Ji Yusheng.Simple Proportional Fairness Scheduling for OFDMA Frame based Wireless Systems[C]//Proceedings of Wireless Communications&Networking Conferenc.Las Vegas:IEEE,2008:1593-1597.

[4]李校林,付澍,胡楠.一种基于LTE业务特征的调度算法切换系统[J].电讯技术,2011,51(3):93-97.LI Xiao-lin,FU Shu,HU Nan.A Scheduling Algorithm of Handover System Based on LTE Service Characteristics[J].Telecommunication Engineering,2011,51(3):93-97.(in Chinese)

[5]Yun H,Leung K K.A Novel Distributed Scheduling Algorithm for Wireless Mesh Networks[C]//Proceedings of 2007 IEEEGloble Communications Conference.Washington,DC,USA:IEEE,2007:5053-5058.

[6]Gupta P,Kumar P R.The Capacity of Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Information Theory,2000,46(2):388-404.