HSDPA分組調(diào)度算法的測試和比較

摘要　無線分組調(diào)度策略根據(jù)端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量的要求，在考慮業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和時(shí)延要求的情況下兼顧公平性原則，使小區(qū)的吞吐量最大化。本文主要研究基于HSDPA的3種分組調(diào)度算法，并結(jié)合實(shí)際測試結(jié)果對各種調(diào)度算法的性能進(jìn)行分析。

1、引言

為提高移動分組傳輸能力，高速下行分組接入（HSDPA）引入了自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）、L1層HARQ（混合反饋重傳）、FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）等技術(shù)，更為關(guān)鍵的是采用快速調(diào)度算法來提高平均業(yè)務(wù)速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。無線分組調(diào)度算法解決的主要問題是判決在什么時(shí)間分配給哪些用戶什么樣的無線資源來進(jìn)行通信。這種判決是以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)，保證用戶間公平性為前提，確保不同業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求得到滿足。

2、分組調(diào)度算法

對于不同的業(yè)務(wù)流，由于其服務(wù)質(zhì)量要求不同，無線分組調(diào)度算法的執(zhí)行也有所不同。針對“盡力而為”的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，調(diào)度算法主要可以分為輪詢調(diào)度、MAX C/I調(diào)度和正比公平調(diào)度3類。以HSDPA系統(tǒng)為例，這3類調(diào)度策略遵守如下規(guī)則：

●確定調(diào)度時(shí)間間隔（TTI），調(diào)度就是在每幀的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在HSDPA中一個(gè)TTI為2 ms；

●隊(duì)列里只要有字節(jié)的信息，該隊(duì)列就是非空的；

●錯誤接收的分組在ARQ反饋后將重新調(diào)度，ARQ反饋與HSDPA的定義相協(xié)調(diào)；

●重傳分組比初傳分組具有更高的優(yōu)先權(quán)，但如果連接一比連接二具有較高初始優(yōu)先權(quán)，則連接一的初傳優(yōu)先權(quán)仍然大于連接二的重傳優(yōu)先權(quán)；

●調(diào)度器發(fā)送重傳分組的次數(shù)達(dá)到重傳允許的最大值后，該分組數(shù)據(jù)將從隊(duì)列中丟棄。

2.1　輪詢調(diào)度

輪詢調(diào)度（RR）保證小區(qū)內(nèi)所有用戶按照某種確定的順序循環(huán)占用等時(shí)間的無線資源來進(jìn)行通信。小區(qū)邊界的用戶比靠近基站的用戶得到更低的吞吐量，因此用戶的QoS并不是完全公平分布的。算法執(zhí)行遵循以下規(guī)則：

●每個(gè)用戶對應(yīng)一個(gè)緩存隊(duì)列，以存放待傳數(shù)據(jù)；

●在調(diào)度時(shí)，非空的隊(duì)列以循環(huán)的形式接受服務(wù)以傳送數(shù)據(jù)；

●在一個(gè)隊(duì)列再次接受服務(wù)前，其他所有非空隊(duì)列必須都被服務(wù)過一遍；

●除非只有一個(gè)非空隊(duì)列，否則一個(gè)隊(duì)列不可能連續(xù)接受服務(wù)；

●調(diào)度算法可一次傳送多個(gè)數(shù)據(jù)包。

輪循調(diào)度從資源分配的公平性角度出發(fā)，保證了所有用戶占用等量的時(shí)間資源進(jìn)行通信，因此不僅可以保證用戶間的長期公平性，而且可以保證用戶間的短期公平性。

輪循算法的缺點(diǎn)是沒有考慮到不同用戶的無線信道的具體情況，因此系統(tǒng)吞吐量較低。

2.2　MAX C/I調(diào)度

在MAX C/I調(diào)度算法下，較高C/I值的用戶比較低C/I值的用戶具有更高的分組傳輸優(yōu)先權(quán)。信道資源可以分配給單個(gè)最好信道條件的用戶，MAX C/I調(diào)度器以犧牲公平性為代價(jià)達(dá)到更大的系統(tǒng)容量。

對于CDMA傳輸方式，假設(shè)已知小區(qū)中的用戶數(shù)和用戶請求的比特速率，則調(diào)度算法尋找具有最好C/I的用戶，且按照請求比特速率計(jì)算相應(yīng)的功率值，然后調(diào)度次高C/I用戶，直到分配完所有的系統(tǒng)功率，這時(shí)調(diào)度算法將輸出獲得請求比特速率的用戶數(shù)目。算法執(zhí)行遵循如下規(guī)則。

●每個(gè)用戶對應(yīng)一個(gè)緩存隊(duì)列，以存放待傳數(shù)據(jù)；

●在調(diào)度時(shí)，所有非空隊(duì)列以用戶的C/I為優(yōu)先級從高到低進(jìn)行排列；

●任意時(shí)刻接受服務(wù)的用戶總有最高的C/I。

如果在t時(shí)刻有K個(gè)用戶同時(shí)請求傳輸數(shù)據(jù)，此刻每個(gè)用戶的C/I為(C/I)k(t)，則MAX C/I調(diào)度算法選中的用戶為：

（1）

顯然，MAX C/I調(diào)度可以支持更多的用戶以較高的概率實(shí)現(xiàn)請求的比特速率，這是因?yàn)樵撍惴�總是從最好C/I的用戶開始調(diào)度，這些用戶不需要消耗很大功率就可達(dá)到請求的速率。

但采用MAX C/I調(diào)度后，位于小區(qū)邊緣的用戶將可能得不到服務(wù)，由于沒有考慮不同用戶的公平性要求，該算法不被認(rèn)可。通常把采用該算法得到的系統(tǒng)吞吐量看作系統(tǒng)吞吐量的上限。

2.3　正比公平調(diào)度

在調(diào)度決策中，如果每個(gè)用戶獲得調(diào)度的機(jī)會是公平的，這種調(diào)度算法稱為公平機(jī)會調(diào)度算法。典型的公平機(jī)會調(diào)度算法是由Qualcomm公司提出的正比公平（proportional fairness，PF）調(diào)度算法，它在系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性間進(jìn)行了折衷。

在PF算法中，每個(gè)用戶被分配一個(gè)相應(yīng)的優(yōu)先級，任意時(shí)刻小區(qū)中優(yōu)先級最大的用戶接受服務(wù)。該優(yōu)先級為：

（2）

這里(C/I)k(t)指第k個(gè)用戶在t時(shí)刻的載干比，反映用戶當(dāng)前時(shí)刻所處的信道條件。用戶根據(jù)當(dāng)前的信道條件，向基站請求服務(wù)速率Rk(t)，式（2）可改寫為：

（3）

式中Tk(t)指該用戶在以t為結(jié)尾的時(shí)間窗口中的平均吞吐量。當(dāng)用戶進(jìn)行連續(xù)通信時(shí)，Tk(t)逐漸變大，從而使得該用戶的優(yōu)先級變小。(C/I)k(t)可以進(jìn)一步表示為(C/I)k(t)=，則用戶優(yōu)先級變?yōu)椋?/p>

（4）

這里Pk和I分別是基站對第k個(gè)用戶的發(fā)射功率以及對該用戶的小區(qū)外干擾，而ak指無線信道損耗中來自慢衰落和路徑損耗的慢變化部分，bk指無線信道損耗中來自快衰落的快變化部分。

由于Tk(t)和ak是慢變化的，在同一小區(qū)中不同用戶的Pk近似相等，且將不同用戶的bk看作是獨(dú)立同分布的，那么在任意時(shí)刻同一個(gè)小區(qū)中的不同用戶獲取服務(wù)的概率是相等的。當(dāng)用戶獲取服務(wù)時(shí)，它的快衰落狀況必然是最好的。這樣從長時(shí)間來看，小區(qū)內(nèi)的用戶占用趨于相同的時(shí)長進(jìn)行通信，但由于服務(wù)時(shí)機(jī)的選擇，用戶只有在快衰落狀況比較好的時(shí)候才獲得服務(wù)，所以系統(tǒng)的吞吐量得以提高。

3、調(diào)度算法測試

為驗(yàn)證不同分組調(diào)度算法的實(shí)際性能，在國內(nèi)某大城市的密集城區(qū)環(huán)境下做了HSDPA室外性能測試。測試過程中小區(qū)用戶均勻分布，具體按照CPICH RSCP分別為-70 dBm、-80 dBm和-90 dBm區(qū)分近中遠(yuǎn)3點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)2個(gè)用戶。在單小區(qū)（主測小區(qū)空載）情況下，HSDPA動態(tài)功率分配，以HSDPA碼數(shù)分別配置為5/10/14個(gè)碼作為變量參數(shù)，分別對3種調(diào)度算法進(jìn)行測試，觀察參數(shù)變化對調(diào)度算法實(shí)際性能的影響。

圖1給出分別采用3種調(diào)度算法得到的小區(qū)中每個(gè)用戶的吞吐率波動情況。測試顯示出MAX C/I調(diào)度下各終端的下載速率較為分散，用戶吞吐率對信號質(zhì)量比較敏感，位于小區(qū)邊緣的用戶會得不到服務(wù)，這說明如果增加小區(qū)的用戶數(shù)或者提高請求的比特速率，采用MAX C/I調(diào)度的需求覆蓋范圍將會縮小。RR算法各終端吞吐率較為接近，而PF算法介于兩者之間。

圖1 各終端不同場景下的吞吐率波動

3種調(diào)度算法的效率分析如圖2，當(dāng)用戶均勻分布時(shí)，MAX C/I調(diào)度能提供最大的小區(qū)吞吐率，總吞吐率可以比RR或PF算法高出15%左右，效率最低的是RR，PF介于兩者之間。

圖2 各種調(diào)度算法的小區(qū)總吞吐量

從3種調(diào)度算法的公平性角度分析（如圖3所示），RR調(diào)度下小區(qū)內(nèi)不同位置的用戶下載速率基本相當(dāng)，最大吞吐率與平均吞吐率大體持平，最小吞吐率比較相近，為平均吞吐率的60%左右，因此公平性最好。單個(gè)用戶最大/最小吞吐率與平均吞吐率之比的極值均出現(xiàn)在MAX C/I調(diào)度下，分別為大于4和等于0，即得到最好服務(wù)的用戶速率為平均速率的4倍，而個(gè)別用戶根本得不到服務(wù)，不同位置用戶的吞吐率差異巨大，因此MAX C/I調(diào)度公平性最差。PF算法介于兩者之間。

圖3 各種調(diào)度算法的遠(yuǎn)、中、近3點(diǎn)下載速率對比

另外，測試人員又在有鄰區(qū)（鄰區(qū)加載75%）的情況進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示與單小區(qū)相類似，且不同調(diào)度算法的性能特征更加明顯。對于基站的總吞吐率，鄰區(qū)加載75%并配置10個(gè)或14個(gè)碼時(shí)，MAX C/I算法的總吞吐率可以達(dá)到RR算法的1.5～2倍。

4、結(jié)束語

由以上分析可以看出，MAX C/I算法下的系統(tǒng)吞吐量要遠(yuǎn)大于其他算法的吞吐量。因?yàn)樵撍惴�總是選擇信道條件最好的用戶來服務(wù)，為這些用戶分配高階調(diào)制方式和高編碼率，因此系統(tǒng)的吞吐量最大，但由于完全不考慮用戶間的公平性，因此是公平性最差的調(diào)度算法。而正比公平算法下小區(qū)中的不同用戶獲取服務(wù)的機(jī)會是均等的，但比MAX C/I算法得到的系統(tǒng)吞吐量要小，這是由正比公平算法修正了MAX C/I算法的公平性欠缺而得到的，作為公平性提升的代價(jià)，其系統(tǒng)吞吐量下降了15%左右。RR算法是公平算法，但得到的系統(tǒng)吞吐量最小，這是因?yàn)闆]有考慮不同用戶無線信道的具體情況，總是為用戶分配相同的資源，因此資源的整體利用率最低，且用戶的QoS并不是完全公平分布的。

隨著HSDPA的演進(jìn)和OFDM、MIMO等技術(shù)的應(yīng)用，分組調(diào)度算法將在更加有效利用無線資源，保證不同終端在接收同類業(yè)務(wù)的公平性方面得到不斷提高。