基于LTE 网络的QoS 保障调度算法

李维双，冯 驰

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

无线资源管理就是对移动通信系统的空口资源的规划和调度，主要目的为在有限的无线资源下为网络内的用户提供尽可能好的业务质量保证，在网络业务分布不均匀、无线信道不断干扰起伏变化的情况下，灵活、动态分配无线资源，最大限度提高频谱利用率.

目前，应用最广泛，最为经典的无线资源调度算法有最大速率算法、轮询算法及比例公平算法等［1－2］.这些算法都是以系统吞吐量和公平性考虑为初衷，没有考虑针对业务的保障，如VoIP、交互式网络游戏等业务，对LTE 的时延指标要求极为严格，因而应该获得优先调度的机会.但是经典调度算法，以及近年提出的改进算法其主要思路集中在系统吞吐量与用户间公平性上的权衡，对业务的优先保障较少涉及，尤其是时延敏感业务如何在网络中有效传输，满足时延需求.因此，本文提出一种综合考虑业务数据QoS 保障和无线网络吞吐率的综合调度算法，致力于平衡算法复杂度和系统传输时延保障、系统吞吐率.

1 技术原理

1.1 LTE 网络动态调度过程及其问题

LTE 资源分配的基本单位定义为资源块(Resource Block，RB)，一个RB 在时域上包含6 或7个连续的OFDM 符号，在频域上包含连续的12个子载波.调度器每隔一个TTI(Transmission Time Interval)调度1 次，每个TTI 时间长度为1 ms.在每一个调度周期内，根据信道状态、待调度业务数据缓存队列的状态及服务质量需求，调度器依据一定的调度算法，计算出每个用户用于发送每个业务的资源块［3］.

LTE 的动态调度策略中遍历问题是调度关注的核心问题.遍历策略是指资源分配的实施方式，分为逐个用户或逐个RB 两种方式.逐个用户遍历策略为:依据一定的算法计算得到用户间的优先级排序，随后依据得到的优先级顺序，各用户获得无线资源.逐个用户遍历的优势在于能够方便的照顾各用户的服务质量要求，并便于公平性的保障;其存在的问题是各用户的优先级计算是依据每个用户在整个信道带宽下的整体通信质量而判定的，并没有考虑不同子信道的差异性，最终将影响系统的资源利用率.逐个RB 方式的资源遍历策略:针对每个TTI 中的各个RB 分别计算各用户获取该资源的优先级，然后将该RB 分配给优先级高的用户.逐个RB 遍历策略的优势在于能够更有效地利用无线资源，但劣势在于逐个RB 遍历的固有RB顺序将引入系统性能损失［4－5］.

既然两种遍历策略各有优劣，我们考虑在一个遍历策略中同时采用两种遍历方式，而两种方式的转换由当前系统状态决定:业务的QoS 保障受到威胁时，采用逐个用户方式分配资源;而当系统资源利用率较低时，采用逐个RB 方式分配资源.

1.2 一种混合遍历调度算法

根据以上问题本文提出一种混合遍历调度算法.为了降低个体QoS 保障对于系统的资源利用以及公平性的影响，引入一种混合调度机制.而为了尽可能提高系统性能，算法配置了可调整参数尽量满足业务保障与系统吞吐率的需求.同时通过利用LTE 标准所定义的QCI 参数作为业务保障参考，获得了较低的计算负担.

综上，无线资源调度器有两种工作模式:逐用户调度模式和逐RB 调度模式.每个TTI 调度器都有可能处于逐用户调度模式或者逐RB 调度模式.若当前TTI 存在用户时延等QoS 指标得不到保障时，调度器进入逐用户调度模式，否则进入逐RB调度模式.当用户数据的等待时延BusinessDelay 超过QCI所定义的可容忍的时延时进入逐用户调度模式，如式(1).

其中:BusinessDelaymax为QCI 定义的该业务最大允许的排队时延.BusinessDelayref为时延指标保障的调整参量，用于控制QoS 保障的程度.BusinessDelayref的数值越大，QoS 保障越好，同时系统的公平性越差.

1.2.1 逐用户调度模式

当存在不满足QoS 要求的业务调度器进入逐用户调度模式，因而QoS 的保障是逐用户调度模式主要面对的问题.用户间的优先级排序直接依据LTE 标准规定方式进行:当同时存在多个业务不满足QoS 要求，且这些业务对应的用户拥有足够好的无线信道质量时，调度 器应该优先满足高优先级业务的时延预算，如果用户的业务优先级相同则优先满足信道条件好的用户的业务需求.以QCI和CQI 作为用户业务调度的排队参考值可以有效加快排队算法的执行速度，降低计算量［3］.

1.2.2 逐RB 调度模式

若当前没有濒临不满足QoS 要求业务，或所有不满足QoS 要求的业务的紧急数据已经分配好资源，但仍然存在可以用RB和待发送数据时，调度器进入逐RB 调度模式.逐RB 调度模式的设计目标是获得良好的公平性及资源利用效率间的折中点.采用逐RB 的遍历策略，即若RBi还没有被分配出去，将分配给公式(2)所定义的优先级最高的用户.

Priority(i，j)表示逐RB 调度模式下用户j 在RBi上的优先级.Rj表示用户j 已经获得的平均数据速率，由公式(3)确定.表示用户j 在RBi上的信道质量指示，参数n 是引入的可变因子.

其中:T 是时间窗口长度.AvarageRj(t－1)是用户j在上一个TTI 计算的平均数据速率，而是用户j 在上一个TTI 获得的即时数据速率，由上一个TTI 的资源分配结果及CQI 确定，见公式(4).

其中:αi，j为0 或1，若αi，j取值为1 则表示RBi分配给了用户j，若取值为0 则表示RBi未分配给用户j.Ri，j为用户j 在RBi上获得的数据传输速率，可由用户j 在RBi上的CQI(i，j)获得，见公式(5).

其中:effciency(i，j)为CQI 表中CQI(i，j)所对应的efficiency 数值，RE为一个RB 上的资源元素个数，即频域载波数与时域的OFDM 符号个数的乘积，如一个RB 对应12个频域载波和7个OFDM 符号，则一个RB 的RE个数为84个.

公式(2)所定义的调度算法类似于比例公平算法，利用CQI 作为排队参考量可以有效降低计算复杂度、提高系统排序计算速度.调整因子n 用来调整排队策略，n 较大则优先满足信道质量好的用户增加系统吞吐率，n 较小则优先满足获得服务少的用户系统获得了更好的公平性，参数n 的引入用于平衡系统吞吐率与用户调度的公平性.

2 仿真结果

由于在不同的仿真场景下，调度器所带来的性能增益也将有所不同，为了体现调度算法本身的特点设定仿真场景为实际遇到的较一般场景:各用户的数据速率固定，QCI 等概率取1～9，CQI 等概率取0～15;系统带宽为5 MHz，每个RB 的频域载波个数为12个，时域的OFDM 符号个数为7个.

表1 给出了在该仿真场景下不同QCI 优先级的业务平均超时数据量.从表中可以看出，采用混合模式机制相比于仅仅采用逐RB 遍历优势极其明显:当用户数量很多(网络繁忙)的情况下高优先级的业务依然没有超时数据.而逐RB 调度模式调度算法在服务质量上对于不同业务不做区分.

表1 混合模式与逐RB 调度模式时延保障对比

图1 比较了逐RB 调度模式与混合模式的系统吞吐量比较，可以看出混合模式当用户数较多时候为了保障业务QoS 会牺牲部分系统吞吐量;图2比较了在不同时延调整门限下系统的平均超时数据量与数据速率公平性间的关系，时延门限调整值越大超时的数据越少，QoS 保障越好，但是数据速率公平性变差;图3为在不同n 参数情况下系统吞吐量与公平性的仿真曲线，系统吞吐量随着n 的增加而增大，同时公平性变差.

图1 系统吞吐率

图2 长期速率公平性

图3 参数n 对系统的吞吐量和公平性影响

3 结语

为了满足LTE 系统中不同优先级业务的QoS保障，本文提出了一种混合模式调度算法，该算法同时考虑了业务保障与系统吞吐量要求，在优先满足业务的QoS 需求的情况下最大程度的提高了系统吞吐量.通过仿真结果可以看出采用混合调度模式时尽管系统繁忙依然可以有效保障业务的QoS，而当系统中没有濒临不满足QoS 需求的业务时系统采用逐RB 遍历方式显著提高了系统吞吐量.通过时延调整因子系统可以调整不同业务的QoS 保障情况，时延调整因子越大，系统的QoS 保障越好，然而牺牲了用户间的公平性;通过CQI 幂指数n 的调整算法可以在用户间的公平性和系统吞吐量上获得良好的折中.有效地保障了高优先级业务的QoS 需求，同时平衡了系统吞吐量与用户间公平性.

［1］DAHLMAN E，PARKVALL S，SKOLD J.3G Evolution:HSPA and LTE for Mobile Broadband［M］.USA:Academic Press，2008:18－235.

［2］LEE S B，PEFKIANAKIS I，MEYERSON A，et al.Proportional fair frequency－domain packet scheduling for 3GPP LTE uplink［C］//INFOCOM 2009，IEEE，2009:2611－2615.

［3］［意］SESIA S，［摩洛哥］TOUFIK I，［英］BAKER M，et al.LTE－UMTS 长期演进理论与实践［M］.马 霓，邬 钢，张晓博，等译.北京:人民邮电出版社，2009:24－127.

［4］PROEBSTER M，MUELLER C M，BAKKER H.Adaptive fairness control for a proportional fair LTE scheduler［C］//Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC)，2010 IEEE 21st International Symposium on.IEEE，2010:1504－1509.

［5］DELGADO O，JAUMARD B.Scheduling and resource allocation for multiclass services in LTE uplink systems［C］//Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications (WiMob)，2010 IEEE 6th International Conference on IEEE，2010:355－360.