HSDPA中继系统实时业务调度算法研究

丁晓贵 胡丁丁

【摘要】 在传统的高速下行链路分组接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）系统中，对于实时业务的调度，主流算法是修正的最大加权时限优先（Modified-Largest Weight Deadline First，M-LWDF）算法。但由于中继的引入，中继用户的延时增加必然会导致中继用户的丢包率增大，从而降低了系统的性能。基于此，本文提出了一种改进的M-LWDF算法，并通过VoIP业务对该算法进行了仿真验证。结果表明该算法能够在保证用户QoS要求的前提下，提高系统吞吐量。

【关键词】 高速下行链路分组接入 中继 分组时延 调度

由于中继技术能够提高系统吞吐率，增强系统覆盖，因而在B3G/4G系统[1][2]中得到了广泛的关注，并已经被LTE-A标准所采用[3]。对于HSDPA标准，目前也有公司在开始考虑引入中继来提升系统性能。

在现有的HSDPA系统中，对于实时业务的调度，文献[6]针对HSDPA移动中继系统，通过分析直传用户和中继用户的时延差，提出了一种实时业务的调度方案。然而，移动中继一般只做简单的重传操作且只服务于一个用户，因此其时延计算与固定中继存在较大的差别，从而导致该调度方案并不能很好的应用于本文场景。本文针对HSDPA系统中FDM Type I中继，通过分析中继用户的时延，提出了一种改进的M-LWDF算法，并通过系统级仿真对该算法的性能进行了分析。

一、HSDPA中继系统场景及其分析

HSDPA中继系统场景[4]如图1所示，包含一个eNB（evolved Node B，eNB），K个中继和N个用户，其中归属于基站的有N0个用户，集合为N0={1，2，…，N0}，归属于第i个中继节点的有Ni个用户，集合为Ni={1，2，…，Ni}。eNB和中继根据各链路反馈的信道质量指示CQI（Channel Quality Index，CQI）确定编码调制等级（Modulation and Coding Scheme，MCS），选择合适的编码和调制方式，保证数据传输的正确性。数据包到达eNB之后按照FIFO进行排队，并记录当前的时间戳。MAC层资源调度器根据队列信息（Queue Information，QI），如队列头分组时延、队列长度以及CQI等对各个用户和中继进行调度。

1.1 基站用户QoS约束

1.2 中继用户QoS约束

二、HSDPA中继系统的实时业务调度算法

在传统的HSDPA系统中，由于中继的引入，同一个中继节点下有多个QoS不同的业务，因此采用传统的M-LWDF调度算法会导致以下两个问题：（1）中继节点下有多个用户，不同用户的QoS要求和HoL分组时延不同，而M-LWDF调度算法涉及到QoS要求和HoL分组时延，因此选择哪一个分组的QoS要求和HoL分组时延用于中继节点的优先级计算，这是HSDPA中继系统调度算法的第一个问题。（2）每个中继节点下一般有多个用户，如何保证用户多、接近时延门限数据包多的中继能够获得更高的调度优先级，这将是HSDPA中继系统调度算法的第二个问题。

2.1 基站直传用户和中继用户接入链路的调度算法

根据HSDPA中继系统场景分析，本文所提算法的调度优先级设计分为三个部分：基站直传用户、中继Backhaul链路和中继用户接入链路，其中前两者优先级由基站计算并应用于基站端的调度过程，中继用户接入链路的优先级由中继节点计算，应用于中继端的调度过程。

2.2 中继Backhaul链路的调度算法

中继节点，其优先级的计算直接关系到系统性能的优劣。对于问题（1），从公式（4）中可以看出，M-LWDF调度优先级计算公式中涉及到QoS要求和HoL分组时延的因子有αj和Wj（t），针对中继节点分别引入两个参数αr，i和Wr，i（t）用于计算中继节点的调度优先级，如公式（5）和（6）所示：

三、仿真分析

搭建了HSDPA中继系统的实时业务调度仿真平台，用于验证本文提出的HSDPA中继系统的实时业务调度算法的系统性能，并与传统的两层M-LWDF调度算法和没有中继场景（w/o relay）下的M-LWDF调度算法以及HSDPA移动中继系统中的调度算法（MR-Schedule Scheme）进行了比较。仿真中每个扇区部署4个中继，信道模型采用PA3信道，业务模型采用VoIP业务[7]，分组包大小固定为80byte，最大时延容忍门限为50ms，分组时延超过该门限的分组就会被基站丢弃。

图2出了不同调度算法下的系统吞吐量的比较，从图中可以看出，本文所提与对比算法在用户数较少时，吞吐量接近，而当用户较多时，明显要优于对比算法。图3和图4分别给出了不同调度算法下的平均分组时延和丢包率，图中可以看出，用户数较少时性能接近，而当用户数增加時，本文所提算法的性能优势比较明显。

本文在中继技术增强的HSDPA系统中，从实时业务的业务质量要求和中继用户的分组时延要求出发，提出了一种针对HSDPA中继系统的实时业务调度算法。通过仿真对该算法进行了性能分析，并与没有中继场景下的M-LWDF调度算法、中继场景下文献[10]中的参考算法和传统的两跳M-LWDF算法进行了比较。仿真结果表明该算法在系统性能方面有较好的表现。