E—UTRA中一种多业务两步比率公平调度算法

陈斌　艾浩军

【摘要】符合3GPP多业务处理原则的子信道调度方案是影响E-UTRA系统性能的关键技术。为减少填充和提高多用户分集效应，提出了一种多业务两步比率公平调度算法。在不区分用户业务优先级的情况下，先采用实际缓存量替代传统比率公平算法中的传输速率来分配子信道；业务优先级高的未分配用户再按比率公平算法确认的优先权重从低到高来挤占业务优先级低的用户所分配的子信道，从而确保符合3GPP提出的服务完高优先级业务后再服务低优先级业务的多业务处理原则。仿真结果表明，该算法能在保证用户公平的基础上提高系统吞吐量。

【关键词】子信道调度 多业务 E-UTRA

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-16-

[Abstract]Sub-channel scheduling scheme satisfying the principle of multi-service operation in 3GPP is the key technology for E-UTRA. A multi-service two-step proportional fair （PF） scheduling scheme is proposed for reducing padding probability and increasing multi-user/service diversity. In the first step， the actual buffered data size is utilized to allocate sub-channels instead of the achievable data rate by the conventional PF algorithm. Service priority is not considered in this step. In the second step， the users in high service priority without enough resource allocation during the first step will occupy the resources assigned to the low prioritized user from low scheduling priority to high scheduling priority value computed by PF algorithm， which meets the principle of multi-service operation proposed by 3GPP. The simulation results demonstrate that the proposed scheme can increase throughput while maintaining the fairness among users.

[Key words]sub-channel scheduling scheme multi-service E-UTRA

1 引言

E-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access）[1]系统由于采用了正交频分复用接入（OFDMA）、多天线（MIMO）、自适应调制编码（AMC）、多业务调度等多项先进技术，具备了更高的传输速率，已成为当今最主流的一种第四代移动通信系统。其中，多业务调度算法是保证用户公平性和提高系统吞吐量的关键技术；RR（Round Robin，轮循）[2]算法虽然吞吐量较低，但实现简单、公平性好，得到较多应用；PF（Proportional Fair，比率公平）[3]算法综合考虑了吞吐量和公平性，总体性能最优，已成为一个无线分组调度的基准算法。文献[4]、[5]和[6]在公平性、QoS、多业务等方面对传统PF算法进行了改进，但在实际使用的E-UTRA系统中，调度单位是子信道而不是子载波，并且必须严格符合3GPP规定的按业务优先级来进行信道分配的多业务处理原则，即服务完高优先级业务后再服务低优先级业务[7]。以上算法并未完全满足这些要求，容易造成不必要的填充，影响系统性能。

2 两步比率公平调度算法

针对上述问题，本文提出一种符合3GPP多业务处理原则的两步比率公平子信道调度算法。首先，在不区分用户业务优先级的情况下，采用实际缓存量替代传统比率公平算法中的传输速率来分配子信道；其次，业务优先级高的未分配用户再按比率公平算法确认的优先权重从低到高来挤占业务优先级低的用户所分配的子信道。该算法基于通信实际缓存量，既严格遵守了3GPP多业务处理原则，又避免了高业务优先级低缓存量用户（如VoIP用户）占用最好信道时产生的大量无效填充，提高了系统吞吐量，同时还提高了用户公平性。

本算法的具体实施步骤如图1所示：

步骤1：改进的比率公平调度算法

在不区分用户业务优先级的情况下，采用实际缓存量替代子信道传输速率来改进传统的比率公平调度算法。当子信道速率小于或等于用户实际缓存量时，优先级计算公式的分子仍为子信道速率；而当子信道速率大于用户实际缓存量时，则优先级计算公式的分子改为用户实际缓存量。

各调度用户的权重优先级计算公式如下：

步骤2：业务优先级高的用户挤占业务优先级低的用户

按用户业务优先级从高到低检查步骤1的子信道调度结果是否符合3GPP规定的多业务处理原则，即是否在业务优先级低的用户得到信道的时候，业务优先级高的用户未能得到信道。如果出现这种情况，则未能分配到信道的业务优先级高的用户根据步骤1得到的权重优先级从低到高挤占业务优先级较低的用户。重复该步骤，直到完全符合3GPP规定的多业务处理原则。endprint

3 系统仿真

目前E-UTRA系统为了严格符合3GPP规定的多业务处理原则，是按照业务优先级来进行分层调度。如E-UTRA系统中最常见的两类业务VoIP和FTP同时出现时，是先调度完业务优先级高的VoIP用户，再对FTP用户进行调度。

笔者选取3GPP SCM中定义的一种典型郊区宏场景来进行仿真。小区半径1 500m，小区内均匀分布30个用户，用户分为VoIP和FTP两种业务。比较对象为本文提出的算法及E-UTRA系统中常用的两种调度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真条件具体如表1所示：

调度算法主要考察指标为系统吞吐量和用户公平性。由于VoIP用户业务优先级高，必须全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用户间进行比较。假设总用户数为30个不变，VoIP和FTP用户数则可变，VoIP用户为1—9，而相应的FTP用户数则是29—21。如图2所示，当横坐标VoIP用户数为1时，自动代表FTP用户数是29；当VoIP用户数为6时，表示此时FTP用户数是24。图3横坐标也同理。从图2和图3可以看出，本文提出的算法无论在系统吞吐量还是在用户公平性上都比E-UTRA系统中现用的两种调度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）调度方法都是由VoIP用户先进行调度，数据量较小的VoIP用户先占据了最好的子信道，浪费了信道容量，产生了较多的填充，并导致数据量较大的FTP只能占据较差的子信道，从而影响了系统整体吞吐量。而本文提出的调度方案VoIP用户并不是占据最好的子信道，只是占用了跟其数据量相匹配的较差子信道，而把好的容量大的信道分配给数据量大的FTP用户，这样提高了多用户分集效应，减少了填充概率，从而提高了系统整体吞吐量。对于FTP用户，三种调度方法都是PF算法，而PF算法是信道条件越平均用户公平性就越好。本文提出的调度方法由于VoIP用户占据了较差的信道，FTP用户所能分配的信道间差异相对减小，所以信道条件相对平均，用户公平性也较好。

4 结束语

本文提出了一种符合3GPP多业务处理原则的两步比率公平调度算法。与E-UTRA系统中现有多业务调度算法相比，该调度算法基于用户实际缓存量，减少了填充概率，并充分利用多用户分集效应，提高了系统整体吞吐量和用户公平性。

参考文献：

[1] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA and UTRAN[S]. 2005.

[2] 周艳，李方伟，韩玮. LTE系统调度技术[J]. 移动通信， 2008（23）： 39-41.

[3] Holtzman J M. CDMA Forward Link Waterfilling Power Control[C]. Vehicular Technology Conference， 2000： 1663-1667.

[4] Shin S， Ryu B H. Packet Loss Fair Scheduling Scheme for Real-Time Traffic in OFDMA Systems[J]. ETRI Journal， 2004，26（5）： 391-396.

[5] 陈磊，卢军，印翀. LTE基于QoS业务的比例公平调度算法研究[J]. 光通信研究， 2012（5）： 64-67.

[6] 张春英，栾晓明. 改进的正比公平调度算法[J]. 信息技术， 2011（8）： 67-72.

[7] 3GPP TS 25.321. Medium Access Control （MAC） Protocol Specification[S]. 2005.

[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者简介

陈斌：高级工程师，中科院微系统与信息技术所博士后，现任职于湖北省国土资源厅信息中心，主要研究方向为移动通信和国土资源信息化。

艾浩军：副教授，现任职于武汉大学计算机学院，主要研究方向为物联网应用系统。endprint

3 系统仿真

目前E-UTRA系统为了严格符合3GPP规定的多业务处理原则，是按照业务优先级来进行分层调度。如E-UTRA系统中最常见的两类业务VoIP和FTP同时出现时，是先调度完业务优先级高的VoIP用户，再对FTP用户进行调度。

笔者选取3GPP SCM中定义的一种典型郊区宏场景来进行仿真。小区半径1 500m，小区内均匀分布30个用户，用户分为VoIP和FTP两种业务。比较对象为本文提出的算法及E-UTRA系统中常用的两种调度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真条件具体如表1所示：

调度算法主要考察指标为系统吞吐量和用户公平性。由于VoIP用户业务优先级高，必须全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用户间进行比较。假设总用户数为30个不变，VoIP和FTP用户数则可变，VoIP用户为1—9，而相应的FTP用户数则是29—21。如图2所示，当横坐标VoIP用户数为1时，自动代表FTP用户数是29；当VoIP用户数为6时，表示此时FTP用户数是24。图3横坐标也同理。从图2和图3可以看出，本文提出的算法无论在系统吞吐量还是在用户公平性上都比E-UTRA系统中现用的两种调度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）调度方法都是由VoIP用户先进行调度，数据量较小的VoIP用户先占据了最好的子信道，浪费了信道容量，产生了较多的填充，并导致数据量较大的FTP只能占据较差的子信道，从而影响了系统整体吞吐量。而本文提出的调度方案VoIP用户并不是占据最好的子信道，只是占用了跟其数据量相匹配的较差子信道，而把好的容量大的信道分配给数据量大的FTP用户，这样提高了多用户分集效应，减少了填充概率，从而提高了系统整体吞吐量。对于FTP用户，三种调度方法都是PF算法，而PF算法是信道条件越平均用户公平性就越好。本文提出的调度方法由于VoIP用户占据了较差的信道，FTP用户所能分配的信道间差异相对减小，所以信道条件相对平均，用户公平性也较好。

4 结束语

本文提出了一种符合3GPP多业务处理原则的两步比率公平调度算法。与E-UTRA系统中现有多业务调度算法相比，该调度算法基于用户实际缓存量，减少了填充概率，并充分利用多用户分集效应，提高了系统整体吞吐量和用户公平性。

参考文献：

[1] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA and UTRAN[S]. 2005.

[2] 周艳，李方伟，韩玮. LTE系统调度技术[J]. 移动通信， 2008（23）： 39-41.

[3] Holtzman J M. CDMA Forward Link Waterfilling Power Control[C]. Vehicular Technology Conference， 2000： 1663-1667.

[4] Shin S， Ryu B H. Packet Loss Fair Scheduling Scheme for Real-Time Traffic in OFDMA Systems[J]. ETRI Journal， 2004，26（5）： 391-396.

[5] 陈磊，卢军，印翀. LTE基于QoS业务的比例公平调度算法研究[J]. 光通信研究， 2012（5）： 64-67.

[6] 张春英，栾晓明. 改进的正比公平调度算法[J]. 信息技术， 2011（8）： 67-72.

[7] 3GPP TS 25.321. Medium Access Control （MAC） Protocol Specification[S]. 2005.

[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者简介

陈斌：高级工程师，中科院微系统与信息技术所博士后，现任职于湖北省国土资源厅信息中心，主要研究方向为移动通信和国土资源信息化。

艾浩军：副教授，现任职于武汉大学计算机学院，主要研究方向为物联网应用系统。endprint

3 系统仿真

目前E-UTRA系统为了严格符合3GPP规定的多业务处理原则，是按照业务优先级来进行分层调度。如E-UTRA系统中最常见的两类业务VoIP和FTP同时出现时，是先调度完业务优先级高的VoIP用户，再对FTP用户进行调度。

笔者选取3GPP SCM中定义的一种典型郊区宏场景来进行仿真。小区半径1 500m，小区内均匀分布30个用户，用户分为VoIP和FTP两种业务。比较对象为本文提出的算法及E-UTRA系统中常用的两种调度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真条件具体如表1所示：

调度算法主要考察指标为系统吞吐量和用户公平性。由于VoIP用户业务优先级高，必须全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用户间进行比较。假设总用户数为30个不变，VoIP和FTP用户数则可变，VoIP用户为1—9，而相应的FTP用户数则是29—21。如图2所示，当横坐标VoIP用户数为1时，自动代表FTP用户数是29；当VoIP用户数为6时，表示此时FTP用户数是24。图3横坐标也同理。从图2和图3可以看出，本文提出的算法无论在系统吞吐量还是在用户公平性上都比E-UTRA系统中现用的两种调度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）调度方法都是由VoIP用户先进行调度，数据量较小的VoIP用户先占据了最好的子信道，浪费了信道容量，产生了较多的填充，并导致数据量较大的FTP只能占据较差的子信道，从而影响了系统整体吞吐量。而本文提出的调度方案VoIP用户并不是占据最好的子信道，只是占用了跟其数据量相匹配的较差子信道，而把好的容量大的信道分配给数据量大的FTP用户，这样提高了多用户分集效应，减少了填充概率，从而提高了系统整体吞吐量。对于FTP用户，三种调度方法都是PF算法，而PF算法是信道条件越平均用户公平性就越好。本文提出的调度方法由于VoIP用户占据了较差的信道，FTP用户所能分配的信道间差异相对减小，所以信道条件相对平均，用户公平性也较好。

4 结束语

本文提出了一种符合3GPP多业务处理原则的两步比率公平调度算法。与E-UTRA系统中现有多业务调度算法相比，该调度算法基于用户实际缓存量，减少了填充概率，并充分利用多用户分集效应，提高了系统整体吞吐量和用户公平性。

参考文献：

[1] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA and UTRAN[S]. 2005.

[2] 周艳，李方伟，韩玮. LTE系统调度技术[J]. 移动通信， 2008（23）： 39-41.

[3] Holtzman J M. CDMA Forward Link Waterfilling Power Control[C]. Vehicular Technology Conference， 2000： 1663-1667.

[4] Shin S， Ryu B H. Packet Loss Fair Scheduling Scheme for Real-Time Traffic in OFDMA Systems[J]. ETRI Journal， 2004，26（5）： 391-396.

[5] 陈磊，卢军，印翀. LTE基于QoS业务的比例公平调度算法研究[J]. 光通信研究， 2012（5）： 64-67.

[6] 张春英，栾晓明. 改进的正比公平调度算法[J]. 信息技术， 2011（8）： 67-72.

[7] 3GPP TS 25.321. Medium Access Control （MAC） Protocol Specification[S]. 2005.

[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者简介

陈斌：高级工程师，中科院微系统与信息技术所博士后，现任职于湖北省国土资源厅信息中心，主要研究方向为移动通信和国土资源信息化。

艾浩军：副教授，现任职于武汉大学计算机学院，主要研究方向为物联网应用系统。endprint