eMBB场景下一种基于分类集的5G公平性调度算法

金 晶，肖清华（.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江杭州 30040；.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 3004）

1 概述

5G移动通信网是一个全方位服务、多技术融合的网络［1-3］，它通过信息技术的演进与创新，来满足用户多样化的业务需求。无论是目前流行的汽车自动驾驶，还是沉浸式的AR/VR 体验，无不是背后5G 技术的支撑。大致来说，5G 技术可以细分为eMBB、uRLLC、eMTC 三大场景。其中，eMBB 提供更大的数据带宽，uRLLC 在极低的时延条件下以超高的可靠性传输零星的数据量，eMTC 则支持海量机器接入，主要针对物联网、智慧城市等应用。而5G 作为一种无线通信系统，其资源是稀缺的。因此，为了实现以上不同的场景，就需要资源调度［4-5］机制来完成此类任务。在现有关于5G 调度的研究中，更多的是针对如何降低5G 网络时延［6-7］，因为业务低时延可以直接提升客户满意度。赵琛［8］研究了一种基于PDMA 的低功耗大连接免调度算法，针对的是eMTC场景。张诗壮等人［9］则提出了一种基于纯数据的可以避免参考信号碰撞的mMTC免调度接入算法。在eMBB 领域，夏杰［10］等人提出了一种基于公平性的打孔算法，朱立雷研究了如何提升5G 用户感知的优化速率［11］。在实际的5G 业务使用中，单独的场景应用范围往往比较狭窄，更多的是跨场景或混合业务［12-14］，基于此文献［15］提出了典型的M-LWDF 算法。作者之前也类似地提出一种吞吐量优先的LTE 公平性调度TFFG 算法［16］，结合时延和吞吐量的性能倾斜进行了一番探讨。但这些研究，要么算法复杂度高，要么对不同QoS 要求的用户保障级别不足。为此，作者提出一种eMBB 场景下基于分类集的5G 公平性调度算法（Considering classified Sets and Fairness guaranteed 5G Scheduling algorithm for eMBB，CSFSM），能够兼顾业务的不同指标要求。

2 CSFSM模型及算法

CSFSM 算法通过对n个业务SvrT={Svr1，Svr2，…，Svrn}实施调度，设置相应的时延开关来判定业务是否存在超时行为。在超时的情况下，通过创建轮空集来提升其调度权重，而在不超时的正常情况下，对于低速且期望速率不高的业务实施适度的尽力而为服务，对于其他业务，分别因实际速率与期望速率的不同，实施差异化的调度。

2.1 目标业务

为了叙述方便，假设n个业务的申请速率分别为{Vt1，Vt2，…，Vtn}，理想速率为{Vd1，Vd2，…，Vdn}，当前业务时延为{Dly1，Dly2，…，Dlyn}，相应的时延容忍为{Dlm1，Dlm2，…，Dlmn}。

2.2 设置业务时延开关量

设置时延开关量的目的是为了超时预警，因此设置了统一的时延预警系数τwn。对于当前时刻SvrT={Svr1，Svr2，…，Svrn}中的每个业务Svri，计算：

其中，τi表示业务Svri的时延偏离度；如果满足，

则将该业务的时延开关量置1，否则置0。

2.3 创建轮空集

计算当前所有业务的总吞吐量：

计算各业务相应的权重：

计算最大权重：

其中，max(·)表示最大值函数。

CSFSM 对所有业务Svri进行跟踪，调度器每轮空一次，相应业务的计数器φi加1。

若满足以下条件，

其中，φlk表示当前所有业务的轮空预警阈值。

则将该业务Svri纳入到轮空集LK中，

并计算轮空集中所有业务的优先级：

2.4 创建适度尽力而为集

计算所有业务申请速率的数学期望值：

计算第1剩余集合：

对于第1剩余集合中的每个业务Svrj，若满足条件：φj＜φlk和Vdj＜Vtmean，则将该业务Svrj纳入到适度尽力而为集MBE中：

计算所有业务优先级的数学期望值：

并更新MBE集合中的各业务的优先级：

2.5 创建其他剩余集

计算步进优先级：

创建第2剩余集：

在Svrlft2中筛选出满足以下条件的业务：

将这些业务纳入第3 剩余集Svrlft3中，保持Svrlft3中的业务优先级γw不变，即

在Svrlft2中筛选出满足以下条件的业务：

将这些业务纳入第4剩余集Svrlft4中：

计算其中业务优先级的最大值：

对Svrlft4的每项业务，若其时延开关量为0，则更新其优先级，γz=γ4m；否则，更新其优先级，γz=γ4m+γΔ，并将该业务的超时开关量置0。

在Svrlft2中筛选出满足以下条件的业务：

将这些业务纳入第5 剩余集Svrlft5中。对Svrlft5的每项业务，若其时延开关量为0，则保持Svrlft5中的业务优先级γw不变；否则，更新其优先级，γz=γz+γΔ，并将该业务的超时开关量置0。

2.6 调度算法

对已经更新过优先级的业务集SvrT={Svr1，Svr2，…，Svrn}，根据更新后的优先γ（ii∈{1,2..n} ）送入5G 调度器进行调度。

3 仿真验证

3.1 仿真环境

将本文的CSFSM 算法，与常用的RR 轮循、作者之前的TFFG 以及典型的M-LWDF 算法［15］进行Matlab 仿真对比，具体参数如表1所示。

表1 仿真参数

3.2 仿真结果与分析

3.2.1 系统吞吐量

对在运动过程中不同数量的终端采用不同调度算法的仿真，小区总吞吐量的对比如图1所示。

图1 系统吞吐量

CSFSM 会尽可能对满足要求的业务进行优先调度，进而提高了系统吞吐量，而TFFG 则采取的是一刀切的方式，吞吐量提升是最明显的，但会带来时延的提高和公平性的降低。M-LWDF 是一种修改后的最大权重算法，虽然也会考虑时延，但在吞吐量体现上相对并不太明显，RR吞吐量效能最低。

3.2.2 时延统计

对几种调度算法在调度过程中产生的业务时延进行统计，结果如图2所示。

图2 业务时延

由图2可知，CSFSM 对时延控制的效果最好，主要因为引入了时延开关量，对时延开关量置1 的业务及时进行调度，降低了整体的业务时延，效果远好于TFFG和M-LWDF方法。

3.2.3 公平性

对几种调度算法的公平性进行统计，结果如图3所示。

图3 调度公平性

从图3 可以看出，RR 的公平性是所有算法中最高的，这是由其准则决定的，而本文提出的CSFSM 算法其次，接下来是M-LWDF 和TFFG 算法。TFFG 极致地调度高吞吐量用户，在系统总资源受限的情况下会产生较大的副作用，即低速率业务被抢占，调度的公平性自然就降低了。

总而言之，CSFSM 算法能公平地兼顾系统吞吐量与业务时延，更适和在跨eMBB和uRLLC场景中使用。

4 结束语

用户调度属于无线资源管理中的一种，能够对5G系统的空口资源进行规划和合理利用，其主要目的是在有限的无线资源条件下为网络用户提供尽可能好的业务质量保证［17-18］，在无线信道状态变化时灵活地分配RB 资源，从而提高频谱利用率。本文从分类集的角度出发，将不同业务需求细分为不同的集合，从而采取不同的控制策略，提出了一种新的5G 调度算法，能够动态调整混合业务的调度优先级，兼顾了业务之间的公平性，从而保证业务的服务质量和客户感知。