基于QoS付費業務的LTE下行跨層分組調度算法

王 輝，王 璨，張功國

（1.重慶信科設計有限公司，重慶 401121;2.重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶 400065）

基于QoS付費業務的LTE下行跨層分組調度算法

王 輝1，王 璨2，張功國1

（1.重慶信科設計有限公司，重慶 401121;2.重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶 400065）

通過對LTE下行跨層分組調度各種算法的研究分析，從時延、丟包率、吞吐量和公平性等因素入手，在原有的比例公平性調度算法（PF）上進行改進，加入了補償因子和付費權重值，使得改進型跨層調度算法，在吞吐量有一定提高的情況下，有效地降低了高優先級業務的丟包率和時延，并確保了高優先級業務的公平性。

LTE;QoS業務;調度算法

【本文獻信息】王輝，王璨，張功國.基于QoS付費業務的LTE下行跨層分組調度算法［J］.電視技術，2013，37（3）.

隨著LTE技術的成熟，準4G網絡商用的到來，更多的用戶將搶先使用LTE所帶來的快速網絡QoS業務。那時，系統將會出現擁塞、丟包、時延和公平性被破壞等一系列現象，針對這些現象國內外許多文獻采用或者改進了已有的比例公平算法（PF），但仍存在不足［1－5］:如提高頻譜效率，其對公平性的考慮不夠;考慮了信道的質量，確保系統吞吐量的要求，也將公平性與業務時延要求相結合，對PRB進行動態調度，還保證了用戶使用資源的公平性，但是對網絡商用付費后，系統改變用戶的優先級考慮不足;降低了實時用戶的丟比特率，但是影響了整個系統的吞吐量和非實時業務的公平性;保證付費用戶相應業務的各項QoS質量得以提高，也可以更好地適應QoS業務多樣性的特征，但是對各業務信道覆蓋差異的因素考慮不足。針對以上不足之處，本文提出了一種按照用戶付費情況確定用戶業務優先級的PF算法。

1 系統模型

如圖1所示的跨層調度結構，eNB端控制物理資源塊（PRB）的調度，高層分組數據到達MAC層UE的緩存器中，MAC層通過物理層反饋信道狀態信息、用戶的緩存隊列信息和用戶的QoS限制等要求，選擇最合理的調度分配方式，物理層為該用戶進行資源塊和功率的分配。此時，混合類業務的分組數據在物理層以PRB形式從eNB端發送到UE端。

圖1 跨層調度結構

2 信道模型

本文是以先到先服務原則，如圖2中所示，假設以LTE扇區為背景，下行系統的總帶寬為B，子載波間隔為Δf，有K個用戶均勻分布在單蜂窩中，總共有N個資源塊等待分配。在用戶QoS保證下針對混合型業務數據，eNB分配不同的資源塊（PRB）給不同的用戶，并且每個RB只能分配給一個用戶，每個用戶能夠分配到多個RB。

2.1 隊列長度

假設隊列最大長度為Qmax，一個包的長度為L，用戶緩存隊列在t時刻有Qk（t）等待發送，而用戶k在時間間隔Ts內基站的服務速率為RQoS。同時上層又發來Ak（t）個分組到達用戶緩存中，在t+1時刻用戶k的隊列數為

圖2 跨層資源分配模型

2.2 傳輸速率

由香農公式得到業務的瞬時傳輸速率

式中:B表示信道帶寬，k代表用戶，m代表子載波。

假設上層分組數據到達率服從參數為λ的泊松分布，得到

式中:E{AK（t）}為期望。則

BER代表AMC原理中目標誤碼率，νkm代表瞬時SINR，滿足

式中:Pk為基站總的發射功率;βkm代表分配所得到的子載波比例;NK為高斯白噪聲的功率密度;hkm代表信道增益。這兩個指標都是從物理層反饋得到。

隊列的時間窗為TW，各個隊列的平均速率R（t）是根據指數平滑的思想得到業務平均調度的速率，在t+1時刻有業務調度的平均速率為

另一種情況下，沒有業務調度的平均速率為

2.3 信道選擇

信道質量的好壞，可以決定分配業務的數據包長度。將信道質量不高的頻段，盡量分配給數據包長度較小的業務隊列;而將信道質量高的頻段，留給數據包長度較大的業務。

2.4 調度優先級模型

傳統的PF調度算法的優先級可表示為

式中:GPF表示業務的瞬時速率比上平均速率，然后根據優先級給用戶分配PRB，使得每個用戶分配得到一個或者多個PRB。如今的調度算法都是在此基礎上加以改進，出現了很多關于多業務公平性的調度算法。

3 調度模型的改進

由于LTE業務的多樣性，不同業務對QoS要求不同，尤其是在進入商用后，大量用戶涌入，運營商為了區別用戶使用業務的優先級，實現付費業務后，理應讓付費高的用戶享有更高優先級，相對地提高其公平性。

在此基礎之上，對傳統的PF算法模型，考慮在優先級中加入時延、丟包率和信道質量因素，按照之前的情況，分配給它們合理的優先級權重值。因此傳統PF算法修改為

式中:增加的函數exp（a×PC+b×DC+cγ）為一個連續的非負的凸函數;a，b，c，d表示收費后業務優先級資源調度的權重值;PC表示的是丟包率，當業務隊列到達的包長L加上當前的包長超過了最大包長Qmax就發生丟包現象，而數據包的到達服從參數為λ的泊松分布，得到

式中:Qk（t）表示當前數據包隊長;Qmax表示最長數據包隊長。

DC表示隊列平均時延，由Little公式得到

式中:E（Q）表示隊列狀態均值;λ表示業務的到達速率。由此，可以得到

在同一業務優先級高的情況下，信道質量較差的用戶就應該跟信道質量好的用戶有一樣的吞吐量才能保證其公平性。式（10）中，γ為補償因子，對吞吐量大的用戶分流，對吞吐量小的用戶補償。其式為

若Φmax≠0，在Ts內用戶接收的流量計算如下

式中:Φ表示用戶流量，即為服務速率。

4 仿真分析

本文仿真參數設定如表1所示。

表1 仿真系統環境參數

通過MATLAB對新算法的仿真驗證，利用兩種不同優先級業務的新算法和傳統業務PF算法進行對比，并把隊列1的優先級設為最高，其次為隊列2，最低為PF算法的隊列3。仿真后得到圖3。

圖3 丟包率仿真圖

如圖3表示不同優先級業務的平均丟包率。由圖可知，在傳統的PF算法中，傳統業務的丟包率隨著時間的變化趨近于一個定值，而在本文所提的新算法中，具有相同信道質量的用戶優先級低的業務與傳統PF算法的丟包率一致，也滿足最低要求。而在本文所提算法中優先級高的用戶丟包率明顯降低。

由圖4可知，具有用戶付費優先級高的隊列1在開始階段遠遠高于另外兩種業務，然而系統運行一段時間后，當數據業務過多時，3種業務數據吞吐量幾乎一致，但都能保證滿足各自的要求。

圖4 隊列相對平均吞吐量

由圖5可知，付費優先級高的隊列1時延為最小，而其他兩種隊列2由于優先級低和隊列3數據傳輸的算法的不同，使其時延高于隊列1。

圖5 隊列時延

5 結論

本文提出了一種針對LTE系統付費優先級QoS業務跨層調度分組傳輸算法。該算法通過仿真驗證表明，在保證了其公平性的情況下，吞吐量略有提高，并有效降低了付費業務的丟包率和時延。從仿真結果來看，該算法具有一定的實用性，適合在LTE系統中商用。

:

［1］劉金波.基于QoS保證的多用戶OFDM系統跨層資源分配［J］.信息技術，2011（5）:53－59.

［2］鄭華晉，劉曉林.基于QoS的LTE下行分組調度算法［J］.計算機工程，2012（1）:289－291.

［3］錢耘之，任參軍，唐蘇文，等.基于多業務QoS的LTE下行資源分配算法［J］.通信技術，2010（4）:190－192.

［4］李校林，付澍，胡楠.一種基于LTE業務特征的調度算法切換系統［J］.電訊技術，2011（3）:93－98.

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［6］LI Peng，CHANG Yilin，FENG Nina，et al.A cross－layer algorithm of packet scheduling andresource allocation for multi－user wireless video transmission［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2011，57（3）:1128－1134.

張功國（1979— ），碩士，工程師，主要從事無線移動通信網絡的研究。

LTE Downlink Cross－layer Packet Scheduling Algorithm Based on QoS Paid Business

WANG Hui1，WANG Can2，ZHANG Gongguo1

（1.Chongqing Information Technology Designing Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China;2.Institute of the Applications of Advanced Telecommunications Technology，CUPT，Chongqing 400065，China）

By researching various algorithm of the LTE downside of scheduling，from the delay，packet loss rate，throughput and fairness of factors，the Proportion Fairness（PF）scheduling algorithm in the original algorithm is improved，the compensation factor and paid weights are added，making cross layer scheduling algorithm improved，it can improve the throughput，effectively reduce the high priority business lost package rate and the time delay，and ensure the high priority the fairness of the business.

LTE;QoS business;scheduling algorithm

TN949.6

B

王 輝（1980— ），工程師，主要從事無線移動通信網絡的研究;

王 璨（1986— ），碩士生，主要研究方向為LTE移動通信的信令分析和算法研究;

責任編輯:許 盈

2012－07－27