劉 輝，張賽龍

(1.重慶郵電大學通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶400065;2.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶400065)

支持增值業(yè)務(wù)QoS的LTE下行跨層調(diào)度算法

劉 輝1，2，張賽龍1

(1.重慶郵電大學通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶400065;2.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶400065)

針對目前PF改進型算法在LTE系統(tǒng)中保障增值業(yè)務(wù)GBR和區(qū)分增值業(yè)務(wù)速率的研究較少的問題。提出一種改進型PF算法，該算法通過引入信道控制因子、GBR保障因子和速率門限因子，從而實現(xiàn)增值業(yè)務(wù)的下行跨層調(diào)度。仿真結(jié)果表明該算法可以保障各增值業(yè)務(wù)的GBR以及實現(xiàn)不同付費等級的付費平均可達速率，同時保證增值業(yè)務(wù)用戶間的公平性。

LTE增值業(yè)務(wù);GBR業(yè)務(wù);付費平均可達速率;調(diào)度算法

QoS(Quality of Service)即服務(wù)質(zhì)量，是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機制。因為QoS的實現(xiàn)是有代價的，所以運營商將QoS業(yè)務(wù)與收費關(guān)聯(lián)，成為可運營的增值服務(wù)。文獻［1-2］表明分組演進系統(tǒng)承載(EPSBear)可以劃分為兩大類:GBR (Guranteed Bit Rate)屬于承載級QoS參數(shù)，指承載要求的比特速率被網(wǎng)絡(luò)“永久”恒定地分配;Non-GBR指的是當網(wǎng)絡(luò)資源緊張時，業(yè)務(wù)(或者承載)需要承受降低速率的要求。所以增值業(yè)務(wù)的GBR必須得到保障。文獻［3］表明LTE的商用催生新型增值業(yè)務(wù)模式，如何實現(xiàn)具有質(zhì)量保證的、細分等級的差異化應(yīng)用和服務(wù)已經(jīng)成為運營商面臨的關(guān)鍵性問題。為了實現(xiàn)這種差異化，運營商可以利用LTE的技術(shù)優(yōu)勢，充分發(fā)掘LTE寬帶化、高速率特點，實現(xiàn)不同付費平均可達速率，從而體現(xiàn)LTE特色業(yè)務(wù)優(yōu)勢以及區(qū)分用戶的體驗。因為PF算法通過速率因子實現(xiàn)“機會通信”，而且在吞吐量和公平性之間進行有效的折中，所以實際商用的算法多為PF的改進或者變異算法。文獻［4-5］表明基于PF算法引入時延控制因子的M-LWDF算法和EXP/PF算法具有較好的時延特性，可以較好地滿足實時業(yè)務(wù)的時延要求，但是沒有考慮速率敏感的增值業(yè)務(wù)及其用戶的需求。文獻［6］提出針對付費優(yōu)先級降低付費業(yè)務(wù)時延和丟包率的調(diào)度算法，但是沒有解決速率敏感型付費業(yè)務(wù)的調(diào)度問題。因為目前多數(shù)算法對區(qū)分、保障增值業(yè)務(wù)GBR以及在增值類速率敏感業(yè)務(wù)中實現(xiàn)各用戶付費平均可達速率的關(guān)注較少，所以本文提出一種基于增值特性確定用戶優(yōu)先級的改進型PF算法。

1 系統(tǒng)模型

圖1所示的下行跨層調(diào)度的結(jié)構(gòu)，即上層提供業(yè)務(wù)信息，如QoS信息等，物理層提供用戶信道SINR值等?？鐚訁f(xié)作后MAC層合理分配功率和資源塊，eNB將業(yè)務(wù)的分組數(shù)據(jù)以資源塊(RB)的形式傳輸給用戶。

圖1 下行跨層調(diào)度的結(jié)構(gòu)

2 相關(guān)參數(shù)定義與調(diào)度模型

2.1 傳輸速率

本文只討論單小區(qū)調(diào)度，故可以忽略小區(qū)間干擾?；精@取用戶上報SINR值，可以判斷用戶信道質(zhì)量。業(yè)務(wù)隊列采用FIFO模型，在單小區(qū)內(nèi)，基站按照一定準則將RB分給用戶，且每個RB只能分給一個用戶，這些RB分給一個用戶都擁有相同的MCS等級。

每個 RB由12個子載波組成，每個子載波為15 kHz，由香農(nóng)公式得

式中:Rk(t)表示用戶傳輸速率;θk=-1.5/ln5BER;BER是目標誤碼率;SINRk是用戶k的信噪比(dB)。

2.2 CDF曲線

CDF(累積分布函數(shù))指對連續(xù)函數(shù)，所有小于等于a的值，其出現(xiàn)概率的和，即

本文用CDF曲線衡量分組調(diào)度算法的公平性。

2.3 GBR業(yè)務(wù)速率保障因子

文獻［1］指出像流媒體等GBR業(yè)務(wù)需要最小速率保障，文獻［7］通過使用拉格朗日對偶法找到同時滿足多個QoS的優(yōu)化解，但是難以實際應(yīng)用。本文只討論一個用戶對應(yīng)一個GBR業(yè)務(wù)，則在每個TTI內(nèi)平均速率R(i)必須滿足

式中:i表示業(yè)務(wù)種類。GBRi表示業(yè)務(wù)i的GBR承載期望提供傳輸速率。所以引入GBR業(yè)務(wù)速率保障因子

其中，Ri(t)更新如

式中:Tc是一個時間窗口函數(shù)。可見，在LTE中應(yīng)優(yōu)先考慮GBR業(yè)務(wù)的正常運行。

2.4 付費平均可達速率因子

在增值業(yè)務(wù)中應(yīng)該區(qū)別不同資費的付費用戶的業(yè)務(wù)體驗，這樣才能保證用戶的公平性，資費高的用戶不僅僅要求自己的服務(wù)速率滿足該種業(yè)務(wù)的GBR，而且還應(yīng)高于資費低用戶的服務(wù)速率。同時，運營商由此能夠更有效地將用戶和服務(wù)結(jié)合，從而增加收入。本文引入付費平均可達速率R_pay，表示運營商為了限制簽約用戶的業(yè)務(wù)速率，提供一種較穩(wěn)定的、區(qū)別于其他用戶體驗的付費平均可達速率。

現(xiàn)假設(shè)最低速率門限R_pay-α(t)，最高速率門限R_pay+β(t)，其中α(t)=α(t-1)-Δh，β(t)=β(t-1)-Δh，Δh是一個極小的數(shù)值，其中α(t)，β(t)是每個調(diào)度周期內(nèi)自適應(yīng)變化的。在調(diào)度過程中，最低速率門限會動態(tài)增加逐步收斂于R_pay，最高速率門限會動態(tài)減小逐步收斂于R_pay。

構(gòu)造速率門限差下限因子

構(gòu)造速率門限差上限因子

式中:u()為階躍函數(shù)。

分析有三種情況:第一種，Rk(t)＜R_pay-?(t)＜R_pay+β(t)時，f(t)＞0，g(t)＞0;第二種，R_pay-?(t)≤Rk(t)＜R_pay+β(t)時，f(t)=0，g(t)＞0;第三種，R_pay-?(t)＜R_pay+β(t)≤Rk時，f(t)=0，g(t)=0。

2.5 調(diào)度優(yōu)先級模型

傳統(tǒng)PF調(diào)度算法的優(yōu)先級可表示為

式中:rk(t)為用戶k瞬時可達速率;Rk(t)是用戶k在時間窗口內(nèi)的平均速率。得到服務(wù)的用戶隨著平均速率增大，優(yōu)先級逐漸降低，將資源讓給其他用戶。如今的商用調(diào)度算法大多是在此基礎(chǔ)上加以改進的。

3 調(diào)度模型的改進

借用exp函數(shù)性質(zhì)(連續(xù)，單調(diào)遞增，非負的凸函數(shù))構(gòu)造優(yōu)先級判斷公式，可增強各因子對調(diào)度判決的影響，優(yōu)先級判斷公式如下

式中:λ為信道控制因子，調(diào)節(jié)信道條件對優(yōu)先級的影響，當λ=0時，不考慮信道條件，從而強化其他因子對優(yōu)先級的作用;a，b，c，d，e是可調(diào)節(jié)的權(quán)重值，用以改變各因子對優(yōu)先級的影響。

算法流程如下:

Step1:初始化。

Step2:S是增值業(yè)務(wù)集合，判斷S中是否有GBR業(yè)務(wù);若沒有，執(zhí)行Step4。

Step3:將ri(t)，Ri(t)等參數(shù)代入式(9)，找到max{q(i)}，將RB分給GBR業(yè)務(wù)用戶，更新GBR業(yè)務(wù)用戶平均速率Ri(t)。

Step4:對速率敏感的增值業(yè)務(wù)，區(qū)分不同付費用戶Ui。將ri(t)，Ri(t)等參數(shù)代入式(9)，找到max{q(i)}，將RB分給Ui，更新付費用戶平均速率Ri(t)。

Step5:判斷能否滿足需求，如不能，即重復(fù)Step2至Step4。

Step6:結(jié)束。

4 仿真分析

本文仿真在MATLAB中實現(xiàn)。仿真時間設(shè)置為20個TTI，BER=10-6，假設(shè)可分配15個RB。為了簡化仿真且使目的性更明確，本文設(shè)置了3種速率敏感型增值業(yè)務(wù):

增值業(yè)務(wù)1，GBR1=0 Mbit/s，即為non-GBR業(yè)務(wù);

增值業(yè)務(wù)2，GBR2=20 Mbit/s，U1的付費平均可達速率R_pay=35 Mbit/s，U2的付費平均可達速率P_pay=50 Mbit/s;

增值業(yè)務(wù)3，GBR3=70 Mbit/s。

通過MATLAB仿真，得到仿真圖如圖2～圖5所示。

圖3 GBR CDF曲線對比

圖4 平均付費可達速率仿真圖

圖5 平均付費可達速率CDF曲線對比

如圖2所示，改進算法確保業(yè)務(wù)2和業(yè)務(wù)3速率分別達到20 Mbit/s，70 Mbit/s，說明改進算法可以保障增值業(yè)務(wù)的GBR。在改進算法影響下，業(yè)務(wù)1把資源讓給業(yè)務(wù)2和3，以確保業(yè)務(wù)2，3的GBR，又因為業(yè)務(wù)2用戶的平均速率大于GBR速率，已經(jīng)滿足速率保證需求，而業(yè)務(wù)3的平均速率小于GBR速率，不滿足速率保證需求，改進算法使業(yè)務(wù)3優(yōu)先級高于業(yè)務(wù)2優(yōu)先級，使得業(yè)務(wù)3用戶優(yōu)先得到資源，平均速率增大直至業(yè)務(wù)GBR;業(yè)務(wù)2用戶平均速率不斷下降，但是最終還是要大于等于該業(yè)務(wù)GBR;在PF算法中，業(yè)務(wù)2的速率高于20 Mbit/s，業(yè)務(wù)3的速率明顯低于70 Mbit/s。因為PF算法優(yōu)先服務(wù)于快衰落情況比較好的用戶，所以無法保障增值業(yè)務(wù)的GBR。

由圖3看出，改進算法曲線表明GBR業(yè)務(wù)用戶平均速率達到20 Mbit/s，70 Mbit/s時，曲線陡峭，上升速度明顯比PF要快，說明改進算法可以使GBR業(yè)務(wù)的平均速率集中在業(yè)務(wù)GBR附近，并且可以較好地區(qū)分GBR，體現(xiàn)GBR業(yè)務(wù)用戶的公平性。

如圖4所示，改進算法使U1、U2用戶分別達到各自付費可達速率35 Mbit/s、50 Mbit/s，可見改進算法實現(xiàn)不同的付費可達速率。在改進算法的調(diào)節(jié)下，由于U2的平均速率高于其付費平均可達速率，U2釋放資源，逐步將平均速率調(diào)至平均付費可達速率50 Mbit/s。U1的平均速率低于平均付費可達速率，U1優(yōu)先級升高，獲得資源，逐步將平均速率調(diào)至平均付費可達速率35 Mbit/s;在PF算法中，U1的平均速率高于35 Mbit/s，U2的平均速率低于50 Mbit/s，U1和U2始終不能達到各自付費平均可達速率，可見PF算法無法體現(xiàn)付費用戶之間差異化。

圖5表明，改進算法曲線在平均速率達到35 Mbit/s，50 Mbit/s時，曲線比較陡峭，上升速度明顯比PF要快，說明改進算法使付費用戶的平均速率集中在各自付費平均可達速率附近，可以較好地區(qū)分付費平均可達速率，體現(xiàn)付費用戶間公平性。

5 結(jié)論

4G牌照發(fā)放后，增值業(yè)務(wù)模式發(fā)生變化。為了更好地滿足增值類業(yè)務(wù)需求以及各付費用戶的要求，本文提出了一種基于修改PF算法考慮付費業(yè)務(wù)特性的下行跨層調(diào)度算法。仿真表明該算法可以區(qū)分增值業(yè)務(wù)中GBR和non-GBR業(yè)務(wù)，并且保證增值業(yè)務(wù)GBR實現(xiàn)，還可以區(qū)分實現(xiàn)不同付費等級對應(yīng)的付費平均可達速率，從而保障各付費用戶的利益，實現(xiàn)公平性，進一步提升LTE終端用戶的消費意愿，有效拉動用戶通信服務(wù)消費。

［1］ANASM，ROSA C，CALABRESE FD，etal.Combined admission control and scheduling for QoS differentiation in LTE uplink［C］//Proc. IEEE 68thVehicular Technology Conference.［S.l.］:IEEE Press，2008:1-5.

［2］黃韜，張智江，劉韻潔.EPS系統(tǒng)的QoS機制［J］.中興通訊技術(shù)，2008(5):45-49.

［3］楊光.LTE助推信息消費［J］.通信世界，2013(20):25-26.

［4］XIAN Yongju，TIAN Fengchun，XU Changbiao，etal.Analysis of MLWDF fairness and an enhanced M-LWDF packet schedulingmechanism［J］.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2011(4):82-88.

［5］ALFAYLY A，MKWAWA I，SUN L，et al.QoE-based performance evaluation of scheduling algorithms over LTE［C］//Proc.Globecom Workshops.［S.l.］:IEEE Press，2012:1362-1366.

［6］王輝，王璨.基于QoS付費業(yè)務(wù)的LTE下行跨層分組調(diào)度算法［J］.電視技術(shù)，2013，37(3):122-124.

［7］ALI S，ZEESHAN M.A utility based resource allocation scheme with delay scheduler for LTE service-class support［C］//Proc.Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).［S.l.］:IEEE Press，2012:1450-1455.

LTE Downlink Cross-layer Scheduling Algorithm Based on QoS for Value-added Service

LIU Hui1，2，ZHANG Sailong1
(1.Institute of Application of Advanced Telecommunication Technology，Chongqing University of Posts and Telecommunication，Chongqing 400065，China; 2.Chongqing Information Technology Designing Co.，Ltd.，Chongqing University of Posts and Telecommunication，Chongqing 400065，China)

Recently，few studies of scheduling strategies which based on modified PF algorithms are focused on the support of LTE value-added Service’s GBR(Guaranteed Bit Rate)and distinction of different rates of LTE value-added service.In this paper，amodified PF algorithm is proposed which adds the channel control factor，GBR support factor and rate threshold factor to achieve value-added service’s downlink cross-layer scheduling.The simulation result indicates that themodified algorithm can properly guarantee GBR and different levels of paid rates so that it can also achieve the fairness among the different paying parties.

LTE value-added services;GBR services;paid rate;scheduling algorithm

TN949.6

A

劉 輝(1966—)，教授級高級工程師，碩士生導師，中國通信學會會員，主要研究方向為通信新技術(shù)應(yīng)用;

?? 盈

2014-03-31

【本文獻信息】劉輝，張賽龍.支持增值業(yè)務(wù)QoS的LTE下行跨層調(diào)度算法［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

重慶市自然科學基金計劃項目(CSTC2012jjA40054)

張賽龍(1988—)，碩士生，主要研究方向為通信新技術(shù)應(yīng)用。