趙國強,彭大芹
(重慶郵電大學(xué)新一代寬帶移動通信終端研究所,重慶400065)
IMT-Advanced要求可以為低速移動性用戶和高速移動性用戶分別提供至少1 Gbit/s和100 Mbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率[1]。為了實現(xiàn)該挑戰(zhàn)性需求,必須支持比傳統(tǒng)3G系統(tǒng)更寬的系統(tǒng)帶寬。但不同運營商所獲得的頻譜資源是不同的,而這些頻譜資源可能分布在不同的頻段上且具有不同帶寬。因此,IMT-Advanced技術(shù)必須支持不連續(xù)頻譜的聚合,當(dāng)然也需要一種技術(shù)將現(xiàn)有這些離散的頻譜利用起來,從而引入載波聚合技術(shù)(Carrier Aggregation,CA)。CA允許系統(tǒng)將多個資源塊同時調(diào)度給一個用戶服務(wù),從而來提高傳輸帶寬。
在LTE-A系統(tǒng)中可配置2~5個LTE成員載波,并將發(fā)起請求的用戶分別調(diào)度到成員載波上。一個好的載波調(diào)度結(jié)構(gòu),能高效地將請求調(diào)度到成員載波上并完成服務(wù),并且不會有太高的系統(tǒng)復(fù)雜性。
目前,根據(jù)調(diào)度器的個數(shù)配置、用戶調(diào)度準(zhǔn)則和成員載波協(xié)作方式設(shè)計出了兩種最基本的調(diào)度結(jié)構(gòu):聯(lián)合載波調(diào)度和獨立載波調(diào)度結(jié)構(gòu)。在目前的研究中,主要是基于這兩種基本的調(diào)度結(jié)構(gòu),來改進其中的RB級調(diào)度算法,從而達到載波聚合性能的提升。載波聚合中對用戶發(fā)起資源請求的處理過程,抽象為通信系統(tǒng)模型,即對應(yīng)于排隊系統(tǒng)模型中顧客到達系統(tǒng)請求服務(wù)的過程。用戶向基站發(fā)起數(shù)據(jù)請求的行為等于排隊系統(tǒng)中顧客的請求服務(wù)行為,調(diào)度器為用戶調(diào)度系統(tǒng)資源體現(xiàn)了排隊系統(tǒng)中服務(wù)員對顧客的服務(wù)行為。所以,本文使用經(jīng)典的排隊理論對兩種基本資源調(diào)度方案進行理論分析,分析結(jié)果表明,兩種基本資源調(diào)度方案分別處于復(fù)雜度和頻譜利用率的極端情況,所以只改進RB級調(diào)度算法是很片面的。本文根據(jù)理論分析結(jié)果,設(shè)計出改進的資源調(diào)度方案,對復(fù)雜度和頻譜利用率進行折中,從而從載波調(diào)度結(jié)構(gòu)上提升載波聚合的性能。
1.1.1 聯(lián)合載波調(diào)度結(jié)構(gòu)
在聯(lián)合載波調(diào)度結(jié)構(gòu)(Joint Carrier Scheduling,JCS)中,所有的成員載波的請求隊列,由一個資源調(diào)度器來分配。對每一個用戶來說,都是在一個隊列中排隊,如圖1所示。這個共享的調(diào)度器,來為服務(wù)隊列中的請求按照調(diào)度算法來分配到各個成員載波上的RB。各個載波之間具有協(xié)作關(guān)系,共同來完成對隊列中請求的服務(wù)。
1.1.2 獨立載波調(diào)度結(jié)構(gòu)
在獨立載波調(diào)度結(jié)構(gòu)(Independent Carrier Scheduling,ICS)中,每一個成員載波對應(yīng)一個獨立的資源調(diào)度器。每一個用戶也只能接入其中一個資源調(diào)度器,從而使用一個成員載波上的RB,直到本次請求服務(wù)結(jié)束。如圖2所示,與傳統(tǒng)的調(diào)度結(jié)構(gòu)和JCS相比,首先應(yīng)進行成員載波的選擇,再進行RB級的調(diào)度,即多了一層CC級的調(diào)度。
圖1 聯(lián)合載波調(diào)度結(jié)構(gòu)
CC 級調(diào)度[2]分為3種:
1)隨機分配(Random Allocation,RA)。將新到達的用戶,隨機地分配到其中一個成員載波。
2)輪流分配(Alternate Allocation,AA)。如果第i個用戶,分配到第j個成員載波上,則第i+1個用戶,就分配到第mod(j+1,L)個成員載波上,L為成員載波的總數(shù)。
3)最短隊列分配(Join the Shortest Queue,JSQ)。根據(jù)Ci=argminNl,將用戶分配到當(dāng)前用戶數(shù)最少的一個成員載波,其中Nl是第l個成員載波上的用戶總數(shù)。
1.2.1 分析 JCS 結(jié)構(gòu)
將JCS結(jié)構(gòu)近似抽象為顧客到達時間間隔和服務(wù)時間均為指數(shù)分布的單窗口不拒絕系統(tǒng),即,M|M|1排隊系統(tǒng)。設(shè)平均到達率為λ,成員載波平均服務(wù)率為μ*,共聚合m個成員載波,則系統(tǒng)平均服務(wù)率為μ=∑μi=mμ*。對文獻[3]中通式進行推論可得:
平均隊長為
系統(tǒng)平均時間為
1.2.2 分析 ICS 結(jié)構(gòu)
與JCS結(jié)構(gòu)相對應(yīng),將ICS結(jié)構(gòu)近似抽象為顧客到達時間間隔和服務(wù)時間均為指數(shù)分布的多窗口不拒絕系統(tǒng),即,M|M|m。為和JCS結(jié)構(gòu)相比較,設(shè)平均到達率為λ,成員載波平均服務(wù)率為μ*,則系統(tǒng)平均服務(wù)率為μ=∑μi=mμ*。系統(tǒng)的用戶分配到窗口分別為RA,AA,JSQ,對3種情況分別討論系統(tǒng)的平均隊長和平均等待時間。
1)RA規(guī)則下的M|M|m
隨機將一個用戶分配到其中一個服務(wù)窗口,這和傳統(tǒng)的M|M|m排隊模型是一樣的。根據(jù)文獻[4]對模型的分析,可推論通式:
平均隊長
根據(jù)列德兒公式,可得系統(tǒng)平均時間為
式中:多窗口不拒絕系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移概率p0=+;排隊強度ρ為,且不拒絕排隊系統(tǒng),ρ<1,系統(tǒng)才能穩(wěn)定運行;n表示拒絕排隊長度,假設(shè)為不拒絕排隊系統(tǒng),所以n→∞ 。
因此可根據(jù)通式算出m=1,2,3,4,5時的平均排隊長度和系統(tǒng)平均時間。
當(dāng)m=1,則排隊模型和JCS結(jié)構(gòu)一樣,也可根據(jù)式(3)算出平均排隊長度和系統(tǒng)平均時間,和JCS結(jié)構(gòu)是相同的。
根據(jù)式(3)和(4)和條件n→∞ 和ρ<1分別算出,平均隊長和系統(tǒng)平均時間為
2)AA規(guī)則下的M|M|m
采用AA規(guī)則時,將M|M|n的服務(wù)器分為m個Er-lang|M|1的服務(wù)系統(tǒng)[2],且每一個子系統(tǒng)的到達率為λ/m,平均服務(wù)率為μ/m。Erlang分布的概率密度函數(shù)為:。當(dāng)m>2時,Erlang|M|1的服務(wù)系統(tǒng)很難得出具體的參數(shù)表達式,只能通過一些計算機仿真軟件去獲得一些近似值。這里給出m=2時,Erlang|M|1排隊系統(tǒng)的平均隊長和系統(tǒng)平均時間:
平均隊長為
系統(tǒng)平均時間為
根據(jù)式(7)和(8)可得出配置2個成員載波時,系統(tǒng)的平均隊長和系統(tǒng)平均時間:
平均隊長為
系統(tǒng)平均時間為
式中:ρ=1/(2μ*)。
3)JSQ規(guī)則下的M|M|m
由于對顧客的分配依賴于整個系統(tǒng)的狀態(tài),且系統(tǒng)狀態(tài)是多維變化的,所以精確分析JSQ策略下的M|M|m排隊系統(tǒng)是非常困難的。本文根據(jù)JSQ原理做一些近似來進行分析。先分析平均隊長,假設(shè)I=(I1,I2,…,In)表示服務(wù)窗口前的排隊長度,用M(I)表示I狀態(tài)下系統(tǒng)最短隊列長度。所以可以得到平均等待時間=,平均處理時間,其中,α(I)為和的統(tǒng)計概率,M(I)本質(zhì)還是依賴整個系統(tǒng)的到達率ρ,所以可將M(I)近似為MI(ρ),即在到達率ρ下的最短隊列。從而,。再根據(jù)文獻[5]對JSQ分析可得
式中:B(ρ)=+(mρ)m/[m!(1-ρ)]。
由此得出
根據(jù)式(12)可算出n=2,3,4特殊值下的平均隊長,即
通過對上述調(diào)度結(jié)構(gòu)的理論分析,使用MATLAB軟件繪出各種調(diào)度結(jié)構(gòu)下的平均排隊長度,以兩個成員載波聚合為例,如圖3所示。從圖容易看出,JCS平均排隊長度優(yōu)于ICS,特別優(yōu)于ICS-RA。在ICS中,最優(yōu)為JSQ。且當(dāng)排隊強度ρ比較大時,也就是說當(dāng)系統(tǒng)中請求服務(wù)的用戶比較多時,ICS-JSQ是比較接近JCS調(diào)度結(jié)構(gòu)的。但在排隊強度ρ較小,即請求用戶比較少時,ICS和JCS的調(diào)度性能是比較接近的。由于JCS整體復(fù)雜性比較高,所以考慮在排隊強度ρ比較小,即請求用戶比較少時,采用ICS-JSQ并帶有成員載波協(xié)作的調(diào)度結(jié)構(gòu),從而充分利用系統(tǒng)資源;當(dāng)排隊強度ρ比較大,即系統(tǒng)中排隊用戶比較多時,采用ICS-JSQ無載波協(xié)作調(diào)度結(jié)構(gòu),從性能方面比較接近JCS,但能夠降低系統(tǒng)整體復(fù)雜性。按照這個思路設(shè)計ICS-JSQ自適應(yīng)的調(diào)度結(jié)構(gòu)。
圖3 JCS和ICS調(diào)度結(jié)構(gòu)性能比較
根據(jù)上述對兩種載波調(diào)度結(jié)構(gòu)的分析,ICS-JSQ從系統(tǒng)性能和整體復(fù)雜性來考慮,是比較折中的方案。所以選擇ICS-JSQ調(diào)度結(jié)構(gòu)設(shè)計出自適應(yīng)的ICS-JSQ調(diào)度結(jié)構(gòu)。設(shè)計思路主要在對于成員載波狀態(tài)的判斷,是否進行成員載波的協(xié)作。根據(jù)成員載波上RB的使用情況,可將成員載波分為3種狀態(tài):idle,normal和busy。系統(tǒng)中只有兩個成員載波是最簡單的情況,所以以兩個成員載波為例說明,設(shè)計如圖4所示的調(diào)度器結(jié)構(gòu),協(xié)作狀態(tài)控制如圖5所示。
圖4 ICS-JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)
圖5 成員載波協(xié)作控制
在初始狀態(tài)下,各個成員載波獨立地進行服務(wù)。按照JSQ原則對用戶進行CC級的調(diào)度,在進行RB級調(diào)度的時候,首先去判斷當(dāng)前成員載波的狀態(tài),處于idle和normal狀態(tài)的成員載波去協(xié)作busy狀態(tài)的成員載波,使兩個成員載波達到均衡狀態(tài)。協(xié)作規(guī)則為:idle狀態(tài)的成員載波去協(xié)作normal和busy狀態(tài)的成員載波,normal狀態(tài)的成員載波去協(xié)作busy狀態(tài)的成員載波,去協(xié)作其他成員載波的成員載波不能再被其他的成員載波協(xié)作,避免出現(xiàn)兩個成員載波互相協(xié)作的情況出現(xiàn),但同一成員載波可同時協(xié)作其他多個成員載波。當(dāng)所有成員載波均處于busy狀態(tài)的時候,則結(jié)束成員載波的協(xié)作狀態(tài),完全使用ICS-JSQ調(diào)度結(jié)構(gòu)。
根據(jù)表1所示,設(shè)置仿真參數(shù)[6-7],只以為系統(tǒng)配置兩個成員載波為例。根據(jù)仿真的結(jié)果圖6和圖7所示,可清晰地發(fā)現(xiàn)ICS-JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)與JCS聯(lián)合載波調(diào)度結(jié)構(gòu)相比,對吞吐量包延遲的性能影響是非常接近的,但是系統(tǒng)整體復(fù)雜度是比較低的。根據(jù)仿真結(jié)果,ICSJSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)整體性能很接近JCS聯(lián)合載波調(diào)度結(jié)構(gòu)。
表1 仿真參數(shù)設(shè)置
圖6 吞吐量對比
圖7 包延遲對比
通過對兩種基本載波調(diào)度結(jié)構(gòu)JCS和ICS分析,設(shè)計出了ICS-JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)。在請求用戶較少的情況下,能進行載波協(xié)作,從而不浪費系統(tǒng)資源,當(dāng)請求用戶較多的情況下,可進行ICS-JSQ調(diào)度,在不降低系統(tǒng)性能的情況下,并沒有增加系統(tǒng)復(fù)雜性。通過系統(tǒng)仿真,整個系統(tǒng)的吞吐量和包延遲情況與JCS性能很接近,但使用的調(diào)度結(jié)構(gòu)采用了ICS結(jié)構(gòu),所以系統(tǒng)整體復(fù)雜性很低。所以,ICS-JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)優(yōu)于ICS和JCS的資源調(diào)度結(jié)構(gòu)。
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