趙國(guó)強(qiáng)，彭大芹

(重慶郵電大學(xué)新一代寬帶移動(dòng)通信終端研究所，重慶400065)

IMT－Advanced要求可以為低速移動(dòng)性用戶和高速移動(dòng)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(shí)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(yùn)營(yíng)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(gè)資源塊同時(shí)調(diào)度給一個(gè)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(gè)LTE成員載波，并將發(fā)起請(qǐng)求的用戶分別調(diào)度到成員載波上。一個(gè)好的載波調(diào)度結(jié)構(gòu)，能高效地將請(qǐng)求調(diào)度到成員載波上并完成服務(wù)，并且不會(huì)有太高的系統(tǒng)復(fù)雜性。

目前，根據(jù)調(diào)度器的個(gè)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(jì)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(dú)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(jìn)其中的RB級(jí)調(diào)度算法，從而達(dá)到載波聚合性能的提升。載波聚合中對(duì)用戶發(fā)起資源請(qǐng)求的處理過程，抽象為通信系統(tǒng)模型，即對(duì)應(yīng)于排隊(duì)系統(tǒng)模型中顧客到達(dá)系統(tǒng)請(qǐng)求服務(wù)的過程。用戶向基站發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求的行為等于排隊(duì)系統(tǒng)中顧客的請(qǐng)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(duì)系統(tǒng)中服務(wù)員對(duì)顧客的服務(wù)行為。所以，本文使用經(jīng)典的排隊(duì)理論對(duì)兩種基本資源調(diào)度方案進(jìn)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(jìn)RB級(jí)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(jì)出改進(jìn)的資源調(diào)度方案，對(duì)復(fù)雜度和頻譜利用率進(jìn)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 基本調(diào)度結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)理論分析

1.1 基本載波調(diào)度結(jié)構(gòu)

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(qǐng)求隊(duì)列，由一個(gè)資源調(diào)度器來分配。對(duì)每一個(gè)用戶來說，都是在一個(gè)隊(duì)列中排隊(duì)，如圖1所示。這個(gè)共享的調(diào)度器，來為服務(wù)隊(duì)列中的請(qǐng)求按照調(diào)度算法來分配到各個(gè)成員載波上的RB。各個(gè)載波之間具有協(xié)作關(guān)系，共同來完成對(duì)隊(duì)列中請(qǐng)求的服務(wù)。

1.1.2 獨(dú)立載波調(diào)度結(jié)構(gòu)

在獨(dú)立載波調(diào)度結(jié)構(gòu)(Independent Carrier Scheduling，ICS)中，每一個(gè)成員載波對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的資源調(diào)度器。每一個(gè)用戶也只能接入其中一個(gè)資源調(diào)度器，從而使用一個(gè)成員載波上的RB，直到本次請(qǐng)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(jìn)行成員載波的選擇，再進(jìn)行RB級(jí)的調(diào)度，即多了一層CC級(jí)的調(diào)度。

圖1 聯(lián)合載波調(diào)度結(jié)構(gòu)

CC 級(jí)調(diào)度［2］分為3種:

1)隨機(jī)分配(Random Allocation，RA)。將新到達(dá)的用戶，隨機(jī)地分配到其中一個(gè)成員載波。

2)輪流分配(Alternate Allocation，AA)。如果第i個(gè)用戶，分配到第j個(gè)成員載波上，則第i+1個(gè)用戶，就分配到第mod(j+1，L)個(gè)成員載波上，L為成員載波的總數(shù)。

3)最短隊(duì)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(gè)成員載波，其中Nl是第l個(gè)成員載波上的用戶總數(shù)。

1.2 基于排隊(duì)論系統(tǒng)分析基本調(diào)度結(jié)構(gòu)

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(dá)時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)間均為指數(shù)分布的單窗口不拒絕系統(tǒng)，即，M|M|1排隊(duì)系統(tǒng)。設(shè)平均到達(dá)率為λ，成員載波平均服務(wù)率為μ*，共聚合m個(gè)成員載波，則系統(tǒng)平均服務(wù)率為μ=∑μi=mμ*。對(duì)文獻(xiàn)［3］中通式進(jìn)行推論可得:

平均隊(duì)長(zhǎng)為

系統(tǒng)平均時(shí)間為

1.2.2 分析 ICS 結(jié)構(gòu)

與JCS結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，將ICS結(jié)構(gòu)近似抽象為顧客到達(dá)時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)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(dá)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(duì)3種情況分別討論系統(tǒng)的平均隊(duì)長(zhǎng)和平均等待時(shí)間。

1)RA規(guī)則下的M|M|m

隨機(jī)將一個(gè)用戶分配到其中一個(gè)服務(wù)窗口，這和傳統(tǒng)的M|M|m排隊(duì)模型是一樣的。根據(jù)文獻(xiàn)［4］對(duì)模型的分析，可推論通式:

平均隊(duì)長(zhǎng)

根據(jù)列德兒公式，可得系統(tǒng)平均時(shí)間為

式中:多窗口不拒絕系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移概率p0=+;排隊(duì)強(qiáng)度ρ為，且不拒絕排隊(duì)系統(tǒng)，ρ＜1，系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行;n表示拒絕排隊(duì)長(zhǎng)度，假設(shè)為不拒絕排隊(duì)系統(tǒng)，所以n→∞ 。

因此可根據(jù)通式算出m=1，2，3，4，5時(shí)的平均排隊(duì)長(zhǎng)度和系統(tǒng)平均時(shí)間。

當(dāng)m=1，則排隊(duì)模型和JCS結(jié)構(gòu)一樣，也可根據(jù)式(3)算出平均排隊(duì)長(zhǎng)度和系統(tǒng)平均時(shí)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(duì)長(zhǎng)和系統(tǒng)平均時(shí)間為

2)AA規(guī)則下的M|M|m

采用AA規(guī)則時(shí)，將M|M|n的服務(wù)器分為m個(gè)Er-lang|M|1的服務(wù)系統(tǒng)［2］，且每一個(gè)子系統(tǒng)的到達(dá)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(shí)，Erlang|M|1的服務(wù)系統(tǒng)很難得出具體的參數(shù)表達(dá)式，只能通過一些計(jì)算機(jī)仿真軟件去獲得一些近似值。這里給出m=2時(shí)，Erlang|M|1排隊(duì)系統(tǒng)的平均隊(duì)長(zhǎng)和系統(tǒng)平均時(shí)間:

平均隊(duì)長(zhǎng)為

系統(tǒng)平均時(shí)間為

根據(jù)式(7)和(8)可得出配置2個(gè)成員載波時(shí)，系統(tǒng)的平均隊(duì)長(zhǎng)和系統(tǒng)平均時(shí)間:

平均隊(duì)長(zhǎng)為

系統(tǒng)平均時(shí)間為

式中:ρ=1/(2μ*)。

3)JSQ規(guī)則下的M|M|m

由于對(duì)顧客的分配依賴于整個(gè)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(duì)系統(tǒng)是非常困難的。本文根據(jù)JSQ原理做一些近似來進(jìn)行分析。先分析平均隊(duì)長(zhǎng)，假設(shè)I=(I1，I2，…，In)表示服務(wù)窗口前的排隊(duì)長(zhǎng)度，用M(I)表示I狀態(tài)下系統(tǒng)最短隊(duì)列長(zhǎng)度。所以可以得到平均等待時(shí)間=，平均處理時(shí)間，其中，α(I)為和的統(tǒng)計(jì)概率，M(I)本質(zhì)還是依賴整個(gè)系統(tǒng)的到達(dá)率ρ，所以可將M(I)近似為MI(ρ)，即在到達(dá)率ρ下的最短隊(duì)列。從而，。再根據(jù)文獻(xiàn)［5］對(duì)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(duì)長(zhǎng)，即

1.3 JCS和ICS調(diào)度結(jié)構(gòu)性能比較

通過對(duì)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(duì)長(zhǎng)度，以兩個(gè)成員載波聚合為例，如圖3所示。從圖容易看出，JCS平均排隊(duì)長(zhǎng)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(duì)強(qiáng)度ρ比較大時(shí)，也就是說當(dāng)系統(tǒng)中請(qǐng)求服務(wù)的用戶比較多時(shí)，ICS－JSQ是比較接近JCS調(diào)度結(jié)構(gòu)的。但在排隊(duì)強(qiáng)度ρ較小，即請(qǐng)求用戶比較少時(shí)，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(duì)強(qiáng)度ρ比較小，即請(qǐng)求用戶比較少時(shí)，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(duì)強(qiáng)度ρ比較大，即系統(tǒng)中排隊(duì)用戶比較多時(shí)，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(gè)思路設(shè)計(jì)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

2 ICS－JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)

2.1 ICS－JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)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(jì)出自適應(yīng)的ICS－JSQ調(diào)度結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)思路主要在對(duì)于成員載波狀態(tài)的判斷，是否進(jìn)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(gè)成員載波是最簡(jiǎn)單的情況，所以以兩個(gè)成員載波為例說明，設(shè)計(jì)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(gè)成員載波獨(dú)立地進(jìn)行服務(wù)。按照J(rèn)SQ原則對(duì)用戶進(jìn)行CC級(jí)的調(diào)度，在進(jìn)行RB級(jí)調(diào)度的時(shí)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(gè)成員載波達(dá)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(gè)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(shí)協(xié)作其他多個(gè)成員載波。當(dāng)所有成員載波均處于busy狀態(tài)的時(shí)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)。

2.2 ICS－JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)仿真

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(gè)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(duì)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(duì)比

圖7 包延遲對(duì)比

3 總結(jié)

通過對(duì)兩種基本載波調(diào)度結(jié)構(gòu)JCS和ICS分析，設(shè)計(jì)出了ICS－JSQ自適應(yīng)調(diào)度結(jié)構(gòu)。在請(qǐng)求用戶較少的情況下，能進(jìn)行載波協(xié)作，從而不浪費(fèi)系統(tǒng)資源，當(dāng)請(qǐng)求用戶較多的情況下，可進(jìn)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(gè)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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