孫霞，韓冷，王顯坤

（1.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，重慶 401520；2.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065；3.山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

HSDPA實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度算法在丟包率方面的仿真分析

孫霞1，韓冷2，王顯坤3

（1.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，重慶 401520；2.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065；3.山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

主要研究了HSDPA無(wú)線通信系統(tǒng)中的分組調(diào)度算法。對(duì)HSDPA通信系統(tǒng)的分組調(diào)度算法M-LWDF和EXP進(jìn)行了分類討論，并通過(guò)視頻業(yè)務(wù)參考模型對(duì)M-LWDF和EXP算法在丟包率方面進(jìn)行仿真來(lái)研究它們的性能。仿真結(jié)果表明，在條件相同的情況下，M-LWDF算法比EXP算法的丟包率略高。

高速下行分組接入 修正的最大加權(quán)時(shí)延優(yōu)先算法 指數(shù)比例公平算法

1 引言

HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分組接入）是應(yīng)用于UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）的一種高速下行分組包接入技術(shù)。理論上它能提供高達(dá)14.4Mbps的用戶數(shù)據(jù)速率，而且使傳輸時(shí)延大為降低。HSDPA通過(guò)自適應(yīng)調(diào)制和編碼、信道傳輸資源和功率資源共享、快速調(diào)度、更短的時(shí)間間隔、快速混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求等來(lái)提高分組數(shù)據(jù)的吞吐量。

為給不同業(yè)務(wù)需求的用戶提供滿意的服務(wù)，無(wú)線分組調(diào)度（PS，Packet Scheduling）算法將進(jìn)行統(tǒng)一資源調(diào)度，PS根據(jù)算法決定戶進(jìn)行通信時(shí)所使用的無(wú)線資源。在保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）和用戶公平性的條件下，無(wú)線分組調(diào)度算法對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行分配，如碼道、頻率、時(shí)間等，其目標(biāo)是保證系統(tǒng)吞吐量最大化。

一般來(lái)說(shuō)，HSDPA的分組調(diào)度有以下幾類：

◆輪循（Round Robin）調(diào)度方式；

◆最大C/I（Best CQI Scheduler）調(diào)度方式；

◆正比公平（Proportional Fair Scheduler）方式；

◆修正的最大加權(quán)時(shí)延優(yōu)先（M-LWDF，Modified Largest Weighted Delay First）算法調(diào)度方式；

◆指數(shù)比例公平（EXP，Exponential Proportional）算法調(diào)度方式。

其中M-LWDF調(diào)度方式和EXP調(diào)度方式是具有支持時(shí)延約束的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度方式，下面對(duì)M-LWDF和EXP調(diào)度方式進(jìn)行具體討論。

2 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)無(wú)線分組調(diào)度算法

2.1 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)

3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)類型如表1所示：

表1 UMTS業(yè)務(wù)分類

（1）會(huì)話類業(yè)務(wù)（Conversation）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和普及，流媒體（Streaming Media）技術(shù)迅速發(fā)展，典型的會(huì)話類業(yè)務(wù)不僅僅是傳統(tǒng)意義上的電話，也包含了可視電話和電視會(huì)議等業(yè)務(wù)。實(shí)時(shí)會(huì)話業(yè)務(wù)要求傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、順序性、端到端的傳輸時(shí)延小以及傳輸?shù)纳舷滦袑?duì)稱。由于人們感官限制，會(huì)話類業(yè)務(wù)允許端到端的最大時(shí)延要根據(jù)人對(duì)視頻會(huì)話的感覺(jué)來(lái)決定。

（2）流類業(yè)務(wù)（Streaming）

流類業(yè)務(wù)典型代表有音頻流、實(shí)時(shí)視頻流等業(yè)務(wù)。由于它是單向傳輸，不需要進(jìn)行交互，所以實(shí)時(shí)性要求沒(méi)有會(huì)話類業(yè)務(wù)那么嚴(yán)格。

在QoS類型中，會(huì)話類對(duì)時(shí)延的要求最為苛刻。為使用戶有良好的感知，對(duì)低時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求。流類型業(yè)務(wù)并不講究播放端與源端之間的精確同步，只要能夠保證用戶聽(tīng)到或看到的是前后順序正確、連續(xù)的的音、視頻，因此流類型對(duì)時(shí)延的敏感度稍低于會(huì)話類型，對(duì)時(shí)延要求不高。表2列出了會(huì)話類和流類的QoS參數(shù)對(duì)比：

表2 會(huì)話類和流類的QoS參數(shù)對(duì)比

2.2 M-LWDF調(diào)度算法

最大權(quán)重時(shí)延優(yōu)先算法的用戶優(yōu)先級(jí)定義如公式（1）所示：

式中，用戶i在第n個(gè)傳輸時(shí)間間隔的優(yōu)先級(jí)用Pi[n]表示，每個(gè)傳輸時(shí)間間隔所支持的最大用戶數(shù)據(jù)速率用Ri表示，用戶平均吞吐量的估計(jì)用λi表示。仿真中按照公式（1）計(jì)算，時(shí)間窗口長(zhǎng)度為1000TTI，用戶i的HOL分組延時(shí)用Di表示，第n個(gè)傳輸時(shí)間間隔隊(duì)列的HOL分組的隊(duì)列延時(shí)用Di[n]表示，用戶i在隊(duì)列中等待的時(shí)延限制用Ti表示，δi是來(lái)區(qū)別不同QoS優(yōu)先級(jí)的用戶QoS參數(shù)[2]。

從公式（1）可以看出，分組的QoS參數(shù)決定用戶的優(yōu)先級(jí)，傳輸優(yōu)先級(jí)越高，QoS要求越高，不同的業(yè)務(wù)類型和QoS參數(shù)，其傳輸?shù)燃?jí)不同。Ri是對(duì)用戶信道狀況的瞬時(shí)反映，在用戶信道條件較好的條件下能夠獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸優(yōu)先級(jí)，導(dǎo)致信道條件差的用戶則無(wú)法獲取服務(wù)。考慮用戶的公平性，為使信道條件差的用戶能夠獲得服務(wù)，必須要降低信道條件好的用戶的傳輸優(yōu)先級(jí)，丟棄隊(duì)列中等待時(shí)間超時(shí)的分組。因此M-LWDF算法會(huì)增大等待時(shí)間久的分組的優(yōu)先級(jí)，防止分組被丟棄。適當(dāng)增加時(shí)延限制，可以減小分組被丟棄的概率。

2.3 EXP調(diào)度算法

EXP是基于公平比調(diào)度和指數(shù)加權(quán)的時(shí)延平衡機(jī)制算法，是朗訊實(shí)驗(yàn)室在M-LWDF算法之后提出的一個(gè)新算法，該算法的調(diào)度優(yōu)先級(jí)公式如公式（2）和公式（3）所示：

式（2）和式（3）中，Wi(t)表示用戶i在基站緩沖隊(duì)列HOL分組延時(shí)，表示信道支持的平均數(shù)據(jù)速率，μi(t )表示用戶i在時(shí)刻t信道所支持的瞬時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率。表示QoS級(jí)別，iδ表示不能滿足時(shí)延的最大概率，Ti表示用戶i的時(shí)延門限。

EXP算法對(duì)緩沖隊(duì)列的分組延時(shí)做了指數(shù)處理，比M-LWDF算法具有更好的時(shí)延特性。當(dāng)指數(shù)系數(shù)接近于1時(shí)，EXP算法與M-LWDF算法具有相近的結(jié)果。由于EXP算法提升了優(yōu)先級(jí)中HOL分組延時(shí)的比例，即使在信道用戶較多的情況下仍然能夠很好地滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS要求。

3 支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)算法仿真分析

3.1 視頻流業(yè)務(wù)模型

在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用中，視頻流業(yè)務(wù)是一項(xiàng)重要業(yè)務(wù)。本文選取從基站到移動(dòng)終端方向觀察到的視頻流業(yè)務(wù)的穩(wěn)態(tài)模型作為業(yè)務(wù)參考模型[5]，如圖1所示，所研究的調(diào)度算法是支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的算法。通過(guò)設(shè)置接收端緩存器的初始時(shí)延（通常是幾秒的間隔），保證視頻流業(yè)務(wù)在一定范圍內(nèi)具有一致的時(shí)延和抖動(dòng)。第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)采納H.263和MEPG4協(xié)議用于視頻業(yè)務(wù)，本文的仿真采用的是MEPG4標(biāo)準(zhǔn)。由于流媒體業(yè)務(wù)對(duì)分組時(shí)延要求比較嚴(yán)格，分組時(shí)延最大變化率小于5%。視頻流點(diǎn)播業(yè)務(wù)（VOD，Video on Demand）是流業(yè)務(wù)的典型應(yīng)用。在數(shù)據(jù)分組層次上，不同的視頻業(yè)務(wù)由于物體的移動(dòng)性以及壓縮算法的不同，其業(yè)務(wù)模型各自不同。

圖1 視頻業(yè)務(wù)的參考模型

在視頻業(yè)務(wù)模型中，設(shè)定整個(gè)仿真處于同一個(gè)會(huì)話中。視頻數(shù)據(jù)的每一幀到達(dá)時(shí)間間隔為T，幀速率決定T的大小。通過(guò)一定的算法，可以把每一幀進(jìn)行分解，分解后每一幀具有固定數(shù)量的數(shù)據(jù)幀片段，每一個(gè)片段作為一個(gè)分組進(jìn)行發(fā)送。編碼延時(shí)是指一幀中分組間的間隔，它是在視頻編碼器進(jìn)行編碼時(shí)產(chǎn)生的。業(yè)務(wù)流參數(shù)如表3所示。

3.2 仿真結(jié)果及分析

視頻流業(yè)務(wù)是時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，本仿真充分考慮分組時(shí)延。假設(shè)在一個(gè)小區(qū)有M個(gè)用戶，傳輸模式為時(shí)分復(fù)用，其相關(guān)的數(shù)據(jù)流為由遠(yuǎn)端服務(wù)器傳來(lái)的N個(gè)分組流，由基站實(shí)現(xiàn)HSDPA的大部分功能。如果當(dāng)前M個(gè)用戶都進(jìn)行連接請(qǐng)求，基站會(huì)建立1個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列用來(lái)保存用戶的相關(guān)連接信息。假設(shè)系統(tǒng)中多媒體業(yè)務(wù)為K組實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)類別，每個(gè)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)與其業(yè)務(wù)類別相對(duì)應(yīng)。如第i類業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)為i，定義當(dāng)i=1時(shí)，業(yè)務(wù)具有最高優(yōu)先級(jí)；當(dāng)i=K時(shí)，業(yè)務(wù)具有的優(yōu)先級(jí)最低。超過(guò)等待時(shí)間的分組會(huì)被丟掉。下面給出了M-LWDF和EXP算法在丟包率方面的仿真結(jié)果，具體如圖2和圖3所示。

表3 業(yè)務(wù)流參數(shù)

圖2 M-LWDF和EXP算法的丟包率仿真比較

圖3 每扇區(qū)10用戶的丟包率仿真比較

由圖2和圖3可以看出，M-LWDF和EXP算法的丟包率大致相同；當(dāng)扇區(qū)用戶數(shù)為10的時(shí)候，M-LWDF算法的丟包率略大于EXP算法的丟包率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了EXP和M-LWDF實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度算法，并對(duì)兩種算法各自的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)兩種算法在特定條件下丟包率的仿真比較得出結(jié)論——在條件相同的情況下，EXP算法比M-LWDF算法丟包率略低。

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Simulation Analysis on Packet Loss Rate of Real-Time Traffi c Scheduling Algorithm in HSDPA

SUN Xia1, HAN Leng2, WANG Xian-kun3
(1. College of Mobile Telecommunications, Chongqing University of Posts and Telecom, Chongqing 401520, China; 2. Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 3. Shandong Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Co., Ltd., Jinan 250101, China)

Packet scheduling algorithms in HSDPA wireless communication system were researched in this paper. M-LWDF and EXP packet scheduling algorithms in HSDPA system were discussed and their performances were simulated according to packet loss rate using video traffi c reference model. Simulation results show that M-LWDF algorithm has slightly higher packet loss rate than EXP algorithm under the same conditions.

high speed downlink packet access modifi ed largest weighted delay fi rst algorithm exponential proportional fair algorithm

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.011

TN914

A

1006-1010(2015)10-0057-04

孫霞,韓冷,王顯坤. HSDPA實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度算法在丟包率方面的仿真分析[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(10): 57-60.

2015-01-14

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

孫霞：重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院講師，碩士研究生畢業(yè)于重慶郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。