丁曉貴,胡丁丁

(1.安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.安徽移動(dòng)通信有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230012)

1 引言

在HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)系統(tǒng)中，通常基站和用戶之間會(huì)安排中繼，系統(tǒng)模型如圖1所示?；究梢酝ㄟ^直傳鏈路到用戶，也可以通過中繼回路鏈路到中繼，再通過中繼接入鏈路到用戶。常見的調(diào)度算法有無中繼PF調(diào)度算法(W/O relay)，兩跳比例公平算法(THPF)等。

圖1 中繼系統(tǒng)模型

1.1 無中繼PF調(diào)度算法(W/O relay)

在沒有中繼的場(chǎng)景下，仿真中采用PF調(diào)度算法，其調(diào)度優(yōu)先級(jí)

ω

(

t

)計(jì)算如下：

(1)

式中，

C

(

t

),

R

(

t

)分別表示用戶

j

在時(shí)刻

t

的瞬時(shí)吞吐率和平均吞吐率，該算法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，能夠做到調(diào)度的公平性，缺點(diǎn)是吞吐率非常低。

1.2 兩跳比例公平算法(THPF)

兩跳比例公平算法(THPF)基站用戶調(diào)度算法如式(1)所示，中繼用戶調(diào)度算法如式(2)所示。

(2)

兩跳比例公平算法(THPF)分別對(duì)直傳用戶和中繼下用戶調(diào)度進(jìn)行了研究，優(yōu)點(diǎn)是保證了各自調(diào)度的公平性，缺點(diǎn)是很難做到二者之間公平。在THPF調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，從中繼端入手，通過增加負(fù)反饋，利用過往的數(shù)據(jù)來修正調(diào)度優(yōu)先級(jí)系數(shù)，從而提升用戶平均吞吐率、公平性因子、邊緣用戶吞吐率等性能指標(biāo)。

2 BF-THPF調(diào)度算法

要想做到全局公平性，基站用戶和中繼下用戶平均吞盡率盡可能相等，有

(3)

實(shí)際中，受到干擾等原因影響，式(3)難以成立。為此，引入一個(gè)參數(shù)

Δ

記錄等號(hào)兩邊差值，即

(4)

2.1 調(diào)度優(yōu)先級(jí)計(jì)算

按照?qǐng)D1所示模型，基站直傳用戶個(gè)數(shù)用

N

表示，瞬時(shí)吞吐率用

C

,(

t

)表示，過往

T

時(shí)間周期內(nèi)平均吞吐率用

R

,(

t

)表示，下同。則對(duì)于基站直傳用戶

j

的優(yōu)先級(jí)

ω

,(

t

)如式(5)所示。

(5)

同樣，中繼節(jié)點(diǎn)

i

下的用戶

j

的優(yōu)先級(jí)

ω

,(

t

)如式(6)所示。

(6)

為了盡量做到全局公平，利用負(fù)反饋對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)

i

優(yōu)先級(jí)進(jìn)行修正。用

ε

,(

t

)表示中繼節(jié)點(diǎn)

i

優(yōu)先級(jí)修正因子；

β

為更新步長(zhǎng)，是一個(gè)較小的正值。修正因子改變受直傳用戶和基站平均吞吐率差值影響如式(7)所示。

(7)

帶有修正因子的中繼節(jié)點(diǎn)調(diào)度優(yōu)先級(jí)計(jì)算

ω

,如式(8)所示。

(8)

2.2 調(diào)度原則

按照式(5)、式(6)、式(7)、式(8)計(jì)算結(jié)果，對(duì)優(yōu)先級(jí)從大到小進(jìn)行排序，對(duì)優(yōu)先級(jí)高的用戶增加調(diào)度概率，做到全局公平。

(1)用戶信道質(zhì)量差的用戶，需要增加調(diào)度概率。由于干擾或通信距離較長(zhǎng)等因素，過往

T

時(shí)間周期平均吞吐率小，即調(diào)度優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式分母變小，導(dǎo)致其優(yōu)先級(jí)變大。

(2)長(zhǎng)時(shí)間沒有被調(diào)度到的用戶或瞬時(shí)吞吐率變大的用戶，需要增加調(diào)度概率。某個(gè)用戶的信道質(zhì)量瞬間變得很好時(shí)，即分子變大，導(dǎo)致其優(yōu)先級(jí)變大。

3 BF-THPF算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圖1所示，BF-THPF算法分為基站端和中繼端，且基站端受載波1和載波2方式影響，介紹如下。

3.1 基站端調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

(1)初始化。分別設(shè)置載波1和載波2上的調(diào)度用戶集合

C

={ }和

C

={ }；(2)載波1上的分組調(diào)度。①計(jì)算載波1上基站直傳用戶的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，如式(5)所示；②將載波1上基站直傳用戶的調(diào)度優(yōu)先級(jí)從大到小進(jìn)行排序，設(shè)排序的結(jié)果為

j

=1,2,…,

N

；③當(dāng)

j

≤

N

，并且基站載波1剩余碼資源夠用戶

j

調(diào)度使用時(shí)，執(zhí)行如下循環(huán)：

C

=

C

∪{

j

},

j

=

j

+1;④當(dāng)基站載波1剩余碼資源不夠用戶

j

調(diào)度使用或

j

>

N

時(shí)，上述循環(huán)結(jié)束。(3)載波2上的分組調(diào)度。①計(jì)算載波2上基站直傳用戶和中繼節(jié)點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，如式(5)和式(6)所示；②將載波2上基站直傳用戶的調(diào)度優(yōu)先級(jí)和中繼節(jié)點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)一起從大到小進(jìn)行排序，設(shè)排序的結(jié)果為

k

=1,2,…,

N

+

k

；③當(dāng)

k

≤

N

+

K

且基站載波2剩余碼資源夠節(jié)點(diǎn)

k

調(diào)度使用時(shí)，執(zhí)行如下循環(huán)：

C

=

C

∪{

k

},

k

=

k

+1;④當(dāng)基站載波1剩余碼資源不夠節(jié)點(diǎn)

k

調(diào)度使用或

k

>

N

+

K

時(shí)，上述循環(huán)結(jié)束。

(4)更新基站用戶和中繼的平均吞吐率，同時(shí)更新中繼優(yōu)先級(jí)修正因子。

3.2 中繼端調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)過程

(1)初始化。設(shè)調(diào)度用戶集合

C

={}。(2)中繼

i

上的分組調(diào)度。①計(jì)算中繼

i

到該中繼下用戶

j

的調(diào)度優(yōu)先級(jí)如式(6)所示；②將該調(diào)度優(yōu)先級(jí)集合從大到小進(jìn)行排序，設(shè)排序的結(jié)果為

k

=1,2,…,

N

；③當(dāng)

k

≤

N

且中繼

i

上剩余碼資源夠中繼用戶

k

調(diào)度使用時(shí)，執(zhí)行如下循環(huán)：

C

=

C

∪{

k

},

k

=

k

+1;④當(dāng)中繼

i

上剩余碼資源不夠用戶

k

調(diào)度使用或

k

>

N

時(shí)，上述循環(huán)結(jié)束。(3)更新中繼端中繼用戶平均吞吐率

R

,(

t

)。BF-THPF算法中繼端調(diào)度過程結(jié)束。

4 仿真及其結(jié)果分析

利用MATLAB搭建了仿真平臺(tái)，按照?qǐng)D1所示調(diào)度非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。將研究所提出的算法與W/O relay、THPF進(jìn)行了比較，具體仿真參數(shù)如下：

小區(qū)半徑(ISD)：500m；載頻：2GHz；NodeB-UE路徑損耗：L=128.1+37.6log10(R)；NodeB-RN有直射徑時(shí)路徑損耗：L=100.7+23.5log10(R)；RN-UE有直射徑時(shí)路徑損耗：L=103.8+20.9log10(R)；接收機(jī)類型：Type 3i LMMSE；基站發(fā)射功率：46dBm；業(yè)務(wù)模型：Full Buffer。

4.1 吞吐率

三種算法吞吐率變化曲線如圖2所示。由圖2可知，橫坐標(biāo)為中繼到扇區(qū)中心距離，為了方便比較，研究采用對(duì)小區(qū)半徑歸一化的形式?？v坐標(biāo)為用戶平均吞吐率(Kbps)。無中繼場(chǎng)景下用戶平均吞吐率在470 Kbps左右，較低；THPF其次；BF-THPF調(diào)度算法達(dá)到540 Kbps以上，最優(yōu)。另外，當(dāng)中繼到扇區(qū)中心距離為0.5左右時(shí)，吞吐率最高。原因是受到中繼節(jié)點(diǎn)的回程鏈路性能和邊緣用戶覆蓋率的影響，這涉及到中繼位置優(yōu)化的問題。

5%用戶(邊緣用戶)平均吞吐率如圖3所示。從圖3仿真結(jié)果可以看出，BF-THPF算法能成倍提高邊緣用戶吞吐率。

圖2 用戶平均吞吐率隨中繼位置變化曲線 圖3 5%用戶平均吞吐率

三種場(chǎng)景下用戶平均吞吐率如圖4所示。由圖4可知，無中繼的場(chǎng)景下，所有用戶都為基站用戶，無中繼用戶，故只有兩條曲線，其平均吞吐率都較低。中繼的引入可以帶來性能的提升。重點(diǎn)觀察THPF和BF-THPF算法，THPF算法基站用戶平均吞吐率達(dá)到770 Kbps，而中繼用戶則只有520 Kbps左右。由于BF-THPF算法引入了負(fù)反饋，所有用戶平均吞吐率都在700 Kbps上下，公平性更優(yōu)。

4.2 公平性

公平性因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，無中繼場(chǎng)景調(diào)度算法簡(jiǎn)單，公平性一定較好。THPF調(diào)度算法公平性較差，這也是研究BF-THPF調(diào)度算法的理由。BF-THPF算法和無中繼場(chǎng)景調(diào)度算法公平性因子相近，說明BF-THPF調(diào)度算法不以犧牲公平性為代價(jià)來換取用戶吞吐率。

圖4 用戶平均吞吐率 圖5 系統(tǒng)公平性因子

5 結(jié)束語

在密集小區(qū)中，對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度方案，既要保證用戶吞吐率，又要兼顧公平性。BF-THPF通過對(duì)瞬時(shí)吞吐率、過往平均吞吐率等指標(biāo)記錄，合理利用它們?cè)O(shè)置調(diào)度優(yōu)先級(jí)因子。特別是在中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)優(yōu)先級(jí)因子引入修正系數(shù)，改變中繼節(jié)點(diǎn)調(diào)度概率，保證直傳用戶和中繼下用戶公平。設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，對(duì)上述吞吐率和公平性性能進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明BF-THPF算法公平性較好，吞吐率較高，切實(shí)可行。