HSDPA中繼系統(tǒng)全局公平性調(diào)度方案

丁曉貴，劉桂江

(安慶師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽安慶 246011)

HSDPA(高速下行分組接入)作為3.5G的移動(dòng)通信協(xié)議之一，在下行鏈路中提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在5 MB的帶寬上可提供 10 Mbit·s－1峰值速率［1］。中繼作為L(zhǎng)TE系統(tǒng)中的核心技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的吞吐率和覆蓋率［2］。引入中繼后HSDPA系統(tǒng)如何調(diào)度，保證基站用戶和中繼用戶內(nèi)部的公平性，達(dá)到全局公平性調(diào)度，是本文研究的方向。

目前，在LTE －A 系統(tǒng)［3－4］中，主要定義了兩類(lèi)中繼。第一類(lèi)中繼能夠單獨(dú)發(fā)導(dǎo)頻，同步信道和控制信道，并具有獨(dú)立調(diào)度的能力。因此，從用戶端觀察第一類(lèi)中繼完全等效于基站，但從中繼端觀察，中繼從核心網(wǎng)獲得數(shù)據(jù)必須通過(guò)基站。第二類(lèi)中繼由于沒(méi)有自己的控制信道，因此第二類(lèi)中繼只能增強(qiáng)基站的信號(hào)而并不具有獨(dú)立調(diào)度的能力。第二類(lèi)中繼由于不發(fā)導(dǎo)頻，因此對(duì)中繼到用戶的信道難以估計(jì)。雖然PF算法［5］可以在吞吐率和公平性之間獲得折中，但只能保證基站用戶和中繼用戶內(nèi)部的公平性，并不能保證基站用戶和中繼用戶之間的公平性。

1 系統(tǒng)模型

文中采用較常用的小區(qū)結(jié)構(gòu)和中繼部署場(chǎng)景—7小區(qū)21扇區(qū)的系統(tǒng)模型［6］，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中鏈路分為直傳鏈路、中繼回程鏈路和中繼用戶接入鏈路［7］?？紤]雙載波的載波分配方案，載波分配如圖2所示，基站采用載波1為中繼服務(wù)，中繼采用載波2為中繼用戶服務(wù)，而基站用戶可以同時(shí)接收來(lái)自于基站的載波1和載波2。在調(diào)度的過(guò)程中，基站首先在載波1上調(diào)度基站用戶和中繼，然后在載波2上調(diào)度基站用戶;而中繼在載波2上調(diào)度中繼用戶。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 載波分配方案

2 全局公平性調(diào)度方案

PF［8］調(diào)度算法能夠在系統(tǒng)吞吐率和公平性［9］之間取得較好的折中，但當(dāng)中繼引入HSDPA系統(tǒng)后，中繼鏈路和直傳鏈路同時(shí)存在，PF調(diào)度算法不能直接用于該中繼網(wǎng)絡(luò)。而兩跳比例公平算法［10］(THPF)可以保證中繼用戶和基站用戶內(nèi)部的公平性，難以保證兩者之間的公平性。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化比例公平算法，并通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)度優(yōu)先權(quán)來(lái)保證基站用戶和中繼用戶之間的公平性。

2.1 全局公平性調(diào)度算法

在不改變基站用戶和中繼用戶內(nèi)部的公平性的情況下，最大化系統(tǒng)的公平性。為此，先根據(jù)文獻(xiàn)［5］給出公平性因子的計(jì)算方法

其中，R表示各用戶的平均吞吐率;N表示系統(tǒng)中的總用戶數(shù)。

假設(shè)一個(gè)扇區(qū)內(nèi)共有K個(gè)中繼，N個(gè)用戶，其中歸屬于基站的有N0個(gè)用戶，歸屬于第i個(gè)中繼的有Ni個(gè)用戶，且不妨假設(shè)基站所有資源都用于基站用戶時(shí)，基站用戶采用 PF 調(diào)度，其吞吐率分別為 R0，1，R0，2，…，R0，N0;若基站所有資源均給第i個(gè)中繼回程鏈路使用時(shí)，中繼用戶采用 PF 調(diào)度，其吞吐率分別為 Ri，1，Ri，2，…，Ri，Ni?，F(xiàn)假設(shè)基站所有資源中的a0比例給基站用戶使用，ai比例給第i個(gè)中繼回程鏈路使用，其中0＜ai＜1，i=0，1，…，K，則整個(gè)系統(tǒng)的公平性因子

因而問(wèn)題就轉(zhuǎn)為如下一個(gè)優(yōu)化的問(wèn)題

采用拉格朗日乘子法，得到

由于所有中繼用戶和基站用戶都是采用PF調(diào)度，因此可以合理假設(shè)所有基站用戶和中繼用戶內(nèi)部公平性因子相等，從而只要當(dāng)式(6)成立時(shí)，系統(tǒng)的公平性就能達(dá)到次優(yōu)

2.2 調(diào)度優(yōu)先權(quán)設(shè)計(jì)

由于HSDPA系統(tǒng)中不同的MCS等級(jí)所占用的功率資源和碼資源不同，為了提高公平性，將用戶的瞬時(shí)傳輸率與所占碼資源進(jìn)行歸一化。對(duì)于中繼引入優(yōu)先級(jí)修正因子來(lái)對(duì)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行修正，調(diào)度算法的優(yōu)先級(jí)如下:

對(duì)于直連用戶

其中，Cd－user，i表示直連用戶 i瞬時(shí)傳輸率;Sd－user，i(t)表示直連用戶i瞬時(shí)占用的碼道數(shù)，Rd－user，i(t)表示直連用戶i的平均傳輸率。

對(duì)于中繼

其中，C realy，i(t)表示中繼 i瞬時(shí)傳輸率;S realy，i(t)表示中繼i瞬時(shí)占用的碼道數(shù);R realy，i(t)表示中繼i的平均傳輸率;H realy，i(t)表示中繼i的優(yōu)先級(jí)修正因子，更新如式(7)所示。

對(duì)于中繼用戶

其中，Cri－user，j(t)表示中繼 i到該中繼下的用戶 j的瞬時(shí)傳輸率;Sri－user，j(t)表示中繼i到該中繼下的用戶 j瞬時(shí)占用的碼道數(shù);Rri－user，j(t)表示中繼i到該中繼下用戶j的平均傳輸率。

2.3 算法具體步驟

(1)基站端調(diào)度。初始化待重傳的直連用戶和中繼，并給其分配碼資源;在載波1上計(jì)算直連用戶和中繼的優(yōu)先級(jí)，并按優(yōu)先級(jí)從高到低對(duì)載波1碼資源進(jìn)行分配，直到所有碼資源分配完為止;在載波2上計(jì)算直連用戶的優(yōu)先級(jí)，并按優(yōu)先級(jí)從高到低對(duì)載波2碼資源進(jìn)行分配，直到所有碼資源分配完為止。更新平均吞吐率，具體更新方法如下

其中，S表示調(diào)度到的直連用戶或中繼集合。

(2)中繼端調(diào)度。初始化待重傳的中繼用戶，并給其分配碼資源;在載波2上計(jì)算中繼用戶優(yōu)先級(jí)，并按優(yōu)先級(jí)從高到低對(duì)中繼載波2的碼資源進(jìn)行分配，直到所有碼資源分配完為止;采用式(11)更新中繼用戶平均吞吐率。

3 仿真分析

通過(guò)Matlab對(duì)提出的基于全局公平性的兩層PF調(diào)度算法(BF－THPF)進(jìn)行仿真，并與一般的兩層PF調(diào)度算法(THPF)和沒(méi)有中繼的場(chǎng)景(w/o relay)進(jìn)行了比較。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3比較了3種情況下的公平性，從圖中可以看出，基于公平性的兩層PF調(diào)度算法和沒(méi)有中繼的場(chǎng)景公平性基本一致，而一般的兩層PF調(diào)度算法公平性相對(duì)較差。

圖3 公平性因子

圖4和圖5分別給出了用戶吞吐率CDF曲線和用戶平均吞吐率曲線。由于一般的兩層PF調(diào)度算法沒(méi)有考慮到中繼下的用戶數(shù)，因此用戶吞吐率分布更離散，如圖4所示，兩層PF調(diào)度算法的用戶吞吐率分布在高、低的概率較大，而基于公平性的PF調(diào)度算法，通過(guò)負(fù)反饋的形式更新中繼優(yōu)先級(jí)的修正因子，考慮到中繼下的用戶數(shù)，因此用戶吞吐率更多的集中在中間，這就導(dǎo)致兩種算法的用戶吞吐率曲線有交叉。如圖5所示，有中繼場(chǎng)景下的用戶平均吞吐率高于沒(méi)有中繼時(shí)用戶平均吞吐率，且基于公平性的兩層PF調(diào)度算法的用戶平均吞吐率高于一般兩層PF調(diào)度算法。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)引入中繼HSDPA系統(tǒng)調(diào)度方案進(jìn)行了研究。提出了一種基于全局公平性的調(diào)度方案，該方案不需要反饋額外的數(shù)據(jù)就可以保證基站用戶和中繼用戶之間的公平性。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了該調(diào)度方案在系統(tǒng)總吞吐率和系統(tǒng)公平性方面都具有更好的性能。

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