多用戶正交相關延遲鍵控方案性能分析

張剛 黃南飛 張天騏

摘 要：針對長期演進（LTE）移動通信系統下行鏈路傳輸中多用戶的實時（RT）與非實時（NRT）業務傳輸性能需求問題，提出一種基于用戶加權平均時延的改進型的最大加權延時優先（MLWDF）資源調度算法。該算法在考慮信道感知與用戶服務質量（QoS）感知的基礎上引入反映用戶緩沖區狀態的加權平均時延因子，該因子通過用戶緩沖區中待傳輸數據與已發送數據的平均時延均衡得到，使具有較大時延和業務量的實時業務優先調度，提升了用戶的性能體驗。理論分析與鏈路仿真表明，提出算法在保證各業務時延及公平性的基礎上，提升了實時業務的QoS性能，在用戶數量達到50的條件下，對比MLWDF算法實時業務的丟包率降低了53.2%，其用戶平均吞吐量提升了44.7%，雖犧牲了非實時業務的吞吐量，但仍優于VTMLWDF算法。實驗結果表明，所提算法在多用戶多業務傳輸條件下提升了實時業務的傳輸性能，并在QoS性能上明顯優于對比算法。

關鍵詞：長期演進系統;加權平均時延;服務質量;資源調度;實時業務;吞吐量

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

Abstract： Aiming at the transmission performance requirements of RealTime （RT） services and NonRealTime （NRT） services for multiuser in the downlink transmission of Long Term Evolution （LTE） mobile communication system， an improved Modified Largest Weighted Delay First （MLWDF） scheduling algorithm based on weighted average delay was proposed. On the basis of considering both channel perception and Quality of Service （QoS） perception， a weighted average dealy factor reflecting the state of the user buffer was utilized， which was obtained by the average delay balance of the data to be transmitted and the transmitted data in the user buffer. The RT service with large delay and traffic is prioritized， which improves the user performance experience.

Theoretical analysis and link simulation show that the proposed algorithm improves the QoS performance of RT services on the basis of ensuring the delay and fairness of each service. The packet loss rate of RT service of the proposed algorithm decreased by 53.2%， and the average throughput of RT traffic increased by 44.7% when the number of users achieved 50 compared with MLWDF algorithm. Although the throughput of NRT services are sacrificed， it is still better than VTMLWDF （Virtual Token MLWDF） algorithm. The theoretical analysis and simulation results show that transmission performances and QoS are superior to the comparison algorithm.

0 引言

隨著多媒體業務流、實時游戲和網絡語音電話業務（Voice over Internet Phone， VoIP）等新興業務的日益普及，通信技術需日益完善。改善不同業務的服務質量（Quality of Service， QoS）性能是長期演進（Long Term Evolution， LTE）[1]系統中基站（eNodeB）需要執行的一項重要任務。LTE下行資源調度算法[2]是通信系統中的研究熱點，在調度算法中使用由信道質量指示（Channel Quality Indicator， CQI）反饋的信道感知和QoS感知實現了復雜度和傳輸性能之間的權衡。由于非實時（NonRealTime， NRT）與實時業務（RealTime， RT）業務的QoS性能差距較大，有必要設計一種有效的調度算法來平衡各業務之間的QoS需求的算法，這也是本文的研究目標。

在最近的研究中，已提出的分組調度算法從不同角度來滿足LTE系統中各業務的QoS需求，其中包含了考慮業務狀態相關性的無線調度[3]、保證比特速率的信道感知調度[4]、增強型時延敏感的調度[5]以及考慮傳輸能量效率的調度[6]等，從不同方面對調度算法進行改進，以提升系統性能。針對QoS參數性能及低時延需求，文獻[7]在改進的最大加權延時優先（Modified Largest Weighted Delay First， MLWDF）算法的基礎上提出虛擬隊列概念，引入了反映用戶業務數據的突發特性和某種QoS特性的數據隊列狀態信息為用戶提供最小吞吐量保證，但未考慮用戶延遲概念，未能對實時用戶提供更好的性能體驗。文獻[8]在其算法的基礎上加入了隊首時延因子，初步保證了調度業務流的時延特性，但隊首時延未能反映用戶緩沖區的綜合狀態。文獻[9]在經典比例公平算法的基礎上引入加權平衡時延因子，考慮了用戶緩沖區狀態，但未考慮其他業務的QoS性能，未能給用戶提供較好的用戶體驗性能。以上算法均未對QoS性能及用戶的狀態信息進行較好的結合。

本文提出一種新的基于加權平均時延的QoS感知算法。該算法考慮了業務QoS性能參數（包括最大容忍丟包率、時延門限、隊首時延）和信道性能參數（包括用戶平均吞吐量和信道瞬時傳輸速率），同時引入了反映緩沖區數據時延參量的加權平均時延因子，當用戶的數據量時延較大時可優先獲得資源。通過仿真平臺LTESim[10]的仿真結果表明，該算法可提升數據量較大的實時業務的吞吐量及公平性，降低其丟包率與時延性能，同時保證了非實時業務的基本傳輸性能。

4 結語

本文提出了一種新的基于LTE系統集信道感知和QoS感知于一體的加權平均延遲下行鏈路資源調度算法，通過對公平性、吞吐量、丟包率和時延四個方面的仿真驗證得出結論，該算法在保證非實時業務基礎傳輸的前提下，提升了實時Video業務的吞吐量，降低了業務丟包率，達到了最優的用戶性能體驗。在以后的研究中，可以針對5G通信系統對于低時延特性進行進一步研究，提升各業務與系統的傳輸性能。

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