HSDPA分組調度算法實現(xiàn)簡析

1、HSDPA分組調度算法實現(xiàn)簡析摘 要 HSDPA (高速下行分組接入，High Speed Downlink Packages Access)技術是3GPP在R5協(xié)議中提出來的提高WCDMA網(wǎng)絡下行數(shù)據(jù)容量和傳輸 速率的重要技術。分組調度是HSDPA的重要組成部分，負責分組業(yè)務傳輸塊的調 度和管理，對于網(wǎng)絡性能有重要影響。本文在扼要描述HSDPA分組調度功能和過 程的基礎上，重點分析對比了 3種經(jīng)典分組調度算法原理以及在系統(tǒng)中的實現(xiàn)過 程，并給出了測試結果。關鍵詞HSDPA MAC分組調度算法公平性吞吐量1引言HSDPA (高速下行分組接入，High Speed Downlink Packag

2、es Acces)是實 現(xiàn)提高WCDMA網(wǎng)絡下行數(shù)據(jù)容量和傳輸速率的最為重要的技術。它是3GPP在R5 協(xié)議中為滿足上下行數(shù)據(jù)業(yè)務非對稱的需求提出來的。它在不改變已有WCDMA 網(wǎng)絡結構的基礎上，大大提高下行數(shù)據(jù)業(yè)務速率(理論最大值可達14.4Mbit/s)。為改善WCDMA系統(tǒng)性能，HSDPA采用了如下幾項重要的新技術，涉及物理層 和傳輸層：流控制；縮短了的無線電幀；新增加的物理信道HS-PDSCH(High Speed Physical Downlink Shared Channel)、 HS-SCCH(Shared Control Channel for HS-DSCH)、 HS-DPC

3、CH (High Speed Dedicated Physical Control Channel)； 自適應調制和編碼(AMC)；混合自動重復請求(HARQ)；增量冗余；快速分組 調度功能等。HSDPA支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務的能力彌補了 WCDMA的不足，為運營商開展豐富新 穎的數(shù)據(jù)業(yè)務提供了廣闊的空間；而且HSDPA向后兼容R99版本，大部分廠商的 WCDMA設備只需要軟件升級就可以實現(xiàn)HSDPA?？深A見在今后一段時間內，HSDPA 將是移動通信發(fā)展的主流。本文重點探討HSDPA快速分組調度功能的實現(xiàn)。HSDPA分組調度算法概述分組調度(Packet Scheduling，PS)是無線資源管理的

4、一個重要組成部分， 從協(xié)議框架上來看它位于L2、L3層。相比于R99，HSDPA把分組調度功能從RNC移植到了 Node B的MAC(Media Access Control)層，大幅度減少了延遲，更好地適應信道的快速變化，更大可 能地匹配不同無線信道條件下的數(shù)據(jù)速率。傳輸層上，在Node B中引入MAC實 體MAC-hs來控制HS-DSCH?？焖俜纸M調度能根據(jù)終端的CQI(Channel Quality Indicator)報告決定下一個2ms時間間隔應該調度給哪個用戶，并向具有瞬間 最好信道條件的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，使得每個瞬間都可以達到最高的用戶數(shù)據(jù)速率和 系統(tǒng)吞吐量。同時，2ms的短時間間隔

5、又增加了調度進程的精確度。在調度算法的研究中，需要考慮的兩個重要因素是：吞吐量和公平性。吞吐 量包括小區(qū)吞吐量和用戶吞吐量，公平性可認為是各用戶或不同分組業(yè)務占用信 道資源的統(tǒng)計結果。分組調度要解決的基本問題：當多個分組業(yè)務流等待接受服務時，必須確定 合理的服務規(guī)則，安排流的服務順序和服務時間，以滿足各個業(yè)務流的QoS要求。一般來說，HSDPA的分組調度算法一般分為3類：-最大信號/干擾（Max C/I）方式：系統(tǒng)跟蹤每個用戶的無線信道衰落特征， 依據(jù)無線信道C/I的大小順序，確定給每個用戶的優(yōu)先權，保證每一時刻服務的 用戶獲得的C/I都是最大的。這是一種極端的分配方式，可得到理想的最大吞吐

6、量，但是對于用戶之間體現(xiàn)了服務的最不公平性，可能有部分用戶一直得不到滿 意的服務。實現(xiàn)方法簡單。-基于時間的輪循（Round Robin，RR）方式：每個用戶按順序被服務，得到同 樣的平均分配時間，但每個用戶由于所處環(huán)境不同，得到的流量并不一致。用戶 間的公平性高，但系統(tǒng)吞吐量最低。實現(xiàn)方法簡單。正比公平的（Proportional Fair）方式：綜合了以上方式的優(yōu)點，給予當前 信道條件逐步變好的用戶以比較高的優(yōu)先級，既照顧到大部分用戶的滿意度，也 能從一定程度上保證比較高的系統(tǒng)吞吐量，是一種實用的調度方法。實現(xiàn)部分公 平有很多算法，一般需要考慮到下行信道質量、用戶緩沖隊列長度、用戶平均調

7、度時間等諸多參量。實現(xiàn)方法復雜。HSDPA分組調度功能實現(xiàn)HSDPA的分組調度功能在Node B中實現(xiàn)，主要機制如下：Node B中的每一塊基帶處理單元（BBU）都配置了 MAC-hs調度功能，為該 BBU板控制的所有HSDPA小區(qū)服務。即:MAC-hs將為所有UE ID與Priority Queue ID的組合或者UE ID與H-ARQ Process ID的組合（簡稱為“元素”）生成一個 調度列表。然后TFRC考慮UE服務小區(qū)的可用HS-DSCH資源，來為這些元素分配 無線資源。一旦選好了 TFRC，MAC-hs就將MAC-d PDU （一個或多個）組裝進一 塊MAC-hs PDU中，完成

8、調度列表更新，然后開始下一次調度?？傮w流程如圖1 所示。調度列表生成（SLG）每TTI （2ms ）運行一次，選擇在下一個TTI中要調度 的UE。根據(jù)調度算法對每個UE及其相關的數(shù)據(jù)流排序，每個入口都是UE ID和 Priority Queue ID （初次傳送）或者UE ID和H-ARQ ID （重傳）的組合，如圖 1所示。對于每個元素，都會分配一個優(yōu)先級。具有最高優(yōu)先級的元素將被首先調度， 然后是次高優(yōu)先級的元素，依次類推。通過對輸入?yún)?shù)使用不同的權重因子集， 可調整調度算法。生成調度列表需要輸入優(yōu)先級、CQI、調度周期、數(shù)據(jù)流優(yōu)先級等參數(shù)SLG 的策略是給予重傳MAC-hs PDU相比新

9、傳MAC-hs PDU更高的權限。首先要決定一臺UE是否可在一個特定的TTI中被調度。如果滿足以下條件， MAC-hs將調度一臺UE：（1）自從該UE上一次被調度的TTI算起的時間等于或者長于“effective inter TTI interval”（如果“effective inter TTI interval”等于 1，則一臺 UE 可以在每個TTI內被調度）。（2）從該UE中仍能夠接收到有效的CQI。否則將把UE從此次TTI中的調度列表中排除。SL元素的優(yōu)先級計算分為2個部分：（1）重傳MAC-hs PDU的優(yōu)先級計算重傳優(yōu)先級基于接收到的CQI變化值以及T1剩余時間（the time

10、 before T1 elapse）的組合來決定：Retransmission二 f（ CQI variation, time before T1 timer elapse）。如果在CQI變化值中應用一個高值的因子，重傳的可能性就高，因為無線條 件改善了 CQI變化值定義為當前CQI與該傳輸塊初次傳送時CQI值之間的差值； 如果在T1剩余時間上應用一個高值的因子，在達到最大重傳次數(shù)（一般是4次） 之前丟棄MAC-hs PDU的可能性就小了。UE和與MAC-hs PDU重傳相關的H-ARQ進程將根據(jù)重傳的調度優(yōu)先級來排序， 優(yōu)先級高的UE調度的可能性高。算法樣本舉例如下：SP_Ret= Retr

11、ansmissionPrioOffset + （Absolute CQI - initial transmission CQI ）/30XHSDPA.CQIVariation.Factor + HSDPA.TimerT1.Factor/time before T1 elapsesT1 timer：控制MAC-hs PDU在HARQ Process的生存時間，當相關的T1 timer 過期時，MAC-hs PDU會被丟棄。CQI variation :重傳CQI與初次傳送的CQI之間的變化值。預期結果：如果同前一次調度事件相比無線條件改善，CQI variation會得到較高的權 重，從而在重傳

12、中獲得高的優(yōu)先級。如果 HARQ buffer 中的 MAC-PDU 即將被丟棄的話，time before T1 elapses 會獲得較高的權重，獲得較高的優(yōu)先級。權重因子取值舉例如下：權重因子以百分比的形式表示出來，范圍從0到100,這些因子之和等于100。新傳MAC-hs PDU的優(yōu)先級計算新傳MAC-hs PDU的調度優(yōu)先級基于如下參數(shù)：New Transmission二f (Normalized Delta Time AbsCQI、RelCQI、Buffer Time Scheduling Priority Indicator)標準差時間(Normalized Delta Time

13、)是從上次調度事件之后過去的時 間(以TTI來計算)，再除以優(yōu)先級隊列的數(shù)量。時間越長，優(yōu)先級越高。絕對CQI(AbsCQI)，也就是UE上報的當前CQI值。相關CQI值(RelCQI)，也就是絕對CQI與平均CQI之間的差值。值越高， 優(yōu)先級越高。緩存時間(Buffer Time)是自從接收到數(shù)據(jù)的時間，與丟棄計時器 (Discard Timer)有關。BT距離丟棄計時器截止時間近的(UE，Priority Queue)會比其他BT值較小的元素有更高的優(yōu)先級。(注：Discard timer:控制 MAC-d PDU 在 Priority Queue 中的生存時間， 由優(yōu)先級隊列處理器來計算

14、。對于一個HS-DSCH幀中每一塊來自RNC的MAC-d PDU，都會分配一個新的discard timer。)相關隊列的調度優(yōu)先級指示(Scheduling Priority Indicator):提高 SPI將增加在一個TTI內調度的可能性，可使操作員引入對用戶的分類(舉例： SPI 4：“金牌用戶”；2：“銀牌用戶”；1：“銅牌用戶”。)(注：在Iub接口，每條MAC-d數(shù)據(jù)流都有一個優(yōu)先級隊列；在Iub/Iur HS-DSCH 幀協(xié)議中，會使用 Common Channel Priority Indicator (Cm-CH PI) 來標識數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級，范圍從0到15, 0的優(yōu)先級最低

15、，15的優(yōu)先級最高。在 NBAP協(xié)議中使用與Cm-CH PI相同值的SPI，輸入到調度算法。)算法樣本舉例如下：SP=initialTransmissionPrioOffset + (Absolute CQI /3)XHSDPA.AbsCQIFactor+(Relative CQI/3)XHSDPA.RelCQI.Factor + Normalized Delta timeXHSDPA. DeltaTime.FactorXBX(1 +(HSDPA.SPI.FactorX(SPIT) /50) + BTXHSDPA.BT.Factor權重因子對調度算法有重要的影響，通過修改這些因子，可得到不同的

16、算法 類型?？紤]HSDPA的3大類分組調度算法，我們有如下預期結果：所有的權重因子設為0 (或者除了 HSDPA.DeltaTime.Factor以外的因子)以達到Round Robin調度。給予Absolute CQI較高的權重因子，將得到Max C/I調度。高小區(qū)吞吐量， 但是公平性降低。給予Relative CQI較高的權重因子，將兼顧吞吐量和公平性，實現(xiàn)PF調 度。優(yōu)先級高的元素首先被調度；在優(yōu)先級相同的情況下，則未被調度時間最長 的元素被首先服務。HSDPA調度算法驗證在以上理論研究的基礎上，在實驗室中我們進行了測試，來驗證調度算法的 實際表現(xiàn)。簡單描述如下：測試步驟在Max C/I

17、、RR和PF 3種不同算法下分別進行(2)(4)的操作。將4個2Mbit/s業(yè)務的UE接入到R5 HSDPA小區(qū)，小區(qū)分配一條HS-SCCH 信道。4個UE均啟動FTP下傳，同時啟動4個UE的log記錄，記錄1min后結束。統(tǒng)計各個UE的調度次數(shù)，并記錄每個UE的平均速率。測試結果及分析3種不同算法下總吞吐量&調度次數(shù)最大最小差結果如下：總吞吐量：Max C/I PF RR調度次數(shù)最大最小差：Max C/I PF RR我們不難看出測試結果與3種調度算法的理論描述及預期是非常吻合的。在 實際網(wǎng)絡中，我們可以通過參數(shù)調整來達到不同的調度目的，優(yōu)化網(wǎng)絡。通過以上HSDPA分組調度算法和調度過程的扼要分析，我們已能夠比較清楚 地了解HSDPA分組調度功能。近年來，HSDPA的分組調度算法越來越被關注，研 究人員也提出了許多新的算法和設想，比如自適應比例