HSDPA中继系统全局公平性调度方案

丁晓贵，刘桂江

(安庆师范学院计算机与信息学院，安徽安庆 246011)

HSDPA(高速下行分组接入)作为3.5G的移动通信协议之一，在下行链路中提供分组数据业务，在5 MB的带宽上可提供 10 Mbit·s－1峰值速率［1］。中继作为LTE系统中的核心技术，可以提高系统的吞吐率和覆盖率［2］。引入中继后HSDPA系统如何调度，保证基站用户和中继用户内部的公平性，达到全局公平性调度，是本文研究的方向。

目前，在LTE －A 系统［3－4］中，主要定义了两类中继。第一类中继能够单独发导频，同步信道和控制信道，并具有独立调度的能力。因此，从用户端观察第一类中继完全等效于基站，但从中继端观察，中继从核心网获得数据必须通过基站。第二类中继由于没有自己的控制信道，因此第二类中继只能增强基站的信号而并不具有独立调度的能力。第二类中继由于不发导频，因此对中继到用户的信道难以估计。虽然PF算法［5］可以在吞吐率和公平性之间获得折中，但只能保证基站用户和中继用户内部的公平性，并不能保证基站用户和中继用户之间的公平性。

1 系统模型

文中采用较常用的小区结构和中继部署场景—7小区21扇区的系统模型［6］，网络拓扑结构如图1所示。系统中链路分为直传链路、中继回程链路和中继用户接入链路［7］。考虑双载波的载波分配方案，载波分配如图2所示，基站采用载波1为中继服务，中继采用载波2为中继用户服务，而基站用户可以同时接收来自于基站的载波1和载波2。在调度的过程中，基站首先在载波1上调度基站用户和中继，然后在载波2上调度基站用户;而中继在载波2上调度中继用户。

图1 网络拓扑结构

图2 载波分配方案

2 全局公平性调度方案

PF［8］调度算法能够在系统吞吐率和公平性［9］之间取得较好的折中，但当中继引入HSDPA系统后，中继链路和直传链路同时存在，PF调度算法不能直接用于该中继网络。而两跳比例公平算法［10］(THPF)可以保证中继用户和基站用户内部的公平性，难以保证两者之间的公平性。因此，需要进一步优化比例公平算法，并通过设计调度优先权来保证基站用户和中继用户之间的公平性。

2.1 全局公平性调度算法

在不改变基站用户和中继用户内部的公平性的情况下，最大化系统的公平性。为此，先根据文献［5］给出公平性因子的计算方法

其中，R表示各用户的平均吞吐率;N表示系统中的总用户数。

假设一个扇区内共有K个中继，N个用户，其中归属于基站的有N0个用户，归属于第i个中继的有Ni个用户，且不妨假设基站所有资源都用于基站用户时，基站用户采用 PF 调度，其吞吐率分别为 R0，1，R0，2，…，R0，N0;若基站所有资源均给第i个中继回程链路使用时，中继用户采用 PF 调度，其吞吐率分别为 Ri，1，Ri，2，…，Ri，Ni。现假设基站所有资源中的a0比例给基站用户使用，ai比例给第i个中继回程链路使用，其中0＜ai＜1，i=0，1，…，K，则整个系统的公平性因子

因而问题就转为如下一个优化的问题

采用拉格朗日乘子法，得到

由于所有中继用户和基站用户都是采用PF调度，因此可以合理假设所有基站用户和中继用户内部公平性因子相等，从而只要当式(6)成立时，系统的公平性就能达到次优

2.2 调度优先权设计

由于HSDPA系统中不同的MCS等级所占用的功率资源和码资源不同，为了提高公平性，将用户的瞬时传输率与所占码资源进行归一化。对于中继引入优先级修正因子来对其优先级进行修正，调度算法的优先级如下:

对于直连用户

其中，Cd－user，i表示直连用户 i瞬时传输率;Sd－user，i(t)表示直连用户i瞬时占用的码道数，Rd－user，i(t)表示直连用户i的平均传输率。

对于中继

其中，C realy，i(t)表示中继 i瞬时传输率;S realy，i(t)表示中继i瞬时占用的码道数;R realy，i(t)表示中继i的平均传输率;H realy，i(t)表示中继i的优先级修正因子，更新如式(7)所示。

对于中继用户

其中，Cri－user，j(t)表示中继 i到该中继下的用户 j的瞬时传输率;Sri－user，j(t)表示中继i到该中继下的用户 j瞬时占用的码道数;Rri－user，j(t)表示中继i到该中继下用户j的平均传输率。

2.3 算法具体步骤

(1)基站端调度。初始化待重传的直连用户和中继，并给其分配码资源;在载波1上计算直连用户和中继的优先级，并按优先级从高到低对载波1码资源进行分配，直到所有码资源分配完为止;在载波2上计算直连用户的优先级，并按优先级从高到低对载波2码资源进行分配，直到所有码资源分配完为止。更新平均吞吐率，具体更新方法如下

其中，S表示调度到的直连用户或中继集合。

(2)中继端调度。初始化待重传的中继用户，并给其分配码资源;在载波2上计算中继用户优先级，并按优先级从高到低对中继载波2的码资源进行分配，直到所有码资源分配完为止;采用式(11)更新中继用户平均吞吐率。

3 仿真分析

通过Matlab对提出的基于全局公平性的两层PF调度算法(BF－THPF)进行仿真，并与一般的两层PF调度算法(THPF)和没有中继的场景(w/o relay)进行了比较。具体仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

图3比较了3种情况下的公平性，从图中可以看出，基于公平性的两层PF调度算法和没有中继的场景公平性基本一致，而一般的两层PF调度算法公平性相对较差。

图3 公平性因子

图4和图5分别给出了用户吞吐率CDF曲线和用户平均吞吐率曲线。由于一般的两层PF调度算法没有考虑到中继下的用户数，因此用户吞吐率分布更离散，如图4所示，两层PF调度算法的用户吞吐率分布在高、低的概率较大，而基于公平性的PF调度算法，通过负反馈的形式更新中继优先级的修正因子，考虑到中继下的用户数，因此用户吞吐率更多的集中在中间，这就导致两种算法的用户吞吐率曲线有交叉。如图5所示，有中继场景下的用户平均吞吐率高于没有中继时用户平均吞吐率，且基于公平性的两层PF调度算法的用户平均吞吐率高于一般两层PF调度算法。

4 结束语

对引入中继HSDPA系统调度方案进行了研究。提出了一种基于全局公平性的调度方案，该方案不需要反馈额外的数据就可以保证基站用户和中继用户之间的公平性。通过仿真，验证了该调度方案在系统总吞吐率和系统公平性方面都具有更好的性能。

［1］曾华.HSDPA无线通信系统分组调度算法研究［D］.成都:电子科技大学，2006.

［2］MA Zhangchao，XIANG Wei，LONG Hang，et al.Proportional fair resource partition for LTE－advanced networks with type i relay nodes［C］.London UK:ICC，2011:1 －5.

［3］KANEKO M，POPOVSKI P，HAYASHI K.Through put guaranteed resource－allocation algorithms for relay－aided cellular OFDMA sys － tem［J］.IEEE Trans.Veh.Technol，2009，58(4):1951 －1964.

［4］Microsoft.R1 －084136，Relaying for LTE － Advanced，3GPP RAN WG1#55［M］.Alcatel－ Lucent.

［5］STEFAN SCHWARZ，CHRISTIAN MEHLFUHRER，MARKUS RUPP.Throughput maximinzing multiuser scheduling with adjustable fairness［C］.ICC，2011:1 －5.

［6］CMCC.R1 － 093562，Relay System level simulation，3GPP TSG －RAN WG1#58［M］.USA:CMCC，2009.

［7］XIAOLin，ZHANGTiankui，ZHU Yutao，et al.Two － hop sub channel scheduling and power allocation for fairness in OFDMA relay networks［C］.Australia:ICWMC，2009:267 －271.

［8］ZHOU RUI，HOANG N N，IWAO S.Packet scheduling for cellularnet works with relaying to support user QoS and fairness［C］.USA:WCNC，2007:3899 －3903.

［9］HOSSAM F，CYRIL L.An overview of scheduling algorithms in wireless multimedia networks［J］.IEEE Trance on Wireless Communication，2002:76 －83.

［10］Miyazaki，Japan.Downlink performance evaluation for relay －enhanced celluar systems with PF scheduler［M］.Japan:Miyazaki，2009.