基于QoS付费业务的LTE下行跨层分组调度算法

王 辉，王 璨，张功国

（1.重庆信科设计有限公司，重庆 401121;2.重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065）

基于QoS付费业务的LTE下行跨层分组调度算法

王 辉1，王 璨2，张功国1

（1.重庆信科设计有限公司，重庆 401121;2.重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065）

通过对LTE下行跨层分组调度各种算法的研究分析，从时延、丢包率、吞吐量和公平性等因素入手，在原有的比例公平性调度算法（PF）上进行改进，加入了补偿因子和付费权重值，使得改进型跨层调度算法，在吞吐量有一定提高的情况下，有效地降低了高优先级业务的丢包率和时延，并确保了高优先级业务的公平性。

LTE;QoS业务;调度算法

【本文献信息】王辉，王璨，张功国.基于QoS付费业务的LTE下行跨层分组调度算法［J］.电视技术，2013，37（3）.

随着LTE技术的成熟，准4G网络商用的到来，更多的用户将抢先使用LTE所带来的快速网络QoS业务。那时，系统将会出现拥塞、丢包、时延和公平性被破坏等一系列现象，针对这些现象国内外许多文献采用或者改进了已有的比例公平算法（PF），但仍存在不足［1－5］:如提高频谱效率，其对公平性的考虑不够;考虑了信道的质量，确保系统吞吐量的要求，也将公平性与业务时延要求相结合，对PRB进行动态调度，还保证了用户使用资源的公平性，但是对网络商用付费后，系统改变用户的优先级考虑不足;降低了实时用户的丢比特率，但是影响了整个系统的吞吐量和非实时业务的公平性;保证付费用户相应业务的各项QoS质量得以提高，也可以更好地适应QoS业务多样性的特征，但是对各业务信道覆盖差异的因素考虑不足。针对以上不足之处，本文提出了一种按照用户付费情况确定用户业务优先级的PF算法。

1 系统模型

如图1所示的跨层调度结构，eNB端控制物理资源块（PRB）的调度，高层分组数据到达MAC层UE的缓存器中，MAC层通过物理层反馈信道状态信息、用户的缓存队列信息和用户的QoS限制等要求，选择最合理的调度分配方式，物理层为该用户进行资源块和功率的分配。此时，混合类业务的分组数据在物理层以PRB形式从eNB端发送到UE端。

图1 跨层调度结构

2 信道模型

本文是以先到先服务原则，如图2中所示，假设以LTE扇区为背景，下行系统的总带宽为B，子载波间隔为Δf，有K个用户均匀分布在单蜂窝中，总共有N个资源块等待分配。在用户QoS保证下针对混合型业务数据，eNB分配不同的资源块（PRB）给不同的用户，并且每个RB只能分配给一个用户，每个用户能够分配到多个RB。

2.1 队列长度

假设队列最大长度为Qmax，一个包的长度为L，用户缓存队列在t时刻有Qk（t）等待发送，而用户k在时间间隔Ts内基站的服务速率为RQoS。同时上层又发来Ak（t）个分组到达用户缓存中，在t+1时刻用户k的队列数为

图2 跨层资源分配模型

2.2 传输速率

由香农公式得到业务的瞬时传输速率

式中:B表示信道带宽，k代表用户，m代表子载波。

假设上层分组数据到达率服从参数为λ的泊松分布，得到

式中:E{AK（t）}为期望。则

BER代表AMC原理中目标误码率，νkm代表瞬时SINR，满足

式中:Pk为基站总的发射功率;βkm代表分配所得到的子载波比例;NK为高斯白噪声的功率密度;hkm代表信道增益。这两个指标都是从物理层反馈得到。

队列的时间窗为TW，各个队列的平均速率R（t）是根据指数平滑的思想得到业务平均调度的速率，在t+1时刻有业务调度的平均速率为

另一种情况下，没有业务调度的平均速率为

2.3 信道选择

信道质量的好坏，可以决定分配业务的数据包长度。将信道质量不高的频段，尽量分配给数据包长度较小的业务队列;而将信道质量高的频段，留给数据包长度较大的业务。

2.4 调度优先级模型

传统的PF调度算法的优先级可表示为

式中:GPF表示业务的瞬时速率比上平均速率，然后根据优先级给用户分配PRB，使得每个用户分配得到一个或者多个PRB。如今的调度算法都是在此基础上加以改进，出现了很多关于多业务公平性的调度算法。

3 调度模型的改进

由于LTE业务的多样性，不同业务对QoS要求不同，尤其是在进入商用后，大量用户涌入，运营商为了区别用户使用业务的优先级，实现付费业务后，理应让付费高的用户享有更高优先级，相对地提高其公平性。

在此基础之上，对传统的PF算法模型，考虑在优先级中加入时延、丢包率和信道质量因素，按照之前的情况，分配给它们合理的优先级权重值。因此传统PF算法修改为

式中:增加的函数exp（a×PC+b×DC+cγ）为一个连续的非负的凸函数;a，b，c，d表示收费后业务优先级资源调度的权重值;PC表示的是丢包率，当业务队列到达的包长L加上当前的包长超过了最大包长Qmax就发生丢包现象，而数据包的到达服从参数为λ的泊松分布，得到

式中:Qk（t）表示当前数据包队长;Qmax表示最长数据包队长。

DC表示队列平均时延，由Little公式得到

式中:E（Q）表示队列状态均值;λ表示业务的到达速率。由此，可以得到

在同一业务优先级高的情况下，信道质量较差的用户就应该跟信道质量好的用户有一样的吞吐量才能保证其公平性。式（10）中，γ为补偿因子，对吞吐量大的用户分流，对吞吐量小的用户补偿。其式为

若Φmax≠0，在Ts内用户接收的流量计算如下

式中:Φ表示用户流量，即为服务速率。

4 仿真分析

本文仿真参数设定如表1所示。

表1 仿真系统环境参数

通过MATLAB对新算法的仿真验证，利用两种不同优先级业务的新算法和传统业务PF算法进行对比，并把队列1的优先级设为最高，其次为队列2，最低为PF算法的队列3。仿真后得到图3。

图3 丢包率仿真图

如图3表示不同优先级业务的平均丢包率。由图可知，在传统的PF算法中，传统业务的丢包率随着时间的变化趋近于一个定值，而在本文所提的新算法中，具有相同信道质量的用户优先级低的业务与传统PF算法的丢包率一致，也满足最低要求。而在本文所提算法中优先级高的用户丢包率明显降低。

由图4可知，具有用户付费优先级高的队列1在开始阶段远远高于另外两种业务，然而系统运行一段时间后，当数据业务过多时，3种业务数据吞吐量几乎一致，但都能保证满足各自的要求。

图4 队列相对平均吞吐量

由图5可知，付费优先级高的队列1时延为最小，而其他两种队列2由于优先级低和队列3数据传输的算法的不同，使其时延高于队列1。

图5 队列时延

5 结论

本文提出了一种针对LTE系统付费优先级QoS业务跨层调度分组传输算法。该算法通过仿真验证表明，在保证了其公平性的情况下，吞吐量略有提高，并有效降低了付费业务的丢包率和时延。从仿真结果来看，该算法具有一定的实用性，适合在LTE系统中商用。

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［1］刘金波.基于QoS保证的多用户OFDM系统跨层资源分配［J］.信息技术，2011（5）:53－59.

［2］郑华晋，刘晓林.基于QoS的LTE下行分组调度算法［J］.计算机工程，2012（1）:289－291.

［3］钱耘之，任参军，唐苏文，等.基于多业务QoS的LTE下行资源分配算法［J］.通信技术，2010（4）:190－192.

［4］李校林，付澍，胡楠.一种基于LTE业务特征的调度算法切换系统［J］.电讯技术，2011（3）:93－98.

［5］BAI Bo，CAO Zhigang.QoS guaranteed cross－layer multiple traffic scheduling in TDM－OFDMA wireless network［C］//Proc.IEEE International Conference on Communications.［S.l.］:IEEE Press，2008:2895－2900.

［6］LI Peng，CHANG Yilin，FENG Nina，et al.A cross－layer algorithm of packet scheduling andresource allocation for multi－user wireless video transmission［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2011，57（3）:1128－1134.

张功国（1979— ），硕士，工程师，主要从事无线移动通信网络的研究。

LTE Downlink Cross－layer Packet Scheduling Algorithm Based on QoS Paid Business

WANG Hui1，WANG Can2，ZHANG Gongguo1

（1.Chongqing Information Technology Designing Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China;2.Institute of the Applications of Advanced Telecommunications Technology，CUPT，Chongqing 400065，China）

By researching various algorithm of the LTE downside of scheduling，from the delay，packet loss rate，throughput and fairness of factors，the Proportion Fairness（PF）scheduling algorithm in the original algorithm is improved，the compensation factor and paid weights are added，making cross layer scheduling algorithm improved，it can improve the throughput，effectively reduce the high priority business lost package rate and the time delay，and ensure the high priority the fairness of the business.

LTE;QoS business;scheduling algorithm

TN949.6

B

王 辉（1980— ），工程师，主要从事无线移动通信网络的研究;

王 璨（1986— ），硕士生，主要研究方向为LTE移动通信的信令分析和算法研究;

责任编辑:许 盈

2012－07－27