基于业务测量的LTE调度机制RadioCommunication
基于业务测量的LTE调度机制
LTESchedulingAlgorithmBasedonServiceMeasure
肖清华（华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州310014）
XiaoQinghua（HuaxinConsultingCo.，Ltd.，Hangzhou310014，China）
摘要：关键词：
LTE；资源块；时延；带宽；调度
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2019.05.010中图分类号：TN929.5文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2019）05-0043-04
基于实时业务对时延敏感的差异化特征，提出了业务时延评估模型。基于用户申请业务的流程，结合业务阻塞率和与业务抵达概率，提出了业务测量模型。结合时延评估与业务测量模型，提出了能够综合考虑时延与带宽占用的LTE调度算法SMSA。对于时延大和信道条件不好的用户，可以通过加权因子来提升其调度优先级，而对于系统负荷增加、业务较少的用户，则可以通过减少其因子权重来降低其调度优先级。最后采用Matlab对SMSA算法进行了仿真验证。结果表明，无论是系统吞吐量还是公平性在所列举的算法中都有一定优越性。
Abstract：
Basedonthediversecharacteristicsofreal-timeservices，itproposesaservicedelayassessmentmodel.Basedonthepro-cessofusers’applyingservices，itproposesaservicemeasurementmodelcombiningwiththeservicesblockingratesandtheirarrivingprobabilities.Accordingtoabovetwomodels，itgivesausefulLTEschedulingalgorithmnamedSMSA（ServiceMeasurebasedSchedulingAlgorithm）.Foruserswithhighdelayandbadchannelcondition，SMSAwillenlargetheirschedul-ingproprietiesviatheWF（weightingfactor）.Meanwhile，foruserswithincreasedsystemloadandlessservice，SMSAwilldecreaseWFtoguaranteetheschedulingfairness.Atlast，theSMSAalgorithmissimulatedbyMatlab，andtheresultsshowthatwhetherthesystemthroughputortheschedulingfairness，SMSAhastherelativelybetterperformance.
Keywords：
LTE；Resourceblock；Delay；Throughput；Schedule
引用格式：肖清华.基于业务测量的LTE调度机制［J］.邮电设计技术，2019（5）：43-46.
0前言
移动互联网的蓬勃发展使得LTE［1-2］作为一种能
［3］够保证多业务服务质量（QoS）及用户公平性的无线
LTE系统中显得至关重要。而调度的业务包括非实时如E-mail，后者如VoLTE［4］、视频业务［5］等。实时业务在丢包率、系统吞吐量和业务时延上要求更高，也是
业务和实时业务，非实时业务对调度的敏感性不高，
宽带通信技术，得到越来越广泛应用。为提高系统资源利用率，LTE采取共享信道机制，需要根据快速变化的传播环境、外界干扰以及系统负荷等因素，及时动态地在用户之间分配物理资源。因此，调度机制在——————————
收稿日期：2019-03-20
用户更关注的一类业务。因此，本文也以实时业务为目标，结合客户感知和系统资源2个方面综合地考虑其调度机制。
目前最常用的调度算法有最大速率算法、轮询RR算法、比例公平PF算法和最短作业优先SJF算法等［6-7］，它们并没有对业务进行区分，也没有从客户感
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RadioCommunication无线通信
肖清华
基于业务测量的LTE调度机制
知的角度对算法进行评估。吴大鹏等人［8］提出了一种排队延迟感知的layLTE调度机制（QDA——QueuingDe⁃并发的多业务，Aware），但它只是简单地顾及单业务，此外，对系统的影响，如资源负荷等未并没有考虑提及。与此类似，文献［5］也是对视频业务在调度过程中的HOL（HeadofLine）延迟进行判定，并动态地调整队列的优先级。所不同的是，考虑了分组丢失的数量，但也只是短期内提升了调度的公平性。杨俊蓉等［9］对Bell实验室的M-LWDF可变最大加强时延优先调度算法进行了改进，不仅考虑了用户的信道条件，还增加了对时延和速率变化的反应敏感度，是LTE调度算法优化的一个方向。类似的修正还有王鹏等人
［10］
，通过优先级的二次计算来提高资源块的利用
率，并引入补偿因子来弥补由此产生的实时业务性能下降，代价是复杂度有所提高。实际上，除了考虑LTE调度实时业务的时延敏感外，更多地把多业务质量保障、系统资源占用率及对带宽的影响纳入进来是整个调度机制优化的重点与方向［11-17］。
为此，本文提出一个基于业务测量的LTE公平性调ing度算法（SMSA——ServiceMeasurebasedSchedul⁃排队时延与接入带宽。
Algorithm），能够扬长避短，同时兼顾实时业务的1SMSA模型
1.1调度机制
RBLTE资源分配的基本单位定义为RB上包含连续的在时域上包含12个子载波。调度器每隔一个6或7个连续的OFDM符号，资源块，一个
TTI在频域调度一次，每个TTI时间长度为1ms，在每个TTI内，根据信
道指示等外部信息，依据不同的调度算法，计算出每个用户用于发送每个业务的RB资源块。1.2时延评估
信噪比等外界因素的影响将会导致SMSA调度队列长度变长，从而使得信道条件差的用户迟迟得不到调度，造成“挨饿”的现象，需要及时提升其调度优先级。
对用户i申请的多业务{j=1，2，⋯，M}，假设每类业
务在队列中等待时间分别为{TW业务所能允许的最大时延分别为1，TW{TM2，⋯，TWM}，该类则对每一类业务，定义时延权重：
1，TM2，⋯，TMM}，
Wij=e
(TWTMijij
-1)
（1）
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式中：
e(∙)——以e为底的指数函数
TWij——用户i所申请的业务j的等待时间TMij——用户i所申请的业务j的最大时延
对于用户i的多类业务，对时延的综合权重定义
如下：
WM
(TWdi=∏Wik=∏M
e
TMikik
-1)
（2）
k=1
k=1
1.3业务测量
时延评估只是简单地考虑了实时多业务对时延的影响，但对用户申请业务的到达率、申请成功率，以及对系统资源占用的影响丝毫没有顾及。
对用户i申请业务j的概率定义如下：ρsij式中：
=ρar_ij×(1-αij)×ρap_ij
（3）
ρar_ij——用户i申请业务j的到达概率αij——用户i申请业务j的阻塞率ρap_ij——用户i申请业务j的申请概率
在t时刻的概率定义如下：ρsijtt（4）接着，计算：=ρar_ij×(1-αijt)×ρap_ijt
ρtij=β×ρsijt+(1-β)×ρtij
-1
（5）
式中：
β——加权因子
ρtij-1
——预估的用户i申请业务j在t-1时刻的业
务到达率
结合式（4）与（5）可得：
ρtij=β×ρsijt+(1-β)×ρtij-1
=β×ρar_ijt(1-α+(1-β)×ρ×
ijt
)ij
1
需要根据业务申请概率的大小，×ρ
ap_ij
t
t-对业务占用带宽(6)
进行适时地修正。
假设THij表示申请业务j所占用的带宽，计算如下：式中：THij=NPRBij×BW
（7）
量
NPRBij——用户i申请业务j占用的物理资源块数
BW在式—（—每个物理资源块的占用带宽，7）的基础上，计算t时刻的单位业务概率带
即180kHz
宽：
再根据式（8）综合考虑用户THijt=ρt
ij×THij
（8）
i申请的多业务对整个LTE系统占用的资源带宽：
THit
=∑M
THikt
=∑M
k=1(ρt
×THM
ik
ikk=1
)=k=1
(β×ρ
×(1-α∑{NPRBik×BW×
ar_ik
t
ikt
类似地，给出带宽评估模型：
)×ρap_ikt+(1-β)×ρ
tik
-1
)}（9）
W(
1)
si=e
THTHit
ri-（10）
式中：
THri——LTE系统给用户i分配的最大带宽
2调度算法
时，综合考虑了对系统带宽占用的影响。SMSA调度算法在对单业务时延进行评估的同设定加权因子γ，计算第n个TTI时用户i的调度
优先级为：
Wi=γ×Wdi+(1-γ)×Wsi=
γ×∏
MTMikik
-1
)k=1
e
(TW+(1-γ)×e(THTHi
t
ri
-1
)(11)
过调节权重因子SMSA把Wi作为当前用户i的优先级进行调度，通
γ，不仅能够满足当前用户各业务的时延需求，也顾及了多业务对系统资源占用的影响，保障了各用户之间的公平性和服务质量：子γ。a）当用户感知降低，时延增大时，可增大权重因小γ。
b）当系统负荷增加，资源占用紧张时，可适当减时通过增大c）对于申请单业务或业务种类较少的用户，γ因子实现倾斜。可适增大dγ）如果用户只申请。
VoLTE或视频业务，也可适时大γ来保障其服务质量。
e）用户信道条件不好，信噪比较差，也可通过增
3仿真
3.1仿真环境
本文采用Matlab对SMSA算法进行仿真，具体参数如表1所示。3.2仿真结果与分析
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RadioCommunication
表1仿真参数
名称
取值小区半径/km带宽/MHzTTI/ms201帧结构业务阻塞率FDD1用户速度（/km/h）0.027业务最大允许时延/ms3用户数/个噪声系数
10~3020功率谱密度（/dBm/Hz）RB资源块带宽（kHz-1742.5调度算法
）RR/SJF/SMSA/QDA1803.2.1系统吞吐量
对在运动过程中不同数量的终端进行不同调度算法的仿真，小区总吞吐量的对比显示如图1所示。
4342RRSJFSMSA算法/QDA算法算法算法s）41tibM40量（/吐39吞38373635341012141618202224262830用户数图1系统吞吐量
给予合适的γ因子，SMSA会在业务时延与系统带宽之间折中考虑。在当前的仿真中，随着用户数量的增加，SMSA吞吐量增长的幅度小于SJF与QDA，表示算法本身在均衡时延与带宽指标。3.2.2丢包率统计
对3种调度算法在调度过程中产生的丢包数量及丢包率进行统计，结果如图2所示。
户，对于信道条件不好的多业务，SMSA更倾向于调度占用带宽和业务时延小的用
如果占用带宽高，虽然可以通过加权因子调节，但总体上丢包率会上升，
但上升到一定阶段后，上升的幅度会减小。
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基于业务测量的LTE调度机制
0.420.40RRSJFSMSA算法
%/率0.38QDA算法算法
算法包丢0.360.340.32
0.30
1012141618
用户数
202224262830
图2丢包率
3.2.3公平性
图3给出了公平性仿真结果。毫无疑问，RR的公平性仍然是所有算法中最高的，这是由其准则决定的，而SJF根本没考虑公平性，其公平性是最低的。SMSA的优越性。但总体来说，通过调节时延与带宽的加权因子，随着调度用户的增加，保持对QDA所有算法的公平性均在降低。
1.0
0.9性0.8平公0.7RRSJFSMSA算法
QDA算法0.6算法
算法0.50.410
12
14
16
用户数量
18
20
22
24
26
28
30
图3公平性
4结束语
用户调度属于无线资源管理中的一种，能够对LTE利用有限的无线资源为网络用户提供尽可能好的业的空口资源进行规划和合理利用，其主要目的是务质量保证，在无线信道状态变化时灵活地分配RB资源，从而提高频谱利用率。本文从实时业务对时延的敏感性出发，兼顾业务对系统带宽的占用，提出了
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一种新的LTE调度算法，能够比较均衡地调整多业务
用户的调度优先级，从而保证业务的服务质量和客户感知。参考文献：
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作者简介：肖清华，毕业于浙江大学，华信咨询设计研究院有限公司网研院副院长，教授级高工，博士，主要从事无线网络规划与设计相关工作。丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆
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