WCDMA系統(tǒng)中的分組調(diào)度策略

肖啟會(huì)


　　1 概要



　　由信息產(chǎn)業(yè)部組織的第三代移動(dòng)通信外場試驗(yàn)測試工作已在8月底結(jié)束。在這次外場測試中大部分系統(tǒng)廠家的基站主要分布在北京、上海、廣州等城市的市中心，覆蓋了密集的高層建筑物、住宅小區(qū)和大街小巷，測試的路線選擇了繁華的街道，這樣使測試環(huán)境更貼近于城市密集環(huán)境和未來的實(shí)際使用環(huán)境，在此環(huán)境下，大部分廠家都取得了優(yōu)異的測試結(jié)果。這樣的測試結(jié)果不僅反映了在此種復(fù)雜環(huán)境下各廠家設(shè)備性能優(yōu)異性與策略的合理性，而且還反映了各廠家設(shè)備的成熟性與穩(wěn)定性。下面將詳細(xì)介紹WCDMA系統(tǒng)中的一種策略算法。



　　WCDMA系統(tǒng)可以同時(shí)支持話音和數(shù)據(jù)，然而，數(shù)據(jù)和語音具有非常不同的特性，語音業(yè)務(wù)具有信息傳遞的低時(shí)延，低速率，上下行對(duì)稱，對(duì)誤碼率要求不高。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有突發(fā)性強(qiáng)，速率高，上下行不對(duì)稱，對(duì)延時(shí)不敏感。利用上述業(yè)務(wù)這種特性，WCDMA系統(tǒng)可以在保證實(shí)時(shí)性的話音業(yè)務(wù)的情況下，對(duì)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行速率控制，讓系統(tǒng)保持在一個(gè)希望的負(fù)荷下良好的工作。



　　1.1 分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)



　　WCDMA系統(tǒng)根據(jù)用戶或應(yīng)用提出的QoS請求，將系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)可以細(xì)分為四類業(yè)務(wù)：會(huì)話業(yè)務(wù)(CS業(yè)務(wù))、流媒體業(yè)務(wù)（CS/PS業(yè)務(wù)）、交互式業(yè)務(wù)（PS管理對(duì)象是0～15）、后臺(tái)管理業(yè)務(wù)（其他一些PS管理對(duì)象），會(huì)話業(yè)務(wù)需要保證信息實(shí)體間的時(shí)間關(guān)系，要求是低時(shí)延，如：話音、可視電話等；流媒體業(yè)務(wù)需要把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能將其作為一個(gè)穩(wěn)定均勻而連續(xù)的流來處理的業(yè)務(wù)，要求保證在一定的時(shí)延范圍內(nèi)，如：VOD等；交互式業(yè)務(wù)是一種典型的數(shù)據(jù)通信機(jī)制，其特征是其采用了終端用戶的請求－響應(yīng)模式，這種業(yè)務(wù)允許一定時(shí)延，如：網(wǎng)頁瀏覽、數(shù)據(jù)庫檢索等；后臺(tái)管理業(yè)務(wù)就是數(shù)據(jù)傳送可以以后臺(tái)方式進(jìn)行，其特征是在一定時(shí)間之內(nèi)目的地并不期待數(shù)據(jù)的到來，對(duì)時(shí)間不敏感，時(shí)延可以是幾秒或幾十秒，甚至更多，如：SMS、數(shù)據(jù)庫下載等。交互式業(yè)務(wù)和后臺(tái)管理業(yè)務(wù)是在實(shí)時(shí)性要求不高的情況下，或者實(shí)時(shí)性要求比較低的情況下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的能力保證一定的傳輸速率和可接受的時(shí)延進(jìn)行通信，這類業(yè)務(wù)就是典型的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。



　　根據(jù)不同應(yīng)用，一個(gè)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)會(huì)話包含一個(gè)或幾個(gè)分組呼叫。一個(gè)分組呼叫過程中可能有幾個(gè)分組產(chǎn)生，從而分組呼叫由一個(gè)分組序列突發(fā)組成。





圖1分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呼叫建立模型



　　假設(shè)分組呼叫建立模型中會(huì)話到達(dá)間隔、會(huì)話持續(xù)時(shí)間、數(shù)據(jù)包呼叫持續(xù)時(shí)間和閱讀時(shí)間是服從指數(shù)分布的，數(shù)據(jù)傳輸塊和數(shù)據(jù)傳輸塊時(shí)間間隔是服從均勻分布。



　　分組調(diào)度就是針對(duì)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上述的特性，對(duì)分組數(shù)據(jù)用戶的業(yè)務(wù)進(jìn)行管理和調(diào)度。它決定何時(shí)發(fā)起分組傳輸及可使用的比特速率。



　　1.2 分組調(diào)度與資源管理的關(guān)系



　　接納控制和分組調(diào)度是緊密相聯(lián)的，接納控制要估計(jì)不可控的實(shí)時(shí)連接產(chǎn)生的負(fù)載的情況，當(dāng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的負(fù)載增多時(shí)，可以減少非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的連接。如果用戶是可視電話連接時(shí)，則接納控制需要估計(jì)可以減少的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的數(shù)量，并決定是否可以通過減少非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)而接納可視電話連接。每一連接都會(huì)規(guī)定連接建立參數(shù)，包括連接中可用的比特速率。接納控制負(fù)責(zé)無線接入承載（RAB）的接納和釋放，而整個(gè)連接過程中只有在有實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)才使用無線資源，其它時(shí)間并不預(yù)留無線資源，而且，每一次的接納控制過程中，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行判斷，從而，觸發(fā)分組調(diào)度的處理。分組調(diào)度（PS）給分組呼叫(有效數(shù)據(jù)發(fā)送)分配合適的無線資源，是以小區(qū)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，支持不對(duì)稱業(yè)務(wù)。上行和下行的負(fù)載變化很大，所以兩個(gè)方向的容量是分開分配的。然而，當(dāng)給一個(gè)方向分配了專用信道后，另一個(gè)方向也需要分配專用信道，即使其中只有一個(gè)方向上有容量需求時(shí)也得如此。此時(shí)，分組調(diào)度器給另一方向分配一條低比特率專用信道，此信道攜帶的信息如下：高層（TCP）的確認(rèn)、數(shù)據(jù)層（RLC）的確認(rèn)、數(shù)據(jù)鏈路層控制和功率控制信息。通常，該低比特率信道稱為“返回信道”。



　　我們將小區(qū)內(nèi)的無線資源分為由實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)承載共享，而且實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)承載的比例變化迅速。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是不能對(duì)其有效控制，由實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)生成的負(fù)載、其他小區(qū)用戶產(chǎn)生的干擾和噪聲統(tǒng)稱為不可控負(fù)載；而由“盡力而為”的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的負(fù)載稱為可控負(fù)載。因此，不能用于不可控負(fù)載的容量可以由非實(shí)時(shí)的無線承載以“盡力而為”方式使用。如圖2所示的可控和不可控業(yè)務(wù)互動(dòng)關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載希望維持在0.8的情況下，當(dāng)不可控業(yè)務(wù)比較小的時(shí)候，可控制業(yè)務(wù)可以“盡力而為”的使用余下的容量（灰色部分的容量）；而當(dāng)不可控業(yè)務(wù)在系統(tǒng)負(fù)載比較大的時(shí)候，可控制業(yè)務(wù)將降低傳輸速率，從而保持系統(tǒng)負(fù)載維持在期望的大小。





圖2 可控和不可控業(yè)務(wù)互動(dòng)關(guān)系



　　分組調(diào)度和負(fù)載控制也是緊密聯(lián)系的，因?yàn)�，分組調(diào)度本身就是負(fù)載控制的一個(gè)重要組成部分。由于分組調(diào)度不能保證非實(shí)時(shí)連接的延遲，非實(shí)時(shí)分組業(yè)務(wù)是可控的。如果實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的負(fù)載升高，分組調(diào)度可以降低非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的負(fù)載。WCDMA小區(qū)中，負(fù)載分配是由無線資源管理功能來實(shí)現(xiàn)的，也就是負(fù)載控制來實(shí)現(xiàn)的，負(fù)載分配原則為：上行和下行鏈路中的總的負(fù)載達(dá)到系統(tǒng)負(fù)載的最佳點(diǎn)。由于干擾及傳播條件的變化，系統(tǒng)負(fù)載最佳點(diǎn)是瞬時(shí)變化的。不論何時(shí)，不論是上行方向還是下行方向的負(fù)載超過了規(guī)定的閾值，就會(huì)產(chǎn)生負(fù)載溢出，此時(shí)，負(fù)載控制開始起作用，直到使系統(tǒng)負(fù)載返回到可接受點(diǎn)為至。



　　2 分組調(diào)度



　　分組調(diào)度將針對(duì)WCDMA系統(tǒng)中的不同信道采用不同的策略，這里我們主要探討下行專用信道分組調(diào)度策略。



　　2.1 下行專用信道分組調(diào)度原則



　　下行專用信道分組調(diào)度的目的是把下行鏈路負(fù)荷維持在正常狀態(tài)下，同時(shí)將分組數(shù)據(jù)的吞吐能力最大化,因此，在超負(fù)荷狀態(tài)下有選擇性的減少PS呼叫的下行鏈路的數(shù)據(jù)速率，使下行鏈路負(fù)荷保持到正常狀態(tài)，在正常狀態(tài)以下增加低速的下行鏈路的數(shù)據(jù)速率，使分組數(shù)據(jù)的吞吐能力最大化。



　　下行專用信道分組調(diào)度實(shí)現(xiàn)方法：首先，決定NRT分組信道的下行鏈路的傳輸優(yōu)先順序；然后，對(duì)NRT分組信道的下行鏈路“最大傳輸TB個(gè)數(shù)”進(jìn)行調(diào)整(根據(jù)“最大傳輸TB個(gè)數(shù)”決定TFSSubset)，如果下行鏈路負(fù)荷維持在正常狀態(tài)以下，則提高傳輸TB個(gè)數(shù)。如果下行鏈路在超負(fù)荷狀態(tài)下，則降低傳輸TB個(gè)數(shù)；最后，在RRC上實(shí)現(xiàn), 把按照優(yōu)先順序決定的各個(gè)分組信道的TFS Subset傳送給MAC。如圖3所示的分組數(shù)據(jù)調(diào)度過程。







　　2.2 下行專用信道分組調(diào)度算法



　　下行專用信道分組調(diào)度的目的是把下行鏈路負(fù)荷維持在正常狀態(tài)下，下行鏈路的負(fù)荷以基站的總的發(fā)送功率為基準(zhǔn)進(jìn)行判斷，然后，進(jìn)行相應(yīng)的速率控制。如圖3所示的分組數(shù)據(jù)調(diào)度過程。因此，基站判斷總的發(fā)送功率必須通過事件來觸發(fā)，有三種事件可以觸發(fā)：功率測量事件、TV測量事件和呼叫產(chǎn)生事件。



　　2.2.1 功率測量



　　PMEASURE作為基站的總發(fā)射功率測量值，是最直接判斷下行鏈路負(fù)荷狀態(tài)的觸發(fā)事件，對(duì)PMEASURE值的測量采用周期性（Periodic）的方式。PESTIMATE作為基站的總發(fā)射功率估算值,在速率控制時(shí)間和PMEASURE的測量時(shí)間不一致時(shí)代替PMEASURE使用，PTOTAL=Latest{PESTIMATE,PMEASURE}=PESTIMATE。當(dāng)測量值或估算值大于系統(tǒng)正常狀態(tài)臨界值(ThPS)時(shí)，分組調(diào)度減少分組數(shù)據(jù)的傳輸塊，從而減少鏈路負(fù)載；當(dāng)測量值或估算值小于系統(tǒng)正常狀態(tài)臨界值(ThPS)時(shí)，分組調(diào)度增加分組數(shù)據(jù)的傳輸塊，從而提高下行鏈路負(fù)載，使其吞吐能力達(dá)到最大。



　　2.2.2 TV測量



　　同時(shí)實(shí)現(xiàn)Periodic及Event-Trigger(4A/4B)方式。



　　Periodic方式和(間隔“X”秒):在超負(fù)荷狀態(tài)下，要以比“X”秒更短的周期進(jìn)行測量報(bào)告.可以對(duì)不同的小區(qū)設(shè)置不同的報(bào)告周期,運(yùn)營商在運(yùn)營過程中可以修改。



　　Event-Trigger方式的實(shí)現(xiàn):當(dāng)下行鏈路總發(fā)送功率在正常狀態(tài)臨界值(ThPS)以下，報(bào)告事件為4b,分組調(diào)度增加分組數(shù)據(jù)的傳輸塊，從而提高下行鏈路負(fù)載，使其吞吐能力達(dá)到最大；當(dāng)下行鏈路總發(fā)送功率在正常狀態(tài)臨界值(ThPS)以上時(shí)，報(bào)告事件4a，分組調(diào)度減少分組數(shù)據(jù)的傳輸塊，從而減少鏈路負(fù)載。



　　2.2.3 呼叫產(chǎn)生



　　屬于不可控制的事件，當(dāng)新呼叫到達(dá)時(shí)，將從CAC模塊接收的△PNEW加上新呼叫達(dá)到前的功率Pold作為基站此時(shí)的總功率PTOTAL值使用�！鱌NEW為估算值（PESTIMATE），為了使PESTIMATE計(jì)算錯(cuò)誤因素最小化，應(yīng)采用在CodePowerMeasurement或CPICH EcNo Measurement兩個(gè)數(shù)據(jù)中最近測量的值進(jìn)行計(jì)算PESTIMATE和調(diào)整速率的分組信道的個(gè)數(shù)最小化



　　2.2.4 速率控制



　　速率控制可分為三個(gè)階段來處理：第1階段是選擇服務(wù)級(jí)別，產(chǎn)生[0, 1]之間的隨機(jī)值(p)，選擇p 值所屬的速率控制的加權(quán)值區(qū)間的服務(wù)級(jí)別，使每個(gè)服務(wù)級(jí)別的加權(quán)值的和為“1”(服務(wù)級(jí)別的加權(quán)值可以根據(jù)運(yùn)營商的要求定義)。第2階段是選擇信道，在已選擇的服務(wù)級(jí)別上選擇滿足如此條件的信道(c)：TBLIMIT(c) 0 and c =argmax{(TBLIMIT(i) - TBQ(i))/TBLIMIT(i)}，若不存在滿足上述條件的信道則回到第1階段重新選擇服務(wù)級(jí)別，若對(duì)所有服務(wù)級(jí)別不存在滿足上述條件的信道則結(jié)束速率控制。第3階段是速率控制，把已選擇的信道 c的傳輸塊（TBLIMIT）進(jìn)行減少或增加。



　　2.3 速率控制實(shí)例



　　假設(shè)系統(tǒng)目前已處于超負(fù)荷狀態(tài)，需要進(jìn)行速率控制。我們先定義如表1所示的服務(wù)級(jí)別（運(yùn)營商可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行定義）。根據(jù)速率控制的原理，首先，產(chǎn)生服務(wù)級(jí)別：







　　生成隨機(jī)值p(0~1)為p= 0.05，對(duì)應(yīng)的服務(wù)級(jí)別 = S1，從表1中可以看出S1級(jí)別沒有用戶連接，因此，重新生成隨機(jī)值 p(0~1)為p = 0.3，對(duì)應(yīng)的服務(wù)級(jí)別 = S3，在屬于S3的UE3 , UE4, UE5中考慮優(yōu)先順序降低被選UE的 TBLIMIT() 。其次，選擇信道：降低滿足如下條件的 PS呼叫的 TBLIMIT：TBLIMIT(c) > 0 and c =argmax{(TBLIMIT(i) - TBQ(i))/TBLIMIT(i)}，用戶傳輸塊的情況如圖4所示，UE3用戶的c=(TBLIMIT(1) - TBQ(1))/TBLIMIT(1) = (4-6) / 4 = -1/2, UE4用戶的c= (TBLIMIT(2) - TBQ(2))/TBLIMIT(2) = (3-3) / 4 = 0，從{-1/2,0}中可知：不能選擇用戶UE3，只能選擇UE4用戶的信道。最后，降低用戶UE4的用戶傳輸塊，從負(fù)荷前的傳輸3個(gè)塊變?yōu)樗俾士刂浦�后傳�?個(gè)塊，降低用戶UE4的功率。這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用戶速率的控制。





圖4UE3、UE4用戶傳輸塊的速率控制過程



　　3 結(jié)論



　　下行專用信道分組調(diào)度的目的是把下行鏈路負(fù)荷維持在正常狀態(tài)下，同時(shí)將分組數(shù)據(jù)的吞吐能力最大化。因此，在下行鏈路的專用信道上，既有可能需要提高用戶的傳輸速率，也有可能需要降低用戶的傳輸速率，這需要根據(jù)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)在下行鏈路所處的負(fù)荷狀態(tài)有關(guān)。



　　為了保證下行鏈路負(fù)荷維持在正常狀態(tài)下，速率控制變得非常重要。如果速率控制的周期越短，下行專用信道分組調(diào)度的性能就越優(yōu)異，系統(tǒng)維持在正常狀態(tài)下的分組數(shù)據(jù)的吞吐能力趨向最大化；如果系統(tǒng)的發(fā)射功率測量的周期越短，系統(tǒng)發(fā)射功率測量值和估算值也就越準(zhǔn)確；如果系統(tǒng)的發(fā)射功率測量值和估算值的誤差越小，速率控制的效果就越佳，下行專用信道分組調(diào)度的性能就越優(yōu)異。因此，要使分組調(diào)度的性能越優(yōu)異，必須對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。


　　
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