WCDMA系統中的分組調度策略

2019-11-03 09:22:50

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肖啟會

　　1 概要

　　由信息產業部組織的第三代移動通信外場試驗測試工作已在8月底結束。在這次外場測試中大部分系統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、住宅小區和大街小巷，測試的路線選擇了繁華的街道，這樣使測試環境更貼近于城市密集環境和未來的實際使用環境，在此環境下，大部分廠家都取得了優異的測試結果。這樣的測試結果不僅反映了在此種復雜環境下各廠家設備性能優異性與策略的合理性，而且還反映了各廠家設備的成熟性與穩定性。下面將詳細介紹WCDMA系統中的一種策略算法。

　　WCDMA系統可以同時支持話音和數據，然而，數據和語音具有非常不同的特性，語音業務具有信息傳遞的低時延，低速率，上下行對稱，對誤碼率要求不高。而數據業務具有突發性強，速率高，上下行不對稱，對延時不敏感。利用上述業務這種特性，WCDMA系統可以在保證實時性的話音業務的情況下，對分組數據業務進行速率控制，讓系統保持在一個希望的負荷下良好的工作。

　　1.1 分組數據業務

　　WCDMA系統根據用戶或應用提出的QoS請求，將系統支持的業務可以細分為四類業務：會話業務(CS業務)、流媒體業務（CS/PS業務）、交互式業務（PS管理對象是0～15）、后臺管理業務（其他一些PS管理對象），會話業務需要保證信息實體間的時間關系，要求是低時延，如：話音、可視電話等；流媒體業務需要把數據轉換成能將其作為一個穩定均勻而連續的流來處理的業務，要求保證在一定的時延范圍內，如：VOD等；交互式業務是一種典型的數據通信機制，其特征是其采用了終端用戶的請求－響應模式，這種業務允許一定時延，如：網頁瀏覽、數據庫檢索等；后臺管理業務就是數據傳送可以以后臺方式進行，其特征是在一定時間之內目的地并不期待數據的到來，對時間不敏感，時延可以是幾秒或幾十秒，甚至更多，如：SMS、數據庫下載等。交互式業務和后臺管理業務是在實時性要求不高的情況下，或者實時性要求比較低的情況下，根據網絡的能力保證一定的傳輸速率和可接受的時延進行通信，這類業務就是典型的分組數據業務。

　　根據不同應用，一個分組數據業務會話包含一個或幾個分組呼叫。一個分組呼叫過程中可能有幾個分組產生，從而分組呼叫由一個分組序列突發組成。

圖1分組數據業務呼叫建立模型

　　假設分組呼叫建立模型中會話到達間隔、會話持續時間、數據包呼叫持續時間和閱讀時間是服從指數分布的，數據傳輸塊和數據傳輸塊時間間隔是服從均勻分布。

　　分組調度就是針對分組數據業務上述的特性，對分組數據用戶的業務進行管理和調度。它決定何時發起分組傳輸及可使用的比特速率。

　　1.2 分組調度與資源管理的關系

　　接納控制和分組調度是緊密相聯的，接納控制要估計不可控的實時連接產生的負載的情況，當實時業務產生的負載增多時，可以減少非實時業務的連接。如果用戶是可視電話連接時，則接納控制需要估計可以減少的非實時業務的數量，并決定是否可以通過減少非實時業務而接納可視電話連接。每一連接都會規定連接建立參數，包括連接中可用的比特速率。接納控制負責無線接入承載（RAB）的接納和釋放，而整個連接過程中只有在有實際數據發送時才使用無線資源，其它時間并不預留無線資源，而且，每一次的接納控制過程中，都會對系統的負載進行判斷，從而，觸發分組調度的處理。分組調度（PS）給分組呼叫(有效數據發送)分配合適的無線資源，是以小區為基礎進行的，支持不對稱業務。上行和下行的負載變化很大，所以兩個方向的容量是分開分配的。然而，當給一個方向分配了專用信道后，另一個方向也需要分配專用信道，即使其中只有一個方向上有容量需求時也得如此。此時，分組調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、數據層（RLC）的確認、數據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”。

　　我們將小區內的無線資源分為由實時業務和非實時業務承載共享，而且實時與非實時承載的比例變化迅速。實時業務的特點是不能對其有效控制，由實時業務生成的負載、其他小區用戶產生的干擾和噪聲統稱為不可控負載；而由“盡力而為”的非實時業務產生的負載稱為可控負載。因此，不能用于不可控負載的容量可以由非實時的無線承載以“盡力而為”方式使用。如圖2所示的可控和不可控業務互動關系。從圖中可以看出，當系統負載希望維持在0.8的情況下，當不可控業務比較小的時候，可控制業務可以“盡力而為”的使用余下的容量（灰色部分的容量）；而當不可控業務在系統負載比較大的時候，可控制業務將降低傳輸速率，從而保持系統負載維持在期望的大小。

圖2 可控和不可控業務互動關系

　　分組調度和負載控制也是緊密聯系的，因為，分組調度本身就是負載控制的一個重要組成部分。由于分組調度不能保證非實時連接的延遲，非實時分組業務是可控的。如果實時業務的負載升高，分組調度可以降低非實時業務的負載。WCDMA小區中，負載分配是由無線資源管理功能來實現的，也就是負載控制來實現的，負載分配原則為：上行和下行鏈路中的總的負載達到系統負載的最佳點。由于干擾及傳播條件的變化，系統負載最佳點是瞬時變化的。不論何時，不論是上行方向還是下行方向的負載超過了規定的閾值，就會產生負載溢出，此時，負載控制開始起作用，直到使系統負載返回到可接受點為至。

　　2 分組調度

　　分組調度將針對WCDMA系統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度策略。

　　2.1 下行專用信道分組調度原則

　　下行專用信道分組調度的目的是把下行鏈路負荷維持在正常狀態下，同時將分組數據的吞吐能力最大化,因此，在超負荷狀態下有選擇性的減少PS呼叫的下行鏈路的數據速率，使下行鏈路負荷保持到正常狀態，在正常狀態以下增加低速的下行鏈路的數據速率，使分組數據的吞吐能力最大化。

　　下行專用信道分組調度實現方法：首先，決定NRT分組信道的下行鏈路的傳輸優先順序；然后，對NRT分組信道的下行鏈路“最大傳輸TB個數”進行調整(根據“最大傳輸TB個數”決定TFSSubset)，如果下行鏈路負荷維持在正常狀態以下，則提高傳輸TB個數。如果下行鏈路在超負荷狀態下，則降低傳輸TB個數；最后，在RRC上實現, 把按照優先順序決定的各個分組信道的TFS Subset傳送給MAC。如圖3所示的分組數據調度過程。

　　2.2 下行專用信道分組調度算法

　　下行專用信道分組調度的目的是把下行鏈路負荷維持在正常狀態下，下行鏈路的負荷以基站的總的發送功率為基準進行判斷，然后，進行相應的速率控制。如圖3所示的分組數據調度過程。因此，基站判斷總的發送功率必須通過事件來觸發，有三種事件可以觸發：功率測量事件、TV測量事件和呼叫產生事件。

　　2.2.1 功率測量

　　PMEASURE作為基站的總發射功率測量值，是最直接判斷下行鏈路負荷狀態的觸發事件，對PMEASURE值的測量采用周期性（Periodic）的方式。PESTIMATE作為基站的總發射功率估算值,在速率控制時間和PMEASURE的測量時間不一致時代替PMEASURE使用，PTOTAL=Latest{PESTIMATE,PMEASURE}=PESTIMATE。當測量值或估算值大于系統正常狀態臨界值(ThPS)時，分組調度減少分組數據的傳輸塊，從而減少鏈路負載；當測量值或估算值小于系統正常狀態臨界值(ThPS)時，分組調度增加分組數據的傳輸塊，從而提高下行鏈路負載，使其吞吐能力達到最大。

　　2.2.2 TV測量

　　同時實現Periodic及Event-Trigger(4A/4B)方式。

　　Periodic方式和(間隔“X”秒):在超負荷狀態下，要以比“X”秒更短的周期進行測量報告.可以對不同的小區設置不同的報告周期,運營商在運營過程中可以修改。

　　Event-Trigger方式的實現:當下行鏈路總發送功率在正常狀態臨界值(ThPS)以下，報告事件為4b,分組調度增加分組數據的傳輸塊，從而提高下行鏈路負載，使其吞吐能力達到最大；當下行鏈路總發送功率在正常狀態臨界值(ThPS)以上時，報告事件4a，分組調度減少分組數據的傳輸塊，從而減少鏈路負載。

　　2.2.3 呼叫產生

　　屬于不可控制的事件，當新呼叫到達時，將從CAC模塊接收的△PNEW加上新呼叫達到前的功率Pold作為基站此時的總功率PTOTAL值使用。△PNEW為估算值（PESTIMATE），為了使PESTIMATE計算錯誤因素最小化，應采用在CodePowerMeasurement或CPICH EcNo Measurement兩個數據中最近測量的值進行計算PESTIMATE和調整速率的分組信道的個數最小化

　　2.2.4 速率控制

　　速率控制可分為三個階段來處理：第1階段是選擇服務級別，產生[0, 1]之間的隨機值(p)，選擇p 值所屬的速率控制的加權值區間的服務級別，使每個服務級別的加權值的和為“1”(服務級別的加權值可以根據運營商的要求定義)。第2階段是選擇信道，在已選擇的服務級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階段重新選擇服務級別，若對所有服務級別不存在滿足上述條件的信道則結束速率控制。第3階段是速率控制，把已選擇的信道 c的傳輸塊（TBLIMIT）進行減少或增加。

　　2.3 速率控制實例

　　假設系統目前已處于超負荷狀態，需要進行速率控制。我們先定義如表1所示的服務級別（運營商可以根據不同的要求進行定義）。根據速率控制的原理，首先，產生服務級別：

　　生成隨機值p(0~1)為p= 0.05，對應的服務級別 = S1，從表1中可以看出S1級別沒有用戶連接，因此，重新生成隨機值 p(0~1)為p = 0.3，對應的服務級別 = S3，在屬于S3的UE3 , UE4, UE5中考慮優先順序降低被選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，從負荷前的傳輸3個塊變為速率控制之后傳輸2個塊，降低用戶UE4的功率。這樣就實現了一個用戶速率的控制。

圖4UE3、UE4用戶傳輸塊的速率控制過程

　　3 結論

　　下行專用信道分組調度的目的是把下行鏈路負荷維持在正常狀態下，同時將分組數據的吞吐能力最大化。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，這需要根據當時系統在下行鏈路所處的負荷狀態有關。

　　為了保證下行鏈路負荷維持在正常狀態下，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度的性能就越優異，系統維持在正常狀態下的分組數據的吞吐能力趨向最大化；如果系統的發射功率測量的周期越短，系統發射功率測量值和估算值也就越準確；如果系統的發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度的性能就越優異。因此，要使分組調度的性能越優異，必須對系統的相關參數進行適當的調整。

　　
----《通信世界》