HSDPA分组调度算法实现简析

1、HSDPA分组调度算法实现简析摘 要 HSDPA (高速下行分组接入，High Speed Downlink Packages Access)技术是3GPP在R5协议中提出来的提高WCDMA网络下行数据容量和传输 速率的重要技术。分组调度是HSDPA的重要组成部分，负责分组业务传输块的调 度和管理，对于网络性能有重要影响。本文在扼要描述HSDPA分组调度功能和过 程的基础上，重点分析对比了 3种经典分组调度算法原理以及在系统中的实现过 程，并给出了测试结果。关键词HSDPA MAC分组调度算法公平性吞吐量1引言HSDPA (高速下行分组接入，High Speed Downlink Packag

2、es Acces)是实 现提高WCDMA网络下行数据容量和传输速率的最为重要的技术。它是3GPP在R5 协议中为满足上下行数据业务非对称的需求提出来的。它在不改变已有WCDMA 网络结构的基础上，大大提高下行数据业务速率(理论最大值可达14.4Mbit/s)。为改善WCDMA系统性能，HSDPA采用了如下几项重要的新技术，涉及物理层 和传输层：流控制；缩短了的无线电帧；新增加的物理信道HS-PDSCH(High Speed Physical Downlink Shared Channel)、 HS-SCCH(Shared Control Channel for HS-DSCH)、 HS-DPC

3、CH (High Speed Dedicated Physical Control Channel)； 自适应调制和编码(AMC)；混合自动重复请求(HARQ)；增量冗余；快速分组 调度功能等。HSDPA支持高速数据业务的能力弥补了 WCDMA的不足，为运营商开展丰富新 颖的数据业务提供了广阔的空间；而且HSDPA向后兼容R99版本，大部分厂商的 WCDMA设备只需要软件升级就可以实现HSDPA。可预见在今后一段时间内，HSDPA 将是移动通信发展的主流。本文重点探讨HSDPA快速分组调度功能的实现。HSDPA分组调度算法概述分组调度(Packet Scheduling，PS)是无线资源管理的

4、一个重要组成部分， 从协议框架上来看它位于L2、L3层。相比于R99，HSDPA把分组调度功能从RNC移植到了 Node B的MAC(Media Access Control)层，大幅度减少了延迟，更好地适应信道的快速变化，更大可 能地匹配不同无线信道条件下的数据速率。传输层上，在Node B中引入MAC实 体MAC-hs来控制HS-DSCH。快速分组调度能根据终端的CQI(Channel Quality Indicator)报告决定下一个2ms时间间隔应该调度给哪个用户，并向具有瞬间 最好信道条件的用户发送数据，使得每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和 系统吞吐量。同时，2ms的短时间间隔

5、又增加了调度进程的精确度。在调度算法的研究中，需要考虑的两个重要因素是：吞吐量和公平性。吞吐 量包括小区吞吐量和用户吞吐量，公平性可认为是各用户或不同分组业务占用信 道资源的统计结果。分组调度要解决的基本问题：当多个分组业务流等待接受服务时，必须确定 合理的服务规则，安排流的服务顺序和服务时间，以满足各个业务流的QoS要求。一般来说，HSDPA的分组调度算法一般分为3类：-最大信号/干扰（Max C/I）方式：系统跟踪每个用户的无线信道衰落特征， 依据无线信道C/I的大小顺序，确定给每个用户的优先权，保证每一时刻服务的 用户获得的C/I都是最大的。这是一种极端的分配方式，可得到理想的最大吞吐

6、量，但是对于用户之间体现了服务的最不公平性，可能有部分用户一直得不到满 意的服务。实现方法简单。-基于时间的轮循（Round Robin，RR）方式：每个用户按顺序被服务，得到同 样的平均分配时间，但每个用户由于所处环境不同，得到的流量并不一致。用户 间的公平性高，但系统吞吐量最低。实现方法简单。正比公平的（Proportional Fair）方式：综合了以上方式的优点，给予当前 信道条件逐步变好的用户以比较高的优先级，既照顾到大部分用户的满意度，也 能从一定程度上保证比较高的系统吞吐量，是一种实用的调度方法。实现部分公 平有很多算法，一般需要考虑到下行信道质量、用户缓冲队列长度、用户平均调

7、度时间等诸多参量。实现方法复杂。HSDPA分组调度功能实现HSDPA的分组调度功能在Node B中实现，主要机制如下：Node B中的每一块基带处理单元（BBU）都配置了 MAC-hs调度功能，为该 BBU板控制的所有HSDPA小区服务。即:MAC-hs将为所有UE ID与Priority Queue ID的组合或者UE ID与H-ARQ Process ID的组合（简称为“元素”）生成一个 调度列表。然后TFRC考虑UE服务小区的可用HS-DSCH资源，来为这些元素分配 无线资源。一旦选好了 TFRC，MAC-hs就将MAC-d PDU （一个或多个）组装进一 块MAC-hs PDU中，完成

8、调度列表更新，然后开始下一次调度。总体流程如图1 所示。调度列表生成（SLG）每TTI （2ms ）运行一次，选择在下一个TTI中要调度 的UE。根据调度算法对每个UE及其相关的数据流排序，每个入口都是UE ID和 Priority Queue ID （初次传送）或者UE ID和H-ARQ ID （重传）的组合，如图 1所示。对于每个元素，都会分配一个优先级。具有最高优先级的元素将被首先调度， 然后是次高优先级的元素，依次类推。通过对输入参数使用不同的权重因子集， 可调整调度算法。生成调度列表需要输入优先级、CQI、调度周期、数据流优先级等参数SLG 的策略是给予重传MAC-hs PDU相比新

9、传MAC-hs PDU更高的权限。首先要决定一台UE是否可在一个特定的TTI中被调度。如果满足以下条件， MAC-hs将调度一台UE：（1）自从该UE上一次被调度的TTI算起的时间等于或者长于“effective inter TTI interval”（如果“effective inter TTI interval”等于 1，则一台 UE 可以在每个TTI内被调度）。（2）从该UE中仍能够接收到有效的CQI。否则将把UE从此次TTI中的调度列表中排除。SL元素的优先级计算分为2个部分：（1）重传MAC-hs PDU的优先级计算重传优先级基于接收到的CQI变化值以及T1剩余时间（the time

10、 before T1 elapse）的组合来决定：Retransmission二 f（ CQI variation, time before T1 timer elapse）。如果在CQI变化值中应用一个高值的因子，重传的可能性就高，因为无线条 件改善了 CQI变化值定义为当前CQI与该传输块初次传送时CQI值之间的差值； 如果在T1剩余时间上应用一个高值的因子，在达到最大重传次数（一般是4次） 之前丢弃MAC-hs PDU的可能性就小了。UE和与MAC-hs PDU重传相关的H-ARQ进程将根据重传的调度优先级来排序， 优先级高的UE调度的可能性高。算法样本举例如下：SP_Ret= Retr

11、ansmissionPrioOffset + （Absolute CQI - initial transmission CQI ）/30XHSDPA.CQIVariation.Factor + HSDPA.TimerT1.Factor/time before T1 elapsesT1 timer：控制MAC-hs PDU在HARQ Process的生存时间，当相关的T1 timer 过期时，MAC-hs PDU会被丢弃。CQI variation :重传CQI与初次传送的CQI之间的变化值。预期结果：如果同前一次调度事件相比无线条件改善，CQI variation会得到较高的权 重，从而在重传

12、中获得高的优先级。如果 HARQ buffer 中的 MAC-PDU 即将被丢弃的话，time before T1 elapses 会获得较高的权重，获得较高的优先级。权重因子取值举例如下：权重因子以百分比的形式表示出来，范围从0到100,这些因子之和等于100。新传MAC-hs PDU的优先级计算新传MAC-hs PDU的调度优先级基于如下参数：New Transmission二f (Normalized Delta Time AbsCQI、RelCQI、Buffer Time Scheduling Priority Indicator)标准差时间(Normalized Delta Time

13、)是从上次调度事件之后过去的时 间(以TTI来计算)，再除以优先级队列的数量。时间越长，优先级越高。绝对CQI(AbsCQI)，也就是UE上报的当前CQI值。相关CQI值(RelCQI)，也就是绝对CQI与平均CQI之间的差值。值越高， 优先级越高。缓存时间(Buffer Time)是自从接收到数据的时间，与丢弃计时器 (Discard Timer)有关。BT距离丢弃计时器截止时间近的(UE，Priority Queue)会比其他BT值较小的元素有更高的优先级。(注：Discard timer:控制 MAC-d PDU 在 Priority Queue 中的生存时间， 由优先级队列处理器来计算

14、。对于一个HS-DSCH帧中每一块来自RNC的MAC-d PDU，都会分配一个新的discard timer。)相关队列的调度优先级指示(Scheduling Priority Indicator):提高 SPI将增加在一个TTI内调度的可能性，可使操作员引入对用户的分类(举例： SPI 4：“金牌用户”；2：“银牌用户”；1：“铜牌用户”。)(注：在Iub接口，每条MAC-d数据流都有一个优先级队列；在Iub/Iur HS-DSCH 帧协议中，会使用 Common Channel Priority Indicator (Cm-CH PI) 来标识数据帧优先级，范围从0到15, 0的优先级最低

15、，15的优先级最高。在 NBAP协议中使用与Cm-CH PI相同值的SPI，输入到调度算法。)算法样本举例如下：SP=initialTransmissionPrioOffset + (Absolute CQI /3)XHSDPA.AbsCQIFactor+(Relative CQI/3)XHSDPA.RelCQI.Factor + Normalized Delta timeXHSDPA. DeltaTime.FactorXBX(1 +(HSDPA.SPI.FactorX(SPIT) /50) + BTXHSDPA.BT.Factor权重因子对调度算法有重要的影响，通过修改这些因子，可得到不同的

16、算法 类型。考虑HSDPA的3大类分组调度算法，我们有如下预期结果：所有的权重因子设为0 (或者除了 HSDPA.DeltaTime.Factor以外的因子)以达到Round Robin调度。给予Absolute CQI较高的权重因子，将得到Max C/I调度。高小区吞吐量， 但是公平性降低。给予Relative CQI较高的权重因子，将兼顾吞吐量和公平性，实现PF调 度。优先级高的元素首先被调度；在优先级相同的情况下，则未被调度时间最长 的元素被首先服务。HSDPA调度算法验证在以上理论研究的基础上，在实验室中我们进行了测试，来验证调度算法的 实际表现。简单描述如下：测试步骤在Max C/I

17、、RR和PF 3种不同算法下分别进行(2)(4)的操作。将4个2Mbit/s业务的UE接入到R5 HSDPA小区，小区分配一条HS-SCCH 信道。4个UE均启动FTP下传，同时启动4个UE的log记录，记录1min后结束。统计各个UE的调度次数，并记录每个UE的平均速率。测试结果及分析3种不同算法下总吞吐量&调度次数最大最小差结果如下：总吞吐量：Max C/I PF RR调度次数最大最小差：Max C/I PF RR我们不难看出测试结果与3种调度算法的理论描述及预期是非常吻合的。在 实际网络中，我们可以通过参数调整来达到不同的调度目的，优化网络。通过以上HSDPA分组调度算法和调度过程的扼要分析，我们已能够比较清楚 地了解HSDPA分组调度功能。近年来，HSDPA的分组调度算法越来越被关注，研 究人员也提出了许多新的算法和设想，比如自适应比例