WCDMA系统中的分组调度策略

poorman

1 概要

    由信息产业部组织的第三代移动通信外场试验测试工作已在8月底结束。在这次外场测试中大部分系统厂家的基站主要分布在北京、上海、广州等城市的市中心，覆盖了密集的高层建筑物、住宅小区和大街小巷，测试的路线选择了繁华的街道，这样使测试环境更贴近于城市密集环境和未来的实际使用环境，在此环境下，大部分厂家都取得了优异的测试结果。这样的测试结果不仅反映了在此种复杂环境下各厂家设备性能优异性与策略的合理性，而且还反映了各厂家设备的成熟性与稳定性。下面将详细先容WCDMA系统中的一种策略算法。

    WCDMA系统可以同时支撑话音和数据，然而，数据和语音具有非常不同的特性，语音业务具有信息传递的低时延，低速率，上下行对称，对误码率要求不高。而数据业务具有突发性强，速率高，上下行不对称，对延时不敏感。利用上述业务这种特性，WCDMA系统可以在保证实时性的话音业务的情况下，对分组数据业务进行速率控制，让系统保持在一个希翼的负荷下良好的工作。

    1.1 分组数据业务

    WCDMA系统根据用户或应用提出的QoS请求，将系统支撑的业务可以细分为四类业务：会话业务(CS业务)、流媒体业务（CS/PS业务）、交互式业务（PS管理对象是0～15）、后台管理业务（其他一些PS管理对象），会话业务需要保证信息实体间的时间关系，要求是低时延，如：话音、可视电话等；流媒体业务需要把数据转换成能将其作为一个稳定均匀而连续的流来处理的业务，要求保证在一定的时延范围内，如：VOD等；交互式业务是一种典型的数据通信机制，其特征是其采用了终端用户的请求－响应模式，这种业务允许一定时延，如：网页浏览、数据库检索等；后台管理业务就是数据传送可以以后台方式进行，其特征是在一定时间之内目的地并不期待数据的到来，对时间不敏感，时延可以是几秒或几十秒，甚至更多，如：SMS、数据库下载等。交互式业务和后台管理业务是在实时性要求不高的情况下，或者实时性要求比较低的情况下，根据网络的能力保证一定的传输速率和可接受的时延进行通信，这类业务就是典型的分组数据业务。

    根据不同应用，一个分组数据业务会话包含一个或几个分组呼叫。一个分组呼叫过程中可能有几个分组产生，从而分组呼叫由一个分组序列突发组成。


图1分组数据业务呼叫建立模型

    假设分组呼叫建立模型中会话到达间隔、会话持续时间、数据包呼叫持续时间和阅读时间是服从指数分布的，数据传输块和数据传输块时间间隔是服从均匀分布。

    分组调度就是针对分组数据业务上述的特性，对分组数据用户的业务进行管理和调度。它决定何时发起分组传输及可使用的比特速率。

    1.2 分组调度与资源管理的关系

    接纳控制和分组调度是紧密相联的，接纳控制要估计不可控的实时连接产生的负载的情况，当实时业务产生的负载增多时，可以减少非实时业务的连接。如果用户是可视电话连接时，则接纳控制需要估计可以减少的非实时业务的数量，并决定是否可以通过减少非实时业务而接纳可视电话连接。每一连接都会规定连接建立参数，包括连接中可用的比特速率。接纳控制负责无线接入承载（RAB）的接纳和释放，而整个连接过程中只有在有实际数据发送时才使用无线资源，其它时间并不预留无线资源，而且，每一次的接纳控制过程中，都会对系统的负载进行判断，从而，触发分组调度的处理。分组调度（PS）给分组呼叫(有效数据发送)分配合适的无线资源，是以小区为基础进行的，支撑不对称业务。上行和下行的负载变化很大，所以两个方向的容量是分开分配的。然而，当给一个方向分配了专用信道后，另一个方向也需要分配专用信道，即使其中只有一个方向上有容量需求时也得如此。此时，分组调度器给另一方向分配一条低比特率专用信道，此信道携带的信息如下：高层（TCP）的确认、数据层（RLC）的确认、数据链路层控制和功率控制信息。通常，该低比特率信道称为“返回信道”。

    大家将小区内的无线资源分为由实时业务和非实时业务承载共享，而且实时与非实时承载的比例变化迅速。实时业务的特点是不能对其有效控制，由实时业务生成的负载、其他小区用户产生的干扰和噪声统称为不可控负载；而由“尽力而为”的非实时业务产生的负载称为可控负载。因此，不能用于不可控负载的容量可以由非实时的无线承载以“尽力而为”方式使用。如图2所示的可控和不可控业务互动关系。从图中可以看出，当系统负载希翼维持在0.8的情况下，当不可控业务比较小的时候，可控制业务可以“尽力而为”的使用余下的容量（灰色部分的容量）；而当不可控业务在系统负载比较大的时候，可控制业务将降低传输速率，从而保持系统负载维持在希望的大小。

图2 可控和不可控业务互动关系

    分组调度和负载控制也是紧密联系的，因为，分组调度本身就是负载控制的一个重要组成部分。由于分组调度不能保证非实时连接的延迟，非实时分组业务是可控的。如果实时业务的负载升高，分组调度可以降低非实时业务的负载。WCDMA小区中，负载分配是由无线资源管理功能来实现的，也就是负载控制来实现的，负载分配原则为：上行和下行链路中的总的负载达到系统负载的最佳点。由于干扰及传播条件的变化，系统负载最佳点是瞬时变化的。不论何时，不论是上行方向还是下行方向的负载超过了规定的阈值，就会产生负载溢出，此时，负载控制开始起作用，直到使系统负载返回到可接受点为至。

    2 分组调度

    分组调度将针对WCDMA系统中的不同信道采用不同的策略，这里大家主要探讨下行专用信道分组调度策略。

    2.1 下行专用信道分组调度原则

    下行专用信道分组调度的目的是把下行链路负荷维持在正常状态下，同时将分组数据的吞吐能力最大化,因此，在超负荷状态下有选择性的减少PS呼叫的下行链路的数据速率，使下行链路负荷保持到正常状态，在正常状态以下增加低速的下行链路的数据速率，使分组数据的吞吐能力最大化。

    下行专用信道分组调度实现方法：首先，决定NRT分组信道的下行链路的传输优先顺序；然后，对NRT分组信道的下行链路“最大传输TB个数”进行调整(根据“最大传输TB个数”决定TFSSubset)，如果下行链路负荷维持在正常状态以下，则提高传输TB个数。如果下行链路在超负荷状态下，则降低传输TB个数；最后，在RRC上实现, 把按照优先顺序决定的各个分组信道的TFS Subset传送给MAC。如图3所示的分组数据调度过程。



    2.2 下行专用信道分组调度算法

    下行专用信道分组调度的目的是把下行链路负荷维持在正常状态下，下行链路的负荷以基站的总的发送功率为基准进行判断，然后，进行相应的速率控制。如图3所示的分组数据调度过程。因此，基站判断总的发送功率必须通过事件来触发，有三种事件可以触发：功率测量事件、TV测量事件和呼叫产生事件。

    2.2.1 功率测量

    PMEASURE作为基站的总发射功率测量值，是最直接判断下行链路负荷状态的触发事件，对PMEASURE值的测量采用周期性（Periodic）的方式。PESTIMATE作为基站的总发射功率估算值,在速率控制时间和PMEASURE的测量时间不一致时代替PMEASURE使用，PTOTAL=Latest{PESTIMATE,PMEASURE}=PESTIMATE。当测量值或估算值大于系统正常状态临界值(ThPS)时，分组调度减少分组数据的传输块，从而减少链路负载；当测量值或估算值小于系统正常状态临界值(ThPS)时，分组调度增加分组数据的传输块，从而提高下行链路负载，使其吞吐能力达到最大。

    2.2.2 TV测量

    同时实现Periodic及Event-Trigger(4A/4B)方式。

    Periodic方式和(间隔“X”秒):在超负荷状态下，要以比“X”秒更短的周期进行测量报告.可以对不同的小区设置不同的报告周期,运营商在运营过程中可以修改。

    Event-Trigger方式的实现:当下行链路总发送功率在正常状态临界值(ThPS)以下，报告事件为4b,分组调度增加分组数据的传输块，从而提高下行链路负载，使其吞吐能力达到最大；当下行链路总发送功率在正常状态临界值(ThPS)以上时，报告事件4a，分组调度减少分组数据的传输块，从而减少链路负载。

    2.2.3 呼叫产生

    属于不可控制的事件，当新呼叫到达时，将从CAC模块接收的△PNEW加上新呼叫达到前的功率Pold作为基站此时的总功率PTOTAL值使用。△PNEW为估算值（PESTIMATE），为了使PESTIMATE计算错误因素最小化，应采用在CodePowerMeasurement或CPICH EcNo Measurement两个数据

    中最近测量的值进行计算PESTIMATE

    和调整速率的分组信道的个数最小化

    2.2.4 速率控制

    速率控制可分为三个阶段来处理：第1阶段是选择服务级别，产生[0, 1]之间的随机值(p)，选择p 值所属的速率控制的加权值区间的服务级别，使每个服务级别的加权值的和为“1”(服务级别的加权值可以根据运营商的要求定义)。第2阶段是选择信道，在已选择的服务级别上选择满足如此条件的信道(c)：TBLIMIT(c) 0 and c =argmax{(TBLIMIT(i) - TBQ(i))/TBLIMIT(i)}，若不存在满足上述条件的信道则回到第1阶段重新选择服务级别，若对所有服务级别不存在满足上述条件的信道则结束速率控制。第3阶段是速率控制，把已选择的信道 c的传输块（TBLIMIT）进行减少或增加。

    2.3 速率控制实例

    假设系统目前已处于超负荷状态，需要进行速率控制。大家先定义如表1所示的服务级别（运营商可以根据不同的要求进行定义）。根据速率控制的原理，首先，产生服务级别：



    生成随机值p(0~1)为p= 0.05，对应的服务级别 = S1，从表1中可以看出S1级别没有用户连接，因此，重新生成随机值 p(0~1)为p = 0.3，对应的服务级别 = S3，在属于S3的UE3 , UE4, UE5中考虑优先顺序降低被选UE的 TBLIMIT() 。其次，选择信道：降低满足如下条件的 PS呼叫的 TBLIMIT：TBLIMIT(c) > 0 and c =argmax{(TBLIMIT(i) - TBQ(i))/TBLIMIT(i)}，用户传输块的情况如图4所示，UE3用户的c=(TBLIMIT(1) - TBQ(1))/TBLIMIT(1) = (4-6) / 4 = -1/2, UE4用户的c= (TBLIMIT(2) - TBQ(2))/TBLIMIT(2) = (3-3) / 4 = 0，从{-1/2,0}中可知：不能选择用户UE3，只能选择UE4用户的信道。最后，降低用户UE4的用户传输块，从负荷前的传输3个块变为速率控制之后传输2个块，降低用户UE4的功率。这样就实现了一个用户速率的控制。


图4UE3、UE4用户传输块的速率控制过程

    3 结论

    下行专用信道分组调度的目的是把下行链路负荷维持在正常状态下，同时将分组数据的吞吐能力最大化。因此，在下行链路的专用信道上，既有可能需要提高用户的传输速率，也有可能需要降低用户的传输速率，这需要根据当时系统在下行链路所处的负荷状态有关。

    为了保证下行链路负荷维持在正常状态下，速率控制变得非常重要。如果速率控制的周期越短，下行专用信道分组调度的性能就越优异，系统维持在正常状态下的分组数据的吞吐能力趋向最大化；如果系统的发射功率测量的周期越短，系统发射功率测量值和估算值也就越准确；如果系统的发射功率测量值和估算值的误差越小，速率控制的效果就越佳，下行专用信道分组调度的性能就越优异。因此，要使分组调度的性能越优异，必须对系统的相关参数进行适当的调整。