崔杰，常永宇，劉淑慧，楊大成

（北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

1 引言

隨著對無線通信需求的不斷增長（主要是下行），原有的Rel-4 TD-SCDMA系統(tǒng)已無法滿足高速率、高QoS要求的多媒體業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，因此，3GPP在下行鏈路中引入了HSDPA（高速下行分組接入）技術(shù)作為一種 B3G的解決方案。在TD-HSDPA中，系統(tǒng)利用 HS-DSCH（高速下行共享信道）作為業(yè)務(wù)信道來傳輸不同用戶的數(shù)據(jù)流，并采用HS-SCCH（高速共享控制信道）和HS-SICH（高速共享信息信道）進(jìn)行信令交互，以獲得準(zhǔn)確而快速的調(diào)度性能[1]。由于AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）和HARQ（混合自動重傳請求）等增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，TD-HSDPA系統(tǒng)的容量和對業(yè)務(wù)的 QoS保證都比Rel-4系統(tǒng)更加優(yōu)異。

在 3GPP的 Rel-5協(xié)議中[2]詳細(xì)描述了TD-HSDPA中不同信令交互的定時關(guān)系，其中反饋信息（例如HS-SICH上傳輸?shù)腃QI）在常規(guī)的調(diào)度策略模式下傳輸往往會有很大的時延，特別是當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較大時，Node B所接收到的反饋CQI已經(jīng)無法準(zhǔn)確體現(xiàn)用戶當(dāng)前的信道情況。因?yàn)锳MC和HARQ等關(guān)鍵技術(shù)都是根據(jù)反饋的信道質(zhì)量和干擾情況來自適應(yīng)地選擇MCS（調(diào)制編碼方案）和重傳類型等，所以反饋的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到關(guān)鍵技術(shù)的執(zhí)行效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對上述問題，本文提出了一種基于反饋時延控制的調(diào)度策略，能有效地改善TD-HSDPA系統(tǒng)中信令交互的延遲特性，提高反饋的實(shí)時性和有效性，從而提升通信系統(tǒng)性能。

2 AMC和HARQ算法

AMC是TD-HSDPA系統(tǒng)采用的一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，能夠根據(jù)反饋的信道信息自適應(yīng)地選擇MCS等級進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)用戶信道環(huán)境較好時，Node B選擇高等級的MCS，以獲得最大的系統(tǒng)吞吐量；而當(dāng)用戶信道環(huán)境惡化時，Node B則采用低等級的 MCS來保證分組傳輸?shù)恼_性。顯然，AMC的缺點(diǎn)就是對CQI的反饋差錯和時延非常敏感。錯誤或非實(shí)時的CQI都會導(dǎo)致Node B對于MCS等級的錯誤選擇[3]，從而浪費(fèi)大量的系統(tǒng)資源或降低系統(tǒng)的有效性。此外，TD-HSDPA所采用的傳輸塊種類及調(diào)制方式在文獻(xiàn)[4]中有詳細(xì)的定義，為簡單起見，本文的AMC算法只考慮其中的8種MCS等級，如表1所示。

表1 MCS等級

一般來說，AMC算法根據(jù)不同的MCS判斷方式分為固定閾值A(chǔ)MC和動態(tài)閾值A(chǔ)MC。由于前者在信道質(zhì)量突變或用戶接收能力變化時的性能并不理想[5]，所以TD-HSDPA中使用了動態(tài)閾值A(chǔ)MC算法來對抗無線信道的不穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)的目標(biāo)PER(誤包率)[6]；其實(shí)現(xiàn)算法中上調(diào)步長（UpΔ）與下調(diào)步長（DownΔ）的關(guān)系如下：

在數(shù)據(jù)傳輸中，若Node B接收到ACK（確認(rèn)應(yīng)答），所有的 MCS閾值將會下調(diào)一個步長（DownΔ）；若基站接收到NAK（否認(rèn)應(yīng)答），所有的MCS閾值都會上調(diào)一個步長（UpΔ）。這樣做的好處是：根據(jù)信道的統(tǒng)計特性（根據(jù)應(yīng)答信令），更準(zhǔn)確地選擇合適的MCS等級進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù) HARQ中前向糾錯編碼在接收端合并的方式，TD-HSDPA中HARQ可分為3類：TypeⅠ、TypeⅡ和Type Ⅲ；考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和有效性，采用Chase合并HARQ算法（Type Ⅲ中的一種）進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。Chase合并中HARQ的發(fā)送端每次重傳使用相同的FEC編碼數(shù)據(jù)分組，而錯誤的分組被存儲在接收端，接收端的解碼器根據(jù)接收到的SINR加權(quán)組合這些發(fā)送分組的拷貝，獲得了時間分集增益[7]。其仿真實(shí)現(xiàn)的基本原則是：如果發(fā)生了重傳，則重傳接收到的SINR應(yīng)該迭加到同一個HARQ進(jìn)程的SINR上，然后進(jìn)行誤幀判斷；換言之，HARQ算法通過簡單的累加系統(tǒng)級仿真中接收到的SINR獲得了重傳增益[8]，如式(2)所示。

其中， S INRInst是當(dāng)前TTI（傳輸時間間隔）的信干噪比瞬時值。另外，在Chase合并的HARQ中，無論 Node B接收到何種 CQI反饋，重傳所采用的MCS等級均與前一次傳輸一致。

3 TD-HSDPA中的反饋時延

TD-HSDPA系統(tǒng)引入了 3種新增信道（HS-DSCH、HS-SCCH、HS-SICH）來支持高速的數(shù)據(jù)傳輸；其中，HS-DSCH可以進(jìn)行最高擴(kuò)頻因子為16的多碼道傳輸，也就是說，在TD-HSDPA的一個業(yè)務(wù)時隙（TS）內(nèi)最多可以有 16個碼道或16個資源單元（RU）。HS-SCCH負(fù)責(zé)傳輸對HS-DSCH信道解碼所必需的控制信息，而HS-SICH是TD-HSDPA中特有的上行控制信道，用于反饋相應(yīng)的上行信息，主要是對分組傳輸?shù)膽?yīng)答和下行鏈路質(zhì)量的反饋。對于某個接收服務(wù)的用戶而言，這3種信道的定時關(guān)系如圖1所示。

圖1 TD-HSDPA 3種新增信道的定時關(guān)系

采用AMC與寬管道調(diào)度（fat-pipe scheduling）技術(shù)相結(jié)合的策略，在5ms TTI內(nèi)只調(diào)度一個用戶，并將所有可用的下行資源為其服務(wù)。如圖1所示，每個TD-HSDPA子幀中，最多可以有5個時隙為下行業(yè)務(wù)所使用；HS-SCCH和對應(yīng)的HS-DSCH之間至少有 2個時隙的間隔，HS-SICH與對應(yīng)的HS-DSCH之間至少有8個時隙的間隔，因此，對于某個用戶的一整套傳輸流程（包括HS-SCCH通知、HS-DSCH傳輸和HS-SICH反饋3部分）而言，至少需要15個時隙的時間間隔[2]。一般來說，每個參與調(diào)度的用戶都需要一對上下行的伴隨DPCH提供相應(yīng)的功控和定時信息，然后Node B會依次計算這些用戶（已有上下行伴隨DPCH）的優(yōu)先級來選擇調(diào)度。綜上，結(jié)合AMC與寬管道調(diào)度等技術(shù)，可以得到一種有效的TD-HSDPA資源分配方案，如表2所示。

表2 TD-HSDPA系統(tǒng)信道分配方案

由表2可知，TD-HSDPA為下行業(yè)務(wù)分配了5個時隙（TS），每個時隙含有 16個碼道/資源單元（RU），總共80個RU；由于HS-SCCH、伴隨DPCH等相關(guān)下行信令信道占用3個RU，所以實(shí)際作為業(yè)務(wù)資源的最多有77個RU。為了便于分析，按照用戶所處的狀態(tài)將其分為以下4種類別。

1) 已接納用戶：已被Node B接納（建立上下行伴隨DPCH連接），等待調(diào)度的用戶；

2) 被監(jiān)測用戶：Node B監(jiān)測的已授權(quán)用戶（含有監(jiān)測信道），詳見本文第4節(jié)；

3) 已調(diào)度用戶：已被Node B調(diào)度的用戶，具有HS-DSCH、HS-SCCH、HS-SICH；

4) 等待用戶：未被 Node B接納（沒有伴隨DPCH）的用戶，無法反饋?zhàn)陨鞢QI。

也就是說，當(dāng)用戶進(jìn)入目標(biāo)小區(qū)，只有先被Node B接納為已接納用戶，才能分配上下行伴隨DPCH，然后Node B根據(jù)所有用戶的CQI進(jìn)行調(diào)度優(yōu)先級計算，確定已調(diào)度用戶，并為其分配HS-DSCH、HS-SCCH和HS-SICH。下面詳細(xì)分析傳統(tǒng)調(diào)度算法中CQI列表更新周期。

TD-HSDPA采用基于Node B的快速調(diào)度策略，因此每個Node B都含有一個記錄本小區(qū)用戶CQI的列表，用于調(diào)度時的優(yōu)先級計算。HS-SICH上的CQI信息指示了其對應(yīng)HS-DSCH傳輸時的信道質(zhì)量，假設(shè)在不出現(xiàn)調(diào)度誤差的情況下，至少需要將每個用戶都調(diào)度一次，Node B的CQI的列表才能更新一遍。若采用輪詢（RR）算法，則 CQI列表的更新周期（TTI數(shù)）等于小區(qū)內(nèi)用戶的數(shù)目，但如果采用比較“貪婪”的算法（最大C/I等），調(diào)度將集中在幾個用戶上，因此其他用戶根本無法反饋當(dāng)前的 CQI來獲得的新優(yōu)先級。式(3)給出了 CQI列表最小更新周期。

其中，SlotNum是一個TD-HSDPA TTI的時隙數(shù)目。當(dāng)x＞0時f(x)=1，且f(0)=0，VUE[?]是用戶上行伴隨DPCH功率的向量。如果第i個用戶沒有被目標(biāo)Node B接納，則 VUE( i)=0；如果用戶被Node B接納，則其上行伴隨DPCH信道功率是一個正值，n是目標(biāo)小區(qū)總的用戶數(shù)。

為了解釋式(3)，以4個用戶為例進(jìn)行分析。當(dāng)Node B連續(xù)依次調(diào)度本小區(qū)內(nèi)的用戶時，可以得到更新CQI列表所需的最小周期。從圖2可以看出，用戶 i(1≤i≤4)分別在子幀 i中被通知調(diào)度（通過HS-SCCH），在子幀i+1接收數(shù)據(jù)（建立HS-DSCH），在子幀i+3反饋CQI（通過HS-SICH），所以1號用戶的CQI在4號子幀時反饋，而4號用戶的CQI在7號子幀時才能反饋，則最小的CQI更新周期（時延）等于4個子幀（28個時隙），與式（3）所得一致。系統(tǒng)用戶數(shù)增加時，導(dǎo)致CQI列表的更新時延成倍增加，導(dǎo)致CQI準(zhǔn)確性嚴(yán)重惡化，調(diào)度器基本無法調(diào)度上正確的用戶。

圖2 傳統(tǒng)調(diào)度算法的定時關(guān)系

4 基于時延控制的新型調(diào)度算法

一個小區(qū)中最多支持4條HS-SCCH[1,2]，因此最多可以有4條HS-SICH進(jìn)行反饋；又由于采用寬管道結(jié)合AMC技術(shù)，基站在每個TTI只調(diào)度一個用戶，所以傳統(tǒng)算法只為已調(diào)度用戶分配了 1條HS-SCCH、1條HS-SICH和1條HS-DSCH。雖然此調(diào)度過程比較簡單，但是完全更新CQI列表需要很長的周期，從而降低了調(diào)度的有效性。下面將詳細(xì)闡述一種基于時延控制的新型調(diào)度算法。

首先，將引入虛擬 HS-DSCH的概念：虛擬HS-DSCH類似于普通的HS-DSCH，但是并不傳輸任何業(yè)務(wù)信息，只傳輸相關(guān)的測試信息，只占用一個碼道，其所采用的編碼和調(diào)制方式為固定的QPSK和 1/3Turbo編碼，用戶會根據(jù)虛擬的HS-DSCH上的信道狀況在相應(yīng)的 HS-SICH進(jìn)行CQI反饋。

其次，定義具有虛擬HS-DSCH的用戶為“被監(jiān)測用戶”：此類用戶雖然沒有業(yè)務(wù)HS-DSCH的傳輸，卻含有虛擬 HS-DSCH，可以將本身所處的信道環(huán)境（虛擬 HS-DSCH的接收 SINR）通過相應(yīng)HS-SICH反饋，從而更新Node B端的CQI列表。

綜上所述，新算法中，Node B在每個TTI內(nèi)調(diào)度一個用戶進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，并同時監(jiān)測3個其他用戶，對于已調(diào)度用戶和被監(jiān)測用戶均通過相應(yīng)的HS-SCCH來通知，對于業(yè)務(wù)HS-DSCH和虛擬HS-DSCH的CQI也均由相應(yīng)HS-SICH來反饋，因此在一個調(diào)度周期內(nèi)，Node B需要分配 4對HS-SCCH和HS-SICH，并且需要根據(jù)新型的調(diào)度算法確定一個已調(diào)度用戶和3個被監(jiān)測用戶。通過這種方案，調(diào)度器在每個TTI內(nèi)都可以接收到4組CQI信息，這樣就能夠同時更新CQI列表中的4個值。因此，CQI列表的最小更新周期由下式可得：

其中，setschL-是每個TTI含有的最大HS-SCCH數(shù)目，x是對x向上取整。為了解釋式(4)，仍以4個用戶為例進(jìn)行分析，假設(shè)用戶1是已調(diào)度用戶，用戶2、3、4是被監(jiān)測用戶。如圖3所示，4個用戶全部更新CQI的最小間隔只需要一個子幀（7個時隙），與式(4)所得一致。使得CQI的更新周期對于系統(tǒng)負(fù)載增長不敏感，可以有效保證CQI反饋的準(zhǔn)確性，提高系統(tǒng)容量。

圖3 新型調(diào)度算法的定時關(guān)系

為了使用新的調(diào)度策略，對于調(diào)度優(yōu)先級和調(diào)度流程也需要作相應(yīng)的改進(jìn)，如圖4所示。

1) 調(diào)度優(yōu)先級和監(jiān)測優(yōu)先級計算

圖4 基于時延控制的調(diào)度算法流程

這是由本文新的調(diào)度算法提出的，在一個TTI中調(diào)度器根據(jù)用戶更新 CQI列表的時間間隔來挑選3個用戶進(jìn)行監(jiān)測。在每一個TTI內(nèi)，Node B首先根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級來決定已調(diào)度用戶，然后遍歷根據(jù)監(jiān)測優(yōu)先級計算來確定被監(jiān)測用戶集。為了更好地發(fā)揮新策略的優(yōu)勢，Node B使用基于速率預(yù)測的調(diào)度優(yōu)先級計算方法，如式(5)所示。

其中， )(tDRCk是用戶k申請的最大傳輸速率， )(tTk

是該用戶在以 t為結(jié)尾的時間窗口中的平均數(shù)據(jù)速率。每個調(diào)度周期更新平均速率函數(shù)如式(6)所示。

（如果在上一周期用戶k沒有被調(diào)度上） (6)

（如果在上一周期用戶k調(diào)度上） (7)其中，Tc為時間窗口長度，實(shí)際上反映了一個用戶對接收不到數(shù)據(jù)的容忍承受能力，較長的時間窗口將允許等待較長的時間直到該用戶信道質(zhì)量變好。對于新策略中，被監(jiān)測用戶集P的確定方式如式(8)所示。

其中，U為小區(qū)內(nèi)所有用戶的集合， TCurrent為當(dāng)前的時間點(diǎn)，而 TLast(i )為用戶i上一次反饋CQI的時間點(diǎn)；S為任意的用戶集合（最多可容納3個用戶）。

2) 新型調(diào)度算法流程

如圖4所示，基于時延控制的新型調(diào)度算法由以下4步完成。

第1步：根據(jù)式（5），調(diào)度器計算所有的用戶調(diào)度優(yōu)先級，然后選擇一個優(yōu)先級最高的用戶嘗試調(diào)度。

第2步：對于此嘗試調(diào)度的用戶，Node B判斷HS-SCCH和HS-SICH所需的碼道和功率資源是否足夠。如果碼道不夠或者發(fā)射功率不足，跳回第 1步。若Node B遍歷完所有用戶，且未調(diào)度成功任一用戶，則調(diào)度過程失?。环粗?，如果調(diào)度成功，則在下一個TTI為已調(diào)度用戶分配HS-DSCH。

第3步：根據(jù)式（8），Node B遍歷所有用戶（除已調(diào)度用戶外），并初步確定被監(jiān)測用戶集，并嘗試對其進(jìn)行監(jiān)測。

第4步：依次對監(jiān)測集內(nèi)的用戶進(jìn)行嘗試分配資源（監(jiān)測集用戶列表已按照式（5）和（8）排序），Node B判斷HS-SCCH和HS-SICH所需的碼道和功率資源是否足夠。如果碼道不夠或者發(fā)射功率不足，跳回第3步；反之，如果確定被監(jiān)測用戶集且資源足夠，則進(jìn)程結(jié)束，并在下一個TTI內(nèi)向被監(jiān)測用戶分配虛擬HS-DSCH。

5 仿真參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

利用 TD-HSDPA的系統(tǒng)級動態(tài)仿真平臺對本文提出的新型算法進(jìn)行評估。仿真模型描述如表3所示。

根據(jù)表3參數(shù)設(shè)置，通過系統(tǒng)級的TD-HSDPA動態(tài)仿真，可以評估新算法帶來的性能增益，為了便于比較和分析，還仿真了傳統(tǒng)和理想的正比公平等算法，其中理想的正比公平算法指的是假設(shè)沒有任何反饋時延的算法（在代碼中直接取用戶端的測量SINR值即可）。

如圖5所示，若采用傳統(tǒng)的正比公平算法，由于受到CQI反饋時延的影響，用戶的分集增益被大大抵消了，導(dǎo)致隨著用戶數(shù)增加系統(tǒng)的吞吐量增加不明顯。而理想的正比公平算法由于不考慮時延的影響，隨著用戶分集增益的增加，系統(tǒng)吞吐量不斷提升。本文提出的基于時延控制的算法，通過被監(jiān)測用戶反饋CQI的策略，提高了CQI反饋的頻率，使時延影響最小化，性能接近于理想情況。圖 6表示平均用戶的吞吐量，隨著服務(wù)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)的增加，每個用戶的平均吞吐量有明顯的下降，但新算法仍比傳統(tǒng)正比公平有很大改善。

圖5 小區(qū)平均吞吐量性能曲線

圖6 用戶平均吞吐量性能曲線

圖7 表明了分組延時性能，由于假設(shè)理想的正比公平?jīng)]有反饋時延，因此分組延時性能要比其余2種算法優(yōu)異。與傳統(tǒng)正比公平算法相比，新算法在系統(tǒng)負(fù)載不是很大情況下，幾乎能夠與理想算法性能相媲美，并且在系統(tǒng)負(fù)載增加的情況下，也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)算法。圖8為調(diào)度算法的公平性性能，為了直觀起見，加入了最大C/I和輪詢算法的公平性性能。可以看出，雖然傳統(tǒng)正比公平算法兼顧了公平性與吞吐量，但隨著CQI反饋時延的增加，其公平性、吞吐量性能均有很大程度的下降，而新算法在保證吞吐量條件下，也改善了公平性性能曲線，使之接近于理想的正比公平算法。如果考慮無線環(huán)境變化很小，也就是系統(tǒng)對 CQI反饋不敏感條件下，采用傳統(tǒng)的調(diào)度方式可以使用完全的RU資源，而不需要為新算法中信令交互預(yù)留多余的資源，也能夠達(dá)到系統(tǒng)性能的最大化。

圖7 平均分組時延性能曲線

圖8 系統(tǒng)公平性能曲線

6 結(jié)束語

本文研究了TD-HSDPA中的關(guān)鍵技術(shù)及性能，并且分析了系統(tǒng)信令時延與反饋準(zhǔn)確性之間的聯(lián)系。針對TD-HSDPA中業(yè)務(wù)傳輸與反饋過程存在的時延特性，提出了一種基于時延控制的有效調(diào)度算法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的調(diào)度流程，并予以仿真驗(yàn)證。因?yàn)樵趯?shí)際網(wǎng)路中反饋延時是不可避免的，所以改進(jìn)調(diào)度算法通過盡力縮小 CQI的反饋時延保持了系統(tǒng)的吞吐量和包時延性能。新算法的思想是用較小的資源損失（分配給指定的 HS-SCCH，HS-SICH和虛擬 HS-DSCH）換取了較大的系統(tǒng)性能增益，對于信道變化較大的環(huán)境具有很好的補(bǔ)償效果。本文考慮的是CQI反饋的時延問題，下一步的工作可以結(jié)合反饋差錯和反饋信息丟失等情況來進(jìn)行研究，進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)度算法使之更適用于現(xiàn)實(shí)的無線環(huán)境。

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