夏 杰 ， 袁春經(jīng) ，王鳳麗

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.移動(dòng)計(jì)算與新型終端北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

0 引 言

第三代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）正在全力推進(jìn)第五代通信技術(shù)（5G）的標(biāo)準(zhǔn)化。5G NR的雄心壯志旨在增強(qiáng)對(duì)多種服務(wù)的多路復(fù)用支持，如增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、低延遲通信（LLC）以及超可靠性約束[1]。URLLC是指未來需要極其可靠和低延遲無線電傳輸?shù)膽?yīng)用，即1 ms的單向無線電延遲與99.999%的成功概率[2-3]。也就是說，如果不能在1 ms延遲期限內(nèi)成功解碼URLLC數(shù)據(jù)包，那么它就沒有用處。因此，支持這種嚴(yán)格的URLLC延遲規(guī)范能夠?qū)崿F(xiàn)許多新的場(chǎng)景[4]，包括智能電網(wǎng)、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、無線工業(yè)控制和實(shí)時(shí)車輛間通信。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)未來5G移動(dòng)通信做了分析和拓展。文 獻(xiàn)[8]對(duì)采用不同的TTI長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的性能影響進(jìn)行了分析。近來，3GPP協(xié)議[9]提出了靈活框架，TTI的長(zhǎng)度不再是固定的，而是靈活可變的。具體地，一個(gè)子幀可以根據(jù)不同的配比設(shè)置（可分為1、2、4、8、16、32個(gè)時(shí)隙個(gè)數(shù)），其包含的時(shí)隙個(gè)數(shù)也不同。5G框架結(jié)構(gòu)的敏捷設(shè)計(jì)對(duì)于滿足URLLC延遲具有重要意義，用戶可以根據(jù)不同持續(xù)時(shí)間的傳輸間隔（TTIs）進(jìn)行調(diào)度。例如，eMBB流量的TTI持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，以滿足其極端的頻譜效率（SE）需求，而URLLC流量的TTI持續(xù)時(shí)間較短，延遲 時(shí)間較短。

然而，盡管使用不同的TTI大小進(jìn)行調(diào)度可以為用戶帶來好處，但存在一些不可忽視的問題需要進(jìn)一步研究。例如，如何有效地多路復(fù)用eMBB和LLC下行共享信道，尤其是對(duì)eMBB流量主要以長(zhǎng)TTI進(jìn)行調(diào)度的場(chǎng)景，以及突發(fā)的零星LLC流量的到來必須立即采用短TTI進(jìn)行調(diào)度以避免超過其規(guī)定的時(shí)延門限。在基站和小區(qū)內(nèi)多個(gè)請(qǐng)求不同業(yè)務(wù)的用戶通信過程中，在EMBB數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可能出現(xiàn)一個(gè)急需被傳輸?shù)腢RLLC數(shù)據(jù)。如果等待EMBB數(shù)據(jù)完全傳輸完成再調(diào)度URLLC數(shù)據(jù)傳輸，可能無法滿足低時(shí)延、高可靠通信的需求。文獻(xiàn)[10]提出了預(yù)留資源的策略，但大大降低了系統(tǒng)的頻譜資源利用率。文獻(xiàn)[11]提出了一種用于高效傳輸?shù)脱舆t通信（LLC）流量的打孔調(diào)度（PS）方案，在具有增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶流量（eMBB）的下行鏈路共享信道上復(fù)用，但提出的打孔策略對(duì)處于信道質(zhì)量較差的eMBB用戶缺乏一定的公平性。為了提高系統(tǒng)中用戶之間的公平性和邊緣小區(qū)的吞吐量，本文提出一種基于公平性的打孔調(diào)度算法FPS（Fairness Punctured Scheduling）。

1 系統(tǒng)模型

本文采用文獻(xiàn)[9]中概述的5G NR框架，主要關(guān)注下行性能。用戶使用正交頻分多址（OFDMA）在一個(gè)共享信道上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)復(fù)用。本文設(shè)定子載波間隔為15 kHz。如圖1所示，eMBB流量按14個(gè)OFDM符號(hào)的長(zhǎng)TTI調(diào)度，以最大化感知頻譜效率（SE）。同時(shí)，由于URLLC的延遲需求，因此按2個(gè)OFDM符號(hào)的短TTI調(diào)度。頻域中，最小可調(diào)度單元是PRB，每個(gè)PRB是12個(gè)15 kHz間距的子載波。用戶使用以用戶為中心的下行控制通道傳輸調(diào)度授權(quán)[12]，以被基站動(dòng)態(tài)調(diào)度。這些授權(quán)信息包括通知用戶使用哪些無線資源被調(diào)度、何種調(diào)制和編碼方式（MCS）以及異步混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（HARQ）信息。提出的系統(tǒng)盡力承載eMBB流量的下載和零星的、不定時(shí)到達(dá)的LLC流量。后者被建模為B比特的有效載荷大小的突發(fā)，下行鏈路上每個(gè)LLC用戶服從到達(dá)速率為λ的均勻泊松過程。因此，每個(gè)小區(qū)提供的LLC業(yè)務(wù)負(fù)載等于NBλ，其中N是每個(gè)小區(qū)的LLC用戶的平均數(shù)。

圖1 靈活5G系統(tǒng)模型和幀結(jié)構(gòu)

2 打孔原理

在eMBB傳輸信道上進(jìn)行打孔的原理，如 圖2所示?；荆╣NB）在下行共享無線信道上使用長(zhǎng)TTI（1 ms）為eMBB流量用戶進(jìn)行調(diào)度。對(duì)于eMBB用戶傳輸塊，傳輸期間用于傳輸?shù)墓蚕頍o線信道是獨(dú)占的。然而，可能發(fā)生當(dāng)一個(gè)LLC用戶到達(dá)時(shí)，基站正在調(diào)度另外的eMBB用戶。為了避免需要等到eMBB用戶傳輸塊的傳輸完成，采用正在對(duì)eMBB用戶傳輸?shù)囊徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行打孔來立即調(diào)度LLC用戶的數(shù)據(jù)。該解決方案的優(yōu)勢(shì)在于LLC用戶的數(shù)據(jù)延遲被最小化，代價(jià)是犧牲了eMBB用戶的性能。由于eMBB傳輸?shù)囊恍┵Y源已損壞，它基本上導(dǎo)致了一個(gè)錯(cuò)誤下限，其中塊錯(cuò)誤概率（BLEP）與UE的SINR的性能已經(jīng)飽和[13]。打孔對(duì)于eMBB用戶的性能影響取決于多個(gè)因素：已經(jīng)被打孔了多少資源、eMBB用戶是否知道被打孔以及如何將eMBB傳輸塊（TB）的信息比特編碼、交織并映射到物理層資源[13]。eMBB傳輸由代碼塊（CB）組成。對(duì)于LTE[14]，最大CB大小等于Z=6 144 bit，且CB的數(shù)量由C表示。為了簡(jiǎn)單，CB在TB的分配資源上具有相同的大小和完全時(shí)頻交織。應(yīng)注意，圖2中的圖示在某種意義上是簡(jiǎn)單的，即eMBB傳輸（在該示例中）僅通過一個(gè)LLC傳輸，經(jīng)歷一個(gè)時(shí)域打孔的實(shí)例。然而，在加載的多用戶蜂窩系統(tǒng)中，eMBB傳輸實(shí)際上可能經(jīng)歷多個(gè)LLC傳 輸?shù)拇┛住?/p>

圖2 下行打孔的原理

3 打孔調(diào)度（PS）算法分析和改進(jìn)

3.1 打孔調(diào)度（PS）算法分析

對(duì)于eMBB用戶調(diào)度的TTI大小為1 ms，且等待的eMBB HARQ重傳優(yōu)先于新的eMBB傳輸。當(dāng)LLC業(yè)務(wù)到達(dá)gNB時(shí)，調(diào)度器旨在立即調(diào)度具有0.143 ms的短TTI大?。▽?duì)應(yīng)于2個(gè)OFDM符號(hào)）的這種業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[11]中提出的打孔調(diào)度（PS）算法如下：

其中rv,p(t)是用戶V在第p塊PRB上的瞬時(shí)支持速率的估計(jì)，Rv(t)是過去的平均傳輸吞吐量，Wp是當(dāng)前用戶V在第p塊PRB上的傳輸塊大小（對(duì)應(yīng)于MCS值）。從式（1）可以看出，對(duì)于處于信道質(zhì)量差或者邊緣小區(qū)的eMBB用戶，其Wp值小，則大；而對(duì)于處于信道質(zhì)量差的用戶其Rv(t)較低，即相對(duì)應(yīng)值的升高，使得其被打孔的優(yōu)先級(jí)提高。因此，會(huì)出現(xiàn)打孔不斷發(fā)生在信道質(zhì)量差的eMBB用戶上，造成其不斷重傳，引起Rv(t)值的下降而造成其優(yōu)先級(jí)不斷增大而再次被打孔，從而造成用戶間的不公平性。

3.2 公平性改進(jìn)的打孔調(diào)度算法（FPS）

本文提出一種基于公平性的打孔調(diào)度算法FPS（Fairness Punctured Scheduling）。具體地，引入調(diào)度eMBB用戶的平均打孔次數(shù)和每個(gè)用戶的打孔次數(shù)的比值作為加權(quán)因子，以提升信道質(zhì)量差的用戶的吞吐量，提高用戶之間的公平性。

為了計(jì)算每個(gè)用戶的打孔次數(shù)，基站側(cè)為每個(gè)用戶設(shè)置相應(yīng)的計(jì)數(shù)器。Cv(t)是t時(shí)第v個(gè)用戶一定時(shí)間內(nèi)被打孔的次數(shù)，是N個(gè)eMBB用戶的平均被打孔次數(shù)，即：

基于公平性的打孔調(diào)度（FPS）算法為：

其中Wp是當(dāng)前用戶v在第p塊PRB上的傳輸塊大小，Cv(t)代表過去一段時(shí)間用戶v共被打孔的個(gè)數(shù)，β為可調(diào)節(jié)因子，這里將β設(shè)為數(shù)值2。隨著用戶v被打孔個(gè)數(shù)Cv(t)的增加，值變小，其再次被選中進(jìn)行數(shù)據(jù)打孔的優(yōu)先級(jí)降低。對(duì)于隨著信道質(zhì)量差的eMBB用戶打孔次數(shù)的減少，重傳次數(shù)也就相應(yīng)減少，提高了其吞吐量，在一定程度上保證了用戶之間的公平性。

4 仿真及分結(jié)果析

4.1 仿真配置

假設(shè)宏蜂窩多小區(qū)場(chǎng)景，遵循3GPP[9]中的5G NR進(jìn)行廣泛的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)級(jí)仿真。對(duì)于eMBB用戶使用full buffer模型，對(duì)于LLC用戶在泊松到達(dá)過程后生成30 B大小的數(shù)據(jù)包。如表1所示，總結(jié)了仿真參數(shù)設(shè)置。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 性能分析

為了比較FPS算法與PS算法的性能，假設(shè)小區(qū)內(nèi)的eMBB用戶服從均勻分布，且都靜止不移動(dòng)，分別研究了FPS和PS算法的吞吐量和公平性。

4.2.1 公平性比較

本文采用Jain公平算法機(jī)制對(duì)PS和改進(jìn)的FSP兩種打孔算法的公平性進(jìn)行比較，Jain公平算法機(jī)制被表示為：

式中，xn是第n個(gè)eMBB用戶的平均吞吐量，J值代表著用戶之間的公平性。J值越大，代表用戶間公平性越好。

如圖3所示，F(xiàn)PS算法下eMBB用戶間公平性明顯大于PS算法的公平性，且其差距伴隨著小區(qū)LLC用戶數(shù)量的增加而擴(kuò)大。PS算法由于選擇信道質(zhì)量差的eMBB用戶進(jìn)行穿孔，隨著質(zhì)量差的用戶數(shù)據(jù)不斷被打孔而導(dǎo)致其數(shù)據(jù)包不斷重傳，從而導(dǎo)致其在一段時(shí)間內(nèi)的吞吐量極低。吞吐量的下降對(duì)應(yīng)式（2）中Rv(t)的減少，也就提高了其再次被選中打孔的優(yōu)先級(jí)，導(dǎo)致其吞吐量更低，公平性顯著下降。FPS算法中由于引入了加權(quán)因子，使得信道質(zhì)量差的eMBB用戶在過去一段時(shí)間內(nèi)隨著打孔次數(shù)的增加，降低了期再次被打孔的優(yōu)先級(jí)，從而提高了用戶間的公平性。

圖3 不同LLC用戶數(shù)時(shí)PS算法和FPS 算法公平性比較

4.2.2 吞吐量比較

從圖4可以看出，F(xiàn)PS算法下的小區(qū)總吞吐量比PS算法低約4 Mb/s。這是因?yàn)楸疚奶岢龅腇PS算法中引入了加權(quán)因子，使信道條件略差的用戶比在PS算法下減少了對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)打孔的優(yōu)先級(jí)，一定程度上減少了對(duì)信道質(zhì)量差的用戶進(jìn)行打孔而造成一直重傳的情況，提升了信道質(zhì)量差的eMBB用戶的吞吐量。而距離小區(qū)中心較近的用戶，由于其被打孔的次數(shù)較少，因此被LLC用戶選中打孔的優(yōu)先級(jí)得到相應(yīng)提升。處于小區(qū)中心信道質(zhì)量很好的eMBB用戶被選中打孔，導(dǎo)致本來傳輸速率很高的用戶數(shù)據(jù)被迫重傳，系統(tǒng)整體吞吐量下降，即犧牲系統(tǒng)的總體吞吐量換取eMBB用戶間的公平性。相對(duì)于PS算法，小區(qū)邊緣用戶被打孔的優(yōu)先級(jí)被降低，數(shù)據(jù)包重傳的次數(shù)降低，所以FPS算法下邊緣用戶的整體吞吐量得到提升。

圖4 PS算法和FPS算法的小區(qū)吞吐量對(duì)比

5 結(jié) 語

在未來5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，如何對(duì)低延遲通信（LLC）業(yè)務(wù)和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度成為研究的重點(diǎn)。為了更好地保證eMBB業(yè)務(wù)用戶之間的公平性，提出了公平性打孔調(diào)度算法（FPS）算法，即在原有的打孔調(diào)度算法（PS）基礎(chǔ)上引入加權(quán)因子，提高用戶間公平性和邊緣小區(qū)吞吐量。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，F(xiàn)PS較PS算法有著良好的用戶公平性和邊緣小區(qū)吞吐量，驗(yàn)證了算法的有效性。