LTE-A 系統(tǒng)載波聚合下基于用戶分組的比例公平調(diào)度算法研究

魏玉杰

(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)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷迅速發(fā)展，移動(dòng)用戶數(shù)量逐年遞增，移動(dòng)業(yè)務(wù)的需求也日益提高。第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)已不能完全滿足用戶的需求。因此，3GPP(3rd generation partnership project)致力于研究3GPP LTE(1ong term evolution)作為3G系統(tǒng)的演進(jìn)。LTE-Advanced是LTE的進(jìn)一步演進(jìn)，支持與LTE的后向兼容性發(fā)展［1］。從LTE到LTE-Advanced系統(tǒng)的演進(jìn)過程中，更寬頻譜的需求將成為影響演進(jìn)的最重要因素之一。當(dāng)前LTE-A系統(tǒng)有6個(gè)候選頻點(diǎn)，在現(xiàn)有的頻譜分配方式和規(guī)劃情況下，很難找到足夠的承載LTE-A系統(tǒng)100 MHz帶寬的整段頻帶。因此，3GPP提出了使用載波聚合(carrier aggregation)技術(shù)來解決LTE-A系統(tǒng)對(duì)頻帶資源的需求。

通過載波聚合技術(shù)，我們可以同時(shí)將不同分量載波分配給一個(gè)用戶。然而，在非連續(xù)載波聚合方案中，聚合的分量載波屬于不同頻帶，因而不同分量載波的衰減特性是不同的，如路徑損耗和多普勒頻移［2］。因此，不同分量載波的覆蓋范圍也會(huì)不同。由于在蜂窩中的位置不同，部分用戶可以在所有的載波上調(diào)度，而部分用戶只能被調(diào)度到少量的載波上，這就影響了用戶的公平性［3-7］。因此，本文提出了在LTE-A系統(tǒng)載波聚合技術(shù)下的基于用戶分組的比例公平調(diào)度算法。用戶根據(jù)可以調(diào)度的載波數(shù)量不同而進(jìn)行分組。然后我們分析了不同用戶組的平均信道接入概率。基于仿真結(jié)果，我們提出了一個(gè)對(duì)比例公平調(diào)度算法更改的調(diào)度策略。它可以按照不同用戶組成比例的調(diào)整平均信道接入概率，從而提高用戶公平性。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法可以使比例公平算法獲得更好的用戶公平性。

1 系統(tǒng)模型

本文主要討論了非連續(xù)載波聚合方案下的蜂窩結(jié)構(gòu)。例如，2個(gè)分量載波f1和f2分別是低頻和高頻載波(f1=860 MHz，f2=2 300 MHz)，采用平均功率部署方案，也就是f1和f2有相同的傳輸功率PT。因?yàn)楦哳l的信道衰落比低頻的要快，所以，f2的覆蓋范圍就比f(wàn)1要小，如圖1所示。由于用戶1在載波f2的覆蓋范圍之外，因此，它只能在載波f1上調(diào)度。然而，用戶2在載波f1和f2的覆蓋范圍之內(nèi)，則可以在2個(gè)載波上調(diào)度。

圖1 非相鄰分量載波聚合技術(shù)下的用戶調(diào)度特點(diǎn)Fig.1 Scheduling feature about user under non adjacent carrier aggregation

假設(shè)1個(gè)蜂窩系統(tǒng)包括1個(gè)基站和N個(gè)用戶終端;系統(tǒng)可以聚合的分量載波的數(shù)量為L(zhǎng);所有的分量載波有相同的帶寬;每個(gè)分量載波有V個(gè)資源塊。在平均功率部署情況下，每個(gè)無線承載(radio bear，RB)的傳輸功率為p(n)=PT/V。根據(jù)從低頻到高頻的排列方式得到一簇頻譜為

在時(shí)刻s，RBn上的用戶i的信噪比為

(2)式中，Hi(n，s)和N0分別是多信道增益和RBn上的用戶i的噪聲功率。在時(shí)刻s，RBn上用戶i的到達(dá)數(shù)據(jù)速率為

(3)式中:W是RBn的帶寬;β =－1.5/ln(5Pe，n)，稱為SNR系數(shù)，表示了從理論結(jié)果到實(shí)際實(shí)現(xiàn)需要的間隔;Pe，n是目標(biāo)比特誤碼率［8］。

2 基于用戶分組的資源調(diào)度算法

本節(jié)中，首先，提出了對(duì)于基于用戶分組的改進(jìn)調(diào)度算法的用戶分組方法。然后，分析了比例公平調(diào)度算法的用戶平均信道接入概率?；诜治鼋Y(jié)果，我們提出了一個(gè)在載波聚合情景下的改進(jìn)策略。

2.1 比例公平調(diào)度算法

在每個(gè)調(diào)度時(shí)刻s，PF調(diào)度算法把RBn分配給瞬時(shí)速率與平均速率的比值最大的用戶i*。這個(gè)調(diào)度策略可以表示為

(4)式中:ri(n，s)是RBn對(duì)用戶i的瞬時(shí)傳輸速率;(s)是用戶i的平均數(shù)據(jù)速率。一個(gè)用戶的平均信道接入概率就是時(shí)間平均或者統(tǒng)計(jì)上來講的這個(gè)資源被分配給這個(gè)用戶的概率。

用ψi，n來表示RBn被分配給用戶i的概率，根據(jù)(4)式可以表示為

(5)式中，fΓi，n(x)是用戶i在n個(gè)用戶里瞬時(shí)速率與平均速率比值最大的概率密度函數(shù)。平均信道接入概率如(5)式所示，比例公平調(diào)度算法可以在用戶中獲得很好的公平性。然而它不適用在載波聚合情景下。由于聚合的載波之間的覆蓋區(qū)域不同，則應(yīng)該考慮用戶落在載波之內(nèi)的覆蓋區(qū)域的概率。因此，我們提出了基于用戶分組的調(diào)度算法。

2.2 基于用戶分組的調(diào)度算法

1)用戶分組方法。出于覆蓋需求，一個(gè)載波的最大路徑損耗不能高于PLth的臨界值。對(duì)于用戶i，我們可以根據(jù)它的每個(gè)分量載波的路徑損耗來確定它的分組，定義如下:

(6)式中，PLki為用戶i在載波fK上的路徑損耗。如果用Ni來表示集合Ωi內(nèi)元素的數(shù)量Ni=j，則用戶i可以調(diào)度的載波數(shù)量為j。所以，用戶可以根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)分為不同的組

對(duì)于特定的模型，路徑損耗可以估算出來。本文采用空間信道模型(space channel mode，SCM)［9］可以表示為

(8)式中:di是用戶i到基站的距離;載波fk的覆蓋半徑為Rk，估算為

根據(jù)(1)式可以得到:

2)基于用戶分組的改進(jìn)調(diào)度算法。ψji，n表示RBn被分配給用戶組Mj中的用戶i的概率，ΓUGi，n表示改進(jìn)的調(diào)度策略。用戶組Mj的平均信道接入概率可以估算為

用Pi，j表示用戶i屬于用戶組j的概率。本文假設(shè)整個(gè)用戶在整個(gè)蜂窩區(qū)域的分布是均勻分布，根據(jù)(4)式和平均分布的分布函數(shù)可以估算為

根據(jù)(11)式和(12)式，可以得到

改進(jìn)的調(diào)度策略為

改進(jìn)的調(diào)度算法為

(15)式中，加權(quán)因子 β=R2/R2J，i∈ Mj。(16)式確定用戶i在fk的覆蓋范圍中。β可以根據(jù)用戶分組來調(diào)整平均信道接入概率，從而獲得了一個(gè)更好的公平性。

在每個(gè)調(diào)度時(shí)刻s，基于用戶分組的改進(jìn)調(diào)度的詳細(xì)順序如下:

1)提出服務(wù)申請(qǐng)的用戶測(cè)量每個(gè)聚合的分量載波的信道狀況ri(n，s)及PLki，并將信息反饋給基站;

2)蜂窩內(nèi)的每個(gè)用戶由(6)式和(7)式根據(jù)用戶可以調(diào)度的載波數(shù)量，將用戶分到不同的用戶組;

3)初始化k=1;

4)根據(jù)(15)式和(16)式給出的調(diào)度策略將資源分配給符合調(diào)度策略的用戶;

5)如果用戶得到服務(wù)，則該用戶的平均速率更新為

如果用戶沒有得到服務(wù)，則其平均速率更新為

(17)－(18)式中，Tc是觀察窗口長(zhǎng)度。

3 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)我們估計(jì)了基于用戶分組的改進(jìn)調(diào)度算法的性能，并且與比例公平調(diào)度算法、基于多用戶分集的比例公平調(diào)度算法的性能進(jìn)行了比較。仿真場(chǎng)景是LTE-A系統(tǒng)非連續(xù)載波聚合下行鏈路。聚合的分量載波有2個(gè):f1=860 MHz;f2=2 300 MHz，每個(gè)載波的帶寬是20 MHz，所有的傳輸功率相同。仿真觀察窗口長(zhǎng)度Tc是100個(gè)傳輸時(shí)間間隔(transmission time interval，TTI)。

公平性是判斷一個(gè)資源調(diào)度算法的很重要的性能參數(shù)。公平性參數(shù)F定義為

系統(tǒng)吞吐量是仿真中另一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的性能參數(shù)。圖3表示了基于用戶分組的改進(jìn)算法、基于多用戶分集的比例公平調(diào)度算法和比例公平調(diào)度算法的平均吞吐量的比較。假設(shè)每個(gè)系統(tǒng)分別有4，8，12，16，20，24，28 個(gè)用戶。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)每個(gè)扇區(qū)的用戶少于7個(gè)的時(shí)候，基于用戶分組的改進(jìn)算法可以達(dá)到與其他調(diào)度算法相仿的平均扇區(qū)吞吐量。然而，當(dāng)扇區(qū)的用戶增加時(shí)，與其他2種調(diào)度算法相比，基于用戶分組的改進(jìn)算法導(dǎo)致了吞吐量的降低。原因是隨著用戶增多，用戶的信道質(zhì)量差的可能性就會(huì)增加。為了加強(qiáng)用戶間的公平性，基于用戶分組的改進(jìn)算法需要給信道環(huán)境差的用戶分配部分RB，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)吞吐量的降低。

圖2 不同用戶數(shù)時(shí)用戶的公平性比較Fig.2 Comparison of user fairness with different users

圖3 不同用戶數(shù)時(shí)的系統(tǒng)吞吐量比較Fig.3 Comparison of system throughput with different users

4 總結(jié)

本文針對(duì)LTE-A系統(tǒng)中載波聚合技術(shù)提出了一個(gè)基于用戶分組的改進(jìn)調(diào)度算法。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)調(diào)度算法與初始比例公平算法以及現(xiàn)存的改進(jìn)算法相比，提高了用戶間的公平性，并且系統(tǒng)吞吐量與其他算法接近?，F(xiàn)在仍需進(jìn)一步研究確定約束條件來達(dá)到用戶公平性和系統(tǒng)吞吐量之間的平衡。

［1］3GPP.TR 36.814 V0.4.1，3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Further Advancements for E-UTRA;Physical Layer Aspects(Release 9)［EB/OL］.(2009-02-27)［2012-01-20］. http://www. ccsa. org. cn/docs/kjjcpbz/200809/c61f6012-5951-73e2-f75c-4aaf61669cce.pdf.

［2］3GPP R1-090283，Texas Instruments.Doppler Impact of Higher Carrier Frequencies on LTE-A Uplink［EB/OL］.(2009-03-27)［2012-02-08］.http://ftp.3gpp.org/specs/html-info/TDocExMtg--R1-56b--27331.htm.

［3］SHEN Zu-kang，ANDREWS J G，EVANS Brain L.A-daptive Resource Allocation in Multiuser OFDM Systems with Proportional Fairness［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2005，4(6):2726-2737.

［4］ANDREWS M.Instability of the proportional fair scheduling algorithm for HDR［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2004，3(5):1422–1426.

［5］PARK Taewon，SHIN Oh-Soon，LEE K B.Proportional fair scheduling for wireless communication with multiple transmit and receive antennas［J］.Vehicular Technology Conference，2003.VTC 2003-Fall，IEEE 58th.［s.l.］:IEEE Conference Publications，2003(3):1573-1577.

［6］WENGERTER C，OHLHORST J，ELBWART A G E von.Fairness and throughput analysis for generalized proportional fair frequency scheduling in OFDMA［C］//Vehicular Technology Conference，2005，VTC 2005-Spring，2005 IEEE 61st.［s.l.］:Spring，2005(3):1903-1907.

［7］ASDR S，ANPALAGAN A，RAAHEMIFAR K.A noval subcarrier allocation algorithm for multiuser OFDM system with fairness:User's perspective［C］//Vehicular Technology Conference，2007.VTC-2007 Fall.2007，IEEE 66th， Baltimore MD:IEEE ConferencePublications，2007:1772-1776.

［8］MA Yao. Proportional Fair Scheduling for Downlink OFDMA［C］//IEEE ICC'07 24-28 June 2007.［s.l.］:IEEE Conference Publications，2007:4843-4848，.

［9］3GPP TR 25.814 V7.1.0.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Physical layer aspect for evolved Universal Terrestrial Radio Access(UTRA)(Release 7)［EB/OL］.(2006-10-30)［2012-02-24］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25-series.htm.