用于TD－LTE系統(tǒng)的一種上行調(diào)度新算法

李 慶，王麗萍，李希洋

（1.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；3.中國科學(xué)院 計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100190）

在TD－LTE（time division long term evolution）系統(tǒng)接入網(wǎng)中，上行調(diào)度模塊位于基站的媒體接入控制（medium access control，MAC）層，其主要功能是在每個(gè)上行調(diào)度時(shí)刻為有上行數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求的終端用戶（UEs）分配物理資源用于上行數(shù)據(jù)的發(fā)送，而基站是根據(jù)上行調(diào)度算法決策如何分配有限的時(shí)頻資源。因此，上行調(diào)度算法的好壞直接影響TD－LTE系統(tǒng)的上行鏈路性能［1］。

隨著正交頻分多址接入技術(shù)（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）、多入多出（multiple input multiple output，MIMO）、單載波頻分多址技術(shù)（single－carrier frequency－division multiple access，SC－FDMA）等關(guān)鍵技術(shù)的引入，TD－LTE系統(tǒng)對(duì)上行調(diào)度算法有了更高的要求。目前國內(nèi)采用的上行調(diào)度算法都是基于PF（proportional fair）算法的改進(jìn)［2－3］，存在以下問題:分配給每個(gè)用戶的資源塊并不連續(xù)，未考慮每個(gè)用戶的實(shí)際信道質(zhì)量，業(yè)務(wù)的QoS得不到保障。針對(duì)這些問題，筆者重點(diǎn)研究了經(jīng)典的PF算法，從兩個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)。首先，提出將業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)與PF算法的用戶優(yōu)先級(jí)相結(jié)合的思想，以提高業(yè)務(wù)QoS；其次，在資源分配過程中采用性能好的RME算法保證資源的最佳分配，使得每個(gè)用戶能夠在最佳的資源區(qū)域內(nèi)進(jìn)行上行傳輸，提高系統(tǒng)吞吐量［4］。

1 上行調(diào)度新算法整體設(shè)計(jì)

為了合理考慮TD－LTE系統(tǒng)上行調(diào)度各項(xiàng)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)的上行調(diào)度新算法主要分為兩部分:資源塊預(yù)分配部分和資源塊實(shí)際分配部分。

資源塊預(yù)分配部分的主要功能是保證業(yè)務(wù)QoS，涉及的參數(shù)有業(yè)務(wù)的QCI（QoS等級(jí)）、終端用戶的優(yōu)先級(jí)和上層配置的業(yè)務(wù)基本保證速率GBR。該部分詳細(xì)的算法流程如圖1所示。

資源塊實(shí)際分配部分的主要功能是對(duì)資源進(jìn)行最佳分配，提高系統(tǒng)的吞吐量，主要考慮用戶信道質(zhì)量及資源連續(xù)性分配。涉及的參數(shù)有用戶上報(bào)的數(shù)據(jù)狀態(tài)緩存報(bào)告（BSR）［5］和反映用戶信道質(zhì)量情況的UE－RB（用戶－資源塊信噪比）矩陣。具體流程是:首先，統(tǒng)計(jì)資源塊預(yù)分配部分各個(gè)終端用戶得到的預(yù)分配資源數(shù)總和；然后，在BSR所需資源數(shù)與預(yù)分配資源數(shù)之間選擇較小者作為用戶最終分配的資源塊數(shù)；最后，用RME算法實(shí)際為用戶分配資源塊，并將上行調(diào)度結(jié)果DCI0（上行授權(quán)）通過PDSCH（物理下行共享信道）輸出［6］。

2 上行調(diào)度新算法理論分析

2.1 業(yè)務(wù)的QoS保障

圖1 資源預(yù)分配模塊算法流程圖

在進(jìn)行資源分配時(shí)，傳統(tǒng)的PF算法是按用戶的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行資源分配的。為了保障業(yè)務(wù)的QoS，采用將業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)與傳統(tǒng)PF算法優(yōu)先級(jí)相結(jié)合的方法。首先，對(duì)MAC上層各邏輯信道中指示的業(yè)務(wù)先按QCI（QoF class identifier）等級(jí)進(jìn)行排序，優(yōu)先給QCI等級(jí)高的業(yè)務(wù)分配資源［7］；其次，對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)下的用戶按改進(jìn)的PF算法依次計(jì)算用戶優(yōu)先級(jí)并按序分配資源。改進(jìn)的PF算法［8］優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式為:

式中:rk（i，t）為終端用戶i的業(yè)務(wù)k在t時(shí)刻的瞬時(shí)速率為終端用戶i的業(yè)務(wù)k在時(shí)刻t之前的時(shí)間窗Tw內(nèi)的平均速率。其更新公式為:

不同業(yè)務(wù)QoS所要求的保證速率（guaranteed bit rate，GBR）是不同的。因此，在給不同的業(yè)務(wù)分配資源時(shí)要保障其速率達(dá)到最低GBR以上。對(duì)于每個(gè)業(yè)務(wù)，基站首先需要從無線資源控制（radio resource control，RRC）層獲取系統(tǒng)配置的GBR值，然后計(jì)算該業(yè)務(wù)在當(dāng)前調(diào)度時(shí)刻所需要保證的最小速率，具體計(jì)算公式為:

式中:Rk，GBR為RRC層為業(yè)務(wù) k配置的 GBR值；Rk（i，tpast）為業(yè)務(wù)k在當(dāng)前時(shí)刻t0之前的時(shí)間窗T內(nèi)的平均速率。

基站通過業(yè)務(wù)的最小保證速率就可以推算出業(yè)務(wù)的目標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)量，并以此為依據(jù)分配資源進(jìn)行上行調(diào)度。

2.2 資源塊最佳分配

在TD－LTE系統(tǒng)中，以SC－FDMA為標(biāo)準(zhǔn)的上行多址接入技術(shù)要求基站在分配資源時(shí)采用集中式分配方式，即分配給每一個(gè)終端用戶的物理資源塊在頻域上是連續(xù)分布的［9］。為了提升用戶的上行傳輸質(zhì)量，基站在進(jìn)行上行調(diào)度時(shí)需要對(duì)所有終端用戶進(jìn)行信道狀況評(píng)估，并由此確定各個(gè)用戶的最佳資源分配區(qū)域。目前，國內(nèi)提出的上行調(diào)度算法沒有考慮資源塊的最佳分配，而國外在這方面的研究已經(jīng)很深入，其算法有:首值擴(kuò)張算法（first maximum expansion，F(xiàn)ME）、RME（recursive maximum expansion）算法和最小不同區(qū)域演進(jìn)算法（minimum area－difference to the envelope，MAD）。筆者在上行調(diào)度新算法的設(shè)計(jì)過程中，選擇最符合當(dāng)前系統(tǒng)需要的RME算法作為資源分配部分的核心算法。RME算法［10］流程如圖2所示。

圖2 RME算法流程圖

3 性能測(cè)試及測(cè)試結(jié)果

筆者提出的上行調(diào)度新算法的性能驗(yàn)證是以中科院計(jì)算技術(shù)研究所的eNB pc9608和TM500為硬件平臺(tái)，以C語言開發(fā)的TD－LTE協(xié)議棧系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，并在CentOS －Linux －Kernel 2.6.28環(huán)境下調(diào)試運(yùn)行。TD－LTE系統(tǒng)配置如表1所示。

表1 TD－LTE系統(tǒng)配置

通過實(shí)際的系統(tǒng)測(cè)量，將新算法與傳統(tǒng)的RR算法、MAX C/I算法及PF算法進(jìn)行比較并記錄下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到圖3所示的結(jié)果。圖3（a）為LTE系統(tǒng)的吞吐量曲線圖，圖3（b）為系統(tǒng)業(yè)務(wù)QoS測(cè)量圖。當(dāng)吞吐量與業(yè)務(wù)GBR之比超過1時(shí)則說明業(yè)務(wù)QoS能得到保障，若比值小于1則不能保障業(yè)務(wù)QoS。從圖3（a）可以看出，新算法比MAX C/I算法和RR算法在提高系統(tǒng)吞吐量上更有優(yōu)勢(shì)。圖3（b）為新算法與傳統(tǒng)PF算法的比較，從該圖中可以發(fā)現(xiàn)新算法能夠保證終端用戶業(yè)務(wù)的QoS需求，而PF算法由于其沒有考慮業(yè)務(wù)的GBR而不能保證業(yè)務(wù)的QoS需求。

圖3 新舊算法仿真結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)論

筆者主要提出了一種新的上行調(diào)度算法設(shè)計(jì)思路。在調(diào)研了國內(nèi)外已有的TD－LTE上行調(diào)度算法之后，針對(duì)已有算法中存在的不足提出改進(jìn)方案。進(jìn)而以PF算法為基礎(chǔ)結(jié)合影響上行調(diào)度性能的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)了新的上行調(diào)度算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在滿足TD－LTE系統(tǒng)上行資源分配特有限制條件的基礎(chǔ)上，既能保證終端用戶的最佳上行傳輸，提升系統(tǒng)的吞吐量，又能保證業(yè)務(wù)的QoS需求。

［1］3GPP，TS 36.300 V10.2.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）and evolved universal terrestrial radio access network（E－UTRAN）［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2011.

［2］陳磊，盧軍，印翀.LTE基于QoS業(yè)務(wù)的比例公平調(diào)度算法研究［J］.光通信研究，2012（5）:64－67.

［3］鄭培超，賈韶軍，宋瀚濤，等.LTE系統(tǒng)上行保證服務(wù)質(zhì)量的分組調(diào)度算法［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（2）:186－189.

［4］李海旭.LTE系統(tǒng)中MAC層調(diào)度算法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)圖書館，2012.

［5］3GPP，TS 36.321 V10.8.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）medium access control（MAC）protocol specification［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2013.

［6］3GPP，TS 36.211 V10.7.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）physical channels and modulation［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2012.

［7］3GPP，TS 36.871 V10.6.0.Evolved universal terrestrial radio access network（E－UTRAN）S1 application protocol（S1AP）［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2012.

［8］崔司千.LTE系統(tǒng)中無線資源調(diào)度算法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)圖書館，2010.

［9］3GPP，TS 36.213 V10.9.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）physical layer procedures［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2013.

［10］SAFA H，TOHME K.LTE uplink scheduling algorithms:performance and challenges［J］.Telecommunications（ICT），2012（8）:1－6.