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      用于TD-LTE系統(tǒng)的一種上行調(diào)度新算法

      2014-10-22 02:44:06王麗萍李希洋
      關(guān)鍵詞:終端用戶基站分配

      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.

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