LTE-A載波聚合調度方案研究與改進*

王子豪,葛萬成,汪亮友,林佳燕

(1. 同濟大學，上海 200092；2. 上海中科聯(lián)芯物聯(lián)網(wǎng)技術有限公司，上海 201210)

LTE-A載波聚合調度方案研究與改進*

王子豪1,葛萬成1,汪亮友1,林佳燕2

(1. 同濟大學，上海 200092；2. 上海中科聯(lián)芯物聯(lián)網(wǎng)技術有限公司，上海 201210)

基于LTE-Advanced系統(tǒng)中的載波聚合技術，對現(xiàn)有的3種資源調度機制：聯(lián)合用戶調度方案(Joint User Scheduling, JUS)、獨立隨機用戶調度方案(Separated Random User Scheduling,SRUS)和獨立數(shù)據(jù)突發(fā)級調度方案(Separated Burst Level Scheduling, SBLS)進行研究。針對3種機制在系統(tǒng)吞吐量、排隊時延和成分載波(Component Carrier,CC)切換時延性能上的優(yōu)缺點，提出了半獨立負載調度機制(Half Separated Load Scheduling，HSLS)。HSLS采用動態(tài)負載均衡準則(Dynamic Load Balance,DLB)，另外HSLS基于系統(tǒng)吞吐量和排隊時延的要求以多數(shù)據(jù)突發(fā)(multi-burst)作為資源分配粒度，令多個調度器(Resource Scheduler, RS)可以同時分發(fā)滿足調度條件的用戶數(shù)據(jù)。仿真結果表明，HSLS對設備要求度低，有著良好的系統(tǒng)吞吐量和時延性能表現(xiàn)。

載波聚合；資源調度；排隊時延；系統(tǒng)吞吐量

0 引 言

為了滿足移動用戶對數(shù)據(jù)量的不斷要求，第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)開始了由LTE(Long Term Evolution)到LTE-Advanced(Long Term Evolution-Advanced)系統(tǒng)的演進過程。為了更好地利用有限的頻譜資源，通過將頻域上分散的資源整合起來以獲得更大的帶寬，3GPP提出了載波聚合技術[1]。而LTE-A技術標準提出時間并不長，許多問題依舊有待完善，目前對于載波聚合下資源調度的研究主要停留在兩個方面：多用戶調度機制和調度算法的性能研究。本文首先對現(xiàn)有的3種調度機制聯(lián)合用戶調度方案(JUS)、獨立隨機用戶調度案(SRUS)和獨立數(shù)據(jù)突發(fā)級調度方案(SBLS)進行了介紹分析[2]。然后針對調度粒度和負載均衡機制對現(xiàn)有調度器進行改進，設計出了半獨立負載調度方案(HSLS)并對其調度器結構、調度粒度和負載均衡機制進行了詳細介紹。最后通過仿真對其性能進行了分析。

1 載波調度方案

系統(tǒng)資源分配受調度機制和調度算法影響。以何種機制調度多個成分載波上的資源，才能更好地利用這些資源，是LTE-A系統(tǒng)引入載波聚合技術后的問題之一。本節(jié)將對現(xiàn)有調度機制及負載方式進行研究,分析其不同業(yè)務模型下的多個性能指標。歐洲WINNER+項目中研究了兩種多用戶調度機制，即聯(lián)合用戶調度(JUS)和獨立隨機用戶調度(SRUS)。JUS的方法是使用一個公共RS將資源分配到所有成分載波(CC)中；SRUS的方法是將用戶隨機分均勻的分布到一個CC中，并為每個CC使用不同的調度器(RS)；也有學者提出了基于突發(fā)業(yè)務的新調度機制獨立數(shù)據(jù)突發(fā)級調度方案(SBLS)[3]。

1.1 聯(lián)合用戶調度方案(JUS)

在聯(lián)合用戶調度模型中，所有的成員載波是聯(lián)合的。可以看成是JUS將多個CC整合在一個資源池(Resource Pool)中，該資源池由各個CC的多個RB構成，每個UE可以根據(jù)自身需求使用其中任一RB。JUS的調度器結構如圖1所示，其中BQn為各用戶提供的數(shù)據(jù)緩存隊列，BQ中的數(shù)據(jù)進入調度器后，被存儲在調度器的服務隊列SQ。可以看出由于JUS將所有CC聯(lián)合在一起，因此系統(tǒng)中只需配置一個調度器，即系統(tǒng)RS數(shù)量K=1，這個RS將用戶的數(shù)據(jù)信息映射到資源池所有CC的RB上，因此這個結構也被稱作為單層調度器[4]。

由于JUS中資源的分配以RB為粒度，因此只要調度器中的服務隊列SQ中有數(shù)據(jù)待傳輸，系統(tǒng)的時頻資源就不會出現(xiàn)被浪費的情況，RB可以得到充分的利用，因此在既定的調度算法下JUS的頻譜利用率是最高的，可以實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的最大化，這是JUS的優(yōu)點。

圖1 聯(lián)合用戶調度器結構

1.2 獨立隨機用戶調度方案(SRUS)

與JUS不同，SRUS中的每個CC都是獨立的。在系統(tǒng)中每個CC僅由各自的RS所調度，也就是系統(tǒng)中CC的數(shù)量L和RS的數(shù)量K是相等的，此CC和RS始終保持關聯(lián)。SRUS中采用隨機的用戶分配算法，將用戶分配到一個CC上[5]。用戶一旦接入到某個CC后，在接下來的傳輸過程中除非用戶離開系統(tǒng)，否則無法更換接入的CC，也就是接入的綁定關系不可改變。因此SRUS可以看做是兩層調度，如圖2所示。

圖2 獨立隨機用戶調度器結構

SRUS中用戶的行為完全等同于單載波系統(tǒng)，這種機制滿足系統(tǒng)的后向兼容性，使得用戶的硬件設備不必進行較大的調整，對于LTE-A載波聚合系統(tǒng)來說SRUS是最簡單的調度機制。由于每個用戶只能用一個CC傳輸數(shù)據(jù)，因此用戶終端設備的復雜度和能耗遠遠低于JUS，用戶也無需在CC之間來回切換從而大大減少了系統(tǒng)時延。

1.3 獨立數(shù)據(jù)突發(fā)級調度方案(SBLS)

基于JUS、SRUS頻譜利用率和設備復雜度的折中考率，學者提出了SBLS調度機制。其調度器結構如圖3所示。SBLS類似于SRUS有著兩層調度結構，采用一定的數(shù)據(jù)分發(fā)準則，將CC分配給用戶，且系統(tǒng)中的CC數(shù)和RS數(shù)相等，用戶只能用一個CC來傳輸數(shù)據(jù)。與SRUS不同的是，用戶和CC不是綁定的，SBLS允許用戶以一個數(shù)據(jù)突發(fā)(burst)為單位長度來切換CC。這樣用戶可以在下一個時機，根據(jù)數(shù)據(jù)分發(fā)準則來重新選擇接入的CC[6]。當用戶n分發(fā)給當前所屬RS的數(shù)據(jù)突發(fā)已經(jīng)傳輸完成，并且它的數(shù)據(jù)緩存中仍然有數(shù)據(jù)突發(fā)等待傳輸，則會發(fā)生數(shù)據(jù)的分發(fā)，如式(1)所示：

(1)

圖3 獨立數(shù)據(jù)突發(fā)級調度器結構

2 半獨立負載調度方案(HSLS)

3種現(xiàn)有調度機制在綜合性能，系統(tǒng)吞吐量和時延上各有優(yōu)劣，因此本文提出的半獨立負載調度方案(HSLS)是對系統(tǒng)及用戶設備復雜度、系統(tǒng)吞吐量以及時延進行綜合考慮后所提出的折中方案[7]。它在SRUS和SBLS的基礎結構上做了進一步的改進，使此調度方案有更良好的性能表現(xiàn)。

半獨立負載調度方案采用了和SRUS類似的調度器結構，系統(tǒng)中CC數(shù)和RS數(shù)相等L=K，不同于SRUS的是，用戶在每個CC上有一個服務隊列SQ，其結構如圖4所示。HSLS采用兩級調度器將用戶的業(yè)務數(shù)據(jù)映射到RB上，其工作原理如下：

外層調度器，也稱為層一調度器(L1 RS)，以動態(tài)負載均衡(Dynamic Load Balance,DLB)的方式分配用戶緩存隊列BQ中的業(yè)務數(shù)據(jù)包到各個CC調度器中的服務隊列SQ中等待傳輸，用戶n一旦接入某個CCm，在下一幀L1 RS為用戶n選擇CC時，CCm就是優(yōu)先首選承擔服務的CC；然后每個CC的RS也稱為層二調度器(L2 RS)采用相應的調度算法，將不同SQ中的數(shù)據(jù)包映射到CC的資源塊上。因此HSLS可以看做是介于SRUS和SBLS的折中機制，SBLS在一個burst之后計算負載為用戶進行CC的切換，這種機制必然會引起UE的CC間切換時延τsw。SRUS雖然不引起CC切換時延，但用戶與CC的綁定卻會造成資源的浪費，導致低系統(tǒng)吞吐量。因此HSLS允許用戶使用不同CC分發(fā)數(shù)據(jù)，進行CC間以數(shù)據(jù)包為單位的切換，但是對CC的選擇由DLB準則來控制，盡量避免CC切換。

圖4 半獨立負載調度器結構

3 仿真及結果分析

本文將使用Matlab系統(tǒng)級仿真，來評估HSLS調度機制在LTE-A載波聚合系統(tǒng)中的性能。首先簡要介紹仿真中所使用的業(yè)務模型，然后給出仿真結果和相應的分析。

3.1 仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)級仿真方式，需要對小區(qū)結構、信道模型、干擾模型等建模，然后進行具體的系統(tǒng)仿真。下面主要介紹其中的幾個模型。

(1)小區(qū)模型

采用7小區(qū)拓撲結構，每個小區(qū)分為3個扇區(qū)，假設扇區(qū)天線的方向性理想，不會發(fā)生扇區(qū)泄露。系統(tǒng)中用戶隨機均勻的分布在各個小區(qū)。

(2)信道模型

無線信道模型主要由徑損耗和陰影衰落引起的慢衰落和多徑效應引起的快衰落構成，系統(tǒng)各模塊的參數(shù)如表1所示。

表1 信道模型基本參數(shù)

(3)天線模型

收發(fā)天線為1X2模型，基站下行天線采用120°扇區(qū)天線，其增益模式如式(2)所示。用戶端采用全天線接收。

(2)

式中，G(φ)表示基站下行天線增益；φ表示取值范圍為-180°～180°的方向角；φ3表示3 dB帶寬；Gmin表示最大衰減，Gmin=20 dB。

3.2 仿真參數(shù)配置

本文在仿真中部署了兩個10 MHz的成分載波；系統(tǒng)中所有用戶隨機均勻的分布在7小區(qū)模型中，每小區(qū)分為3個扇區(qū)，每扇區(qū)有10個UE；主要的系統(tǒng)仿真參數(shù)見表2。

表2 仿真參數(shù)配置

3.3 仿真結果

圖5 用戶數(shù)據(jù)平均積壓包數(shù)

圖6 用戶平均載波成分切換時延

用戶數(shù)據(jù)平均積壓，這個指標反應的是每個用戶平均數(shù)據(jù)積壓情況，也就是緩存隊列SQ中剩余的用戶數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)平均積壓主要受用戶數(shù)據(jù)突發(fā)的到達速度和調度器的調度準則兩方面的影響。其定義如下：

(3)

由仿真數(shù)據(jù)可見，HSLS無法同時達到低用戶CC切換時延和高資源利用率的同時滿足，在β取0.5～1.0間切換時延隨著β值增加明顯下降，而數(shù)據(jù)積壓量的上升曲線卻并不“陡峭”；在β取1.0～1.5間，τsw的減幅量逐漸縮小，而用戶數(shù)據(jù)積壓量的增幅逐漸增大。因此當約束門限β取1.0時，用戶HSLS有相對良好的CC切換時延性能和資源利用性能。

4 結 語

本文對現(xiàn)有的3種調度機制聯(lián)合用戶調度方案(JUS)、獨立隨機用戶調度方案(SRUS)和獨立數(shù)據(jù)突發(fā)級調度方案(SBLS)進行了分析與研究，比較了3種現(xiàn)有調度機制在綜合性能、系統(tǒng)吞吐量和時延上的優(yōu)勢和劣勢。在此基礎上提出了半獨立負載調度方案(HSLS)。該調度方案是對系統(tǒng)及用戶設備復雜度、系統(tǒng)吞吐量以及時延進行綜合考慮后所提出的折中方案，是在SRUS和SBLS的基礎結構上的進一步改進。HSLS采用動態(tài)負載均衡準則，基于系統(tǒng)吞吐量和排隊時延的要求以多數(shù)據(jù)突發(fā)作為資源分配粒度，令多個調度器可以同時分發(fā)滿足調度條件的用戶數(shù)據(jù)。本文使用Matlab進行系統(tǒng)級仿真，來評估HSLS調度機制的性能。仿真結果顯示，當門限約束取1.0時，用戶HSLS有相對良好的載波成分切換時延性能和資源利用性能。論文的研究工作得到了上海市科學技術委員會科研項目《基于個性化推薦技術的航空移動社區(qū)服務模式研究與應用》(項目號：14DZ1101400)和同濟大學研究生國際交流基金資助項目(項目批準號：201502008)的經(jīng)費支持。

[1] 張麗娟，侯曉赟.LTE-A載波聚合技術的最新研究進展[J].通信技術,2012,45(09):116-118.ZHANGLi-juan,HOUXiao-yun.LatestResearchProgressofCarrierAggregationinLTE-ASystems[J].CommunicationsTechnology,2012,45(09):116-118.

[2] 孫朝.LTE-Advanced系統(tǒng)中載波聚合下行資源調度技術的研究[D].武漢：武漢郵電科學研究院，2014.

SUN Chao. Research on Downlink Scheduling Technology for Carrier Aggregation in LTE-Advanced System[D].Wuhan: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,2014.

[3] ZHANG L,ZHENG K. Performance Analysis on Carrier Scheduling Schemes in Long-Term Evolution-Advanced System with Carrier Aggregation[J]. IET Commun, 2011, 5(5):612-619.

[4] ZHANG L, WANG Y, HUANG L,et al.QoS Performance Analysis on Carrier Aggregation based LTE-A Systems[C]. Proc. IET Int. Communication Conf. on Wireless, Mobile and Computing (CCWMC2009), Shanghai, China, December 2009:253-256.

[5] LIN L, LIU Y, LIU F, et al. Resource Scheduling in Downlink LTE-Advanced System with Carrier Aggregation[J]. Journal of China Universities of Post and Telecommunication. 2012, 19(1): 44-49.

[6] SHI S, FENG C, GUO C. A Resource Scheduling Algorithm based on User Grouping for LTE-Advanced System with Carrier Aggregation[C]. IEEE CNMT 2009, Wuhan, China, Jan 2009: 1-4.

[7] 范文鵬. LTE-A系統(tǒng)載波聚合下的調度算法研究[D]. 重慶：重慶大學，2012. FAN Wen-peng. Research on Scheduling Algorithm for Carrier Aggregation in LTE-A Systems[D].Chongqing: Chongqing University,2012.

Research and Improvement of Scheduling Scheme for Carrier Aggregation in LTE-Advanced System

WANG Zi-hao1, GE Wan-cheng1, WANG Liang-you1, LIN Jia-yan2

(1.Tongji University, Shanghai 200092,China; 2.Shanghai Unicore Technology of IOT Co.,Ltd,Shanghai 201210,China)

Based on the carrier aggregation in the LTE-Advanced system, the three current resource scheduling systems: JUS (Joint User Scheduling), SBLS (Separated Random User Scheduling) and SBLS (Separated Burst Level Scheduling) are studied and analyzed. For the advantages and disadvantages of the three mechanisms in system throughput, queuing delay, and switching delay performance of the component carrier,a HSLS (Half Separated Load Scheduling) mechanism adopting DLB (Dynamic Load Balance) is proposed.Based on requirements of system throughput and queuing delay, HSLS mechanism, with multi-burst as the coarse-grained resource allocation principle, makes multiple schedulers distribute simultaneously the users’ data satisfying certain scheduling conditions. Simulation result indicates that HSLS mechanism has limited requirements of equipment, fairly good performance of system throughput and delivery delay.

carrier aggregation;resource scheduling;queuing delay;system throughput

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.008

2015-03-05；

2015-07-09 Received date:2015-03-05；Revised date：2015-07-09

上海市科學技術委員會《基于個性化推薦技術的航空移動社區(qū)服務模式研究與應用》(No.14DZ1101400)和同濟大學研究生國際交流基金資助項目(No.201502008)

Foundation item:Shanghai Science and Technology Committee,Research and Application of Aviation Mobile Community Service Modes based on Personalized Recommendation Technology(No. 14DZ1101400)；Tongji University Foundation for Graduates International Communication(No. 201502008)

TN913

A

1002-0802(2015)10-1134-05

王子豪(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為信號與信息處理；

葛萬成(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為信號與信息處理。