基于高速鐵路的LTE無線資源調(diào)度算法研究

徐 巖， 李 露

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

新一代移動通信系統(tǒng)LTE在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)性能上較2G和3G系統(tǒng)都有較大的改善，能夠獲得高的數(shù)據(jù)速率支持更多的實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)[1]。LTE采用OFDM和MIMO等先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)，有效的擴(kuò)大了無線資源，提高了頻譜利用率，其無線接入網(wǎng)采用只有單1節(jié)點(diǎn)eNodeB的扁平化架構(gòu)，直接和LTE用戶終端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互，主要負(fù)責(zé)1個(gè)或多個(gè)小區(qū)的無線資源管理。分組調(diào)度是無線資源管理的主要功能之一，當(dāng)多個(gè)用戶競爭無線資源時(shí)，確定用戶服務(wù)順序，盡量保障用戶公平性，使系統(tǒng)資源得到有效利用是分組調(diào)度的主要工作。調(diào)度算法是無線資源分組調(diào)度的關(guān)鍵所在，調(diào)度器[2]根據(jù)用戶信道質(zhì)量反饋信息，以調(diào)度算法為承載，決定調(diào)度哪個(gè)用戶，分配給它們哪些子載波，從而得到多用戶分集，提高無線資源的利用率。

1 LTE的資源調(diào)度

在LTE系統(tǒng)中，采用通用的動態(tài)調(diào)度方法，對每一個(gè)無線資源調(diào)度的基本單位，調(diào)度器都根據(jù)用戶設(shè)備資源請求分配資源[3]，它是完成資源調(diào)度的功能實(shí)體，其模型見圖1，具體功能為

(1) 調(diào)度器需要知道每條鏈路的信道狀態(tài)信息 CSI。在單發(fā)天線或是發(fā)射分級的情形下，調(diào)度器需知曉CSI功率部分SINR參數(shù)。在多發(fā)射天線的情形下，調(diào)度器還需要知道CSI中的相位信息，以便利用空間維度增加系統(tǒng)的容量。

(2) 物理層提供動態(tài)調(diào)度信令，用來授權(quán)終端占用某些資源進(jìn)行傳輸接收數(shù)據(jù)，調(diào)度器需權(quán)衡調(diào)度信令的開銷和業(yè)務(wù)信道容量。

(3) 對于系統(tǒng)的上行鏈路，網(wǎng)絡(luò)需要知道終端發(fā)送緩沖器的狀態(tài)，功率提升是否還有余量，是否需要調(diào)度來運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送等信息，以便eNodeB有效的調(diào)度上行資源。

2 LTE調(diào)度算法

經(jīng)典的LTE無線資源調(diào)度算法有輪詢(RR)算法、最大載干比(MAX C/I)算法和比例公平算法 (PF)[4]。RR算法是按照次序給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有用戶分配資源，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有用戶的服務(wù)機(jī)會均等，是調(diào)度算法的公平性上界。MAX C/I算法是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有用戶的載干比決定哪個(gè)用戶可以被服務(wù)，將所有用戶按照載干比的大小進(jìn)行排序，在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)總是選擇載干比最大的用戶進(jìn)行資源分配，從而很好地提高了系統(tǒng)的吞吐量。PF算法則是依據(jù)終端反饋的信息，按照相應(yīng)的比例關(guān)系，給用戶分配1個(gè)相應(yīng)的優(yōu)先級，同時(shí)兼顧了用戶當(dāng)前的信道質(zhì)量和公平性。

3種經(jīng)典調(diào)度算法的特點(diǎn)總結(jié)見表1[5]，從表中分析可以看出3種基本調(diào)度算法中性能最好的是PF算法，達(dá)到了RR算法和MAX C/I算法性能的折中，既有較高的吞吐量也有較好的公平性，是1種具有代表性的調(diào)度算法。

表1 不同算法性能比較

3 高鐵環(huán)境下LTE調(diào)度算法

鐵路沿線一般采用線狀的覆蓋方式，但在市區(qū)內(nèi)或是鐵路沿線相隔較近的地帶，會有公網(wǎng)的面狀覆蓋[6]。當(dāng)列車行駛至鐵路沿線的蜂窩小區(qū)時(shí)，普通用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)，與列車用戶共同享用無線資源。列車高速運(yùn)行引起的多普勒頻移、信道環(huán)境惡劣等問題使列車用戶的通信環(huán)境變差，影響資源競爭的公平性[7]。另外，采用車載中繼解決車體穿透損耗并未考慮當(dāng)列車穿過蜂窩小區(qū)，列車用戶與普通用戶參與資源競爭時(shí)，被eNodeB當(dāng)作單個(gè)獨(dú)立用戶進(jìn)行調(diào)度并分配資源的問題，而實(shí)際上列車內(nèi)有多個(gè)用戶，分配到的資源被分割，這樣列車內(nèi)的每個(gè)用戶得到的無線資源更少，無線信號傳輸成功率更低，從而進(jìn)一步影響列車用戶競爭資源的公平性[8]。

由于經(jīng)典的LTE資源調(diào)度算法均沒有考慮高速鐵路的特殊性，無法使列車用戶和普通用戶之間公平的競爭無線資源。本文基于此提出了旨在提高列車用戶公平性的改進(jìn)比例公平算法(p-PF)。該算法的核心是加入了列車用戶數(shù)目提高列車用戶優(yōu)先級，從而改善列車用戶的公平性，其表達(dá)式為

( 1 )

式中:m表示列車用戶;n表示普通用戶；指數(shù)參數(shù)u和v調(diào)節(jié)用戶瞬時(shí)速率和平均吞吐量的比重。本文不考慮這兩個(gè)參量變化對算法性能的影響，因此設(shè)定u=v=1。在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙將資源分配給優(yōu)先級最大的用戶kmaxk∈m∪n，可表示為

( 2 )

式中:平均吞吐量Tk(t),k∈(m∪n))的更新規(guī)則為

( 3 )

p-PF算法流程見圖2，具體步驟為

Step1首先eNodeB判斷是否有可利用的資源以及需要調(diào)度的用戶集U1,2,…,k；

Step2若無，在這一時(shí)隙就不需要調(diào)度，任何1個(gè)沒有數(shù)據(jù)傳送的用戶在這次計(jì)算中都會被忽略；若有，eNodeB發(fā)送小區(qū)特定參考信號給UE，UE估計(jì)CQI上報(bào)給eNodeB，并計(jì)算UE的瞬時(shí)速率；

Step3eNodeB統(tǒng)計(jì)車載中繼上報(bào)的列車用戶數(shù)目Um并進(jìn)行周期性的上報(bào)；

Step4根據(jù)改進(jìn)算法的度量值計(jì)算式，對所有用戶計(jì)算優(yōu)先級；

Step5將用戶優(yōu)先級從大到小排序，在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙調(diào)度優(yōu)先級最高的用戶kmax；

Step6eNodeB分配資源并通知UE，并且將在哪個(gè)時(shí)隙哪個(gè)載波上傳輸數(shù)據(jù)的具體信息告訴UE；

Step7依次調(diào)度每個(gè)用戶，并根據(jù)更新公式更新每個(gè)用戶的平均吞吐量。

4 仿真及結(jié)果分析

仿真參數(shù)配置見表2。

表2 仿真參數(shù)配置表

4.1 基于不同速度下的仿真

列車沿直線在鐵軌上行駛，普通用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)與列車用戶共同搶占資源，對4種調(diào)度算法進(jìn)行公平性和吞吐量的仿真，結(jié)果見圖3、圖4。

在圖4中可見不同速度下獲得最高平均吞吐量的是MAX C/I算法，最小的是RR算法，與預(yù)期結(jié)果一致。但綜合圖3中用戶的公平性，p-PF算法的優(yōu)勢就凸顯出來，在4種算法中既有較好的吞吐量也有較高的公平性，性能是最好的。這是因?yàn)閜-PF算法考慮了場景的特殊性，增加了列車用戶數(shù)目這個(gè)參數(shù)，使列車上的用戶數(shù)與優(yōu)先級成正比，提高了列車上用戶的公平性，獲得了較好的吞吐量。

表3給出了用戶數(shù)為30時(shí)，不同速度不同算法下平均吞吐量數(shù)值。從表3中數(shù)值可以看出，用戶平均吞吐量隨著列車速度的不斷提高而降低，這是因?yàn)樗俣鹊牟粩嗵岣呤沽熊囉脩舻男诺蕾|(zhì)量變差，誤碼率增大，數(shù)據(jù)傳輸成功率降低。

表3 用戶數(shù)為30時(shí)平均吞吐量的比較 Mbit/s

4.2 基于不同業(yè)務(wù)下的仿真

在實(shí)際應(yīng)用中，移動通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型很多，基本上可以分為實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。本文選取較為典型的FTP業(yè)務(wù)和Video業(yè)務(wù)，并對公平性和吞吐量進(jìn)行仿真，其典型參數(shù)為FTP業(yè)務(wù)平均時(shí)延為300 ms，Video業(yè)務(wù)平均時(shí)延為100 ms。

(1) 公平性

圖5給出了不同業(yè)務(wù)下兩種算法的公平性比較?？梢?，當(dāng)用戶數(shù)相同時(shí)，兩種業(yè)務(wù)下采用p-PF算法列車用戶的公平性均得到提高，達(dá)到了理論分析的結(jié)果。另外隨著用戶數(shù)目的增加公平性指數(shù)均呈下降趨勢，但p-PF算法下的公平性指數(shù)仍然比PF算法高，保障了調(diào)度的公平性。

(2) 吞吐量

圖6給出了用戶平均吞吐量與列車用戶數(shù)目的變化曲線?？梢娫诓煌瑯I(yè)務(wù)承載方式下，采用p-PF算法的用戶平均吞吐量高于PF算法。p-PF算法提高了列車用戶的優(yōu)先級，使其可以得到優(yōu)先服務(wù)，數(shù)據(jù)優(yōu)先得到傳輸，有效的增加了列車用戶的服務(wù)數(shù)量，提升了列車用戶的吞吐量。

表4、表5列出了兩種業(yè)務(wù)下用戶平均吞吐量數(shù)值。從表中可見，用戶數(shù)為36時(shí)，F(xiàn)TP業(yè)務(wù)承載下采用p-PF算法的用戶平均吞吐量增加了約0.5 Mbit/s，比PF算法吞吐量提高了約32%。Video業(yè)務(wù)承載下采用p-PF算法的用戶平均吞吐量增加了約0.068 Mbit/s，比PF算法吞吐量提高了約25%。

表4 FTP業(yè)務(wù)中兩種算法不同用戶數(shù)下平均吞吐量比較 Mbit/s

表5 Video業(yè)務(wù)中兩種算法不同用戶數(shù)下平均吞吐量比較 Mbit/s

5 結(jié)論

高鐵環(huán)境的復(fù)雜性使列車用戶的通信環(huán)境更加惡劣，對列車用戶業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)有很大的挑戰(zhàn)性。本文重點(diǎn)研究了高速鐵路環(huán)境下的資源調(diào)度算法，設(shè)立了當(dāng)列車穿過蜂窩小區(qū)時(shí)，普通用戶和列車用戶同時(shí)存在的場景，并提出了適合此場景下的改進(jìn)比例公平(p-PF)算法。通過仿真分析可知p-PF算法在保證列車用戶吞吐量的同時(shí)有效提高了列車用戶的公平性，能夠更好的適應(yīng)高鐵環(huán)境；另外為了進(jìn)一步驗(yàn)證p-PF算法的性能，本文選取了兩種典型的業(yè)務(wù)：FTP業(yè)務(wù)和Video業(yè)務(wù)，仿真結(jié)果表明在不同的業(yè)務(wù)負(fù)載下，p-PF算法均能有效改善列車用戶的公平性。

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