LTE系統中下行頻域資源分配算法的研究*

詹 超 ，余建囯

（1．武漢郵電科學研究院 武漢 430074；2.北方烽火科技有限公司 北京 100085）

1 引言

LTE系統中下行采用基于正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術的多載波傳輸技術，這種技術的采用使得用戶可以將數據分散到多個載波上傳輸，以實現頻率分集增益，頻率選擇性分配算法的利用使得用戶能根據信道條件來提高系統吞吐量，但頻選分配需要子信道信息的上報作為支持，子信道條件信令的及時上報需要占用上行資源，所以頻選用戶的數量受到一定限制。為了在數目一定的頻選用戶條件下，實現盡可能高的吞吐量，需要解決兩個問題：第一個是如何將最合適的資源分配給頻選用戶；第二個是如何平衡頻選用戶和非頻選用戶對資源的競爭。

首先，現有下行頻選算法是根據比較用戶在某個RBG上的信道質量指示（channel quality indicator，CQI）或者度量值來確定該RBG資源分配給哪個用戶，但這種算法是從待分配資源的角度出發來選擇用戶，并不能確定哪個子帶資源對某一個頻選用戶最適合；此外，現有下行頻域資源分配算法多將頻選資源用戶與非頻選資源用戶區分分配先后順序，這樣容易造成有些非頻選用戶在某個子帶上比頻選用戶的度量值要高，但由于頻選用戶優先分配而失去該子帶分配權的現象。

為了解決上述問題，本文提出一種改進的頻選與非頻選結合分配算法，通過仿真比較證實該算法能提高資源分配效率，并能適當提高系統吞吐量。

2 頻域資源分配方式

在LTE系統中，物理層資源分配指示方法限制了所能分配的資源粒度。下行有3種類型的資源位置指示方法，即 Type0、Type1、Type2 LVRB/DVRB。

在Type0的方法中，先對下行所有的RB資源進行分組，以若干個連續的 LVRB構成組 RBG（resource block group），以RBG為單位進行資源指示，分配粒度為RBG。

在Type1的方法中，將下行所有資源以RBG為單位，分為 P個 RBG子集 （RBG subset），在每個 5集內部以LVRB為單位進行資源分配，分配粒度為RB。

在Type2的方法中，資源分配可以采用LVRB和DVRB兩種方式，指示消息RIV由“起點RB的位置RBstart”和“邏輯序號連續的LVRB/DVRB的長度LCRBS”共同確定。分配粒度為RB。

由于以上3種分配方式各自的特點，對于不同的業務需要采用不同的分配方式，比如高層信令數據量小適合采用Type2，頻選分配適合采用Type0，非頻選可以根據業務量大小而采取Type0或者Type1，在具體資源分配中Type0分配粒度較大適合大顆粒業務，Type2分配會產生PRB碎片，Type1的分配得到的是“梳狀”bitmap，因此頻選分配可以和大業務量的非頻選一起進行，再用Type0方式進行資源分配。

3 RBG資源分配

3.1 現有頻域分配算法

現在普遍應用的下行頻域資源分配算法為頻選分配結合非頻選分配的方法，如參考文獻[1]所示專利——一種頻域資源調度方法及裝置，具體步驟如下。

（1）在前期時域調度階段，根據吞吐率與寬帶頻譜效率的乘積對待調度的動態UE進行排序，根據頻選UE數量限制，將動態調度UE隊列分頻選UE隊列和非頻選UE隊列。

（2）首先對于每個頻選UE，根據上報的各個子帶CQI的值按照降序建立每個頻選UE的子帶排序隊列。然后對每個子帶分別建立一個隊列，按照各UE在這個子帶的CQI值的降序進行排列。在每個子帶內優先為CQI最大的UE分配帶寬，當CQI相等時按邏輯信道優先級順序分配。頻選UE的分配從低序號的RBG開始，在每個可用RBG上，擁有最大子帶CQI的UE獲得該RBG的分配權。執行上一過程直到所有頻選UE完成資源分配過程，如果遍歷完RBG隊列沒有可用資源，則頻選分配過程結束。

（3）如果進行完步驟（2）仍然有剩余可用資源，則繼續為非頻選UE分配資源，非頻選UE按照時域調度度量值大小排序，依次進行資源分配，直到所有可用資源分配完。

該算法將頻選分配放在非頻選分配之前進行是為了將子信道質量最好的RBG分配給UE以提高系統吞吐量，但這樣做并不能保障UE能找到最適合的RBG資源，例如，如果UE1在RBG0和RBG3上的子信道質量都是最高的，但由于資源分配從低序號的RBG開始，UE1將首先獲得RBG0，但如果UE1在RBG0上的子信道質量比在RBG3上稍低，而分配完RBG0之后，UE的基本需求已經得到滿足，此時RBG3將留給其他頻選UE，但如果UE1能夠首先獲得RBG3，則該UE就可以在該RBG上傳輸更多的數據。由此可見，RBG的選擇可以影響到系統的吞吐量。

由于在時域調度中根據寬帶信道質量來區分頻選UE和非頻選UE，這并不能保障頻選UE在每個子信道上都擁有比非頻選UE更高的子信道質量，將頻選UE放在非頻選UE之后進行資源分配顯得不夠公平，這樣也會影響系統性能。

3.2 改進型頻選與非頻選結合分配算法

針對以上兩個缺點，提出一種改進型頻選與非頻選結合分配算法，其具體分配步驟如下。

頻選與非頻選結合資源分配方法具體可以分為兩個階段，如圖 1所示，RBG分配準備階段完成頻選UE在RBG上的排序、非頻選UE的排序、RBG資源的排序。

以上3個排序處理，需要時域調度階段提供調度度量值的支持，參考文獻[2]和[3]提出了兩種時域調度度量值算法，該算法是在原始Max C/I以及PF算法基礎上進行改進，將資源分配過程中影響資源分配優先級的因素如QoS、吞吐量、信道質量等量化為調度度量值，能更加準確地衡量用戶對資源的需求力度。

（1）頻選UE在RBG上的排序

該階段用來確定頻選UE在RBG上的資源分配順序。在時域調度階段，每個頻選UE通過多用戶調度算法計算出一組調度度量值（20 Mbit/s帶寬條件下，包含25個子調度度量值，對應25個RBG資源），在每個RBG上，所有頻選UE按照在該RBG上的子調度度量值的大小進行排序，并將隊首UE的子調度度量值作為該RBG的最大頻選UE調度度量值。

（2）非頻選UE的排序

該階段用來確定非頻選UE的資源分配順序。在時域調度階段，每個非頻選UE通過多用戶調度算法計算出一個調度度量值，在整個帶寬范圍內，所有非頻選UE按照其調度度量值大小進行排序，并將隊首UE的調度度量值作為最大非頻選調度度量值。

（2）RBG資源的排序

該階段用來確定RBG資源的分配順序。所有RBG按照該RBG上最大頻選UE調度度量值大小進行排序。

RBG資源分配階段，其具體實現過程如圖 2所示。

該階段的核心思想是遍歷經過排序的RBG隊列，對某個RBG采用分配給頻選UE還是非頻選UE進行判斷，比較某RBG上的當前最大頻選UE度量值和當前最大非頻選UE度量值，并進行對應的資源分配。具體過程如下。

（1）從RBG隊列隊首開始進行RBG資源分配，如果該RBG在之前的重傳UE、半靜態UE的資源分配中未被占用，則對該RBG進行資源分配判斷，如果該RBG在之前被占用則對下一個RBG進行資源分配。

（2）比較該RBG上的當前最大頻選UE調度度量值和當前最大非頻選UE調度度量值，如果當前最大頻選UE調度度量值大，則頻選UE爭取該RBG資源，在該RBG上擁有最大調度度量值且有資源需求的頻選UE獲得該RBG資源。如果當前最大非頻選UE調度度量值大，則非頻選UE爭取該RBG資源，擁有最大調度度量值且有資源需求的非頻選UE獲得該RBG資源。

如果在某個RBG分配過程中，隊首的頻選UE在以前的分配中已經獲得足夠資源，則排在第二位的UE在該RBG上的調度度量值作為該RBG當前最大頻選UE調度度量值。

如果在某個RBG分配過程中，隊首的非頻選UE在以前的分配中已經獲得足夠資源，則排在第二位的UE的調度度量值作為當前最大非頻選UE調度度量值。

UE分配到RBG資源后，更新UE級參數requiredRBsForGBR、requiredRBsForAll，在 20 Mbit/s帶寬條件下，兩個參數進行減4處理。

判斷是否有剩余可用資源并且是否有UE需求資源，如果條件成立則對下一個可用RBG進行以上過程，如果條件不成立則RBG分配階段結束。

由于UE進行資源分配時會考慮保障分配RB數目和最大分配RB數目。為了保障UE的保障比特率（guaranteed bit rate，GBR）類業務能優先分配到資源，所以在頻選UE或者非頻選UE爭取RBG資源時做如圖3所示處理。

該處理過程是為了提高擁有GBR類業務UE的優先級，使得擁有GBR類業務的UE優先于沒有GBR類業務的UE獲得RBG資源。具體處理過程為：當確定頻選UE或者非頻選UE獲得某個RBG分配權時，根據requiredRBsForGBR、requiredRBsForAll兩個參數對調度度量值進行臨時處理，即如果某UE的requiredRBsForGBR大于0時，對頻選UE而言，將UE在該RBG上的調度度量值乘以1 000，對于非頻選UE而言，將UE的調度度量值乘以1 000，如果該UE的requiredRBsForGBR小于等于0，但requiredRBsForAll大于0，對于頻選UE而言，保持UE在該RBG上的調度度量值不變，對于非頻選UE而言，保持UE的調度度量值不變；如果該UE的requiredRBsForGBR≤0并且requiredRBsForAll≤0，對于頻選UE而言，UE在該RBG上的調度度量值賦值為-1，對于非頻選UE而言，UE的調度度量值賦值為-1。

經過以上處理，頻選UE在競爭某個RBG時，有requiredRBsForGBR>0需求的UE將會排在requiredRBsForAll>0的UE之前，這樣處理能使資源分配時優先照顧有GBR類業務的UE，使得資源分配過程在具有高效性的同時保障分配的公平性。

4 仿真設置和結果

將改進型頻選與非頻選結合分配算法和現有算法在7小區TD-LTE系統級仿真平臺上進行仿真對比，基本參數設置見表1。

表1 系統級仿真參數設置

本文采用infinitebuffer及CBR作為傳輸業務類型，每個小區頻選UE和非頻選UE的比例設定為1∶1，從系統吞吐量的角度考量兩種頻域算法的性能。

如圖4所示，在實用性Max C/I算法下，由于頻域分配采用頻選算法將質量好的子信道優先用于頻選用戶，隨著用戶數量的增加，整體吞吐量也隨之增加，但由于頻選UE始終在非頻選UE之前進行資源分配，所以在系統吞吐量上的增長幅度有限，改進后的頻域算法根據最大頻選度量值對RBG排序，決定RBG的分配順序，同時比較頻選UE隊列在該RBG上的最大度量值以及非頻選UE的最大度量值來決定哪種UE獲得RBG的分配權，從圖4中可以看出，隨著UE數目的變化，系統吞吐量的增長幅度更大，可以有效地提高整體系統吞吐量5%左右。

如圖5所示，PF算法相對于Max C/I算法是用系統吞吐量的減少適當換取公平性增益，仿真中采用的改進型PF算法，將子帶頻譜效率加入調度度量值的計算中，使得所得到的度量值適合進行頻選資源分配，從圖5中可以看出隨著UE數目的增加，改進后的頻域算法吞吐量的減小幅度比現有頻域算法小，相比現有頻域算法，在固定數目的UE條件下，能保證6%～10%的吞吐量增益。

在兩種時域調度算法下，從仿真結果可以看出改進的頻域算法對系統吞吐量有一定提升，這種提升效應在配置UE采用多種不同的業務的實際條件下會更加明顯。

5 結束語

本文提出了一種改進的下行頻域資源分配算法，該方法在現有算法基礎上根據在RBG上的最大頻選UE調度度量值進行RBG排序，頻選分配以及非頻選分配統一起來進行處理，比較RBG上最大頻選UE調度度量值和非頻選UE調度度量值大小，由此來決定RBG是進行頻選分配還是非頻選分配，需要強調的是改進的下行頻域資源分配算法中，頻選分配不是采用子帶上報的CQI進行頻選排序，而是根據參考文獻[2]和[3]所提出的兩種時域調度算法進行相關排序，綜合考慮用戶業務QoS要求與頻譜效率兩個因素，使得資源的分配更加合理公平。從系統仿真可知，在兩種時域調度算法下，改進的頻域資源分配算法對系統吞吐量有一定的提升。

1 于涵，徐俊東，朱宇霞等.一種頻域資源調度方法及裝置.中國：201010515675.1，2010

2 詹超，姜韜，王謳等.一種LTE系統中實用型最大載干比調度度量值計算方法及裝置.中國：201210236764.1，2012

3 詹超，姜韜，王謳等.一種LTE系統中實用型比例公平調度度量值計算方法及裝置.中國：201210237232.X，2012

4 張新程，田韜，周曉津.LTE空中接口技術與性能.北京：人民郵電出版社，2009

5 沈嘉，索世強，全海洋.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計.北京：人民郵電出版社，2008

6 3GPP TS 36.213 v9.1.0.3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group Radio Access Network，Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)，Physical Layer Procedures(Release 9)，2010