基于載波聚合的下行調(diào)度研究

孫 朝，朱宇霞，王 謳

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

隨著頻譜資源日益緊張，為了實(shí)現(xiàn)更高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率，3GPP在LTE－Advanced中提出了載波聚合技術(shù)(Carrier aggregation)。載波聚合技術(shù)是指將頻率上連續(xù)/不連續(xù)的多個(gè)離散的頻帶聚合起來(lái)，從而提升系統(tǒng)帶寬，滿足用戶更高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率需求，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)。載波聚合最多可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)載波的聚合，達(dá)到100 Mbit/s的帶寬。通過(guò)載波聚合技術(shù)，LTE－A能夠達(dá)到下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s的峰值速率。

通常，載波聚合系統(tǒng)應(yīng)支持后向兼容，即在系統(tǒng)中同時(shí)存在LTE用戶與LTE－A用戶，載波聚合技術(shù)的應(yīng)用必須保證原有LTE用戶性能。參與聚合的載波可分為后向兼容載波與非后向兼容載波，LTE用戶只能接入一個(gè)后向兼容載波，不能接入非后向兼容載波，而LTE－A用戶可以接入到所有載波。接入載波能力的差異往往會(huì)導(dǎo)致LTE用戶的性能得不到保證。因此，設(shè)計(jì)一種能夠改善載波聚合系統(tǒng)用戶公平性的算法具有重要意義。

本論文設(shè)計(jì)了一種資源分配的改進(jìn)算法，在為UE分配載波資源前，先確定UE所能接入的載波資源組，對(duì)于后向兼容載波資源緊張的情景，讓LTE－A用戶以更大的概率分配到非后向兼容載波上，從而保障LTE用戶的資源分配。通過(guò)這一算法可以保證LTE用戶性能，提升系統(tǒng)用戶間的公平性。

1 載波聚合調(diào)度結(jié)構(gòu)

對(duì)于載波聚合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的調(diào)度算法可以有效地減少傳輸時(shí)延，并且提高系統(tǒng)的吞吐量，因此值得進(jìn)行深入的研究。

對(duì)于載波聚合系統(tǒng)而言，除了與傳統(tǒng)的單載波無(wú)線通信系統(tǒng)一樣需要考慮以RB為基本調(diào)度單元的RB級(jí)的調(diào)度外，還需要多考慮一個(gè)層次的調(diào)度，即基于成員載波的 CC 級(jí)的調(diào)度［1］。

載波聚合下的調(diào)度方式可以分為獨(dú)立載波調(diào)度與聯(lián)合載波調(diào)度。

獨(dú)立載波調(diào)度的特點(diǎn)是，采用兩級(jí)調(diào)度結(jié)構(gòu)，用戶被一級(jí)調(diào)度器分配到不同的載波上，每一個(gè)獨(dú)立的載波上各有一個(gè)二級(jí)調(diào)度器，二級(jí)調(diào)度器根據(jù)用戶的優(yōu)先級(jí)給載波上的用戶分配可用的資源［2］。

聯(lián)合載波調(diào)度算法主要特點(diǎn)是，采用一級(jí)調(diào)度器的結(jié)構(gòu)，所有載波共用一個(gè)用戶等待隊(duì)列，使用一個(gè)共享的調(diào)度器完成所有載波上RB的分配［3］。聯(lián)合載波調(diào)度算法中，用戶可以在各自載波之間進(jìn)行信息的交互，因此用戶間的分集增益與系統(tǒng)的吞吐量會(huì)得到提升。

2 改進(jìn)型下行資源調(diào)度算法

為了提升載波聚合系統(tǒng)中用戶的公平性，本文設(shè)計(jì)了一種下行資源分配的改進(jìn)型算法［4］。為了更好地說(shuō)明該算法，設(shè)定系統(tǒng)中載波的總數(shù)目為M，LTE用戶占總用戶的比例為α，后向兼容載波占總載波的比例為β(為了實(shí)現(xiàn)后向載波兼容性，須保證β＞0)，且eNodeB已經(jīng)獲取上述用戶與載波信息。

為了簡(jiǎn)化調(diào)度結(jié)構(gòu)，本文中采用二維調(diào)度結(jié)構(gòu)，即調(diào)度流程包括時(shí)域調(diào)度與頻域調(diào)度，時(shí)域調(diào)度主要根據(jù)QoS信息計(jì)算UE的調(diào)度優(yōu)先級(jí)并按照優(yōu)先級(jí)對(duì)UE進(jìn)行排序，頻域調(diào)度根據(jù)時(shí)域調(diào)度得到的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為UE進(jìn)行資源分配。本論文主要針對(duì)頻域調(diào)度的資源分配方案進(jìn)行改進(jìn)。

在改進(jìn)型調(diào)度算法中，頻域調(diào)度可以劃分為兩個(gè)階段進(jìn)行:接入的載波資源組劃分階段與資源分配階段。需要說(shuō)明的是，改進(jìn)算法基于聯(lián)合載波調(diào)度算法，所有的子載波共用一個(gè)用戶等待隊(duì)列，擁有一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)度器對(duì)載波上所有資源塊進(jìn)行分配。

2.1 劃分接入的載波資源組

在為UE分配載波資源前，應(yīng)先確定UE所能接入的載波資源組，具體過(guò)程如圖1所示。

圖1 接入的載波資源組劃分

劃分載波資源組的具體流程分為如下幾步:

Step1:首先判斷UE的類型。若為L(zhǎng)TE用戶，則只能在一個(gè)后向兼容載波上進(jìn)行資源分配;若為L(zhǎng)TE－A用戶，理論上可以接入所有載波，但考慮到用戶公平性，須保證LTE用戶的性能，這時(shí)執(zhí)行Step2。

Step2:繼續(xù)判定α與β的大小關(guān)系。若α＞β，則該用戶以概率p在非后向兼容載波上進(jìn)行資源分配，以概率1－p在后向兼容載波上進(jìn)行資源分配。其中概率p滿足

若α≤β，則該用戶可以在所有載波上進(jìn)行資源分配。

Step2中算法的作用為，當(dāng)α＞β，即后向兼容載波較為緊張時(shí)，使LTE－A用戶以更大的概率接入到非后向兼容載波，從而保證LTE用戶在后向兼容載波上的資源分配。概率p滿足p＞1－β。當(dāng)α較大或者β較小時(shí)，則p取值較大，也就是說(shuō)LTE用戶增加或者后向兼容載波減少會(huì)導(dǎo)致LTE－A用戶以更大的概率分配到非后向兼容載波上。當(dāng)α≤β時(shí)，后向兼容載波資源較為充裕，LTEA用戶可以不加限制地接入到所有載波上。

Step3:載波資源組劃分完成后，可以根據(jù)劃分的結(jié)果確定UE可以接入的最大CC數(shù)目N。

2.2 資源分配

UE可能接入的載波資源組確定后，就可以在劃分的載波資源組上進(jìn)行資源分配過(guò)程，具體步驟如圖2所示。

圖2 資源分配過(guò)程

考慮到載波間的負(fù)載達(dá)到均衡，才能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的最大化，故引入載波選擇權(quán)重的計(jì)算，作為后面改進(jìn)的PF算法的一個(gè)因子。若N=1，則載波選擇權(quán)重Wj=1，若N＞1，則Wj的計(jì)算公式為

式中:nj為第j個(gè)CC上已接入的UE數(shù)目。

本算法在傳統(tǒng)的PF算法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將載波選擇權(quán)重作為一個(gè)因子，改進(jìn)后的PF式如

式中:Pi，j，k為第i個(gè)用戶在第j個(gè)載波上的第k個(gè)資源塊上的優(yōu)先級(jí);ri，j，k為第i個(gè)用戶在第j個(gè)載波上的第k個(gè)資源塊上的瞬時(shí)速率;Ri，j為第i個(gè)用戶過(guò)去一段時(shí)間Tc內(nèi)在所有接入載波上的平均速率;Tc為時(shí)間窗，可以取值為1 000 ms。

由式(2)可以看出，載波選擇權(quán)重Wj能夠在nj變化時(shí)及時(shí)調(diào)整，當(dāng)nj增大，即該載波上接入的UE增多時(shí)，Wj減小，從而減小了式(3)中UE在該載波上的優(yōu)先級(jí)Pi，j，k，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的載波均衡。另外，式(3)中分母上采用所有接入載波的平均速率，可以保證用戶的公平性。

同時(shí)應(yīng)注意在該算法中，在為每一個(gè)UE進(jìn)行完資源分配后，應(yīng)更新第j個(gè)CC上已接入的UE數(shù)目nj，并重新計(jì)算載波權(quán)重Wj，以適應(yīng)負(fù)載的實(shí)時(shí)變化。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真假設(shè)

設(shè)定總載波數(shù)目M=4，后向兼容載波數(shù)為2個(gè)。當(dāng)LTE用戶所占比例ɑ分別為20%，60%時(shí)，分別觀察并記錄扇區(qū)吞吐量的CDF曲線變化情況。其他仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)級(jí)仿真參數(shù)配置表

3.2 仿真結(jié)果及分析

運(yùn)用系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)ɑ=0．2，ɑ=0．6兩種情形分別進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，分別作出扇區(qū)吞吐量的CDF曲線，如圖3、圖4所示。

圖4 時(shí)扇區(qū)吞吐量的CDF曲線

表2 平均扇區(qū)吞吐量對(duì)比 Mbit/s

圖3為ɑ=0．2時(shí)扇區(qū)吞吐量的CDF曲線。在這種情況下，ɑ≤β，LTE－A用戶可以不加限制地接入到所有載波上。綜合圖3與表2可以看出，LTE用戶與LTE－A用戶的吞吐量都有小幅的上升，這是因?yàn)楦倪M(jìn)的PF算法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的負(fù)載均衡，系統(tǒng)吞吐量得以提升。

圖4為α=0．6時(shí)扇區(qū)吞吐量的CDF曲線。此時(shí)滿足α＞β，由式(1)可計(jì)算出LTE－A用戶接入到非后向兼容載波的概率p=0．8。通過(guò)CDF曲線可以看出，相比于傳統(tǒng)的資源調(diào)度方案，改進(jìn)算法提升了LTE用戶吞吐量，使得用戶公平性更好。這是因?yàn)長(zhǎng)TE－A用戶更多地分配到非后向兼容載波上，減少了在后向兼容載波上與LTE用戶對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在現(xiàn)有LTE－A系統(tǒng)中載波聚合調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，提出了一種新的聯(lián)合載波調(diào)度的資源分配方案。仿真結(jié)果表明，該方案能夠保證LTE用戶的性能，提高了用戶間的公平性，且通過(guò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的負(fù)載均衡，提升了系統(tǒng)的吞吐量。

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［1］張磊．無(wú)線載波聚合系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化［D］．北京:北京郵電大學(xué)，2011．

［2］程順川，鄭瑞明，張欣，等．LTE－Advanced系統(tǒng)中載波聚合技術(shù)的性能研究［J］．現(xiàn)代電信科技，2009(4):53－56．

［3］黃翠霞，曹亙，張欣，等．LTE－Advanced系統(tǒng)中載波聚合技術(shù)性能研究［J］．郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2010(7):11－12．

［4］孫朝，侯瑞峰，朱宇霞．一種載波資源分配方法及裝置:中國(guó)，201310356537．7［P］．2013－10－15．