LTE－A載波聚合下基本資源調度結構研究

趙國強，彭大芹

(重慶郵電大學新一代寬帶移動通信終端研究所，重慶400065)

IMT－Advanced要求可以為低速移動性用戶和高速移動性用戶分別提供至少1 Gbit/s和100 Mbit/s的峰值數據速率［1］。為了實現該挑戰性需求，必須支持比傳統3G系統更寬的系統帶寬。但不同運營商所獲得的頻譜資源是不同的，而這些頻譜資源可能分布在不同的頻段上且具有不同帶寬。因此，IMT－Advanced技術必須支持不連續頻譜的聚合，當然也需要一種技術將現有這些離散的頻譜利用起來，從而引入載波聚合技術(Carrier Aggregation，CA)。CA允許系統將多個資源塊同時調度給一個用戶服務，從而來提高傳輸帶寬。

在LTE－A系統中可配置2～5個LTE成員載波，并將發起請求的用戶分別調度到成員載波上。一個好的載波調度結構，能高效地將請求調度到成員載波上并完成服務，并且不會有太高的系統復雜性。

目前，根據調度器的個數配置、用戶調度準則和成員載波協作方式設計出了兩種最基本的調度結構:聯合載波調度和獨立載波調度結構。在目前的研究中，主要是基于這兩種基本的調度結構，來改進其中的RB級調度算法，從而達到載波聚合性能的提升。載波聚合中對用戶發起資源請求的處理過程，抽象為通信系統模型，即對應于排隊系統模型中顧客到達系統請求服務的過程。用戶向基站發起數據請求的行為等于排隊系統中顧客的請求服務行為，調度器為用戶調度系統資源體現了排隊系統中服務員對顧客的服務行為。所以，本文使用經典的排隊理論對兩種基本資源調度方案進行理論分析，分析結果表明，兩種基本資源調度方案分別處于復雜度和頻譜利用率的極端情況，所以只改進RB級調度算法是很片面的。本文根據理論分析結果，設計出改進的資源調度方案，對復雜度和頻譜利用率進行折中，從而從載波調度結構上提升載波聚合的性能。

1 基本調度結構下的系統理論分析

1.1 基本載波調度結構

1.1.1 聯合載波調度結構

在聯合載波調度結構(Joint Carrier Scheduling，JCS)中，所有的成員載波的請求隊列，由一個資源調度器來分配。對每一個用戶來說，都是在一個隊列中排隊，如圖1所示。這個共享的調度器，來為服務隊列中的請求按照調度算法來分配到各個成員載波上的RB。各個載波之間具有協作關系，共同來完成對隊列中請求的服務。

1.1.2 獨立載波調度結構

在獨立載波調度結構(Independent Carrier Scheduling，ICS)中，每一個成員載波對應一個獨立的資源調度器。每一個用戶也只能接入其中一個資源調度器，從而使用一個成員載波上的RB，直到本次請求服務結束。如圖2所示，與傳統的調度結構和JCS相比，首先應進行成員載波的選擇，再進行RB級的調度，即多了一層CC級的調度。

圖1 聯合載波調度結構

CC 級調度［2］分為3種:

1)隨機分配(Random Allocation，RA)。將新到達的用戶，隨機地分配到其中一個成員載波。

2)輪流分配(Alternate Allocation，AA)。如果第i個用戶，分配到第j個成員載波上，則第i+1個用戶，就分配到第mod(j+1，L)個成員載波上，L為成員載波的總數。

3)最短隊列分配(Join the Shortest Queue，JSQ)。根據Ci=argminNl，將用戶分配到當前用戶數最少的一個成員載波，其中Nl是第l個成員載波上的用戶總數。

1.2 基于排隊論系統分析基本調度結構

1.2.1 分析 JCS 結構

將JCS結構近似抽象為顧客到達時間間隔和服務時間均為指數分布的單窗口不拒絕系統，即，M|M|1排隊系統。設平均到達率為λ，成員載波平均服務率為μ*，共聚合m個成員載波，則系統平均服務率為μ=∑μi=mμ*。對文獻［3］中通式進行推論可得:

平均隊長為

系統平均時間為

1.2.2 分析 ICS 結構

與JCS結構相對應，將ICS結構近似抽象為顧客到達時間間隔和服務時間均為指數分布的多窗口不拒絕系統，即，M|M|m。為和JCS結構相比較，設平均到達率為λ，成員載波平均服務率為μ*，則系統平均服務率為μ=∑μi=mμ*。系統的用戶分配到窗口分別為RA，AA，JSQ，對3種情況分別討論系統的平均隊長和平均等待時間。

1)RA規則下的M|M|m

隨機將一個用戶分配到其中一個服務窗口，這和傳統的M|M|m排隊模型是一樣的。根據文獻［4］對模型的分析，可推論通式:

平均隊長

根據列德兒公式，可得系統平均時間為

式中:多窗口不拒絕系統的轉移概率p0=+;排隊強度ρ為，且不拒絕排隊系統，ρ＜1，系統才能穩定運行;n表示拒絕排隊長度，假設為不拒絕排隊系統，所以n→∞ 。

因此可根據通式算出m=1，2，3，4，5時的平均排隊長度和系統平均時間。

當m=1，則排隊模型和JCS結構一樣，也可根據式(3)算出平均排隊長度和系統平均時間，和JCS結構是相同的。

根據式(3)和(4)和條件n→∞ 和ρ＜1分別算出，平均隊長和系統平均時間為

2)AA規則下的M|M|m

采用AA規則時，將M|M|n的服務器分為m個Er-lang|M|1的服務系統［2］，且每一個子系統的到達率為λ/m，平均服務率為μ/m。Erlang分布的概率密度函數為:。當m＞2時，Erlang|M|1的服務系統很難得出具體的參數表達式，只能通過一些計算機仿真軟件去獲得一些近似值。這里給出m=2時，Erlang|M|1排隊系統的平均隊長和系統平均時間:

平均隊長為

系統平均時間為

根據式(7)和(8)可得出配置2個成員載波時，系統的平均隊長和系統平均時間:

平均隊長為

系統平均時間為

式中:ρ=1/(2μ*)。

3)JSQ規則下的M|M|m

由于對顧客的分配依賴于整個系統的狀態，且系統狀態是多維變化的，所以精確分析JSQ策略下的M|M|m排隊系統是非常困難的。本文根據JSQ原理做一些近似來進行分析。先分析平均隊長，假設I=(I1，I2，…，In)表示服務窗口前的排隊長度，用M(I)表示I狀態下系統最短隊列長度。所以可以得到平均等待時間=，平均處理時間，其中，α(I)為和的統計概率，M(I)本質還是依賴整個系統的到達率ρ，所以可將M(I)近似為MI(ρ)，即在到達率ρ下的最短隊列。從而，。再根據文獻［5］對JSQ分析可得

式中:B(ρ)=+(mρ)m/［m!(1－ρ)］。

由此得出

根據式(12)可算出n=2，3，4特殊值下的平均隊長，即

1.3 JCS和ICS調度結構性能比較

通過對上述調度結構的理論分析，使用MATLAB軟件繪出各種調度結構下的平均排隊長度，以兩個成員載波聚合為例，如圖3所示。從圖容易看出，JCS平均排隊長度優于ICS，特別優于ICS－RA。在ICS中，最優為JSQ。且當排隊強度ρ比較大時，也就是說當系統中請求服務的用戶比較多時，ICS－JSQ是比較接近JCS調度結構的。但在排隊強度ρ較小，即請求用戶比較少時，ICS和JCS的調度性能是比較接近的。由于JCS整體復雜性比較高，所以考慮在排隊強度ρ比較小，即請求用戶比較少時，采用ICS－JSQ并帶有成員載波協作的調度結構，從而充分利用系統資源;當排隊強度ρ比較大，即系統中排隊用戶比較多時，采用ICS－JSQ無載波協作調度結構，從性能方面比較接近JCS，但能夠降低系統整體復雜性。按照這個思路設計ICS－JSQ自適應的調度結構。

圖3 JCS和ICS調度結構性能比較

2 ICS－JSQ自適應調度結構

2.1 ICS－JSQ自適應調度結構設計

根據上述對兩種載波調度結構的分析，ICS－JSQ從系統性能和整體復雜性來考慮，是比較折中的方案。所以選擇ICS－JSQ調度結構設計出自適應的ICS－JSQ調度結構。設計思路主要在對于成員載波狀態的判斷，是否進行成員載波的協作。根據成員載波上RB的使用情況，可將成員載波分為3種狀態:idle，normal和busy。系統中只有兩個成員載波是最簡單的情況，所以以兩個成員載波為例說明，設計如圖4所示的調度器結構，協作狀態控制如圖5所示。

圖4 ICS－JSQ自適應調度結構

圖5 成員載波協作控制

在初始狀態下，各個成員載波獨立地進行服務。按照JSQ原則對用戶進行CC級的調度，在進行RB級調度的時候，首先去判斷當前成員載波的狀態，處于idle和normal狀態的成員載波去協作busy狀態的成員載波，使兩個成員載波達到均衡狀態。協作規則為:idle狀態的成員載波去協作normal和busy狀態的成員載波，normal狀態的成員載波去協作busy狀態的成員載波，去協作其他成員載波的成員載波不能再被其他的成員載波協作，避免出現兩個成員載波互相協作的情況出現，但同一成員載波可同時協作其他多個成員載波。當所有成員載波均處于busy狀態的時候，則結束成員載波的協作狀態，完全使用ICS－JSQ調度結構。

2.2 ICS－JSQ自適應調度結構仿真

根據表1所示，設置仿真參數［6－7］，只以為系統配置兩個成員載波為例。根據仿真的結果圖6和圖7所示，可清晰地發現ICS－JSQ自適應調度結構與JCS聯合載波調度結構相比，對吞吐量包延遲的性能影響是非常接近的，但是系統整體復雜度是比較低的。根據仿真結果，ICSJSQ自適應調度結構的系統整體性能很接近JCS聯合載波調度結構。

表1 仿真參數設置

圖6 吞吐量對比

圖7 包延遲對比

3 總結

通過對兩種基本載波調度結構JCS和ICS分析，設計出了ICS－JSQ自適應調度結構。在請求用戶較少的情況下，能進行載波協作，從而不浪費系統資源，當請求用戶較多的情況下，可進行ICS－JSQ調度，在不降低系統性能的情況下，并沒有增加系統復雜性。通過系統仿真，整個系統的吞吐量和包延遲情況與JCS性能很接近，但使用的調度結構采用了ICS結構，所以系統整體復雜性很低。所以，ICS－JSQ自適應調度結構優于ICS和JCS的資源調度結構。

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