一種LTE系統上行調度優化算法的研究

周原，姚巧鴿

一種LTE系統上行調度優化算法的研究

周原，姚巧鴿

資源調度是LTE系統中的重要技術，其目的是讓所有用戶盡量公平地得到服務的同時，有效地提高了系統資源的利用率。通過對LTE系統上行調度流程的分析，在常用PF調度算法的基礎上進行優化改進，把用戶的歷史調度數據和當前信道質量結合起來考慮，提出一種基于注水原理的 LTE上行調度優化算法，同時兼顧到系統業務吞吐量和用戶公平性。實驗結果表明，在系統仿真環境下，該算法能提高LTE系統上行業務吞吐量，并改善用戶公平性指標。

LTE；上行調度；PF算法；優化算法

0 引言

移動通信系統從其引入商用開始，就得到了快速發展，目前在全球范圍內已廣泛進入 4G（第四代）發展階段。隨著用戶數量的不斷增加和大流量移動數據業務的快速增長，整個4G移動通信系統的上行業務量呈現出迅猛增長的趨勢，因此如何高效地利用有限的無線資源來滿足日益增長的用戶需求，已成為移動通信系統制造商和運營商共同關注的問題。在4G LTE通信網絡中，LTE系統資源管理的核心是資源調度，其上行吞吐量的提升主要依靠上行調度算法，針對不同的用戶，根據用戶當前的信道質量，用戶當前業務量和用戶的資源使用情況等多個因素進行資源分配，盡可能保證每次分配的資源不浪費[1]。因此，研究并設計性能良好的LTE上行資源調度算法，是提高網絡性能，提升系統上行吞吐量的重要方法。目前學術界一些文獻[2-4]進行了LT上行資源調度研究并提出了優化的調度算法，但這些算法大都集中在調度算法的優先級計算上，往往不能很好地兼顧到系統的吞吐量性能和用戶公平性指標。本文在現有典型上行調度算法研究的基礎上，對LTE系統中重要業務類型GBR業務的調度進行研究，根據其業務特征提出一種基于注水原理的LTE上行調度算法。新提出的算法既考慮到用戶公平性指標，又能較好地兼顧到用戶業務服務等級和系統上行吞吐量性能。

1 LTE的上行調度和HARQ過程

在 LTE系統中，調度功能由調度器完成，調度器位于eNB的MAC層，包括上行調度器和下行調度器，分別負責完成對下行共享信道的資源分配和上行共享信道的資源分配。在TD-LTE系統中，上行調度器通過動態資源分配的方式將物理層資源分配給UE，然后在第n-k個下行子幀上通過C-RNTI加擾的PDCCH上將第n個上行子幀的調度信令發送給UE，即上行調度信令與上行數據傳輸之間存在一定的定時關系。在非DRX狀態下，UE一直監聽PDCCH，并通過C-RNTI識別是否有針對該UE的上行調度信令，如果有針對該UE的上行調度信令，則按照調度信令的指示，根據一定的優先級原則，在第n個上行子幀上進行上行數據傳輸。

圖1是上行HARQ流程的時序圖如圖1所示：

圖1 上行HARQ流程的時序

上行同步 HARQ（混合自動重發請求）操作通過信令ACK、NACK的傳輸，NDI和上行數據的重發來完成，在每次重傳的時候無需更多的信令支持，只需通過 NDI指示傳輸的是新數據還是前次數據的重發。

2 LTE上行調度優化算法設計

2.1 典型上行調度算法分析

LTE系統中典型的分組調度算法有3種，分別為有最大載干比（Max C/I）算法、輪詢（Round Robin，RR）算法和比例公平算法（Proportional Fair，PF）。從文獻[2]中可以看到，最大載干比調度算法系統吞吐量可達最大，但用戶公平性難以保證；輪詢算法公平性最好，但系統吞吐量最低；PF算法則同時兼顧到了用戶公平性和系統吞吐量，因此在實際中得到了比較廣泛的應用。本文基于PF算法的基本思想，對其進行改進，提出一種基于注水原理的上行調度優化算法，并通過仿真對其性能進行驗證。

2.2 基于注水原理的調度優化算法設計

2.2.1 上行調度注水描述

假設一個eNB所覆蓋的小區中有n個用戶UE1，UE2，…，UEn等待發出調度請求，其業務速率分別為Rate1，Rate2，….，Raten，單位Kbps。每個UE設置一個“桶”(Bucket)，UE數據量看成是“桶”中水量，“桶”的容量設為Sizei，i=1，2，…，n。調度時上行調度器需對Bucket中的剩余水量(即剩余數據)進行“檢查”，剩余水量越多，說明用戶越應該及時調度，以體現出調度的公平性和實效性?！巴啊钡拇笮izei可由（1）式定義如式（1）：

其中 Sizemax為一個子幀所能調度的最大數據量。Ratei/1000是由于LTE定義每個子幀subframe時間長度為1ms，因此需要把每秒的傳輸速率轉變為每子幀subframe的速率，Bucket中的“水量”每子幀subframe進行一次更新，表示每幀需要調度的分組大小，再乘以1000，是把Kbps單位換算成bps；參數N用于控制Bucket的大小，根據網絡實際情況靈活配置，通常情況下N=HARQ最大重傳次數×10，乘以10是因為LTE系統一幀中包含10個子幀。更新Bucket中的水量計算如式（2）：

式（2）中n為當前子幀，g(n+1，i)是用戶i在第n+1個調度周期可調度的水量（數據量），g(n，i)是當前調度周期進行調度前的水量，s(n，i)是當前調度周期成功調度的水量。

2.2.2 具體調度過程描述

基于注水原理的上行調度總體過程如下：

Step1： LTE的上行調度器在每個調度的子幀（subframe）中整理待調度子幀（subframe）

可用的調度資源PRB，并進行標示，便于調度；

Step2：上行調度器對待調度的隊列進行整理，排除當前緩存中沒有數據的用戶隊列；

Step3：上行調度器根據調度算法計算的優先級，按照優先級由高到低進行調度隊列調整，優先級高的用戶放在調度隊列的前面；

Step4：上行調度器按照調度隊列優先級依次進行調度，根據所剩待調度資源的情況，對用戶Bucket剩余水量進行調度；

Step5：完成當前 TTI調度后，根據上行業務到達速率對調度隊列中的每個用戶進行注水，同時隊列中每個用戶中的Bucket水量得到更新。

2.2.3 調度優先級的設計

對調度優先級的合理設計能有效提高系統吞吐量，本算法把用戶已有的上行調度數據和當前信道質量結合起來考慮，另外，設置優先級補償因子offset(k)以區分不同用戶的調度等級，k表示用戶等級。具體如式（3）：

p(t,i)值決定了用戶i在時刻t的調度等級，其值越大，表示該用戶獲得調度的優先級越高。θ(t,i)是用戶i在t時刻“桶”中的剩余數據量，其值越大，系統對該用戶調度的及時性越高；δ(t,i)是業務的QoS級別參數，值越大業務級別越高；CQI( t, i)采用用戶i在t時刻所對應的下行信道的頻譜效率，表示了信道質量的優劣，其值越大，則該用戶的調度優先級越高；R(t ,i)是用戶i進行本次調度之前的下行傳輸速率。為使調度過程更為平滑，再對CQI( t, i)和R(t,i)進行平滑濾波，計算過程如式（4）：

式（4）中CQI( t1, i)表示未出現最新CQI參數之前的用戶信道質量，CQI( t2, i)表示最近一次收到的CQI參數，α為平滑因子。R(t,i)的計算過程則如式（5）：

3 算法性能仿真與評估

對新調度算法的性能進行仿真，并與常用的PF調度算法進行對比，從吞吐量性能和公平性性能兩個方面進行分析。公平性性能分析采用學術界主流的評估方法[5-6]，如式（6）：

用戶i的相對吞吐量用用戶傳輸的數據量和頻譜效率相比來表示，如式（7）：

仿真中網絡設置為典型的19小區區群結構，每個小區由3個120°定性天線扇區組成，如圖2所示：

圖2 仿真網絡拓撲結構圖

組網方式為同頻組網，在wrap-around環境中做用戶級SINR仿真。相關仿真參數中平滑因子a=0.1，β=0.1，offse(tk)=0，業務類型為GBR業務，空口誤包率BLER設為5%。其余仿真參數設置如表1所示：

表1 系統仿真主要參數

仿真平臺采用OPENT-14.0，取每小區2UE，4UE，6UE，8UE，10UE等5種場景，分別采用PF算法和本文的新算法進行仿真評估，觀察兩種調度算法對網絡流量的影響和對用戶的公平性的體現。仿真的結果分別如圖3所示：

圖3 兩種調度算法的吞吐量性能對比

從圖3的系統仿真結果看，采用基于注水原理的上行調度算法在吞吐量性能上優于經典的PF調度算法。在LTE系統的空口誤包率BLER為5%的情況下，當用戶數量較少時，兩種算法的業務吞吐量相差不大，隨著用戶數的增加，兩種算法的業務吞吐量也隨之增加，并逐漸達到穩定的網絡流量，LTE小區容量達到平衡狀態，在圖3中顯示近似為一條直線。在此過程中，新算法下的系統業務吞吐量一直大于經典 PF算法下的吞吐量，表明新算法能有效提高系統的業務吞吐量。

兩種調度算法的公平性能對此如圖4所示：

圖4 兩種調度算法的公平性性能對比

從圖4則可看出，從公平性上分析，基于注水的GBR調度在網絡負載較輕時，用戶的公平性指標得到較好保證，而PF調度算法則無法達到相應的性能，隨著網絡用戶數量增加，系統負載加重，其公平性性能略有降低，但仍然優于PF調度算法。

4 總結

本文基于注水原理對 LTE系統上行資源調度算法進行了研究，在典型PF算法的基礎上進行了改進，在算法設計中既考慮到用戶的信道條件，也考慮到用戶已經調度過的歷史數據，同時通過設置優先級偏置，實現不同用戶等級的用戶調度差異。從實驗結果來看，該算法在網絡仿真環境下能有效提高 LTE系統上行業務吞吐量和用戶公平性指標，提升了系統資源的利用率。

[1] 周原,姚汝賢,姚巧鴿. 一種基于懲罰因子的LTE上行調度算法研究[J]. 電視技術,2014,38(11):122-125

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A Optimization Algorithm for LTE Uplink Scheduling

Zhou Yuan, Yao Qiaoge
(Information Engineering Collge , Huanghuai University, Zhumadian, Henan 463000,China)

Resource scheduling is an important technology in LTE system，it can improve the utilization of system resources effectively. Through the analysis of uplink scheduling process in LTE system, the common PF scheduling algorithm was improved and a new uplink schedule algorithm was proposed based on water filling principle. The result proved that the new algorithm can improve the uplink throughput of LTE system, and improved the user fairness index.

LTE; Uplink schedul ing; PF algorithm; Optimization algorithm

TN929.5

A

1007-757X(2016)09-0020-03

2016.03.28）

河南省高等學校重點科研項目（16A510019）黃淮學院青年教師科研提升項目（201512705）

周 原（1981-），男，黃淮學院信息工程學院，講師，研究方向：無線通信技術與圖像信號處理，駐馬店 463000姚巧鴿（1984-），女，黃淮學院信息工程學院，講師，研究方向：無線通信技術與嵌入式系統，駐馬店 463000