LTE多用戶調度的研究及優化應用

王鎮鑫 肖興祥 謝劍江 許舒建

中國聯合網絡通信有限公司紹興分公司

0 引言

運營商數據業務呈現迅速增長趨勢。以浙江某地市聯通為例，數據流量由2018年初的97885 GB增長至年末的207002 GB，漲幅111.5%，而單用戶感知速率則呈現下降趨勢。

數據業務需求呈現多樣性，對網絡需求存在差異，比如隨時隨地進行即時通訊、游戲、上網、視頻、支付等各種業務。而視頻業務占比高達62.58%，視頻業務對網絡下行速率要求較高。

影響用戶感知速率的因素有很多，業務類型、空口性能、射頻單元、傳輸性能、核心網等各個環節都會影響到用戶對數據傳輸業務的感知。本研究主要針對LTE多用戶調度原理，并按場景深化參數配置，提升用戶感知速率。

1 LTE多用戶調度原理

LTE無線資源調度器作為MAC層的一部分，用于確定在每TTI（1ms）上哪些UE可以在哪些時頻資源上接收（下行）或傳輸（上行）信息。調度器同時還負責TBS和MCS選擇、控制HARQ重傳，調度結果會影響RLC層數據分段。

對于高負載網絡，調度是一個關鍵因素，決定著整網的性能。不同的調度策略，會影響網絡的以下性能：小區吞吐量、小區邊緣用戶吞吐量、各類業務QoS滿意率、不同等用戶的差異化和同等用戶的公平性。

1.1 調度目標和設計原則

調度目標是要實現三個要求：滿足系統Qos要求、兼顧差異化和公平性、實現系統容量最大化。

調度設計按照五個原則實施：

（1）盡量使用戶在其信道波峰時刻被調度，實現系統容量最大化，同時又不影響公平性；

（2）基于連接調度，確保業務Qos；

（3）控制面消息調度優先于數據面消息調度；

（4）GBR業務基于時延和信道質量調度，Non-GBR業務基于速率和信號質量調度；

（5）滿足了MBR/AMBR連接門限條件的用戶不再被調度。

1.2 多用戶調度基本操作及算法架構

LTE可以實現時域、頻域和碼域資源的動態調度和分配。動態調度帶來的一個重要變化是LTE不再使用3G系統中“專用信道”來傳送數據，而代之以“共享信道”，即不再為特定用戶長時間地保留固定的資源，而是將用戶的數據都分割成小塊，然后依賴高效的調度機制將來自多個用戶的“數據塊”復用在一個共享的大的數據信道中。因此，LTE的性能能否充分發揮，很大程度上取決于調度機制的效率。一方面要根據無線信道的特性進行靈活地調度，另一方面又不能大幅度增加系統的信令開銷。

頻域資源調度是LTE系統資源調度的重要方法。在頻域資源調度中，eNodeB上的調度器根據上下行信道的CQI（信道質量指示）、QoS參數和測量、eNodeB緩存中等待調度的負載量、在隊列中等待的重傳任務、UE能力（Capability）、UE睡眠周期和測量間隔/測量周期、系統參數（如系統帶寬/干擾水平/干擾結構）等信息，動態地為UE選擇適合的RB進行上下行傳輸，并通過下行控制信令指示給UE。在上述信息中，CQI是資源調度最重要的考慮因素之一。如圖1所示。

圖1 多用戶調度算法架構

由于LTE系統中資源調度和鏈路自適應完全由eNodeB控制，因此上行信道CQI的測量值可以由eNodeB直接獲取并使用，也不需要標準化；而下行信道的CQI值需要在UE側獲取，并由UE反饋給eNodeB。

2 LTE多用戶調度的優化應用

根據LTE下行調度原理，可以從調度源、調度策略、資源分配三個方面進行深入分析，本研究主要針對調度源中的GAP測量、業務信道功率、MIMO模式、CQI優化做深入研究，并制定分場景優化方案。如圖2所示。

圖2 多用戶調度參數分類

2.1 調度源-GAP測量

GAP測 量 是eNodeB在UE連接態配置周期性的空閑時間，讓UE去測量指定頻率上的小區信號質量。UE離開當前的頻點到其它頻點測量的時間段，用于異頻/異系統測量。由于UE通常都只有一個接收機，同一時刻只能在一個頻點上接收信號，因此在異頻/異系統測量過程中會影響單用戶感知速率。如圖3所示。

圖3 GAP測量原理

優化方案：測量周期，非高速場景小區40ms修改至80ms；啟動門限，打底網同頻區域修改至-120dBm，降低異頻異系統啟動門限。

優化效果：修改后，小區單用戶感知速率可提升0.91Mbps左右，異頻切換指標下降0.1%。如圖4所示。

圖4 GAP測量周期參數修改效果

2.2 調度源-業務信道功率

在RS功率一定時，通過增加PA值，業務信道可用率增多就等于增加了小區所有用戶的功率，提高小區所有用戶的MCS，頻譜效率提升。在小區話務模型不變的情況下，頻譜效率提升，提供同樣的服務速率所需的RB數會減少，所有PRB利用率有一定下降。反過來講，頻譜效率提升，在RB數不變的情況下，針對單用戶速率則會提升。如圖5所示。

圖5 業務信道功率調整原理

優化方案：保持RS功率不變，提升PA值，具體修改值根據小區現網配置。（備注：若功率受限，提升RRU總功率）

優化效果：針對全網4503個小區修改，修改小區感知速率提升了2.26Mbps，低速率小區占比下降了20.85%。如圖6所示。

圖6 業務信道功率優化對比

2.3 調度源-MIMO模式

在LTE系統中定義了TM1到TM9共9種傳輸模式用于標志UEPDSCH的搜索空間。

傳輸模式通過高層信令在PDCCH信道下發，由系統半靜態配置。傳輸模式通過RRC信令下發給UE，每種傳輸模式有對應的DCI格式，UE根據傳輸模式和DCI格式就可以確定PDSCH使用的傳輸方案。

在下行MIMO中，根據信道UE可以使用不同的TM模式：發射分集，或者空間復用。為有效提升單用戶感知速率，優選空間復用，這其中包括TM3、TM4兩種模式。而TM4方式要求終端反饋PMI，低速、靜止場景可提升感知速率，而高速場景PMI不準導致下行發送信號不適應UE的位置和信道。詳見表1和圖7。

表1 TM3、TM4區別表

圖7 TM3、TM4與速率關系

優化方案：針對低速、靜止場景小區TM3修改至TM4。

優化效果：參數調整后，忙時單用戶吞吐提升了2.24Mbps，下行64QAM占比提升6.74%。如圖8所示。

圖8 單用戶下行吞吐率&下行64QAM占比效果

2.4 調度源-CQI優化

下行調度中，CQI用來反映信道質量，UE通過周期上報和事件觸發上報這兩個方式上報。周期上報：提供小區系統全帶寬的信道信息，通過PUCCH上報給eNodeB；事件觸發上報：提供小區系統帶寬子集的信道信息（非周期），通過PUSCH上報給eNodeB。CQI、MSC、調制方式存在對應關系，當CQI越大，對應的調制方式越高。因此，優化CQI可提升單用戶感知速率。詳見表2。

表2 CQI對應碼率表

UE上報SINR，并映射CQI，而CQI與碼率、頻譜效率一一對應，便于eNodeB進行CQI調整和濾波，并映射到MCS階數上。整個過程中CQI值也會受MPO值的影響。如圖9所示。

圖9 CQI與調制方式的關系流程圖

優化方案：RF優化（DT、投訴處理）實現小區的精準合理覆蓋、特性參數（全網規范參數）、DRX激活器時長（Psf60→Psf100）、MPO參數優化（選擇性修改）。

CQI較好小區不宜增加MPO值，因為可能會導致CQI/Rank的上報值與下行信道質量不一致，下行MCS和誤碼發生變化，影響下行用戶感知速率和小區吞吐率。

但是在針對CQI＜7不同占比小區進行驗證時，當質差占比為20%～25%時，MPO修改至2，速率提升0.51Mbps，CQI＜7改善12.74%。

優化效果：針對全網小區修改，MPO選擇性修改，修改小區感知速率提升了1.27Mb/s，低速率小區比例降低了4.37%。

3 結束語

單用戶感知速率的提升可從小區業務量、網絡結構、資源調度三個方面分別考慮。本研究主要從資源調度中的調度源展開了研究分析，并針對不同場景做了參數優化，在后續的優化過程應對特定功能參數進行固化，列入參數核查范疇，并規范開站腳本。同時可考慮從調度策略、資源分配方面做進一步的研究分析，進一步提升用戶感知速率。