張向鵬,余建國,鄒麗紅
(1.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室,湖北 武漢 430074;2.北京北方烽火科技有限公司,北京 100085)
隨著寬帶無線接入技術(shù)的不斷發(fā)展,以移動通信為代表的無線通信系統(tǒng)都是資源受限的系統(tǒng),不僅移動用戶的數(shù)量持續(xù)增長,而且移動用戶的業(yè)務(wù)需求量也與日俱增,如何利用有限的資源滿足用戶對業(yè)務(wù)需求量的日益增長是永久追求的目標(biāo)[1]。
在LTE系統(tǒng)中,主要采用了共享信道機(jī)制,為了更加有效地利用和分配共享資源,需要在不同用戶之間進(jìn)行調(diào)度。LTE系統(tǒng)中資源分配是按照TTI=1 ms的粒度進(jìn)行的。資源調(diào)度的最終結(jié)果包括物理資源塊(Physical Resource Block,PRB)分配位圖(Bitmap)[2]和調(diào)制編碼方式(Modulation and Coding Scheme,MCS)。這些信息是通過物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH)傳輸給UE的,對于PRB分配位圖的設(shè)置,最簡單且最靈活的辦法是向每個UE發(fā)送一個位圖,位圖中的每個比特指示一個特定的PRB位置,當(dāng)UE占用了一個PRB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,則該比特位置應(yīng)標(biāo)識為1,否則標(biāo)示為0。每個PRB使用一個比特位置進(jìn)行標(biāo)示,使得資源分配可以在PRB的粒度上進(jìn)行,為系統(tǒng)提供了很大的靈活性,然而對于大帶寬系統(tǒng),其位圖需要占用較多的比特,這可能意味需要更多的控制信令開銷,同時系統(tǒng)吞吐量會下降,用戶服務(wù)質(zhì)量降低。
為了解決上述技術(shù)問題,本文提出的是資源分配中一種頻選調(diào)度策略,用來提高用戶服務(wù)質(zhì)量和整個系統(tǒng)的吞吐量,同時可大大減少信令的開銷[3]。
整個頻選調(diào)度過程是分為資源分配和MCS的選擇兩個部分所完成,資源分配是根據(jù)UE上報的信道質(zhì)量來尋找可用的PRB位置;而MCS的選擇是根據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸量來確定最終需要多少PRB,根據(jù)這兩個關(guān)鍵的過程可以完成最后的資源分配,使得UE的需求得以滿足。
在LTE系統(tǒng)中,MAC層調(diào)度器通過動態(tài)資源分配的方式將物理層資源分配給UE。目前在高速移動環(huán)境下,為了提高用戶服務(wù)質(zhì)量,采用頻選調(diào)度方案進(jìn)行資源分配。下面將介紹一下20 MHz帶寬在頻選調(diào)度算法實現(xiàn)中的一些基本事實:
1)PRBs的CQI上報并非以1個PRB為單位,而是以PRB子帶(20 MHz帶寬分為13個子帶,1個子帶有8個PRB,最后1個子帶只有4個PRB;從第0個PRB開始排子帶)為單位上報。
2)資源分配類型0以RBG(20 MHz 帶寬的情況是每個RBG有4個PRB,且從第0個PRB開始排RBG)為分配單位。
3)資源分配類型1是在1個RBG子集中進(jìn)行資源分配,每個RBG子集包括若干RBG(比如,在20 MHz的下行帶寬時,RBG總是從模4為0的PRB開始的4個PRB,第1個RBG子集有28個PRB,另外3個RBG子集有24個PRB)。
4)資源分配類型2總是分配一段連續(xù)的PRB。
5)在調(diào)度重傳的TB數(shù)據(jù)時,必須能夠為之分配足夠的PRB,資源不足時只能放棄調(diào)度該TB。
6)為UE分配資源時,總是考慮為其分配CQI最高的未分配PRB資源,即使有低優(yōu)先級的PRB資源也不予考慮。
針對子帶(即一組連續(xù)的PRB)來說,可以子帶為查找資源的基本單位(20 MHz對應(yīng)了13個子帶),而不是以PRB為檢索單位(20 MHz對應(yīng)了100個PRB)。另一方面,由于頻選調(diào)度是要找到最優(yōu)CQI的未用PRB,所以可根據(jù)位圖(Bitmap)從最好的子帶開始檢索,而不是從頭開始檢索。由于UE上報CQI的周期往往超過10 ms,且并不頻繁,所以在CQI上報時就把每個子帶按照CQI高低放好,以利于資源分配模塊從最優(yōu)CQI的子帶開始檢索,利用下面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲每個UE的CQI信息,從圖1看出,對于20 MHz的帶寬,有13個子帶,即圖中SUBBAND_i(0≤i≤12);從遍歷的角度看最多遍歷13次。SUBBAND_d,SUBBAND_y,SUBBAND_a 和 SUBBAND_c是掛在CQI級別為15的子帶下,此時UE所對應(yīng)的PRB是最好的資源,而接下來找CQI為14所對應(yīng)的子帶,找到后掛在下面,直到將100個PRB全部按照CQI等級從高到低排列出來,最低為CQI=0的子帶SUBBAND_z,然后將CQI=15所對應(yīng)的PRB分配給UE,這樣看來找到UE最高CQI對應(yīng)的PRB位置是非常容易的,由于頻選調(diào)度策略是將最好的資源(PRB)分配給UE的,所以對于CQI級別很低的PRB直接丟棄,不予分配[4]。
圖1 UE CQI狀況存儲結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)上述內(nèi)容,結(jié)合LTE標(biāo)準(zhǔn)可得出資源分配的具體過程,其整個流程如圖2所示。
圖2 資源分配流程圖
在圖2中給出了資源分配的總體流程圖,以20 MHz帶寬為例,其具體的實施步驟如下所示,此處從資源分配入口開始:
步驟1,取CQI=15的第一個子帶。
步驟2,判斷這一個子帶中8個PRB是否都被占用,如果是進(jìn)入步驟3,否則進(jìn)入步驟4。
步驟3,判斷當(dāng)前子帶是否為最后一個子帶,如果是,進(jìn)入步驟7,否則進(jìn)入步驟6。
步驟4,計算出該CQI調(diào)度所需要的PRB個數(shù)。
步驟5,判斷能否在該CQI下的若干個子帶中找到n個PRB,如果是,進(jìn)入步驟9;否則進(jìn)入步驟8。
步驟6,取當(dāng)前CQI級別的下一個子帶,之后回到步驟2。
步驟7,取當(dāng)前CQI的級別加1的第一個子帶,之后回到步驟2。
步驟8,找到最大個數(shù)分配資源,記錄分配結(jié)果。
步驟9,以n個PRB來分配資源,記錄分配結(jié)果。
目前在LTE系統(tǒng)中,MAC層是從接收來自物理層的上行大消息中得到UE所對應(yīng)的CQI,再根據(jù)CQI來給UE分配資源。下面對資源分配模塊進(jìn)行定義。
輸入:1)根據(jù)UE上報當(dāng)前待分配資源UE的數(shù)據(jù)量和當(dāng)前待分配資源UE的上下行信道質(zhì)量;2)根據(jù)Bitmap可知當(dāng)前上下行資源的已分配狀況。
輸出:為該UE選擇適當(dāng)PRB個數(shù)及信道質(zhì)量好的PRB 位置[5]。
在LTE系統(tǒng)中,下行頻選調(diào)度是采用UE上報CQI來分配PRB資源。而上行頻選調(diào)度采用一種和下行頻選調(diào)度類似的方案,根據(jù)SRS上報消息經(jīng)過物理層計算出信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio,SINR),再由SINR更新UE的按CQI排序的PRB Bitmap。由于無線信道具有頻率選擇性,對于分配多個物理資源塊(PRB)的用戶,每個PRB對應(yīng)了不同的信道質(zhì)量,為了最大化利用無線資源,每個PRB上應(yīng)該使用不同的調(diào)制編碼方案(MCS),然而在每個PRB上進(jìn)行單獨的調(diào)制編碼方案指示需要很大的開銷。因此LTE中規(guī)定,在每次調(diào)度(1個TTI=1 ms內(nèi)完成)中,分配給同一用戶的所有資源使用相同的MCS。其待選擇的PRB是在頻率上連續(xù)的任意PRB集合,對找到的最大CQI下的每個子帶,查找其臨近的PRB的CQI(利用圖1提供的每個子帶的CQI情況的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)),選擇CQI與目前CQI相等的PRB,易于找到相應(yīng)的PRB;為當(dāng)前的UE找到合適的資源即可,不考慮是否有更合適的位置。由于頻選調(diào)度是給UE分配一段連續(xù)的PRB,在知道分配的PRB的起始位置和個數(shù)前提下,計算每個PRB所對應(yīng)的信干噪比,然后計算出這段連續(xù)的PRB的平均信干噪比,式(2)是求取一段連續(xù)PRB的平均信干噪比,最后根據(jù)式(1)所對應(yīng)的映射關(guān)系得出MCS,即
式中:α是用于調(diào)節(jié)不同編碼方案和編碼速率的校正因子,‖bk‖1表示向量bk中1的個數(shù)(用戶k分得的RB數(shù)目)。
在資源分配過程中,會出現(xiàn)一些這樣的現(xiàn)象,在用戶不太多的情況下,采用頻選調(diào)度方案,使用子帶CQI上報,這樣做的好處就是會提高系統(tǒng)吞吐量,使得這些用戶得到最好的服務(wù);但是如果小區(qū)內(nèi)被服務(wù)的用戶較多,是不建議采用頻選調(diào)度的,因為這時可能有很多用戶上報的CQI所對應(yīng)的PRB都是一樣的,而且用戶較多,子帶上報的CQI效果還沒有寬帶上報CQI效果好,這種情況下就采用非頻選調(diào)度方案相對好些,所以不管采用頻選調(diào)度還是采用非頻選調(diào)度是要看當(dāng)前的信道質(zhì)量和當(dāng)前小區(qū)中需要服務(wù)的UE的數(shù)量多少來決定的[6]。
以下是對本文提出的上行頻選調(diào)度方案進(jìn)行的仿真研究,系統(tǒng)的仿真參數(shù)按照LTE協(xié)議的規(guī)定及建議設(shè)置,如表1所示。
表1 系統(tǒng)及仿真參數(shù)設(shè)置
仿真1,信干噪比的CDF圖仿真如圖3所示。
圖3 目標(biāo)小區(qū)信干噪比的CDF示意圖
在圖3中,頻選調(diào)度與非頻選調(diào)度相比,頻選調(diào)度的用戶在信干噪比值為0~18的概率分布明顯比非頻選調(diào)度的用戶要大很多,因此本文提出的頻選調(diào)度方案大大提高了調(diào)度用戶的信干噪比,同時用戶的性能有著很大的提升,從而在一定程度上保證了用戶的服務(wù)質(zhì)量以及可靠性。
仿真2,10個PRB、300個TTI時的速率與SINR的關(guān)系仿真如圖4所示。
圖4 仿真2中速率與信干噪比的關(guān)系示意圖
在圖4中,橫坐標(biāo)表示信干噪比值,縱坐標(biāo)表示速率v,從圖中可以看出,在相同速率下,頻選調(diào)度用戶比非頻選調(diào)度用戶的信干噪比值小3 dB左右。所以當(dāng)用戶使用頻選調(diào)度方案之后,速率v隨著信干噪比值的增長而提高,與此同時整個系統(tǒng)的吞吐量也相應(yīng)提高。
本文從資源分配的角度出發(fā),提出一種頻選調(diào)度方案,根據(jù)UE上報的CQI找到最好的PRB,先計算得出相對應(yīng)的信干噪比值,然后計算出整個資源的平均信干噪比值,最后查出MCS,完成頻選調(diào)度策略。本方案在理論研究的基礎(chǔ)上同時進(jìn)行了系統(tǒng)級的仿真研究,這種方案旨在將最好的資源分配給用戶,使得用戶得到最好的服務(wù),同時也大大提高整個系統(tǒng)的吞吐量。這種調(diào)度策略對于研發(fā)人員如何在有限的資源內(nèi)提高整個系統(tǒng)的性能具有一定的參考價值。另外本方案與LTE-A中載波聚合、多點協(xié)作等技術(shù)的結(jié)合來提高系統(tǒng)整體性能也將成為重點研究的方向[7]。
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