用于TD－LTE系统的一种上行调度新算法

李 庆，王丽萍，李希洋

（1.武汉理工大学信息工程学院，湖北 武汉 430070；2.光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室，湖北 武汉 430070；3.中国科学院 计算技术研究所，北京 100190）

在TD－LTE（time division long term evolution）系统接入网中，上行调度模块位于基站的媒体接入控制（medium access control，MAC）层，其主要功能是在每个上行调度时刻为有上行数据发送请求的终端用户（UEs）分配物理资源用于上行数据的发送，而基站是根据上行调度算法决策如何分配有限的时频资源。因此，上行调度算法的好坏直接影响TD－LTE系统的上行链路性能［1］。

随着正交频分多址接入技术（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）、多入多出（multiple input multiple output，MIMO）、单载波频分多址技术（single－carrier frequency－division multiple access，SC－FDMA）等关键技术的引入，TD－LTE系统对上行调度算法有了更高的要求。目前国内采用的上行调度算法都是基于PF（proportional fair）算法的改进［2－3］，存在以下问题:分配给每个用户的资源块并不连续，未考虑每个用户的实际信道质量，业务的QoS得不到保障。针对这些问题，笔者重点研究了经典的PF算法，从两个方面进行了改进。首先，提出将业务的优先级与PF算法的用户优先级相结合的思想，以提高业务QoS；其次，在资源分配过程中采用性能好的RME算法保证资源的最佳分配，使得每个用户能够在最佳的资源区域内进行上行传输，提高系统吞吐量［4］。

1 上行调度新算法整体设计

为了合理考虑TD－LTE系统上行调度各项性能参数，设计的上行调度新算法主要分为两部分:资源块预分配部分和资源块实际分配部分。

资源块预分配部分的主要功能是保证业务QoS，涉及的参数有业务的QCI（QoS等级）、终端用户的优先级和上层配置的业务基本保证速率GBR。该部分详细的算法流程如图1所示。

资源块实际分配部分的主要功能是对资源进行最佳分配，提高系统的吞吐量，主要考虑用户信道质量及资源连续性分配。涉及的参数有用户上报的数据状态缓存报告（BSR）［5］和反映用户信道质量情况的UE－RB（用户－资源块信噪比）矩阵。具体流程是:首先，统计资源块预分配部分各个终端用户得到的预分配资源数总和；然后，在BSR所需资源数与预分配资源数之间选择较小者作为用户最终分配的资源块数；最后，用RME算法实际为用户分配资源块，并将上行调度结果DCI0（上行授权）通过PDSCH（物理下行共享信道）输出［6］。

2 上行调度新算法理论分析

2.1 业务的QoS保障

图1 资源预分配模块算法流程图

在进行资源分配时，传统的PF算法是按用户的优先级进行资源分配的。为了保障业务的QoS，采用将业务的优先级与传统PF算法优先级相结合的方法。首先，对MAC上层各逻辑信道中指示的业务先按QCI（QoF class identifier）等级进行排序，优先给QCI等级高的业务分配资源［7］；其次，对每个业务下的用户按改进的PF算法依次计算用户优先级并按序分配资源。改进的PF算法［8］优先级计算公式为:

式中:rk（i，t）为终端用户i的业务k在t时刻的瞬时速率为终端用户i的业务k在时刻t之前的时间窗Tw内的平均速率。其更新公式为:

不同业务QoS所要求的保证速率（guaranteed bit rate，GBR）是不同的。因此，在给不同的业务分配资源时要保障其速率达到最低GBR以上。对于每个业务，基站首先需要从无线资源控制（radio resource control，RRC）层获取系统配置的GBR值，然后计算该业务在当前调度时刻所需要保证的最小速率，具体计算公式为:

式中:Rk，GBR为RRC层为业务 k配置的 GBR值；Rk（i，tpast）为业务k在当前时刻t0之前的时间窗T内的平均速率。

基站通过业务的最小保证速率就可以推算出业务的目标发送数据量，并以此为依据分配资源进行上行调度。

2.2 资源块最佳分配

在TD－LTE系统中，以SC－FDMA为标准的上行多址接入技术要求基站在分配资源时采用集中式分配方式，即分配给每一个终端用户的物理资源块在频域上是连续分布的［9］。为了提升用户的上行传输质量，基站在进行上行调度时需要对所有终端用户进行信道状况评估，并由此确定各个用户的最佳资源分配区域。目前，国内提出的上行调度算法没有考虑资源块的最佳分配，而国外在这方面的研究已经很深入，其算法有:首值扩张算法（first maximum expansion，FME）、RME（recursive maximum expansion）算法和最小不同区域演进算法（minimum area－difference to the envelope，MAD）。笔者在上行调度新算法的设计过程中，选择最符合当前系统需要的RME算法作为资源分配部分的核心算法。RME算法［10］流程如图2所示。

图2 RME算法流程图

3 性能测试及测试结果

笔者提出的上行调度新算法的性能验证是以中科院计算技术研究所的eNB pc9608和TM500为硬件平台，以C语言开发的TD－LTE协议栈系统为软件平台，并在CentOS －Linux －Kernel 2.6.28环境下调试运行。TD－LTE系统配置如表1所示。

表1 TD－LTE系统配置

通过实际的系统测量，将新算法与传统的RR算法、MAX C/I算法及PF算法进行比较并记录下实验数据，得到图3所示的结果。图3（a）为LTE系统的吞吐量曲线图，图3（b）为系统业务QoS测量图。当吞吐量与业务GBR之比超过1时则说明业务QoS能得到保障，若比值小于1则不能保障业务QoS。从图3（a）可以看出，新算法比MAX C/I算法和RR算法在提高系统吞吐量上更有优势。图3（b）为新算法与传统PF算法的比较，从该图中可以发现新算法能够保证终端用户业务的QoS需求，而PF算法由于其没有考虑业务的GBR而不能保证业务的QoS需求。

图3 新旧算法仿真结果对比图

4 结论

笔者主要提出了一种新的上行调度算法设计思路。在调研了国内外已有的TD－LTE上行调度算法之后，针对已有算法中存在的不足提出改进方案。进而以PF算法为基础结合影响上行调度性能的关键因素，设计了新的上行调度算法。实验结果表明，该算法在满足TD－LTE系统上行资源分配特有限制条件的基础上，既能保证终端用户的最佳上行传输，提升系统的吞吐量，又能保证业务的QoS需求。

［1］3GPP，TS 36.300 V10.2.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）and evolved universal terrestrial radio access network（E－UTRAN）［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2011.

［2］陈磊，卢军，印翀.LTE基于QoS业务的比例公平调度算法研究［J］.光通信研究，2012（5）:64－67.

［3］郑培超，贾韶军，宋瀚涛，等.LTE系统上行保证服务质量的分组调度算法［J］.电子科技大学学报，2009（2）:186－189.

［4］李海旭.LTE系统中MAC层调度算法研究［D］.北京:北京交通大学图书馆，2012.

［5］3GPP，TS 36.321 V10.8.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）medium access control（MAC）protocol specification［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2013.

［6］3GPP，TS 36.211 V10.7.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）physical channels and modulation［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2012.

［7］3GPP，TS 36.871 V10.6.0.Evolved universal terrestrial radio access network（E－UTRAN）S1 application protocol（S1AP）［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2012.

［8］崔司千.LTE系统中无线资源调度算法研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学图书馆，2010.

［9］3GPP，TS 36.213 V10.9.0.Evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）physical layer procedures［S］.USA:3GPP Organizational Partners，2013.

［10］SAFA H，TOHME K.LTE uplink scheduling algorithms:performance and challenges［J］.Telecommunications（ICT），2012（8）:1－6.