LTE-A载波聚合调度方案研究与改进*

2015-03-25王子豪葛万成汪亮友林佳燕

通信技术 2015年10期

关键词：吞吐量载波时延

王子豪,葛万成,汪亮友,林佳燕

(1. 同济大学，上海 200092；2. 上海中科联芯物联网技术有限公司，上海 201210)

LTE-A载波聚合调度方案研究与改进*

王子豪1,葛万成1,汪亮友1,林佳燕2

(1. 同济大学，上海 200092；2. 上海中科联芯物联网技术有限公司，上海 201210)

基于LTE-Advanced系统中的载波聚合技术，对现有的3种资源调度机制：联合用户调度方案(Joint User Scheduling, JUS)、独立随机用户调度方案(Separated Random User Scheduling,SRUS)和独立数据突发级调度方案(Separated Burst Level Scheduling, SBLS)进行研究。针对3种机制在系统吞吐量、排队时延和成分载波(Component Carrier,CC)切换时延性能上的优缺点，提出了半独立负载调度机制(Half Separated Load Scheduling，HSLS)。HSLS采用动态负载均衡准则(Dynamic Load Balance,DLB)，另外HSLS基于系统吞吐量和排队时延的要求以多数据突发(multi-burst)作为资源分配粒度，令多个调度器(Resource Scheduler, RS)可以同时分发满足调度条件的用户数据。仿真结果表明，HSLS对设备要求度低，有着良好的系统吞吐量和时延性能表现。

载波聚合；资源调度；排队时延；系统吞吐量

0 引言

为了满足移动用户对数据量的不断要求，第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)开始了由LTE(Long Term Evolution)到LTE-Advanced(Long Term Evolution-Advanced)系统的演进过程。为了更好地利用有限的频谱资源，通过将频域上分散的资源整合起来以获得更大的带宽，3GPP提出了载波聚合技术[1]。而LTE-A技术标准提出时间并不长，许多问题依旧有待完善，目前对于载波聚合下资源调度的研究主要停留在两个方面：多用户调度机制和调度算法的性能研究。本文首先对现有的3种调度机制联合用户调度方案(JUS)、独立随机用户调度案(SRUS)和独立数据突发级调度方案(SBLS)进行了介绍分析[2]。然后针对调度粒度和负载均衡机制对现有调度器进行改进，设计出了半独立负载调度方案(HSLS)并对其调度器结构、调度粒度和负载均衡机制进行了详细介绍。最后通过仿真对其性能进行了分析。

1 载波调度方案

系统资源分配受调度机制和调度算法影响。以何种机制调度多个成分载波上的资源，才能更好地利用这些资源，是LTE-A系统引入载波聚合技术后的问题之一。本节将对现有调度机制及负载方式进行研究,分析其不同业务模型下的多个性能指标。欧洲WINNER+项目中研究了两种多用户调度机制，即联合用户调度(JUS)和独立随机用户调度(SRUS)。JUS的方法是使用一个公共RS将资源分配到所有成分载波(CC)中；SRUS的方法是将用户随机分均匀的分布到一个CC中，并为每个CC使用不同的调度器(RS)；也有学者提出了基于突发业务的新调度机制独立数据突发级调度方案(SBLS)[3]。

1.1 联合用户调度方案(JUS)

在联合用户调度模型中，所有的成员载波是联合的。可以看成是JUS将多个CC整合在一个资源池(Resource Pool)中，该资源池由各个CC的多个RB构成，每个UE可以根据自身需求使用其中任一RB。JUS的调度器结构如图1所示，其中BQn为各用户提供的数据缓存队列，BQ中的数据进入调度器后，被存储在调度器的服务队列SQ。可以看出由于JUS将所有CC联合在一起，因此系统中只需配置一个调度器，即系统RS数量K=1，这个RS将用户的数据信息映射到资源池所有CC的RB上，因此这个结构也被称作为单层调度器[4]。

由于JUS中资源的分配以RB为粒度，因此只要调度器中的服务队列SQ中有数据待传输，系统的时频资源就不会出现被浪费的情况，RB可以得到充分的利用，因此在既定的调度算法下JUS的频谱利用率是最高的，可以实现系统吞吐量的最大化，这是JUS的优点。

图1 联合用户调度器结构

1.2 独立随机用户调度方案(SRUS)

与JUS不同，SRUS中的每个CC都是独立的。在系统中每个CC仅由各自的RS所调度，也就是系统中CC的数量L和RS的数量K是相等的，此CC和RS始终保持关联。SRUS中采用随机的用户分配算法，将用户分配到一个CC上[5]。用户一旦接入到某个CC后，在接下来的传输过程中除非用户离开系统，否则无法更换接入的CC，也就是接入的绑定关系不可改变。因此SRUS可以看做是两层调度，如图2所示。

图2 独立随机用户调度器结构

SRUS中用户的行为完全等同于单载波系统，这种机制满足系统的后向兼容性，使得用户的硬件设备不必进行较大的调整，对于LTE-A载波聚合系统来说SRUS是最简单的调度机制。由于每个用户只能用一个CC传输数据，因此用户终端设备的复杂度和能耗远远低于JUS，用户也无需在CC之间来回切换从而大大减少了系统时延。

1.3 独立数据突发级调度方案(SBLS)

基于JUS、SRUS频谱利用率和设备复杂度的折中考率，学者提出了SBLS调度机制。其调度器结构如图3所示。SBLS类似于SRUS有着两层调度结构，采用一定的数据分发准则，将CC分配给用户，且系统中的CC数和RS数相等，用户只能用一个CC来传输数据。与SRUS不同的是，用户和CC不是绑定的，SBLS允许用户以一个数据突发(burst)为单位长度来切换CC。这样用户可以在下一个时机，根据数据分发准则来重新选择接入的CC[6]。当用户n分发给当前所属RS的数据突发已经传输完成，并且它的数据缓存中仍然有数据突发等待传输，则会发生数据的分发，如式(1)所示：

(1)

图3 独立数据突发级调度器结构

2 半独立负载调度方案(HSLS)

3种现有调度机制在综合性能，系统吞吐量和时延上各有优劣，因此本文提出的半独立负载调度方案(HSLS)是对系统及用户设备复杂度、系统吞吐量以及时延进行综合考虑后所提出的折中方案[7]。它在SRUS和SBLS的基础结构上做了进一步的改进，使此调度方案有更良好的性能表现。

半独立负载调度方案采用了和SRUS类似的调度器结构，系统中CC数和RS数相等L=K，不同于SRUS的是，用户在每个CC上有一个服务队列SQ，其结构如图4所示。HSLS采用两级调度器将用户的业务数据映射到RB上，其工作原理如下：

外层调度器，也称为层一调度器(L1 RS)，以动态负载均衡(Dynamic Load Balance,DLB)的方式分配用户缓存队列BQ中的业务数据包到各个CC调度器中的服务队列SQ中等待传输，用户n一旦接入某个CCm，在下一帧L1 RS为用户n选择CC时，CCm就是优先首选承担服务的CC；然后每个CC的RS也称为层二调度器(L2 RS)采用相应的调度算法，将不同SQ中的数据包映射到CC的资源块上。因此HSLS可以看做是介于SRUS和SBLS的折中机制，SBLS在一个burst之后计算负载为用户进行CC的切换，这种机制必然会引起UE的CC间切换时延τsw。SRUS虽然不引起CC切换时延，但用户与CC的绑定却会造成资源的浪费，导致低系统吞吐量。因此HSLS允许用户使用不同CC分发数据，进行CC间以数据包为单位的切换，但是对CC的选择由DLB准则来控制，尽量避免CC切换。

图4 半独立负载调度器结构

3 仿真及结果分析

本文将使用Matlab系统级仿真，来评估HSLS调度机制在LTE-A载波聚合系统中的性能。首先简要介绍仿真中所使用的业务模型，然后给出仿真结果和相应的分析。

3.1 仿真模型

根据系统级仿真方式，需要对小区结构、信道模型、干扰模型等建模，然后进行具体的系统仿真。下面主要介绍其中的几个模型。

(1)小区模型

采用7小区拓扑结构，每个小区分为3个扇区，假设扇区天线的方向性理想，不会发生扇区泄露。系统中用户随机均匀的分布在各个小区。

(2)信道模型

无线信道模型主要由径损耗和阴影衰落引起的慢衰落和多径效应引起的快衰落构成，系统各模块的参数如表1所示。

表1 信道模型基本参数

(3)天线模型

收发天线为1X2模型，基站下行天线采用120°扇区天线，其增益模式如式(2)所示。用户端采用全天线接收。

(2)

式中，G(φ)表示基站下行天线增益；φ表示取值范围为-180°～180°的方向角；φ3表示3 dB带宽；Gmin表示最大衰减，Gmin=20 dB。

3.2 仿真参数配置

本文在仿真中部署了两个10 MHz的成分载波；系统中所有用户随机均匀的分布在7小区模型中，每小区分为3个扇区，每扇区有10个UE；主要的系统仿真参数见表2。

表2 仿真参数配置

3.3 仿真结果

图5 用户数据平均积压包数

图6 用户平均载波成分切换时延

用户数据平均积压，这个指标反应的是每个用户平均数据积压情况，也就是缓存队列SQ中剩余的用户数据，用户数据平均积压主要受用户数据突发的到达速度和调度器的调度准则两方面的影响。其定义如下：

(3)

由仿真数据可见，HSLS无法同时达到低用户CC切换时延和高资源利用率的同时满足，在β取0.5～1.0间切换时延随着β值增加明显下降，而数据积压量的上升曲线却并不“陡峭”；在β取1.0～1.5间，τsw的减幅量逐渐缩小，而用户数据积压量的增幅逐渐增大。因此当约束门限β取1.0时，用户HSLS有相对良好的CC切换时延性能和资源利用性能。

4 结语

本文对现有的3种调度机制联合用户调度方案(JUS)、独立随机用户调度方案(SRUS)和独立数据突发级调度方案(SBLS)进行了分析与研究，比较了3种现有调度机制在综合性能、系统吞吐量和时延上的优势和劣势。在此基础上提出了半独立负载调度方案(HSLS)。该调度方案是对系统及用户设备复杂度、系统吞吐量以及时延进行综合考虑后所提出的折中方案，是在SRUS和SBLS的基础结构上的进一步改进。HSLS采用动态负载均衡准则，基于系统吞吐量和排队时延的要求以多数据突发作为资源分配粒度，令多个调度器可以同时分发满足调度条件的用户数据。本文使用Matlab进行系统级仿真，来评估HSLS调度机制的性能。仿真结果显示，当门限约束取1.0时，用户HSLS有相对良好的载波成分切换时延性能和资源利用性能。论文的研究工作得到了上海市科学技术委员会科研项目《基于个性化推荐技术的航空移动社区服务模式研究与应用》(项目号：14DZ1101400)和同济大学研究生国际交流基金资助项目(项目批准号：201502008)的经费支持。

[1] 张丽娟，侯晓赟.LTE-A载波聚合技术的最新研究进展[J].通信技术,2012,45(09):116-118.ZHANGLi-juan,HOUXiao-yun.LatestResearchProgressofCarrierAggregationinLTE-ASystems[J].CommunicationsTechnology,2012,45(09):116-118.

[2] 孙朝.LTE-Advanced系统中载波聚合下行资源调度技术的研究[D].武汉：武汉邮电科学研究院，2014.

SUN Chao. Research on Downlink Scheduling Technology for Carrier Aggregation in LTE-Advanced System[D].Wuhan: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,2014.

[3] ZHANG L,ZHENG K. Performance Analysis on Carrier Scheduling Schemes in Long-Term Evolution-Advanced System with Carrier Aggregation[J]. IET Commun, 2011, 5(5):612-619.

[4] ZHANG L, WANG Y, HUANG L,et al.QoS Performance Analysis on Carrier Aggregation based LTE-A Systems[C]. Proc. IET Int. Communication Conf. on Wireless, Mobile and Computing (CCWMC2009), Shanghai, China, December 2009:253-256.

[5] LIN L, LIU Y, LIU F, et al. Resource Scheduling in Downlink LTE-Advanced System with Carrier Aggregation[J]. Journal of China Universities of Post and Telecommunication. 2012, 19(1): 44-49.

[6] SHI S, FENG C, GUO C. A Resource Scheduling Algorithm based on User Grouping for LTE-Advanced System with Carrier Aggregation[C]. IEEE CNMT 2009, Wuhan, China, Jan 2009: 1-4.

[7] 范文鹏. LTE-A系统载波聚合下的调度算法研究[D]. 重庆：重庆大学，2012. FAN Wen-peng. Research on Scheduling Algorithm for Carrier Aggregation in LTE-A Systems[D].Chongqing: Chongqing University,2012.

Research and Improvement of Scheduling Scheme for Carrier Aggregation in LTE-Advanced System

WANG Zi-hao1, GE Wan-cheng1, WANG Liang-you1, LIN Jia-yan2

(1.Tongji University, Shanghai 200092,China; 2.Shanghai Unicore Technology of IOT Co.,Ltd,Shanghai 201210,China)

Based on the carrier aggregation in the LTE-Advanced system, the three current resource scheduling systems: JUS (Joint User Scheduling), SBLS (Separated Random User Scheduling) and SBLS (Separated Burst Level Scheduling) are studied and analyzed. For the advantages and disadvantages of the three mechanisms in system throughput, queuing delay, and switching delay performance of the component carrier,a HSLS (Half Separated Load Scheduling) mechanism adopting DLB (Dynamic Load Balance) is proposed.Based on requirements of system throughput and queuing delay, HSLS mechanism, with multi-burst as the coarse-grained resource allocation principle, makes multiple schedulers distribute simultaneously the users’ data satisfying certain scheduling conditions. Simulation result indicates that HSLS mechanism has limited requirements of equipment, fairly good performance of system throughput and delivery delay.

carrier aggregation;resource scheduling;queuing delay;system throughput

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.008

2015-03-05；

2015-07-09 Received date:2015-03-05；Revised date：2015-07-09

上海市科学技术委员会《基于个性化推荐技术的航空移动社区服务模式研究与应用》(No.14DZ1101400)和同济大学研究生国际交流基金资助项目(No.201502008)

Foundation item:Shanghai Science and Technology Committee,Research and Application of Aviation Mobile Community Service Modes based on Personalized Recommendation Technology(No. 14DZ1101400)；Tongji University Foundation for Graduates International Communication(No. 201502008)

TN913

1002-0802(2015)10-1134-05