基于載波聚合的下行調度研究

孫 朝，朱宇霞，王 謳

(1．武漢郵電科學研究院，湖北武漢430074;2．北方烽火科技有限公司，北京100085)

隨著頻譜資源日益緊張，為了實現更高的業務數據傳輸速率，3GPP在LTE－Advanced中提出了載波聚合技術(Carrier aggregation)。載波聚合技術是指將頻率上連續/不連續的多個離散的頻帶聚合起來，從而提升系統帶寬，滿足用戶更高的業務數據速率需求，增強用戶的體驗。載波聚合最多可以實現5個載波的聚合，達到100 Mbit/s的帶寬。通過載波聚合技術，LTE－A能夠達到下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s的峰值速率。

通常，載波聚合系統應支持后向兼容，即在系統中同時存在LTE用戶與LTE－A用戶，載波聚合技術的應用必須保證原有LTE用戶性能。參與聚合的載波可分為后向兼容載波與非后向兼容載波，LTE用戶只能接入一個后向兼容載波，不能接入非后向兼容載波，而LTE－A用戶可以接入到所有載波。接入載波能力的差異往往會導致LTE用戶的性能得不到保證。因此，設計一種能夠改善載波聚合系統用戶公平性的算法具有重要意義。

本論文設計了一種資源分配的改進算法，在為UE分配載波資源前，先確定UE所能接入的載波資源組，對于后向兼容載波資源緊張的情景，讓LTE－A用戶以更大的概率分配到非后向兼容載波上，從而保障LTE用戶的資源分配。通過這一算法可以保證LTE用戶性能，提升系統用戶間的公平性。

1 載波聚合調度結構

對于載波聚合系統來說，一個好的調度算法可以有效地減少傳輸時延，并且提高系統的吞吐量，因此值得進行深入的研究。

對于載波聚合系統而言，除了與傳統的單載波無線通信系統一樣需要考慮以RB為基本調度單元的RB級的調度外，還需要多考慮一個層次的調度，即基于成員載波的 CC 級的調度［1］。

載波聚合下的調度方式可以分為獨立載波調度與聯合載波調度。

獨立載波調度的特點是，采用兩級調度結構，用戶被一級調度器分配到不同的載波上，每一個獨立的載波上各有一個二級調度器，二級調度器根據用戶的優先級給載波上的用戶分配可用的資源［2］。

聯合載波調度算法主要特點是，采用一級調度器的結構，所有載波共用一個用戶等待隊列，使用一個共享的調度器完成所有載波上RB的分配［3］。聯合載波調度算法中，用戶可以在各自載波之間進行信息的交互，因此用戶間的分集增益與系統的吞吐量會得到提升。

2 改進型下行資源調度算法

為了提升載波聚合系統中用戶的公平性，本文設計了一種下行資源分配的改進型算法［4］。為了更好地說明該算法，設定系統中載波的總數目為M，LTE用戶占總用戶的比例為α，后向兼容載波占總載波的比例為β(為了實現后向載波兼容性，須保證β＞0)，且eNodeB已經獲取上述用戶與載波信息。

為了簡化調度結構，本文中采用二維調度結構，即調度流程包括時域調度與頻域調度，時域調度主要根據QoS信息計算UE的調度優先級并按照優先級對UE進行排序，頻域調度根據時域調度得到的優先級隊列為UE進行資源分配。本論文主要針對頻域調度的資源分配方案進行改進。

在改進型調度算法中，頻域調度可以劃分為兩個階段進行:接入的載波資源組劃分階段與資源分配階段。需要說明的是，改進算法基于聯合載波調度算法，所有的子載波共用一個用戶等待隊列，擁有一個統一的調度器對載波上所有資源塊進行分配。

2.1 劃分接入的載波資源組

在為UE分配載波資源前，應先確定UE所能接入的載波資源組，具體過程如圖1所示。

圖1 接入的載波資源組劃分

劃分載波資源組的具體流程分為如下幾步:

Step1:首先判斷UE的類型。若為LTE用戶，則只能在一個后向兼容載波上進行資源分配;若為LTE－A用戶，理論上可以接入所有載波，但考慮到用戶公平性，須保證LTE用戶的性能，這時執行Step2。

Step2:繼續判定α與β的大小關系。若α＞β，則該用戶以概率p在非后向兼容載波上進行資源分配，以概率1－p在后向兼容載波上進行資源分配。其中概率p滿足

若α≤β，則該用戶可以在所有載波上進行資源分配。

Step2中算法的作用為，當α＞β，即后向兼容載波較為緊張時，使LTE－A用戶以更大的概率接入到非后向兼容載波，從而保證LTE用戶在后向兼容載波上的資源分配。概率p滿足p＞1－β。當α較大或者β較小時，則p取值較大，也就是說LTE用戶增加或者后向兼容載波減少會導致LTE－A用戶以更大的概率分配到非后向兼容載波上。當α≤β時，后向兼容載波資源較為充裕，LTEA用戶可以不加限制地接入到所有載波上。

Step3:載波資源組劃分完成后，可以根據劃分的結果確定UE可以接入的最大CC數目N。

2.2 資源分配

UE可能接入的載波資源組確定后，就可以在劃分的載波資源組上進行資源分配過程，具體步驟如圖2所示。

圖2 資源分配過程

考慮到載波間的負載達到均衡，才能夠實現系統吞吐量的最大化，故引入載波選擇權重的計算，作為后面改進的PF算法的一個因子。若N=1，則載波選擇權重Wj=1，若N＞1，則Wj的計算公式為

式中:nj為第j個CC上已接入的UE數目。

本算法在傳統的PF算法基礎上加以改進，將載波選擇權重作為一個因子，改進后的PF式如

式中:Pi，j，k為第i個用戶在第j個載波上的第k個資源塊上的優先級;ri，j，k為第i個用戶在第j個載波上的第k個資源塊上的瞬時速率;Ri，j為第i個用戶過去一段時間Tc內在所有接入載波上的平均速率;Tc為時間窗，可以取值為1 000 ms。

由式(2)可以看出，載波選擇權重Wj能夠在nj變化時及時調整，當nj增大，即該載波上接入的UE增多時，Wj減小，從而減小了式(3)中UE在該載波上的優先級Pi，j，k，實現了動態的載波均衡。另外，式(3)中分母上采用所有接入載波的平均速率，可以保證用戶的公平性。

同時應注意在該算法中，在為每一個UE進行完資源分配后，應更新第j個CC上已接入的UE數目nj，并重新計算載波權重Wj，以適應負載的實時變化。

3 仿真結果與分析

3.1 仿真假設

設定總載波數目M=4，后向兼容載波數為2個。當LTE用戶所占比例ɑ分別為20%，60%時，分別觀察并記錄扇區吞吐量的CDF曲線變化情況。其他仿真參數如表1所示。

表1 系統級仿真參數配置表

3.2 仿真結果及分析

運用系統仿真平臺，對ɑ=0．2，ɑ=0．6兩種情形分別進行仿真。根據仿真結果，分別作出扇區吞吐量的CDF曲線，如圖3、圖4所示。

圖4 時扇區吞吐量的CDF曲線

表2 平均扇區吞吐量對比 Mbit/s

圖3為ɑ=0．2時扇區吞吐量的CDF曲線。在這種情況下，ɑ≤β，LTE－A用戶可以不加限制地接入到所有載波上。綜合圖3與表2可以看出，LTE用戶與LTE－A用戶的吞吐量都有小幅的上升，這是因為改進的PF算法可以實現實時的負載均衡，系統吞吐量得以提升。

圖4為α=0．6時扇區吞吐量的CDF曲線。此時滿足α＞β，由式(1)可計算出LTE－A用戶接入到非后向兼容載波的概率p=0．8。通過CDF曲線可以看出，相比于傳統的資源調度方案，改進算法提升了LTE用戶吞吐量，使得用戶公平性更好。這是因為LTE－A用戶更多地分配到非后向兼容載波上，減少了在后向兼容載波上與LTE用戶對資源的競爭。

4 結語

本文在現有LTE－A系統中載波聚合調度方案的基礎上，提出了一種新的聯合載波調度的資源分配方案。仿真結果表明，該方案能夠保證LTE用戶的性能，提高了用戶間的公平性，且通過實現實時的負載均衡，提升了系統的吞吐量。

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［1］張磊．無線載波聚合系統性能分析與優化［D］．北京:北京郵電大學，2011．

［2］程順川，鄭瑞明，張欣，等．LTE－Advanced系統中載波聚合技術的性能研究［J］．現代電信科技，2009(4):53－56．

［3］黃翠霞，曹亙，張欣，等．LTE－Advanced系統中載波聚合技術性能研究［J］．郵電設計技術，2010(7):11－12．

［4］孫朝，侯瑞峰，朱宇霞．一種載波資源分配方法及裝置:中國，201310356537．7［P］．2013－10－15．