LTE多用戶調(diào)度的研究及優(yōu)化應(yīng)用

王鎮(zhèn)鑫 肖興祥 謝劍江 許舒建

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司紹興分公司

0 引言

運營商數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)迅速增長趨勢。以浙江某地市聯(lián)通為例，數(shù)據(jù)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(xiàn)下降趨勢。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)多樣性，對網(wǎng)絡(luò)需求存在差異，比如隨時隨地進行即時通訊、游戲、上網(wǎng)、視頻、支付等各種業(yè)務(wù)。而視頻業(yè)務(wù)占比高達62.58%，視頻業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)下行速率要求較高。

影響用戶感知速率的因素有很多，業(yè)務(wù)類型、空口性能、射頻單元、傳輸性能、核心網(wǎng)等各個環(huán)節(jié)都會影響到用戶對數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的感知。本研究主要針對LTE多用戶調(diào)度原理，并按場景深化參數(shù)配置，提升用戶感知速率。

1 LTE多用戶調(diào)度原理

LTE無線資源調(diào)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(diào)度器同時還負責TBS和MCS選擇、控制HARQ重傳，調(diào)度結(jié)果會影響RLC層數(shù)據(jù)分段。

對于高負載網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度是一個關(guān)鍵因素，決定著整網(wǎng)的性能。不同的調(diào)度策略，會影響網(wǎng)絡(luò)的以下性能：小區(qū)吞吐量、小區(qū)邊緣用戶吞吐量、各類業(yè)務(wù)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(diào)度目標和設(shè)計原則

調(diào)度目標是要實現(xiàn)三個要求：滿足系統(tǒng)Qos要求、兼顧差異化和公平性、實現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化。

調(diào)度設(shè)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(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化，同時又不影響公平性；

（2）基于連接調(diào)度，確保業(yè)務(wù)Qos；

（3）控制面消息調(diào)度優(yōu)先于數(shù)據(jù)面消息調(diào)度；

（4）GBR業(yè)務(wù)基于時延和信道質(zhì)量調(diào)度，Non-GBR業(yè)務(wù)基于速率和信號質(zhì)量調(diào)度；

（5）滿足了MBR/AMBR連接門限條件的用戶不再被調(diào)度。

1.2 多用戶調(diào)度基本操作及算法架構(gòu)

LTE可以實現(xiàn)時域、頻域和碼域資源的動態(tài)調(diào)度和分配。動態(tài)調(diào)度帶來的一個重要變化是LTE不再使用3G系統(tǒng)中“專用信道”來傳送數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)都分割成小塊，然后依賴高效的調(diào)度機制將來自多個用戶的“數(shù)據(jù)塊”復用在一個共享的大的數(shù)據(jù)信道中。因此，LTE的性能能否充分發(fā)揮，很大程度上取決于調(diào)度機制的效率。一方面要根據(jù)無線信道的特性進行靈活地調(diào)度，另一方面又不能大幅度增加系統(tǒng)的信令開銷。

頻域資源調(diào)度是LTE系統(tǒng)資源調(diào)度的重要方法。在頻域資源調(diào)度中，eNodeB上的調(diào)度器根據(jù)上下行信道的CQI（信道質(zhì)量指示）、QoS參數(shù)和測量、eNodeB緩存中等待調(diào)度的負載量、在隊列中等待的重傳任務(wù)、UE能力（Capability）、UE睡眠周期和測量間隔/測量周期、系統(tǒng)參數(shù)（如系統(tǒng)帶寬/干擾水平/干擾結(jié)構(gòu)）等信息，動態(tài)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(diào)度最重要的考慮因素之一。如圖1所示。

圖1 多用戶調(diào)度算法架構(gòu)

由于LTE系統(tǒng)中資源調(diào)度和鏈路自適應(yīng)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(cè)獲取，并由UE反饋給eNodeB。

2 LTE多用戶調(diào)度的優(yōu)化應(yīng)用

根據(jù)LTE下行調(diào)度原理，可以從調(diào)度源、調(diào)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(diào)度源中的GAP測量、業(yè)務(wù)信道功率、MIMO模式、CQI優(yōu)化做深入研究，并制定分場景優(yōu)化方案。如圖2所示。

圖2 多用戶調(diào)度參數(shù)分類

2.1 調(diào)度源-GAP測量

GAP測 量 是eNodeB在UE連接態(tài)配置周期性的空閑時間，讓UE去測量指定頻率上的小區(qū)信號質(zhì)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)化方案：測量周期，非高速場景小區(qū)40ms修改至80ms；啟動門限，打底網(wǎng)同頻區(qū)域修改至-120dBm，降低異頻異系統(tǒng)啟動門限。

優(yōu)化效果：修改后，小區(qū)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(shù)修改效果

2.2 調(diào)度源-業(yè)務(wù)信道功率

在RS功率一定時，通過增加PA值，業(yè)務(wù)信道可用率增多就等于增加了小區(qū)所有用戶的功率，提高小區(qū)所有用戶的MCS，頻譜效率提升。在小區(qū)話務(wù)模型不變的情況下，頻譜效率提升，提供同樣的服務(wù)速率所需的RB數(shù)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(shù)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(yè)務(wù)信道功率調(diào)整原理

優(yōu)化方案：保持RS功率不變，提升PA值，具體修改值根據(jù)小區(qū)現(xiàn)網(wǎng)配置。（備注：若功率受限，提升RRU總功率）

優(yōu)化效果：針對全網(wǎng)4503個小區(qū)修改，修改小區(qū)感知速率提升了2.26Mbps，低速率小區(qū)占比下降了20.85%。如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)信道功率優(yōu)化對比

2.3 調(diào)度源-MIMO模式

在LTE系統(tǒng)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(fā)，由系統(tǒng)半靜態(tài)配置。傳輸模式通過RRC信令下發(fā)給UE，每種傳輸模式有對應(yīng)的DCI格式，UE根據(jù)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(jù)信道UE可以使用不同的TM模式：發(fā)射分集，或者空間復用。為有效提升單用戶感知速率，優(yōu)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(fā)送信號不適應(yīng)UE的位置和信道。詳見表1和圖7。

表1 TM3、TM4區(qū)別表

圖7 TM3、TM4與速率關(guān)系

優(yōu)化方案：針對低速、靜止場景小區(qū)TM3修改至TM4。

優(yōu)化效果：參數(shù)調(diào)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(diào)度源-CQI優(yōu)化

下行調(diào)度中，CQI用來反映信道質(zhì)量，UE通過周期上報和事件觸發(fā)上報這兩個方式上報。周期上報：提供小區(qū)系統(tǒng)全帶寬的信道信息，通過PUCCH上報給eNodeB；事件觸發(fā)上報：提供小區(qū)系統(tǒng)帶寬子集的信道信息（非周期），通過PUSCH上報給eNodeB。CQI、MSC、調(diào)制方式存在對應(yīng)關(guān)系，當CQI越大，對應(yīng)的調(diào)制方式越高。因此，優(yōu)化CQI可提升單用戶感知速率。詳見表2。

表2 CQI對應(yīng)碼率表

UE上報SINR，并映射CQI，而CQI與碼率、頻譜效率一一對應(yīng)，便于eNodeB進行CQI調(diào)整和濾波，并映射到MCS階數(shù)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(diào)制方式的關(guān)系流程圖

優(yōu)化方案：RF優(yōu)化（DT、投訴處理）實現(xiàn)小區(qū)的精準合理覆蓋、特性參數(shù)（全網(wǎng)規(guī)范參數(shù)）、DRX激活器時長（Psf60→Psf100）、MPO參數(shù)優(yōu)化（選擇性修改）。

CQI較好小區(qū)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(zhì)量不一致，下行MCS和誤碼發(fā)生變化，影響下行用戶感知速率和小區(qū)吞吐率。

但是在針對CQI＜7不同占比小區(qū)進行驗證時，當質(zhì)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(yōu)化效果：針對全網(wǎng)小區(qū)修改，MPO選擇性修改，修改小區(qū)感知速率提升了1.27Mb/s，低速率小區(qū)比例降低了4.37%。

3 結(jié)束語

單用戶感知速率的提升可從小區(qū)業(yè)務(wù)量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、資源調(diào)度三個方面分別考慮。本研究主要從資源調(diào)度中的調(diào)度源展開了研究分析，并針對不同場景做了參數(shù)優(yōu)化，在后續(xù)的優(yōu)化過程應(yīng)對特定功能參數(shù)進行固化，列入?yún)?shù)核查范疇，并規(guī)范開站腳本。同時可考慮從調(diào)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。