LTE系统上行调度算法研究

摘要：无线资源调度是LTE系统研究的一个热点问题。LTE上行链路采用了单载波正交频多址（SC-FDMA）技术，要求在调度时为任一用户分配的RB必须是连续的，使得LTE下行调度算法不能直接应用上行调度。本文对LTE系统上行链路资源调度问题的研究状况进行了概述，分别从信道感知、比例公平、QoS保证三个方面，对现有调度算法进行了分析和比较。重点分析比较了各个算法在保证分配的RB连续的前提下系统性能，并提出了进一步研究的方向。

关键词：上行调度 信道感知 PF QoS保证

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0118-03

1 引言

LTE是继第三代移动通信之后3GPP组织启动的新一代移动通信标准，以OFDM主要技术为基础，目标是实现更低时延、更高用户传输速率、更大系统容量和更好的QoS保证。无线资源管理（RRM）是实现这些目标的一条重要的途径。LTE系统采用了共享信道的机制，为了更加有效地利用和分配共享资源，需要在不同用户之间进行调度，调度功能是由位于eNodeB侧的MAC层中调度器完成的。LTE系统中，上行采用SC-FDMA技术，要求分配给任一用户的RBs必须是连续的，所以传统的用于下行调度的分组调度算法最大载干比（Max C/I）[1]、轮询（RR）[1]、比例公平（PF）[1]都不能直接用于上行调度。LTE上行调度首要考虑的就是，要保证分配给用户的RBs是连续的，然后才能考虑影响调度的优先级因子。

资源调度对实现资源的合理利用，用户业务的QoS保证起着重要作用，目前国内绕上行调度展开了大量的研究。本文对现有LTE上行调度的研究现状进行了概述，明确了研究的问题难点所在，阐述了解决这些问题的方法和思路。在此基础之上，提出了下一步研究的重点和方向。

2 上行调度流程

LTE系统上行调度过程如图1所示，UE首先向eNodeB发送调度请求（SR），SR只负责告知eNodeB是否有资源需求，而具体需要多少资源则由之后的信令交互完成。eNodeB接收SR之后，向UE发送调度准许，先配置一少部分资源给UE用于上传BSR。UE通过发送BSR，告知eNodeB自己待传输的数据量大小。eNodeB接收到BSR之后，根据该UE上报的SRS及UE业务的QoS需求等上行调度的决策因素，通过具体的调度算法决定是否给UE分配资源。若UE获得上行调度准许，则eNodeB向该UE发送上行发送需要的的资源块分配信息，并封装到上行调度准许信息发送给UE。UE接收到上行调度准许信息之后，解析出调度资源块的分配信息，然后在相应的上行子帧连续的RB上发送上行数据。（图1）

3 基于信道感知的调度算法

调度算法的好坏决定了系统的性能，而分组调度是LTE系统调度的关键所在。无线信道具有时变特性，所以人们提出了依赖于信道状态的调度算法。这些算法的基本思路是：依据对信道的感知，充分利用无线信道的时变特性，优先为信道质量好的用户提供调度资源，同时要保证分配给用户的RB具有连续性。

文献[2]所提算法采取了最简单的方式，利用搜索树给每个用户只分配一个RB，这样虽然保证了用户所分配的资源在频域上是连续的，但是当用户数小于RBs数的时候就会造成资源浪费。文献[3]提出了三种基于信道感知的上行调度算法，分别是优先最大扩张（FME）算法、递归最大扩张（RME）算法、最小不同区封装（MADE）算法。FME算法以信道质量的好坏作为调度的标准，在N个UE和M个RB形成的N*M的矩阵中，在矩阵中查找信道质量最好的UEj，将对应的RBi分配给UEj，然后扩张到RBi-1和RBi+1比较它们的信道质量，选取信道质量好的那个，如果该RB对应的UE是UEj且此RB尚未分配，则该RB分配给UEj，如果该RB对应的UE是新的UEk且此RB尚未分配，则该RB分配给UEk，依此查找直到所有的RB扩张查找结束，算法复杂度为O（N*M）。RME算法的思想和FME算法一样，不同的是前者利用递归查找信道质量最好的RBi*UEj，同时避免了多次查找后分配给同一用户的RB不连续造成的资源浪费，然而算法复杂度却没有降低。MADE算法相当于RME算法的延续，以各UE在RBs上的信道质量的包络轨迹划分RBs，形成RC（RB块，一个或多个连续的RB组成）进行调度，算法复杂度明显降低。上述三种算法，虽然解决了RB连续性的问题，但是都是以信道质量作为调度的度量，没有考虑到用户之间的公平性和QoS需求对调度的影响。文献[4]提出了一种启发式机会调度算法—启发式局部梯度（HLGA）算法，实现了资源有约束条件进行分配时求得最优解。该算法把重传处理和信道质量作为资源调度考虑因素，在传统LGA算法基础上发展而来。HLGA算法提出了一种趋于调度最佳的分配策略，但是该算法还停留在理论阶段，是一种启发式算法，只能对依赖于信道质量调度的算法提供一种基准参考。

4 基于比例公平的调度算法

基于信道感知的调度算法虽然提升了系统吞吐量，同时也降低用户间公平性，容易产生饥饿效应。为解决此问题，人们对比例公平算法应用于LTE上行调度展开了大量研究，PF度量值一般用用户瞬时传输速率和一段时间内被服务的平均速率比值表示。

文献[5]介绍了一种RB组的比例公平调度算法，基本思想是在用户数为N系统里面，将M个RB分为M/N个RB组，并对每个组进行编号，计算其合并后的SINR值，得到用户在每个RB组上优先级。如果信道质量好的在本次调度时间内已经被分配一个RB组，那么此用户PF度量值下降，此用户在剩下的RB组上优先级就会下降。一次调度内，该算法考虑用户间的公平性，每次调度时考虑用户的平均吞吐量，可以很好的保证用户间公平性。文献[6]提出了一种启发式比例公平调度算法，在保证分配RBs连续的前提下选取具有最佳PF度量值的UE进行资源分配，PF度量为根据SRS传送功率求出预分配给每一个数据块的数据速率与用户一段时间内服务速率的比值，然后调度器检查该UE的临界调度值是否在分配的数据块上是最高，如果最高就开始为UE分配此数据块进行调度。该算法使得吞吐量和公平性之间达到一个相对较好的平衡，提升了用户满意度。文献[7]研究了依赖于多普勒效应的LMVRF算法，选择PF度量值最大用户UEj进行RB分配，同时把此RB到下一个被已分配到其他用户UEk的RB之间的RBs全部分配给UEj，保证了RB的连续性，用户间公平性也得到了保障。

5 基于QoS保证的调度算法

LTE系统中既包括实时性业务，也包括非实时性业务。如何在信道时变特性和有限的系统资源下满足不同业务的QoS要求成为调度研究一个热点。通常情况下，同一个UE可以发起一种或多种业务，每种业务对应不同的QoS需求，业务的QoS包括：系统吞吐量、公平性、队列时延、丢包率等。

文献[8]提出一种基于时延估计的QoS调度算法，因为上行调度基于UE上报信息完成，UE上报却不能提供具体到每一个数据包的时延，该算法根据BSR上报信息估计数据包时延，并研究了时延稳定性对调度性能的影响。调度过程中同时考虑信道质量和QoS需求对资源调度的影响，在保证用户QoS需求的同时降低了算法复杂度。文献[9]研究了VoIP业务用户QoS保证的调度算法，该算法以业务队列排队时延和用户平均传输速率作为调度度量，提高了VoIP系统吞吐量，同时提高了小区边缘用户的满意度。文献[10]提出了一种以误码率作为优先级度量的考虑QoS服务等级（CoS）的调度算法，在公平性和吞吐量上都实现了性能提升，但是该算法忽略了SC-FDMA网络对RB连续性的要求。文献[11]研究了待传数据的优先级在上行调度中的影响，在考虑信道质量和公平性的同时，加入UE待传输数据的优先级因子，同时保证其他用户不会处于“饥饿”状态，保证了用户QoS需求，使调度更公平。文献[12]提出了一种频带QoS感知（BQA）的上行频域调度算法，该算法根据QoS需求和瞬时信道质量对无线资源进行调度，通过动态的QoS权重值为用户进行调度资源，同时保证了分配子载波的连续性。

6 结语

本文从信道感知、比例公平、QoS保证三个方面阐述了LTE上行调度算法的研究现状，阐述了现有的资源调度算法对提升系统吞吐量、保持用户间公平性、保证用户QoS需求重要作用，明确了现有调度算法存在的一些问题。LTE系统上行资源调度下一步研究重点：

（1）保证分配资源连续性的算法，算法复杂度都很高，下一步研究可以从此入手，降低现有算法复杂度，以启发式算法为基础，研究趋近于实际调度的算法，在保证连续性的前提下尽可能提升系统性能，避免分配资源时造成资源的浪费。研究现有成熟的下行调度算法，在保证分配RB连续的前提下，应用于上行调度。

（2）现有基于QoS保证的算法，大多数研究的都是在单一业务下QoS对调度的影响，下一步应着重研究单用户多业务和多用户多业务QoS保证的调度算法，更趋近于处理实际调度中问题。研究基于信道感知和队列感知的调度算法，考虑信道状态信息、队列等待数据量、队列等待时延等队列信息，构建优先级调度因子，合理安排队列调度，提升用户满意度。

参考文献

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