LTE系统中的一种频选调度方案

张向鹏，余建国，邹丽红

(1.光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北 武汉 430074;2.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085)

随着宽带无线接入技术的不断发展，以移动通信为代表的无线通信系统都是资源受限的系统，不仅移动用户的数量持续增长，而且移动用户的业务需求量也与日俱增，如何利用有限的资源满足用户对业务需求量的日益增长是永久追求的目标［1］。

在LTE系统中，主要采用了共享信道机制，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。LTE系统中资源分配是按照TTI=1 ms的粒度进行的。资源调度的最终结果包括物理资源块(Physical Resource Block，PRB)分配位图(Bitmap)［2］和调制编码方式(Modulation and Coding Scheme，MCS)。这些信息是通过物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)传输给UE的，对于PRB分配位图的设置，最简单且最灵活的办法是向每个UE发送一个位图，位图中的每个比特指示一个特定的PRB位置，当UE占用了一个PRB进行数据传输时，则该比特位置应标识为1，否则标示为0。每个PRB使用一个比特位置进行标示，使得资源分配可以在PRB的粒度上进行，为系统提供了很大的灵活性，然而对于大带宽系统，其位图需要占用较多的比特，这可能意味需要更多的控制信令开销，同时系统吞吐量会下降，用户服务质量降低。

为了解决上述技术问题，本文提出的是资源分配中一种频选调度策略，用来提高用户服务质量和整个系统的吞吐量，同时可大大减少信令的开销［3］。

1 频选调度方案描述

整个频选调度过程是分为资源分配和MCS的选择两个部分所完成，资源分配是根据UE上报的信道质量来寻找可用的PRB位置;而MCS的选择是根据业务的传输量来确定最终需要多少PRB，根据这两个关键的过程可以完成最后的资源分配，使得UE的需求得以满足。

1.1 资源分配

在LTE系统中，MAC层调度器通过动态资源分配的方式将物理层资源分配给UE。目前在高速移动环境下，为了提高用户服务质量，采用频选调度方案进行资源分配。下面将介绍一下20 MHz带宽在频选调度算法实现中的一些基本事实:

1)PRBs的CQI上报并非以1个PRB为单位，而是以PRB子带(20 MHz带宽分为13个子带，1个子带有8个PRB，最后1个子带只有4个PRB;从第0个PRB开始排子带)为单位上报。

2)资源分配类型0以RBG(20 MHz 带宽的情况是每个RBG有4个PRB，且从第0个PRB开始排RBG)为分配单位。

3)资源分配类型1是在1个RBG子集中进行资源分配，每个RBG子集包括若干RBG(比如，在20 MHz的下行带宽时，RBG总是从模4为0的PRB开始的4个PRB，第1个RBG子集有28个PRB，另外3个RBG子集有24个PRB)。

4)资源分配类型2总是分配一段连续的PRB。

5)在调度重传的TB数据时，必须能够为之分配足够的PRB，资源不足时只能放弃调度该TB。

6)为UE分配资源时，总是考虑为其分配CQI最高的未分配PRB资源，即使有低优先级的PRB资源也不予考虑。

针对子带(即一组连续的PRB)来说，可以子带为查找资源的基本单位(20 MHz对应了13个子带)，而不是以PRB为检索单位(20 MHz对应了100个PRB)。另一方面，由于频选调度是要找到最优CQI的未用PRB，所以可根据位图(Bitmap)从最好的子带开始检索，而不是从头开始检索。由于UE上报CQI的周期往往超过10 ms，且并不频繁，所以在CQI上报时就把每个子带按照CQI高低放好，以利于资源分配模块从最优CQI的子带开始检索，利用下面的数据结构来存储每个UE的CQI信息，从图1看出，对于20 MHz的带宽，有13个子带，即图中SUBBAND_i(0≤i≤12);从遍历的角度看最多遍历13次。SUBBAND_d，SUBBAND_y，SUBBAND_a 和 SUBBAND_c是挂在CQI级别为15的子带下，此时UE所对应的PRB是最好的资源，而接下来找CQI为14所对应的子带，找到后挂在下面，直到将100个PRB全部按照CQI等级从高到低排列出来，最低为CQI=0的子带SUBBAND_z，然后将CQI=15所对应的PRB分配给UE，这样看来找到UE最高CQI对应的PRB位置是非常容易的，由于频选调度策略是将最好的资源(PRB)分配给UE的，所以对于CQI级别很低的PRB直接丢弃，不予分配［4］。

图1 UE CQI状况存储结构示意图

根据上述内容，结合LTE标准可得出资源分配的具体过程，其整个流程如图2所示。

图2 资源分配流程图

在图2中给出了资源分配的总体流程图，以20 MHz带宽为例，其具体的实施步骤如下所示，此处从资源分配入口开始:

步骤1，取CQI=15的第一个子带。

步骤2，判断这一个子带中8个PRB是否都被占用，如果是进入步骤3，否则进入步骤4。

步骤3，判断当前子带是否为最后一个子带，如果是，进入步骤7，否则进入步骤6。

步骤4，计算出该CQI调度所需要的PRB个数。

步骤5，判断能否在该CQI下的若干个子带中找到n个PRB，如果是，进入步骤9;否则进入步骤8。

步骤6，取当前CQI级别的下一个子带，之后回到步骤2。

步骤7，取当前CQI的级别加1的第一个子带，之后回到步骤2。

步骤8，找到最大个数分配资源，记录分配结果。

步骤9，以n个PRB来分配资源，记录分配结果。

目前在LTE系统中，MAC层是从接收来自物理层的上行大消息中得到UE所对应的CQI，再根据CQI来给UE分配资源。下面对资源分配模块进行定义。

输入:1)根据UE上报当前待分配资源UE的数据量和当前待分配资源UE的上下行信道质量;2)根据Bitmap可知当前上下行资源的已分配状况。

输出:为该UE选择适当PRB个数及信道质量好的PRB 位置［5］。

1.2 MCS的选择

在LTE系统中，下行频选调度是采用UE上报CQI来分配PRB资源。而上行频选调度采用一种和下行频选调度类似的方案，根据SRS上报消息经过物理层计算出信干噪比(Signal－to－Interference plus Noise Ratio，SINR)，再由SINR更新UE的按CQI排序的PRB Bitmap。由于无线信道具有频率选择性，对于分配多个物理资源块(PRB)的用户，每个PRB对应了不同的信道质量，为了最大化利用无线资源，每个PRB上应该使用不同的调制编码方案(MCS)，然而在每个PRB上进行单独的调制编码方案指示需要很大的开销。因此LTE中规定，在每次调度(1个TTI=1 ms内完成)中，分配给同一用户的所有资源使用相同的MCS。其待选择的PRB是在频率上连续的任意PRB集合，对找到的最大CQI下的每个子带，查找其临近的PRB的CQI(利用图1提供的每个子带的CQI情况的数据结构)，选择CQI与目前CQI相等的PRB，易于找到相应的PRB;为当前的UE找到合适的资源即可，不考虑是否有更合适的位置。由于频选调度是给UE分配一段连续的PRB，在知道分配的PRB的起始位置和个数前提下，计算每个PRB所对应的信干噪比，然后计算出这段连续的PRB的平均信干噪比，式(2)是求取一段连续PRB的平均信干噪比，最后根据式(1)所对应的映射关系得出MCS，即

式中:α是用于调节不同编码方案和编码速率的校正因子，‖bk‖1表示向量bk中1的个数(用户k分得的RB数目)。

在资源分配过程中，会出现一些这样的现象，在用户不太多的情况下，采用频选调度方案，使用子带CQI上报，这样做的好处就是会提高系统吞吐量，使得这些用户得到最好的服务;但是如果小区内被服务的用户较多，是不建议采用频选调度的，因为这时可能有很多用户上报的CQI所对应的PRB都是一样的，而且用户较多，子带上报的CQI效果还没有宽带上报CQI效果好，这种情况下就采用非频选调度方案相对好些，所以不管采用频选调度还是采用非频选调度是要看当前的信道质量和当前小区中需要服务的UE的数量多少来决定的［6］。

2 仿真及其分析

以下是对本文提出的上行频选调度方案进行的仿真研究，系统的仿真参数按照LTE协议的规定及建议设置，如表1所示。

表1 系统及仿真参数设置

仿真1，信干噪比的CDF图仿真如图3所示。

图3 目标小区信干噪比的CDF示意图

在图3中，频选调度与非频选调度相比，频选调度的用户在信干噪比值为0～18的概率分布明显比非频选调度的用户要大很多，因此本文提出的频选调度方案大大提高了调度用户的信干噪比，同时用户的性能有着很大的提升，从而在一定程度上保证了用户的服务质量以及可靠性。

仿真2，10个PRB、300个TTI时的速率与SINR的关系仿真如图4所示。

图4 仿真2中速率与信干噪比的关系示意图

在图4中，横坐标表示信干噪比值，纵坐标表示速率v，从图中可以看出，在相同速率下，频选调度用户比非频选调度用户的信干噪比值小3 dB左右。所以当用户使用频选调度方案之后，速率v随着信干噪比值的增长而提高，与此同时整个系统的吞吐量也相应提高。

3 小结

本文从资源分配的角度出发，提出一种频选调度方案，根据UE上报的CQI找到最好的PRB，先计算得出相对应的信干噪比值，然后计算出整个资源的平均信干噪比值，最后查出MCS，完成频选调度策略。本方案在理论研究的基础上同时进行了系统级的仿真研究，这种方案旨在将最好的资源分配给用户，使得用户得到最好的服务，同时也大大提高整个系统的吞吐量。这种调度策略对于研发人员如何在有限的资源内提高整个系统的性能具有一定的参考价值。另外本方案与LTE－A中载波聚合、多点协作等技术的结合来提高系统整体性能也将成为重点研究的方向［7］。

［1］沈嘉，索世强，全海洋.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［2］华永平，刘楠，王书旺，等.移动电视直放站中CIC滤波器的性能改进方法［J］. 电视技术，2010，34(4):36－39.

［3］赵训威，林辉，张明.3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［4］于涵，徐俊东，朱宇霞，等.一种频域资源调度方法及装置:中国，201010515675.1［P］.2011－01－26.

［5］王映民，孙韶辉.TD－LTE技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［6］3GPP TS 36.321，Medium access control(MAC)protocol specification［S］.2010.

［7］3GPP TS 36.213，Physical layer procedures［S］.2009.