基于载波聚合的下行调度研究

孙 朝，朱宇霞，王 讴

(1．武汉邮电科学研究院，湖北武汉430074;2．北方烽火科技有限公司，北京100085)

随着频谱资源日益紧张，为了实现更高的业务数据传输速率，3GPP在LTE－Advanced中提出了载波聚合技术(Carrier aggregation)。载波聚合技术是指将频率上连续/不连续的多个离散的频带聚合起来，从而提升系统带宽，满足用户更高的业务数据速率需求，增强用户的体验。载波聚合最多可以实现5个载波的聚合，达到100 Mbit/s的带宽。通过载波聚合技术，LTE－A能够达到下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s的峰值速率。

通常，载波聚合系统应支持后向兼容，即在系统中同时存在LTE用户与LTE－A用户，载波聚合技术的应用必须保证原有LTE用户性能。参与聚合的载波可分为后向兼容载波与非后向兼容载波，LTE用户只能接入一个后向兼容载波，不能接入非后向兼容载波，而LTE－A用户可以接入到所有载波。接入载波能力的差异往往会导致LTE用户的性能得不到保证。因此，设计一种能够改善载波聚合系统用户公平性的算法具有重要意义。

本论文设计了一种资源分配的改进算法，在为UE分配载波资源前，先确定UE所能接入的载波资源组，对于后向兼容载波资源紧张的情景，让LTE－A用户以更大的概率分配到非后向兼容载波上，从而保障LTE用户的资源分配。通过这一算法可以保证LTE用户性能，提升系统用户间的公平性。

1 载波聚合调度结构

对于载波聚合系统来说，一个好的调度算法可以有效地减少传输时延，并且提高系统的吞吐量，因此值得进行深入的研究。

对于载波聚合系统而言，除了与传统的单载波无线通信系统一样需要考虑以RB为基本调度单元的RB级的调度外，还需要多考虑一个层次的调度，即基于成员载波的 CC 级的调度［1］。

载波聚合下的调度方式可以分为独立载波调度与联合载波调度。

独立载波调度的特点是，采用两级调度结构，用户被一级调度器分配到不同的载波上，每一个独立的载波上各有一个二级调度器，二级调度器根据用户的优先级给载波上的用户分配可用的资源［2］。

联合载波调度算法主要特点是，采用一级调度器的结构，所有载波共用一个用户等待队列，使用一个共享的调度器完成所有载波上RB的分配［3］。联合载波调度算法中，用户可以在各自载波之间进行信息的交互，因此用户间的分集增益与系统的吞吐量会得到提升。

2 改进型下行资源调度算法

为了提升载波聚合系统中用户的公平性，本文设计了一种下行资源分配的改进型算法［4］。为了更好地说明该算法，设定系统中载波的总数目为M，LTE用户占总用户的比例为α，后向兼容载波占总载波的比例为β(为了实现后向载波兼容性，须保证β＞0)，且eNodeB已经获取上述用户与载波信息。

为了简化调度结构，本文中采用二维调度结构，即调度流程包括时域调度与频域调度，时域调度主要根据QoS信息计算UE的调度优先级并按照优先级对UE进行排序，频域调度根据时域调度得到的优先级队列为UE进行资源分配。本论文主要针对频域调度的资源分配方案进行改进。

在改进型调度算法中，频域调度可以划分为两个阶段进行:接入的载波资源组划分阶段与资源分配阶段。需要说明的是，改进算法基于联合载波调度算法，所有的子载波共用一个用户等待队列，拥有一个统一的调度器对载波上所有资源块进行分配。

2.1 划分接入的载波资源组

在为UE分配载波资源前，应先确定UE所能接入的载波资源组，具体过程如图1所示。

图1 接入的载波资源组划分

划分载波资源组的具体流程分为如下几步:

Step1:首先判断UE的类型。若为LTE用户，则只能在一个后向兼容载波上进行资源分配;若为LTE－A用户，理论上可以接入所有载波，但考虑到用户公平性，须保证LTE用户的性能，这时执行Step2。

Step2:继续判定α与β的大小关系。若α＞β，则该用户以概率p在非后向兼容载波上进行资源分配，以概率1－p在后向兼容载波上进行资源分配。其中概率p满足

若α≤β，则该用户可以在所有载波上进行资源分配。

Step2中算法的作用为，当α＞β，即后向兼容载波较为紧张时，使LTE－A用户以更大的概率接入到非后向兼容载波，从而保证LTE用户在后向兼容载波上的资源分配。概率p满足p＞1－β。当α较大或者β较小时，则p取值较大，也就是说LTE用户增加或者后向兼容载波减少会导致LTE－A用户以更大的概率分配到非后向兼容载波上。当α≤β时，后向兼容载波资源较为充裕，LTEA用户可以不加限制地接入到所有载波上。

Step3:载波资源组划分完成后，可以根据划分的结果确定UE可以接入的最大CC数目N。

2.2 资源分配

UE可能接入的载波资源组确定后，就可以在划分的载波资源组上进行资源分配过程，具体步骤如图2所示。

图2 资源分配过程

考虑到载波间的负载达到均衡，才能够实现系统吞吐量的最大化，故引入载波选择权重的计算，作为后面改进的PF算法的一个因子。若N=1，则载波选择权重Wj=1，若N＞1，则Wj的计算公式为

式中:nj为第j个CC上已接入的UE数目。

本算法在传统的PF算法基础上加以改进，将载波选择权重作为一个因子，改进后的PF式如

式中:Pi，j，k为第i个用户在第j个载波上的第k个资源块上的优先级;ri，j，k为第i个用户在第j个载波上的第k个资源块上的瞬时速率;Ri，j为第i个用户过去一段时间Tc内在所有接入载波上的平均速率;Tc为时间窗，可以取值为1 000 ms。

由式(2)可以看出，载波选择权重Wj能够在nj变化时及时调整，当nj增大，即该载波上接入的UE增多时，Wj减小，从而减小了式(3)中UE在该载波上的优先级Pi，j，k，实现了动态的载波均衡。另外，式(3)中分母上采用所有接入载波的平均速率，可以保证用户的公平性。

同时应注意在该算法中，在为每一个UE进行完资源分配后，应更新第j个CC上已接入的UE数目nj，并重新计算载波权重Wj，以适应负载的实时变化。

3 仿真结果与分析

3.1 仿真假设

设定总载波数目M=4，后向兼容载波数为2个。当LTE用户所占比例ɑ分别为20%，60%时，分别观察并记录扇区吞吐量的CDF曲线变化情况。其他仿真参数如表1所示。

表1 系统级仿真参数配置表

3.2 仿真结果及分析

运用系统仿真平台，对ɑ=0．2，ɑ=0．6两种情形分别进行仿真。根据仿真结果，分别作出扇区吞吐量的CDF曲线，如图3、图4所示。

图4 时扇区吞吐量的CDF曲线

表2 平均扇区吞吐量对比 Mbit/s

图3为ɑ=0．2时扇区吞吐量的CDF曲线。在这种情况下，ɑ≤β，LTE－A用户可以不加限制地接入到所有载波上。综合图3与表2可以看出，LTE用户与LTE－A用户的吞吐量都有小幅的上升，这是因为改进的PF算法可以实现实时的负载均衡，系统吞吐量得以提升。

图4为α=0．6时扇区吞吐量的CDF曲线。此时满足α＞β，由式(1)可计算出LTE－A用户接入到非后向兼容载波的概率p=0．8。通过CDF曲线可以看出，相比于传统的资源调度方案，改进算法提升了LTE用户吞吐量，使得用户公平性更好。这是因为LTE－A用户更多地分配到非后向兼容载波上，减少了在后向兼容载波上与LTE用户对资源的竞争。

4 结语

本文在现有LTE－A系统中载波聚合调度方案的基础上，提出了一种新的联合载波调度的资源分配方案。仿真结果表明，该方案能够保证LTE用户的性能，提高了用户间的公平性，且通过实现实时的负载均衡，提升了系统的吞吐量。

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［1］张磊．无线载波聚合系统性能分析与优化［D］．北京:北京邮电大学，2011．

［2］程顺川，郑瑞明，张欣，等．LTE－Advanced系统中载波聚合技术的性能研究［J］．现代电信科技，2009(4):53－56．

［3］黄翠霞，曹亘，张欣，等．LTE－Advanced系统中载波聚合技术性能研究［J］．邮电设计技术，2010(7):11－12．

［4］孙朝，侯瑞峰，朱宇霞．一种载波资源分配方法及装置:中国，201310356537．7［P］．2013－10－15．