LTE－A载波聚合下基本资源调度结构研究

赵国强，彭大芹

(重庆邮电大学新一代宽带移动通信终端研究所，重庆400065)

IMT－Advanced要求可以为低速移动性用户和高速移动性用户分别提供至少1 Gbit/s和100 Mbit/s的峰值数据速率［1］。为了实现该挑战性需求，必须支持比传统3G系统更宽的系统带宽。但不同运营商所获得的频谱资源是不同的，而这些频谱资源可能分布在不同的频段上且具有不同带宽。因此，IMT－Advanced技术必须支持不连续频谱的聚合，当然也需要一种技术将现有这些离散的频谱利用起来，从而引入载波聚合技术(Carrier Aggregation，CA)。CA允许系统将多个资源块同时调度给一个用户服务，从而来提高传输带宽。

在LTE－A系统中可配置2～5个LTE成员载波，并将发起请求的用户分别调度到成员载波上。一个好的载波调度结构，能高效地将请求调度到成员载波上并完成服务，并且不会有太高的系统复杂性。

目前，根据调度器的个数配置、用户调度准则和成员载波协作方式设计出了两种最基本的调度结构:联合载波调度和独立载波调度结构。在目前的研究中，主要是基于这两种基本的调度结构，来改进其中的RB级调度算法，从而达到载波聚合性能的提升。载波聚合中对用户发起资源请求的处理过程，抽象为通信系统模型，即对应于排队系统模型中顾客到达系统请求服务的过程。用户向基站发起数据请求的行为等于排队系统中顾客的请求服务行为，调度器为用户调度系统资源体现了排队系统中服务员对顾客的服务行为。所以，本文使用经典的排队理论对两种基本资源调度方案进行理论分析，分析结果表明，两种基本资源调度方案分别处于复杂度和频谱利用率的极端情况，所以只改进RB级调度算法是很片面的。本文根据理论分析结果，设计出改进的资源调度方案，对复杂度和频谱利用率进行折中，从而从载波调度结构上提升载波聚合的性能。

1 基本调度结构下的系统理论分析

1.1 基本载波调度结构

1.1.1 联合载波调度结构

在联合载波调度结构(Joint Carrier Scheduling，JCS)中，所有的成员载波的请求队列，由一个资源调度器来分配。对每一个用户来说，都是在一个队列中排队，如图1所示。这个共享的调度器，来为服务队列中的请求按照调度算法来分配到各个成员载波上的RB。各个载波之间具有协作关系，共同来完成对队列中请求的服务。

1.1.2 独立载波调度结构

在独立载波调度结构(Independent Carrier Scheduling，ICS)中，每一个成员载波对应一个独立的资源调度器。每一个用户也只能接入其中一个资源调度器，从而使用一个成员载波上的RB，直到本次请求服务结束。如图2所示，与传统的调度结构和JCS相比，首先应进行成员载波的选择，再进行RB级的调度，即多了一层CC级的调度。

图1 联合载波调度结构

CC 级调度［2］分为3种:

1)随机分配(Random Allocation，RA)。将新到达的用户，随机地分配到其中一个成员载波。

2)轮流分配(Alternate Allocation，AA)。如果第i个用户，分配到第j个成员载波上，则第i+1个用户，就分配到第mod(j+1，L)个成员载波上，L为成员载波的总数。

3)最短队列分配(Join the Shortest Queue，JSQ)。根据Ci=argminNl，将用户分配到当前用户数最少的一个成员载波，其中Nl是第l个成员载波上的用户总数。

1.2 基于排队论系统分析基本调度结构

1.2.1 分析 JCS 结构

将JCS结构近似抽象为顾客到达时间间隔和服务时间均为指数分布的单窗口不拒绝系统，即，M|M|1排队系统。设平均到达率为λ，成员载波平均服务率为μ*，共聚合m个成员载波，则系统平均服务率为μ=∑μi=mμ*。对文献［3］中通式进行推论可得:

平均队长为

系统平均时间为

1.2.2 分析 ICS 结构

与JCS结构相对应，将ICS结构近似抽象为顾客到达时间间隔和服务时间均为指数分布的多窗口不拒绝系统，即，M|M|m。为和JCS结构相比较，设平均到达率为λ，成员载波平均服务率为μ*，则系统平均服务率为μ=∑μi=mμ*。系统的用户分配到窗口分别为RA，AA，JSQ，对3种情况分别讨论系统的平均队长和平均等待时间。

1)RA规则下的M|M|m

随机将一个用户分配到其中一个服务窗口，这和传统的M|M|m排队模型是一样的。根据文献［4］对模型的分析，可推论通式:

平均队长

根据列德儿公式，可得系统平均时间为

式中:多窗口不拒绝系统的转移概率p0=+;排队强度ρ为，且不拒绝排队系统，ρ＜1，系统才能稳定运行;n表示拒绝排队长度，假设为不拒绝排队系统，所以n→∞ 。

因此可根据通式算出m=1，2，3，4，5时的平均排队长度和系统平均时间。

当m=1，则排队模型和JCS结构一样，也可根据式(3)算出平均排队长度和系统平均时间，和JCS结构是相同的。

根据式(3)和(4)和条件n→∞ 和ρ＜1分别算出，平均队长和系统平均时间为

2)AA规则下的M|M|m

采用AA规则时，将M|M|n的服务器分为m个Er-lang|M|1的服务系统［2］，且每一个子系统的到达率为λ/m，平均服务率为μ/m。Erlang分布的概率密度函数为:。当m＞2时，Erlang|M|1的服务系统很难得出具体的参数表达式，只能通过一些计算机仿真软件去获得一些近似值。这里给出m=2时，Erlang|M|1排队系统的平均队长和系统平均时间:

平均队长为

系统平均时间为

根据式(7)和(8)可得出配置2个成员载波时，系统的平均队长和系统平均时间:

平均队长为

系统平均时间为

式中:ρ=1/(2μ*)。

3)JSQ规则下的M|M|m

由于对顾客的分配依赖于整个系统的状态，且系统状态是多维变化的，所以精确分析JSQ策略下的M|M|m排队系统是非常困难的。本文根据JSQ原理做一些近似来进行分析。先分析平均队长，假设I=(I1，I2，…，In)表示服务窗口前的排队长度，用M(I)表示I状态下系统最短队列长度。所以可以得到平均等待时间=，平均处理时间，其中，α(I)为和的统计概率，M(I)本质还是依赖整个系统的到达率ρ，所以可将M(I)近似为MI(ρ)，即在到达率ρ下的最短队列。从而，。再根据文献［5］对JSQ分析可得

式中:B(ρ)=+(mρ)m/［m!(1－ρ)］。

由此得出

根据式(12)可算出n=2，3，4特殊值下的平均队长，即

1.3 JCS和ICS调度结构性能比较

通过对上述调度结构的理论分析，使用MATLAB软件绘出各种调度结构下的平均排队长度，以两个成员载波聚合为例，如图3所示。从图容易看出，JCS平均排队长度优于ICS，特别优于ICS－RA。在ICS中，最优为JSQ。且当排队强度ρ比较大时，也就是说当系统中请求服务的用户比较多时，ICS－JSQ是比较接近JCS调度结构的。但在排队强度ρ较小，即请求用户比较少时，ICS和JCS的调度性能是比较接近的。由于JCS整体复杂性比较高，所以考虑在排队强度ρ比较小，即请求用户比较少时，采用ICS－JSQ并带有成员载波协作的调度结构，从而充分利用系统资源;当排队强度ρ比较大，即系统中排队用户比较多时，采用ICS－JSQ无载波协作调度结构，从性能方面比较接近JCS，但能够降低系统整体复杂性。按照这个思路设计ICS－JSQ自适应的调度结构。

图3 JCS和ICS调度结构性能比较

2 ICS－JSQ自适应调度结构

2.1 ICS－JSQ自适应调度结构设计

根据上述对两种载波调度结构的分析，ICS－JSQ从系统性能和整体复杂性来考虑，是比较折中的方案。所以选择ICS－JSQ调度结构设计出自适应的ICS－JSQ调度结构。设计思路主要在对于成员载波状态的判断，是否进行成员载波的协作。根据成员载波上RB的使用情况，可将成员载波分为3种状态:idle，normal和busy。系统中只有两个成员载波是最简单的情况，所以以两个成员载波为例说明，设计如图4所示的调度器结构，协作状态控制如图5所示。

图4 ICS－JSQ自适应调度结构

图5 成员载波协作控制

在初始状态下，各个成员载波独立地进行服务。按照JSQ原则对用户进行CC级的调度，在进行RB级调度的时候，首先去判断当前成员载波的状态，处于idle和normal状态的成员载波去协作busy状态的成员载波，使两个成员载波达到均衡状态。协作规则为:idle状态的成员载波去协作normal和busy状态的成员载波，normal状态的成员载波去协作busy状态的成员载波，去协作其他成员载波的成员载波不能再被其他的成员载波协作，避免出现两个成员载波互相协作的情况出现，但同一成员载波可同时协作其他多个成员载波。当所有成员载波均处于busy状态的时候，则结束成员载波的协作状态，完全使用ICS－JSQ调度结构。

2.2 ICS－JSQ自适应调度结构仿真

根据表1所示，设置仿真参数［6－7］，只以为系统配置两个成员载波为例。根据仿真的结果图6和图7所示，可清晰地发现ICS－JSQ自适应调度结构与JCS联合载波调度结构相比，对吞吐量包延迟的性能影响是非常接近的，但是系统整体复杂度是比较低的。根据仿真结果，ICSJSQ自适应调度结构的系统整体性能很接近JCS联合载波调度结构。

表1 仿真参数设置

图6 吞吐量对比

图7 包延迟对比

3 总结

通过对两种基本载波调度结构JCS和ICS分析，设计出了ICS－JSQ自适应调度结构。在请求用户较少的情况下，能进行载波协作，从而不浪费系统资源，当请求用户较多的情况下，可进行ICS－JSQ调度，在不降低系统性能的情况下，并没有增加系统复杂性。通过系统仿真，整个系统的吞吐量和包延迟情况与JCS性能很接近，但使用的调度结构采用了ICS结构，所以系统整体复杂性很低。所以，ICS－JSQ自适应调度结构优于ICS和JCS的资源调度结构。

［1］ 3GPP TR 36.912，Feasibility study for further advancements for E －UTRA(LTE－Advanced)(Release 9)［S］.2010.

［2］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.

［3］周炯槃.通信网理论基础［M］.北京:人民邮电出版社，2009:27－42.

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