詹 超 ，余建囯

（1．武漢郵電科學(xué)研究院 武漢 430074；2.北方烽火科技有限公司 北京 100085）

1 引言

LTE系統(tǒng)中下行采用基于正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術(shù)的多載波傳輸技術(shù)，這種技術(shù)的采用使得用戶可以將數(shù)據(jù)分散到多個(gè)載波上傳輸，以實(shí)現(xiàn)頻率分集增益，頻率選擇性分配算法的利用使得用戶能根據(jù)信道條件來提高系統(tǒng)吞吐量，但頻選分配需要子信道信息的上報(bào)作為支持，子信道條件信令的及時(shí)上報(bào)需要占用上行資源，所以頻選用戶的數(shù)量受到一定限制。為了在數(shù)目一定的頻選用戶條件下，實(shí)現(xiàn)盡可能高的吞吐量，需要解決兩個(gè)問題：第一個(gè)是如何將最合適的資源分配給頻選用戶；第二個(gè)是如何平衡頻選用戶和非頻選用戶對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)。

首先，現(xiàn)有下行頻選算法是根據(jù)比較用戶在某個(gè)RBG上的信道質(zhì)量指示（channel quality indicator，CQI）或者度量值來確定該RBG資源分配給哪個(gè)用戶，但這種算法是從待分配資源的角度出發(fā)來選擇用戶，并不能確定哪個(gè)子帶資源對(duì)某一個(gè)頻選用戶最適合；此外，現(xiàn)有下行頻域資源分配算法多將頻選資源用戶與非頻選資源用戶區(qū)分分配先后順序，這樣容易造成有些非頻選用戶在某個(gè)子帶上比頻選用戶的度量值要高，但由于頻選用戶優(yōu)先分配而失去該子帶分配權(quán)的現(xiàn)象。

為了解決上述問題，本文提出一種改進(jìn)的頻選與非頻選結(jié)合分配算法，通過仿真比較證實(shí)該算法能提高資源分配效率，并能適當(dāng)提高系統(tǒng)吞吐量。

2 頻域資源分配方式

在LTE系統(tǒng)中，物理層資源分配指示方法限制了所能分配的資源粒度。下行有3種類型的資源位置指示方法，即 Type0、Type1、Type2 LVRB/DVRB。

在Type0的方法中，先對(duì)下行所有的RB資源進(jìn)行分組，以若干個(gè)連續(xù)的 LVRB構(gòu)成組 RBG（resource block group），以RBG為單位進(jìn)行資源指示，分配粒度為RBG。

在Type1的方法中，將下行所有資源以RBG為單位，分為 P個(gè) RBG子集 （RBG subset），在每個(gè) 5集內(nèi)部以LVRB為單位進(jìn)行資源分配，分配粒度為RB。

在Type2的方法中，資源分配可以采用LVRB和DVRB兩種方式，指示消息RIV由“起點(diǎn)RB的位置RBstart”和“邏輯序號(hào)連續(xù)的LVRB/DVRB的長(zhǎng)度LCRBS”共同確定。分配粒度為RB。

由于以上3種分配方式各自的特點(diǎn)，對(duì)于不同的業(yè)務(wù)需要采用不同的分配方式，比如高層信令數(shù)據(jù)量小適合采用Type2，頻選分配適合采用Type0，非頻選可以根據(jù)業(yè)務(wù)量大小而采取Type0或者Type1，在具體資源分配中Type0分配粒度較大適合大顆粒業(yè)務(wù)，Type2分配會(huì)產(chǎn)生PRB碎片，Type1的分配得到的是“梳狀”bitmap，因此頻選分配可以和大業(yè)務(wù)量的非頻選一起進(jìn)行，再用Type0方式進(jìn)行資源分配。

3 RBG資源分配

3.1 現(xiàn)有頻域分配算法

現(xiàn)在普遍應(yīng)用的下行頻域資源分配算法為頻選分配結(jié)合非頻選分配的方法，如參考文獻(xiàn)[1]所示專利——一種頻域資源調(diào)度方法及裝置，具體步驟如下。

（1）在前期時(shí)域調(diào)度階段，根據(jù)吞吐率與寬帶頻譜效率的乘積對(duì)待調(diào)度的動(dòng)態(tài)UE進(jìn)行排序，根據(jù)頻選UE數(shù)量限制，將動(dòng)態(tài)調(diào)度UE隊(duì)列分頻選UE隊(duì)列和非頻選UE隊(duì)列。

（2）首先對(duì)于每個(gè)頻選UE，根據(jù)上報(bào)的各個(gè)子帶CQI的值按照降序建立每個(gè)頻選UE的子帶排序隊(duì)列。然后對(duì)每個(gè)子帶分別建立一個(gè)隊(duì)列，按照各UE在這個(gè)子帶的CQI值的降序進(jìn)行排列。在每個(gè)子帶內(nèi)優(yōu)先為CQI最大的UE分配帶寬，當(dāng)CQI相等時(shí)按邏輯信道優(yōu)先級(jí)順序分配。頻選UE的分配從低序號(hào)的RBG開始，在每個(gè)可用RBG上，擁有最大子帶CQI的UE獲得該RBG的分配權(quán)。執(zhí)行上一過程直到所有頻選UE完成資源分配過程，如果遍歷完RBG隊(duì)列沒有可用資源，則頻選分配過程結(jié)束。

（3）如果進(jìn)行完步驟（2）仍然有剩余可用資源，則繼續(xù)為非頻選UE分配資源，非頻選UE按照時(shí)域調(diào)度度量值大小排序，依次進(jìn)行資源分配，直到所有可用資源分配完。

該算法將頻選分配放在非頻選分配之前進(jìn)行是為了將子信道質(zhì)量最好的RBG分配給UE以提高系統(tǒng)吞吐量，但這樣做并不能保障UE能找到最適合的RBG資源，例如，如果UE1在RBG0和RBG3上的子信道質(zhì)量都是最高的，但由于資源分配從低序號(hào)的RBG開始，UE1將首先獲得RBG0，但如果UE1在RBG0上的子信道質(zhì)量比在RBG3上稍低，而分配完RBG0之后，UE的基本需求已經(jīng)得到滿足，此時(shí)RBG3將留給其他頻選UE，但如果UE1能夠首先獲得RBG3，則該UE就可以在該RBG上傳輸更多的數(shù)據(jù)。由此可見，RBG的選擇可以影響到系統(tǒng)的吞吐量。

由于在時(shí)域調(diào)度中根據(jù)寬帶信道質(zhì)量來區(qū)分頻選UE和非頻選UE，這并不能保障頻選UE在每個(gè)子信道上都擁有比非頻選UE更高的子信道質(zhì)量，將頻選UE放在非頻選UE之后進(jìn)行資源分配顯得不夠公平，這樣也會(huì)影響系統(tǒng)性能。

3.2 改進(jìn)型頻選與非頻選結(jié)合分配算法

針對(duì)以上兩個(gè)缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)型頻選與非頻選結(jié)合分配算法，其具體分配步驟如下。

頻選與非頻選結(jié)合資源分配方法具體可以分為兩個(gè)階段，如圖 1所示，RBG分配準(zhǔn)備階段完成頻選UE在RBG上的排序、非頻選UE的排序、RBG資源的排序。

以上3個(gè)排序處理，需要時(shí)域調(diào)度階段提供調(diào)度度量值的支持，參考文獻(xiàn)[2]和[3]提出了兩種時(shí)域調(diào)度度量值算法，該算法是在原始Max C/I以及PF算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將資源分配過程中影響資源分配優(yōu)先級(jí)的因素如QoS、吞吐量、信道質(zhì)量等量化為調(diào)度度量值，能更加準(zhǔn)確地衡量用戶對(duì)資源的需求力度。

（1）頻選UE在RBG上的排序

該階段用來確定頻選UE在RBG上的資源分配順序。在時(shí)域調(diào)度階段，每個(gè)頻選UE通過多用戶調(diào)度算法計(jì)算出一組調(diào)度度量值（20 Mbit/s帶寬條件下，包含25個(gè)子調(diào)度度量值，對(duì)應(yīng)25個(gè)RBG資源），在每個(gè)RBG上，所有頻選UE按照在該RBG上的子調(diào)度度量值的大小進(jìn)行排序，并將隊(duì)首UE的子調(diào)度度量值作為該RBG的最大頻選UE調(diào)度度量值。

（2）非頻選UE的排序

該階段用來確定非頻選UE的資源分配順序。在時(shí)域調(diào)度階段，每個(gè)非頻選UE通過多用戶調(diào)度算法計(jì)算出一個(gè)調(diào)度度量值，在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)，所有非頻選UE按照其調(diào)度度量值大小進(jìn)行排序，并將隊(duì)首UE的調(diào)度度量值作為最大非頻選調(diào)度度量值。

（2）RBG資源的排序

該階段用來確定RBG資源的分配順序。所有RBG按照該RBG上最大頻選UE調(diào)度度量值大小進(jìn)行排序。

RBG資源分配階段，其具體實(shí)現(xiàn)過程如圖 2所示。

該階段的核心思想是遍歷經(jīng)過排序的RBG隊(duì)列，對(duì)某個(gè)RBG采用分配給頻選UE還是非頻選UE進(jìn)行判斷，比較某RBG上的當(dāng)前最大頻選UE度量值和當(dāng)前最大非頻選UE度量值，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的資源分配。具體過程如下。

（1）從RBG隊(duì)列隊(duì)首開始進(jìn)行RBG資源分配，如果該RBG在之前的重傳UE、半靜態(tài)UE的資源分配中未被占用，則對(duì)該RBG進(jìn)行資源分配判斷，如果該RBG在之前被占用則對(duì)下一個(gè)RBG進(jìn)行資源分配。

（2）比較該RBG上的當(dāng)前最大頻選UE調(diào)度度量值和當(dāng)前最大非頻選UE調(diào)度度量值，如果當(dāng)前最大頻選UE調(diào)度度量值大，則頻選UE爭(zhēng)取該RBG資源，在該RBG上擁有最大調(diào)度度量值且有資源需求的頻選UE獲得該RBG資源。如果當(dāng)前最大非頻選UE調(diào)度度量值大，則非頻選UE爭(zhēng)取該RBG資源，擁有最大調(diào)度度量值且有資源需求的非頻選UE獲得該RBG資源。

如果在某個(gè)RBG分配過程中，隊(duì)首的頻選UE在以前的分配中已經(jīng)獲得足夠資源，則排在第二位的UE在該RBG上的調(diào)度度量值作為該RBG當(dāng)前最大頻選UE調(diào)度度量值。

如果在某個(gè)RBG分配過程中，隊(duì)首的非頻選UE在以前的分配中已經(jīng)獲得足夠資源，則排在第二位的UE的調(diào)度度量值作為當(dāng)前最大非頻選UE調(diào)度度量值。

UE分配到RBG資源后，更新UE級(jí)參數(shù)requiredRBsForGBR、requiredRBsForAll，在 20 Mbit/s帶寬條件下，兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行減4處理。

判斷是否有剩余可用資源并且是否有UE需求資源，如果條件成立則對(duì)下一個(gè)可用RBG進(jìn)行以上過程，如果條件不成立則RBG分配階段結(jié)束。

由于UE進(jìn)行資源分配時(shí)會(huì)考慮保障分配RB數(shù)目和最大分配RB數(shù)目。為了保障UE的保障比特率（guaranteed bit rate，GBR）類業(yè)務(wù)能優(yōu)先分配到資源，所以在頻選UE或者非頻選UE爭(zhēng)取RBG資源時(shí)做如圖3所示處理。

該處理過程是為了提高擁有GBR類業(yè)務(wù)UE的優(yōu)先級(jí)，使得擁有GBR類業(yè)務(wù)的UE優(yōu)先于沒有GBR類業(yè)務(wù)的UE獲得RBG資源。具體處理過程為：當(dāng)確定頻選UE或者非頻選UE獲得某個(gè)RBG分配權(quán)時(shí)，根據(jù)requiredRBsForGBR、requiredRBsForAll兩個(gè)參數(shù)對(duì)調(diào)度度量值進(jìn)行臨時(shí)處理，即如果某UE的requiredRBsForGBR大于0時(shí)，對(duì)頻選UE而言，將UE在該RBG上的調(diào)度度量值乘以1 000，對(duì)于非頻選UE而言，將UE的調(diào)度度量值乘以1 000，如果該UE的requiredRBsForGBR小于等于0，但requiredRBsForAll大于0，對(duì)于頻選UE而言，保持UE在該RBG上的調(diào)度度量值不變，對(duì)于非頻選UE而言，保持UE的調(diào)度度量值不變；如果該UE的requiredRBsForGBR≤0并且requiredRBsForAll≤0，對(duì)于頻選UE而言，UE在該RBG上的調(diào)度度量值賦值為-1，對(duì)于非頻選UE而言，UE的調(diào)度度量值賦值為-1。

經(jīng)過以上處理，頻選UE在競(jìng)爭(zhēng)某個(gè)RBG時(shí)，有requiredRBsForGBR>0需求的UE將會(huì)排在requiredRBsForAll>0的UE之前，這樣處理能使資源分配時(shí)優(yōu)先照顧有GBR類業(yè)務(wù)的UE，使得資源分配過程在具有高效性的同時(shí)保障分配的公平性。

4 仿真設(shè)置和結(jié)果

將改進(jìn)型頻選與非頻選結(jié)合分配算法和現(xiàn)有算法在7小區(qū)TD-LTE系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真對(duì)比，基本參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 系統(tǒng)級(jí)仿真參數(shù)設(shè)置

本文采用infinitebuffer及CBR作為傳輸業(yè)務(wù)類型，每個(gè)小區(qū)頻選UE和非頻選UE的比例設(shè)定為1∶1，從系統(tǒng)吞吐量的角度考量?jī)煞N頻域算法的性能。

如圖4所示，在實(shí)用性Max C/I算法下，由于頻域分配采用頻選算法將質(zhì)量好的子信道優(yōu)先用于頻選用戶，隨著用戶數(shù)量的增加，整體吞吐量也隨之增加，但由于頻選UE始終在非頻選UE之前進(jìn)行資源分配，所以在系統(tǒng)吞吐量上的增長(zhǎng)幅度有限，改進(jìn)后的頻域算法根據(jù)最大頻選度量值對(duì)RBG排序，決定RBG的分配順序，同時(shí)比較頻選UE隊(duì)列在該RBG上的最大度量值以及非頻選UE的最大度量值來決定哪種UE獲得RBG的分配權(quán)，從圖4中可以看出，隨著UE數(shù)目的變化，系統(tǒng)吞吐量的增長(zhǎng)幅度更大，可以有效地提高整體系統(tǒng)吞吐量5%左右。

如圖5所示，PF算法相對(duì)于Max C/I算法是用系統(tǒng)吞吐量的減少適當(dāng)換取公平性增益，仿真中采用的改進(jìn)型PF算法，將子帶頻譜效率加入調(diào)度度量值的計(jì)算中，使得所得到的度量值適合進(jìn)行頻選資源分配，從圖5中可以看出隨著UE數(shù)目的增加，改進(jìn)后的頻域算法吞吐量的減小幅度比現(xiàn)有頻域算法小，相比現(xiàn)有頻域算法，在固定數(shù)目的UE條件下，能保證6%～10%的吞吐量增益。

在兩種時(shí)域調(diào)度算法下，從仿真結(jié)果可以看出改進(jìn)的頻域算法對(duì)系統(tǒng)吞吐量有一定提升，這種提升效應(yīng)在配置UE采用多種不同的業(yè)務(wù)的實(shí)際條件下會(huì)更加明顯。

5 結(jié)束語

本文提出了一種改進(jìn)的下行頻域資源分配算法，該方法在現(xiàn)有算法基礎(chǔ)上根據(jù)在RBG上的最大頻選UE調(diào)度度量值進(jìn)行RBG排序，頻選分配以及非頻選分配統(tǒng)一起來進(jìn)行處理，比較RBG上最大頻選UE調(diào)度度量值和非頻選UE調(diào)度度量值大小，由此來決定RBG是進(jìn)行頻選分配還是非頻選分配，需要強(qiáng)調(diào)的是改進(jìn)的下行頻域資源分配算法中，頻選分配不是采用子帶上報(bào)的CQI進(jìn)行頻選排序，而是根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]和[3]所提出的兩種時(shí)域調(diào)度算法進(jìn)行相關(guān)排序，綜合考慮用戶業(yè)務(wù)QoS要求與頻譜效率兩個(gè)因素，使得資源的分配更加合理公平。從系統(tǒng)仿真可知，在兩種時(shí)域調(diào)度算法下，改進(jìn)的頻域資源分配算法對(duì)系統(tǒng)吞吐量有一定的提升。

1 于涵，徐俊東，朱宇霞等.一種頻域資源調(diào)度方法及裝置.中國(guó)：201010515675.1，2010

2 詹超，姜韜，王謳等.一種LTE系統(tǒng)中實(shí)用型最大載干比調(diào)度度量值計(jì)算方法及裝置.中國(guó)：201210236764.1，2012

3 詹超，姜韜，王謳等.一種LTE系統(tǒng)中實(shí)用型比例公平調(diào)度度量值計(jì)算方法及裝置.中國(guó)：201210237232.X，2012

4 張新程，田韜，周曉津.LTE空中接口技術(shù)與性能.北京：人民郵電出版社，2009

5 沈嘉，索世強(qiáng)，全海洋.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：人民郵電出版社，2008

6 3GPP TS 36.213 v9.1.0.3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group Radio Access Network，Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)，Physical Layer Procedures(Release 9)，2010