［張波 吳堅 魏國慶 王富強 程剛］

1 引言

LTE 是由3GPP 組織制定的通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)標準的長期演進，由中國主導的TD-LTE 技術(shù)，具有較低的傳輸時延、較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，滿足多種場景下的應用[1]。隨著4G基站的普及，TD-LTE 技術(shù)發(fā)展也在逐漸完善。在5G 技術(shù)全方位普及之前，4G 技術(shù)仍然是最高效的通信解決方案。

TD-LTE上行資源分配，在上行調(diào)度器實現(xiàn)。上行調(diào)度器位于基站（eNB）側(cè)，在每個上行調(diào)度時隙，基站根據(jù)終端用戶（UE）需求將上行物理資源分配給每一個用戶[2～3]。TD-LTE上行通過SC-FDMA 技術(shù)作為上行鏈路的多址接入方案，有效降低了UE 的峰均比，同時也給上行調(diào)度提出了新的要求。由于SC-FDMA 的單載波特性，在上行鏈路中同一時刻分配給某個用戶的RB 必須是連續(xù)的，導致下行鏈路的經(jīng)典調(diào)度算法不能直接應用于上行鏈路中[4]。如何在連續(xù)資源分配的約束條件下，將有限的資源合理地分配給每一個用戶，提高上行鏈路性能，是TD-LTE的重要研究方向之一。

其中，第一極值擴張法（First Maximum Expansion，F(xiàn)ME）和遞歸最大值擴張法（Recursive Maximum Expansion，RME）[5～6]，利用信道的頻域相關(guān)性，進行資源分配，但是在信道出現(xiàn)小尺度衰落的時候，相鄰的RB 之間信道質(zhì)量差異較大，引起資源分配效率較低；文獻[7]，提出了多極值擴張法（Multi-Maximum Expansion，MME），在待分配的用戶矩陣中搜索多個CQI 極值，擴展后得到多個連續(xù)RB 序列，選擇承載速率最大的連續(xù)序列，該算法以最低受限的MCS 進行資源速率分配，缺點是頻譜效率不高。針對以上問題，本文設(shè)計一種最佳資源塊極值擴張（Optimal Maximum Expansion，OME）的上行資源分配算法，通過擴張速率因子為條件，進行資源擴張，提高上行資源的利用效率。

2 調(diào)度準則

2.1 調(diào)度評價

TD-LTE 的上行資源調(diào)度，解決如何將M 個RB 分配給N 個用戶，才能得到較高調(diào)度效率的問題。目前主要從吞吐量和公平性兩個方面來對調(diào)度算法進行性能分析[8]。

（1）吞吐量

系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量是指在單位時間內(nèi)通信系統(tǒng)的源節(jié)點到目的節(jié)點傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)量，表達式為：

（2）公平性

用戶公平性反映了一個系統(tǒng)內(nèi)用戶獲得調(diào)度機會的概率，每個用戶都希望最大的獲取調(diào)度機會。

2.2 上行承載速率計算

假定在調(diào)度時刻t，用戶i共分配了N個RB，則用戶i的承載速率為：

其中N 為用戶i 分配的RB 個數(shù)，RE 為一個RB 的子載波個數(shù)：

表1 MCS-SINR-映射表

表1 MCS-SINR-映射表

上行鏈路的信噪比根據(jù)在上行鏈路探測信號中獲取，每個子載波對應的信噪比[10]：

其中M為用戶i分配的子載波總數(shù)量，起始子載波位置為m。

轉(zhuǎn)換為dB 為單位：

3 上行資源分配算法設(shè)計與分析

3.1 資源分配問題分析

第一極值擴張法（First Maximum Expansion，F(xiàn)ME）通過查找SNR[UEi－RBj]中信噪比第一極值用戶，分別向左右擴張；遞歸最大值擴張法（Recursive Maximum Expansion，RME）通過查找SNR[UEi－RBj]中信噪比極值用戶，同時向左右擴張；上述兩種算法，在信道頻域相關(guān)性不好的時候，會出現(xiàn)資源分配不合理，且在擴張時候沒有考慮分配多個RB 后的系統(tǒng)等效傳輸速率。

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3.2 最佳資源塊擴張算法

為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，本文定義了擴張速率因子，根據(jù)擴張速率因子的大小進行資源分配，將用戶分配到最佳的頻域資源塊，擴張速率因子v：

最佳資源塊擴張（Optimal Maximum Expansion，OME）的上行資源分配算法的核心思想是將用戶分配到最佳的資源塊中，以擴張速率為條件，進行資源擴張，提高了系統(tǒng)吞吐量的同時兼顧公平性，算法具體步驟如下：

步驟1：在SNR[UEi－RBj]矩陣中搜索未分配用戶的最大值UEi－RBj，并記錄UEi；

步驟2：搜索UEi的最佳RB 組，記錄為{RB1、RB2..RBn}，RB 組中對應的值均為在相應RBj列中UEi的信噪比最大，并記錄每個RB 組的極大值，通過公式（8）計算每組傳輸容量，記錄每組對應的速率；

步驟3：在UEi的RB 組中，從當前組內(nèi)極大值的位置在組內(nèi)左右擴張，同時更新每次擴張后的，擴張需滿足以下兩個條件：

（1）擴張速率v 為正數(shù)；

（2）如果條件（1）未滿足，但是該方向組內(nèi)還有剩余RB，下一個RB 加入后，擴張速率v 為正數(shù)。

步驟6：若所有用戶全部預分配完成，且還有RB 資源剩余，則按照RME 算法中RB 擴張方案進行擴展，同時增加擴張有效速率遞增的判斷條件，對每個擴張的用戶，如果擴張后的速率大于當前速率，則進行擴展，否則停止擴展。

步驟7：將預分配的RB 資源分配給對應的用戶。

假如系統(tǒng)有9 個可調(diào)度資源，3 個需要調(diào)度的用戶，分別采用FME、RME、OME 的資源分配情況如表2 所示。

表2 資源分配對比表

按照的OME 算法，由步驟一確定UE3－RB2為矩陣中最大值；步驟二得到UE3為極值的RB 組為{RB2，（RB5－RB6）}；根據(jù)RB 組有效傳輸載荷大小，在步驟三和四，將RB5－RB6預分配給UE3；因為還存在兩個用戶沒有分配，在步驟五的時候，重復進行步驟一至四操作，最終UE2分配為RB2－RB4，UE1分配為RB7－RB9，受TDLTE上行連續(xù)分配的要求，RB1只能分配到UE2，但是將RB1分配到后UE2，擴張速率因子為的負456，故RB1不分配。

由于OME在擴張的時候，根據(jù)擴張速率因子，進行資源擴張，每個用戶都可以達到較好的信道傳輸能力，通過表2 以看出，OME 的吞吐量和公平性都優(yōu)于RME 和FME 算法。

3.3 仿真與結(jié)果分析

本文對FME 算法、RME 算法、OME 算法進行了仿真，仿真參數(shù)如表3 所示。

表3 仿真參數(shù)

圖1 給出了分別采用3 種算法獲得的小區(qū)平均吞吐量。RME 算法的頻譜效率要高于FME 算法，隨著用戶數(shù)的增加，RME 算法性能越要優(yōu)于FME 算法，在用戶數(shù)為30 的時候，吞吐量高了約8%。OME 算法性能由于在資源擴張的時候，將實際可分配的有效速率為附加判決條件，系統(tǒng)的吞吐量最優(yōu)，用戶數(shù)為10 的時候，較RME 算法約提高了5.8%，隨著用戶數(shù)的增加，小尺度衰落對系統(tǒng)帶來的影響相對減少，OME 算法的優(yōu)勢逐漸較小。

圖1 算法吞吐量對比

圖2 給是3 種算法的公平性。RME 算法的公平性由于FME，隨著用戶數(shù)的增加，優(yōu)勢逐漸加大。OME 算法由于在預分配階段，將用戶分配在最優(yōu)的極值序列組，公平性也有明顯提升，用戶數(shù)為10 的時候，較RME 算法約提高了12%，隨著用戶數(shù)的增加，單個用戶出現(xiàn)RB 極值序列長度較小，OME 算法的優(yōu)勢逐漸較小。

圖2 算法公平性對比

4 結(jié)論

本文研究了TD-LTE 系統(tǒng)上行鏈路的頻域資源分配算法，針對傳統(tǒng)的RME、FME 算法容易受到小尺度衰落影響，導致分配不合理的問題。本文以擴張速率因子為基礎(chǔ)，設(shè)計了根據(jù)預分配資源塊有效速率極值進行資源擴張的OME 算法，將用戶分配到最佳的頻域資源塊上，提高了系統(tǒng)傳輸效率同時兼顧了系統(tǒng)公平性，在RB 個數(shù)25用戶數(shù)為10 情況下相對RME 算法吞吐量較約提高了5.8%公平性提高12%，隨著用戶數(shù)的增加，每個用戶可以分配的平均RB 減少，OME 算法的優(yōu)勢逐漸較小，適用于接入用戶數(shù)不多的專網(wǎng)小基站。