基于QoS保障的LTE上行分組調度算法

　　摘要：有效分配有限的無線資源以提高系統的吞吐量，同時滿足不同業務的服務質量(QoS)需求是LTE通信系統的關鍵技術之一。結合比例公平算法(PF)和用戶滿意度的公平算法(USGF)提出了一種基于速率需求滿足程度矩陣的分組調度算法，根據速率需求滿足程度矩陣改變判決因素以獲取更高的吞吐量。仿真結果表明，該算法能在不降低用戶滿意度的條件下提高系統的吞吐量。

　　引言

　　為適應移動通信技術的快速發展，第三代合作伙伴計劃(3GPP)啟動了長期演進(Long Term Evolution，LTE)系統方案。LTE系統采用正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)技術和多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術，可以在時域、頻域和碼域上靈活地進行無線資源管理。無線資源管理是LTE的關鍵技術之一，它的主要功能是通過分組調度算法來確保用戶的QoS和用戶間的公平性并最大化系統的吞吐量。PF算法是最大載干比調度(Max C/I)和輪詢調度(RR)的折中，它兼顧了用戶的公平性和系統的吞吐量，但并沒有考慮到QoS的速率需求。文獻提出的USGF算法考慮了QoS的速率需求，提高了整個系統的用戶滿意程度，但當調度過程中所有用戶都能滿足QoS速率需求且有無線資源富余時，并沒有最大化系統的吞吐量。

　　為此，這里結合PF算法和USGF算法，引入用戶滿意度反饋提出一種判決因素可變的調度算法(Factor Changing Scheduling Algorithm，FCS)，并在系統吞吐量、用戶平均滿意度和不同QoS速率需求業務之間的公平性等方面進行仿真和結果分析。

　　系統模型

　　考慮一個多小區的TDD LTE系統，每個小區有三個扇區且小區半徑相同，基站位于小區的中心位置，采用兩發兩收天線。每個扇區有N個用戶和M個物理資源(Physical Resource Block，PRB)，用戶K的QoS速率需求為Vk，每個PRB占用BkHz的帶寬和L個子載波。系統使用自適應調制編碼(Adaptive Modulation And Coding，AMC)技術，根據信道的瞬時狀態采用QPSK、16QAM、64QAM三種不同的調制編碼方案(Modulation And Coding Scheme，MCS)。采用動態系統仿真(Dynamic System Simulation，DSS)，為了考察用戶間的公平性，假定用戶初始位置隨機分配且有一部分用戶長時間處于信道狀況極度不好的狀態。調度算法每個傳輸間隔(Transmission Time Interval，TTI)執行一次，信道反饋延時d個TTI。

　　算法描述

　　定義矩陣單位階躍函數(P)， P是一個一維矩陣，M₁為矩陣長度，則有：
         

　　PF算法

　　PF算法一方面充分利用用戶信道的時變性，另一方面較好地保證了系統多用戶分集與公平性間的平衡。用戶K在物理資源塊m上的優先級為：
       
　　式中為時間片t內用戶k在物理資源塊m上所支持的最大數據速率;為用戶k當前獲得的平均速率，每次調度后更新。計算公式為：