2010年9月第15卷第5期西 安 邮 电 学 院 学 报JO U RNAL OF XI A N U N IV ERSIT Y OF POST S A ND T EL ECOM M U NI CAT ION S Sept.2010Vol 15N o 5收稿日期:2010-03-13作者简介:亓 飞(1985-),男,山东莱芜人,西安邮电学院通信与信息工程学院硕士研究生;卢光跃(1971-),男,河南南阳人,西安邮电学院通信与信息工程学院教授,博士,博士生导师。
LT E 上行资源比例公平调度算法研究亓 飞,卢光跃(西安邮电学院通信与信息工程学院,陕西西安 710121)摘要:3G PP 采用SC FDM A(Single carrier F DMA )作为长期演进(Long T erm Evolution,LT E)上行多址接入技术,SC FDM A 要求在同一时隙内分配给任一用户的所有资源块(Resource Blo ck,RB)必须是连续的,因此L T E 下行中常用的比例公平(Proportional Fair,PF)算法不能直接用到SC FDM A 中。
为在LT E 上行链路中使用PF 算法,必须对已有算法进行改进,以满足这种连续RB 分配限制。
本文论述并分析了LT E 上行链路中几种PF 算法,针对这几种算法的优缺点提出了一种PF 算法,并与之前论述的算法进行比较分析。
通过仿真,从系统吞吐量和公平性两方面完成算法的性能比较,并验证了理论分析结果。
关键词:SC F DMA ;比例公平;连续RB 分配限制中图分类号:T N 91 4.51 文献标识码:A 文章编号:1007-3264(2010)05-0009-050 引言作为LTE 下行多址技术(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)具有频谱效率高、抗多径衰落、带宽扩展性强等优点,但输出信号是多个子信道信号的叠加,导致OFDM 符号具有很高的峰均比(PAPR)。
由于终端成本和功率限制,高PA PR 使得OFDMA 不易于在上行链路实现。
SC FD MA 具有低PAPR 的特点,并兼有OFDMA 的诸多优点,因此3GPP 采用SC FDM A 作为LTE 的上行多址技术方案。
目前关于多载波系统的资源分配工作,很多是针对OFDMA 系统的[1 3],基于用户的信道情况,通过频域分组调度(Frequency Dom ain Packet Schedul ing,FDPS),将系统带宽内的不同频带分配给不同的用户。
大多数下行FDPS 采用PF 算法,即采用PF 算法作为调度准则,独立地对每一个RB 分别进行调度。
然而,由于SC FDMA 要求在同一时隙内分配给任一用户的所有RB 必须是连续的,因此上述针对OFDMA 系统的算法不能直接应用于LTE上行链路。
另外,文献[4,5]中提出的针对SC FDMA 的FDPS 算法也没有考虑这一限制。
LTE 上行FDPS 必须遵循 连续RB 分配!原则,基于此原则,本文论述了几种改进PF 算法,理论上比较分析了算法的优缺点,并通过仿真,从系统容量和公平性角度对算法性能进行了验证。
1 系统模型1.1 调度原理分布在不同的空域位置上的不同用户,有不同的信道传输函数(信道增益和子载波频率的关系)。
就一个用户而言,在不同频率子载波上的增益不同;就多个用户而言,不同用户的信道间是不相关或弱相关的。
因此,对一个用户而言是处于深衰落的那些子载波,对其他用户可能是质量较好的频率资源。
另外,当用户移动时,信道函数会随时间变化。
因此,在基站端需要有一个调度器来周期性地检测用户信道质量,并按照调度算法不断更新资源分配方案,再将其以控制流方式发送给终端,以获得频率选择增益和多用户分集增益。
调度原理如图1。
图1 SC FDM A系统调度原理(小区活动用户数为n) 1.2 具体模型考虑一个小区内的情况,SC FDMA系统上行带宽被分为m个RB,小区内活动用户数为n。
每一个时隙,所有RB都会被分配,且每一RB至多分给一个用户。
定义R i为用户i的长期平均服务速率(long term service rate),PF算法的目的是max∀i log R i(1)(1)式被称为比例公平准则(Proportional Fair Criteria)。
定义x i c(t)来标记RB c(第c个RB)在t时隙是否分配给了用户i,r i c(t)表示t时隙用户i在RB c上可以获得的速率,此速率根据调度器得到的用户信道质量信息估计得出。
如此,若x i c(t)=1,则在t时隙,RB c分配给用户i(否则x i c(t)=0)。
R i(t)是用户i截止到t时隙的平均速率,d i(t)是在t时隙时用户i在所有分配RB上的速率之和,即d i(t)=∀c x c i(t)r c i(t)(2)为达到目的(1),即要满足(3)式[6-8]:max∀i d i(t)/R i(t)=max∀i ∀cx c i(t)r c i(t)/R i(t)=max∀i∀c x c i(t) c i(t)(3)其中 c i(t)=r c i(t)/R i(t)为时隙t用户i在R上的PF度量值可见,每一时隙内,PF算法总是优先调度具有大d i(t)/R i(t)的用户。
因此,为达到目的(1),在进行FDPS时,系统需要调度具有大PF度量值的用户。
在SC FDMA系统中,FDPS还要遵循连续RB!分配的限制。
2 调度算法论述分析3种FDPS算法(Alg1~Alg3),然后根据Alg2和Alg3的不足提出了一种改进算法(Alg4),这4种算法都符合:1)遵循连续RB分配!原则;2)目标为(3)式。
最后,为了对比效果,给出作为理论上限的无连续RB分配!限制的算法(Alg5)。
2.1 算法1(Alg1)Alg1按RB的序号从RB1到RBm顺次进行调度,针对每一RB,将其分配给符合连续RB分配!条件并在该RB上具有最大PF度量值的用户。
Alg1算法复杂度低,但由于RB顺次分配,而不是优先分配具有最高PF度量值的RB,导致用户可能没有机会分配到该用户具有最高PF度量值的RB。
Alg1:1:U是小区活动用户的集合2:A[c]用来存贮RB的分配信息3:for(RB序号)c=1:m do选择具有最大PF度量值 c i的用i(i#U), I i是分配RBc之前已分配给用户i的RB集合;分配RBc给用户i,A[c]=iif I i= 且c∃1U=U-{A[c-1]}end ifend for2.2 算法2(Alg2)为了克服Alg1的缺点,Alg2优先调度具有最大PF度量值的RB。
RB连续分配是本算法要考虑的重点。
若用户i(其已分配的RB集合记为I i)在待分配RBc上具有最高的PF度量值(I i与c之间的RB称为中间RB!),若中间RB!都还没有被分配,则c与中间RB!一并分给用户i,若有中间RB!已被分配,则根据PF度量值重新寻找待分配RB。
相比Alg1,Alg2中用户更有可能分配到具有大PF度量值的RB,但代价是将所有中间RB!都要随之分配,而且中间RB!长度是随机的,因此有必要对中间RB!的处理作改进。
2.3 算法3(Alg3)鉴于Alg2的缺点,Alg3意在尽可能利用用户具有高PF度量值的那些RB。
在某一时隙t, c i(t) =r c i(t)/R i(t),对于用户i,R i(t)是针对所有RB 的常数,而r c i(t)是针对某一RB c的,对于该用户,各个RB上的PF度量值的主导因素是r c i(t),其由用户i在RB c上的信道质量直接决定。
%10%西 安 邮 电 学 院 学 报 2010年9月Alg21:V 是降序排列的PF 度量值集合2:S 是尚未分配的RB 集合3:k =14:w hile S ∃ do选择具有第k 大PF 度量值 ci 的RBcci #V ,c #Sif I i 与c 之间的所有RB (C &)都未被分配C &=C &∋{c};I i =I i ∋C &S =S -C &;V =V - C &i ;k =1else k =k +1end if end w hile Alg31:V 是降序排列的PF 度量值集合2:S 是尚未分配的RB 集合3:k =14:w hile S ∃ do选择具有第k 大PF 度量值 ci 的RB c c i #V ,c #Sif(RB c 与I i 相邻)or(I i = )把RB c 分配给用户i;I i =I i ∋{c}S =S -{c};V =V -{ c i };k =1else k =k +1end ifend w hile由于多载波系统中,信道具有频率相关性,如果用户i 在RB c 上信道质量好,那么该用户在相邻RB(c -1,c +1)上信道质量也好,进而具有较高PF 度量值的可能性很大。
基于此,Alg3对于Alg2的改进是:在待分配RBc 上用户i 有最高PF 度量值且RB c 与I (用户i 已经分配的RB 集合)相邻时才分配给用户i 。
Alg 3更好地利用了用户信道质量好的部分,比Alg 1和Alg 2更充分利用了多用户频率分集,论上应该有更好的性能,性,因此在信道相关性差的场景下,况时性能会下降。
2.4 算法4(Alg4)针对Alg3量波动影响明显的缺点,Alg4对 中间RB !方法做出改进。
定义G =[m /n ],其中[]作用为取接近的整数。
待分配资源为RB c,候选用户i 的已分配RB集合为I i ,若c >max (I i ),则gap=c -max(I i ),否则gap=min(I i )-c 。
本算法当g ap (G 且 中间RB !都为被分配时才将RB c 与 中间RB !一起分配给用户i 。
Alg 4:1:V 是降序排列的PF 度量值集合2:S 是尚未分配的RB 集合3:k =14:w hile S ∃ do选择具有第k 大PF 度量值 ci 的RBcci #V,c #Sif gap (G 且I i 与c 之间的所有RB(C &)都未被分配C &=C &∋{c};I i =I i ∋C &S =S -C &;V =V - C &i ;k =1else k =k +1end if end w hile与Alg3每次只分配一个RB 不同,Alg4与Alg2类似,每次可以分配一组RB,这样就降低了信道质量小尺度波动在少用户情况下对Alg3性能的影响。
同时,由于加入了gap 和G 的限制,与Alg2相比,Alg4降低了对 中间RB !分配的随意性,更有效地利用了RB 。