基于QoS保障的LTE上行分组调度算法

　　摘要：有效分配有限的无线资源以提高系统的吞吐量，同时满足不同业务的服务质量(QoS)需求是LTE通信系统的关键技术之一。结合比例公平算法(PF)和用户满意度的公平算法(USGF)提出了一种基于速率需求满足程度矩阵的分组调度算法，根据速率需求满足程度矩阵改变判决因素以获取更高的吞吐量。仿真结果表明，该算法能在不降低用户满意度的条件下提高系统的吞吐量。

　　引言

　　为适应移动通信技术的快速发展，第三代合作伙伴计划(3GPP)启动了长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统方案。LTE系统采用正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)技术和多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术，可以在时域、频域和码域上灵活地进行无线资源管理。无线资源管理是LTE的关键技术之一，它的主要功能是通过分组调度算法来确保用户的QoS和用户间的公平性并最大化系统的吞吐量。PF算法是最大载干比调度(Max C/I)和轮询调度(RR)的折中，它兼顾了用户的公平性和系统的吞吐量，但并没有考虑到QoS的速率需求。文献提出的USGF算法考虑了QoS的速率需求，提高了整个系统的用户满意程度，但当调度过程中所有用户都能满足QoS速率需求且有无线资源富余时，并没有最大化系统的吞吐量。

　　为此，这里结合PF算法和USGF算法，引入用户满意度反馈提出一种判决因素可变的调度算法(Factor Changing Scheduling Algorithm，FCS)，并在系统吞吐量、用户平均满意度和不同QoS速率需求业务之间的公平性等方面进行仿真和结果分析。

　　系统模型

　　考虑一个多小区的TDD LTE系统，每个小区有三个扇区且小区半径相同，基站位于小区的中心位置，采用两发两收天线。每个扇区有N个用户和M个物理资源(Physical Resource Block，PRB)，用户K的QoS速率需求为Vk，每个PRB占用BkHz的带宽和L个子载波。系统使用自适应调制编码(Adaptive Modulation And Coding，AMC)技术，根据信道的瞬时状态采用QPSK、16QAM、64QAM三种不同的调制编码方案(Modulation And Coding Scheme，MCS)。采用动态系统仿真(Dynamic System Simulation，DSS)，为了考察用户间的公平性，假定用户初始位置随机分配且有一部分用户长时间处于信道状况极度不好的状态。调度算法每个传输间隔(Transmission Time Interval，TTI)执行一次，信道反馈延时d个TTI。

　　算法描述

　　定义矩阵单位阶跃函数(P)， P是一个一维矩阵，M₁为矩阵长度，则有：
         

　　PF算法

　　PF算法一方面充分利用用户信道的时变性，另一方面较好地保证了系统多用户分集与公平性间的平衡。用户K在物理资源块m上的优先级为：
       
　　式中为时间片t内用户k在物理资源块m上所支持的最大数据速率;为用户k当前获得的平均速率，每次调度后更新。计算公式为：