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TD-LTE系统中基于系统吞吐量和业务QoS
的上行调度算法研究
1,221**
王丽萍,李希洋,李庆
5(,武汉430070;
,北京100190)
摘要:在TD-LTE系统中,上行调度模块主要负责有效的为各个终端用户分配有限的时频资
源,上行调度算法的好坏直接影响系统上行链路的传输性能。在上行链路传输过程中采用具
有较低的峰均功率比(PAPR)的单载波频分复用技术(SC-FDMA),该技术要求上行调度
10模块分配给同一终端用户的资源块在频域上必须是连续的;在资源分配时同时要考虑每个终
端用户的上行信道质量情况;另一方面,鉴于LTE系统能够提供端到端的服务,在上行调
度决策时就要满足不同业务的Qos要求。目前LTE业界主要参考的上行调度算法有最大载
干比算法(MACC/I)、轮循算法(RR)、比例公平算法(PF),但这些算法只关注了系统的
吞吐量和终端用户间公平性,没有全面考虑以上上行调度的关键因素。基于此,本文主要研
15究一种综合考虑并能优化系统性能的上行调度算法,实验证明该算法能够提升系统的吞吐量
并保证业务服务质量。
关键词:TD-LTE;上行调度;QoS
中图分类号:
20Researchonuplinkschedulingalgorithmbasedonsystem
throughputandQoSofserviceinTD-LTEsystem
1,221
WangLiping,LiXiyang,LiQing
(,WuhanUniversityofTechnology,WuHan430070;
,Beijing100190)
25Abstract:IntheTD-LTEsystem,uplinkschedulingmoduleismainlyresponsibleforefficiently
allocatingthelimitedtime-frequencyradioresourcesamongdifferentUEs,theuplinkscheduling
-carrier
frequencydivisionmultipleaccess(SC-FDMA)hasbeenselectedastheuplinkaccessschemein
theLongTermEvolution(LTE)duetoitslowpeak-to-
30resourcesassignedtothesameUEmustbecontiguousinthefrequencydomain,andthechannel
-to-endqualityof
service(QoS),
uplinkschedulingalgorithmarethemaximumcarrier-to-interferenceratioalgorithm(MaxC/I),
roundrobinalgorithm(RR),theproportionalfairalgorithm(PF),butthesealgorithmsonlyfocus
35onthesystemthroughputandfairness,withoutconsideringthekeyfactorsofuplinkscheduling.
Inthispaperweproposedauplinkschedulingalgorithmwhichissyntheticallyconsideredandcan
optimizetheperformanceofthesystem,simultaionresultsshowthatthealgorithmcanimprove
thesystemthroughputandguaranteethequalityofservice.
Keywords:TD-LTE;UplinkScheduling;QoS
40
0引言
为了满足移动通信多媒体应用对服务质量(QoS)以及带宽的需求,国际组织3GPP(the
ThirdGenerationPartnershipProject)推出被看作是准4G技术的LTE(LongTermEvolution)
[1]。与传统无线通信技术相比,LTE具有绝对的优势。LTE系统在20MHz带宽时能够保证
作者简介:王丽萍,(1987-),女,研究生,移动通信。
通信联系人:李庆,(1960-),女,教授,数字图像处理、无线移动组网、嵌入式技术。
-1-:.
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45下行峰值速率100Mbit/s,上行峰值速率50Mbit/s,其相应的频谱效率分别为5bit/s/Hz和
。另一方面,MIMO(多输入多输出)及OFDM(正交频分复用)等关键技术的
引用也使得LTE能够在未来保持竞争力[2]。
在LTE系统中,根据系统无线帧格式的不同,可分为频分又工(FDD-LTE)系统和时
分双工(TD-LTE)系统两种。本文的研究主要是基于TD-LTE系统,与FDD-LTE系统相
50比,TD-优势体现在以下几个方面:
。TD-LTE可以方便的配置在FDD-LTE系统所不易使用的零散
频段上,具有一定的频谱灵活性,因此能有效的提高频谱利用率。
。根据LTETDD帧结构的
特点,LTETDD系统能够更好的支持不同类型的业务,不会造成资源的浪费。
-SCDMA系统共存。对现有通信系统来说,目前的数据
传输速率已经无法满足终端用户日益增长的需求,运营商必须提前规划现有通信系
统向B3G/4G系统的平滑演进。由于LTETDD帧结构基于我国TD-SCDMA的帧
结构,能够方便的实现TD-LTE系统与TD-SCDMA系统的共存和融合。
本文组织结构如下:首先从TD-LTE系统帧结构入手,介绍LTE调度资源的具体结构;
60然后大致分析上行调度的整个过程,重点介绍上行调度中影响决策的关键参数,并结合已有
上行调度算法的不足,提出新的上行调度算法;最后对新上行调度算法与传统算法的测试仿
真结果进行分析和总结。
1LTE调度资源的结构
TD-LTE系统无线帧结构如图1所示。在LTE系统中,一个无线帧包含10个子帧共10ms,
65每个子帧在时域上分为两个时隙,而每个时隙又包含7个SC-FDMA符号,在频域上则由多
个子载波组成。在一个子帧内以时域上每7个SC-FDMA符号,频域上每12个子载波为单
位的资源块称为一个RB。一个子帧内总的RBs总数同系统上行带宽NUL决定[3]。
RB
上行调度的过程是资源分配的过程。上行调度是以TTI(1ms)为单位,即在一个子帧内
进行调度。基站上行调度的目的是将一个子帧内RBs按照调度算法分配给不同的终端用户。
NRBUL
NRBUL
NRBUL
70
图1TD-LTE系统无线帧结构
-LTE
-2-:.
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2LTE上行调度整体过程
在LTE系统中,上行调度模块位于基站的MAC层,其主要功能就是在每个调度时刻
75对有上行数据发送请求的终端用户(UE),决策能够获得上行准许的UEs并为其为配上行
传输的资源。
通过初始随机接入与基站建立通信的UE,当该UE需要向基站发送数据而UE侧又没
有可以使用的上行授权资源时会触发基站进行上行调度。图2所示为上行调度中UE与基站
[4]。
消息交互的具体过程
80(1)为获得UL-SCH信道资源,UE会向基站发送调度请求(SR),通知基站该UE
需要被上行调度。
(2)UE发送上行探测参考信号(SRS)通知基站当前子帧各个RB上的信道质量情况。
通过SRS基站可以确定UE的最佳资源分配区域。
(3)UE会定期向基站发送缓存状态报告(BSR),通知基站目前UE侧需要发送数据
85的总量。
(4)基站综合从UE得到的信息、以及LTE系统无线承载规定的UE业务速率需求和
服务质量(QoS)等上行调度决策因素的要求,通过具体的调度算法决策出是否给该UE发
放上行准许,若该UE获得上行许可,基站会决策该UE的上行数据发送的资源块信息,即
RBstartRBlength
确定、以及调制编码方式(MCS)。最后将这些信息封装到上行授权消息
90DCI0并发送给UE。
(5)UE上行授权DCI0后,解析出的ResourceAllocation项中的资源指示值
RIV(ResourceIndicationValue),并基于RIV计算出基站为其分配的连续资源块RBs的起始
值RBSTART和连续的资源块的长度LCRBs,UE就会在相应上行子帧该连续资源块RBs上发
送上行数据。相应的计算公式如下[5]:
95=ULLNRIV)1(+−RB,若L≤−NUL2/)1(;
RBCRBsSTARTCRBs⎣⎦RB
=UL(ULLNNRIVNUL1()1−−++−RB),其它。
RBRBCRBsRBSTART
 
图2TD-LTE系统上行调度过程
-LTE
100
-3-:.
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3LTE上行调度决策关键参数
在LTE系统中,正交频分多址技术(OFDMA)因其具有频谱效率高、抗多径衰落、带
宽扩展性强等特点而被选作下行多址接入方案。然而OFDMA的高峰均功率比(PAPR)使
105其不适用于上行链路,因此3GPP采用单载波频分多址技术(SC-FDMA)作为LTE的上行
多址接入方案。该技术要求在上行数据传输时资源块是集中式分配,即对于每一个上行终端
用户所使用的资源块在频域上都是连续分布的。因此,在上行调度资源分配决策时要考虑这
一因素。
110在LTE系统中,探测参考信号SRS(Thesoundingreferencesignal)是基站调度模块用
来判定UE上行信道质量的。UE发射大带宽的探测信号,基站端进行解调和信道状况评估,
由此确定UE上行应该分配的资源块的频率位置。
SRS在一个子帧的第二个时隙的最后一个SC-FDMA符号上发送。为了支持多个UE频
率选择性调度,来自具有不同探测带宽UE的SRS可以重叠。SRS在资源映射到物理层时,
115SRS信号占据的子载波具有梳状频谱。对于两个不同的UE,可以通过分配不同的频率偏移,
来进行频分复用[6]。图3是SRS在物理资源上的映射结构图。
图3SRS的物理资源映射图
对于上行链路,UE向基站上报探测参考信号SRS,,
解析出其中参数SNR,该参数反映UE在当前子帧上每个RB上的信噪比,通过该参数基站
能判断当前UE上行信道的质量,SNR值大说明当前RB上的信道质量比较好,SNR值小说
125明当前RB上的信道质量差。
SNR同样可以作为基站决策终端用户调制编码方式MCS的依据,由于高阶的调制编码
方式在低SNR下误码率高,因此选用10%的BLER(误块率)点作为MCS切换点。当信道
的SNR小于一个10%BLER的临界值时,切换到低阶的MCS。说明此时信道质量变差,故
选择一个低阶的调制编码方式,如QPSK。而当大于一个10%BLER临界值时,切换到高阶
130的MCS。说明信道质量较好,故选择一个高阶的调制编码方式,如16QAM或64QAM[7]。
由上可以看出,SRS在基站上行调度决策时非常重要,是系统吞吐量提升的保障之一。
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在通常情况下,同一个UE可在任何时候运行多个应用程序,且每个应用程序具有不同
的QoS需求。考虑如下情形,一个终端用户可能在进行VoIP业务的同时浏览网页和下载
135FTP文件。与网页浏览和FTP文件下载相比,VoIP业务有更严格的速率保证QoS要求。
在LTE系统中,每一种业务对应一个承载,不同业务按其不同的QoS特性要求可分为
以下两种:
(1)最小保证比特率业务(GBR承载):这些承载具有特定的GBR值,在承载的建立或
更改中给它们优先分配传输资源。GBR承载的业务包括语音、流媒体、实时游戏等。
140(2)非保证比特率业务(Non-GBR承载):与GBR承载相反,网络资源不能永久分配给
某个承载,即不能保证该承载的比特速率不变,也就是Non-GBR承载。Non-GBR不能保证
任何特定的比特率,这些承载可用于网页浏览和FTP传输等[9]。
在上行调度资源分配时,基站要保证业务的最小保证比特率,这样才能满足业务的QoS
需求。
1454上行调度算法设计
传统意义上的分组调度算法有最大载干比(MAXC/I)算法、轮询(RR)算法、比例
公平(PF)算法。MAXC/I算法是以获得系统最大吞吐量为目的而牺牲终端用户公平性为
代价的算法;RR算法则与MAXC/I算法相反,是以牺牲系统吞吐最为代价而获得终端用户
150公平性的算法;PF算法是在系统吞吐量与公平性之间的折中,在两者之间获得平衡。因此
PF算法最为广泛使用。
以上三种传统算法都没有考虑业务QoS的需求,以及上行资源分配连续性要求。业界
人士在此基础上提出很多了改进的算法,
法,该算法考虑将上行调度分为时域调度和频域调度两部分,既能保障业务QoS又满足上
155行资源分配连续性限制,但是该算法却忽略了终端用户信道质量这一关键因素[10]。Haidar
Safa在文献中重点研究了最新提出的上行调度算法,主要有FME算法、RME算法、CBC
算法、RP算法等[11]。这些算法均以信道质量和资源分配连续性为出发点,但忽略了业务QoS
需求。
基于以上算法的不足,本文以PF算法为基础提出一种综合考虑终端用户信道质量、业
160务QoS需求、资源分配连续性限制的新的上行调度算法。
新上行调度算法分为两大部分:资源块预分配、资源块最终分配。整体思路如图4。
,主要考虑以业务优先级,保证具有效高优先级的业务优先被
调度,获得资源。涉及的参数有业务的QCI等级,终端用户的优先级PF算法,以及业
165务的基本保证速率GBR。
,主要是根据资源块预分配部分统计的各个终端用户预分配
业务的总的资源数统计量,结合终端用户实际的状态缓存报告(BSR)具体的为各个终
端用户分配资源。
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资业务1对业务1包含的计算每个用户业务按用户的信道质量为每个
UE用PF算法排序1的目标发送量用户的业务1预分配资源
源
块业务2对业务2包含的计算每个用户业务按用户的信道质量为每个
UE用PF算法排序2的目标发送量用户的业务2预分配资源
预
分
配
业务8对业务8包含的计算每个用户业务按用户的信道质量为每个
UE用PF算法排序8的目标发送量用户的业务8预分配资源
根据以上结果,统计为每个用户的所有业务预分配的
总的资源块RBs数目NiRBs,
资
源
块按RME算法按所有用户的信道质量情况确定各个用户
最最佳的资源块分配区域
终
分
配按照min(            N,BSR),在最佳资源块分配区域内为用
iRBs,
户实际分配资源
对实际分配了资源块的用户,计算RB_start和
RB_length,及MCS,封装到上行授权DCI0中
170图4新的上行调度算法流程图
175资源块预分配模块首先需要对MAC上层各逻辑信道中业务先按QCI优先级进行排序,
如图4中业务1至业务8是按照优先级降序排列好的,对于排好序的每一种业务要进行以下
步骤处理(以业务k为例):
a)对有业务k请求的UE队列按PF算法进行排列终端用户优先级,PF算法思路如下:
终端用户i的优先级为:
rit(,)
k
P=
180(1)
Rit(,)
k
-6-:.
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式(1)中ritk(,)表示终端用户i的业务k在t时刻的瞬时速率,Ritk(,)终端用户i的业
务k在时刻t之前的时间窗Tw内的平均速率,Ritk(,)的更新公式为:
11
Ritkkk(,)(1)(,1)(,)=−⋅−+⋅Ritrit
(2)
TTww
式(2)中Ritk(,1)−表示终端用户i的业务k在t-1时刻之前的时间窗Tw−1内的平均
185速率。
b)按照公式(1)排好终端用户优先级形成终端用户队列后,依次按优先级计算该终
端用户队列中各终端用户对业务k的目标发送量。业务分为GBR业务和NonGBR业务,
GBR业务要保证最低速率(GBR)要求,NonGBR业务要保证不超过最大速率(AMBR)
要求,因此可通过各个GBR业务的保证速率(GBR)和NonGBR业务的最大速率
190(AMBR)计算出业务所需要的PRB数,并运用到实际为UE分配过程中。下图5为
一终端用户的GBR业务速率曲线图,黄色的为业务要求保证的最低速率要求。
Rk
RkGBR,
Ritkpast(,)Ritk(,)0
ttt
past0
Ttt−−()0pasttt0−past
T
图5终端用户的GBR业务速率曲线图
195
如上图可推出GBR业务k满足以下公式:
RitTttRitttRTkpast(,)[()](,)()⋅−−+⋅−≥⋅00pastk0,pastkGBR(3)
通过(3)式可推导GBR业务k在当前子帧需要保证的最小速率为:
TT
RitRRitk(,)0,≥⋅−−⋅kGBR(1)(,)kpast(4)
tttt00−−pastpast
200c)通过以上(4)式得出的当然最小保证速率就可计算出终端用户的业务在当前子帧
所需要发送的数据量(bits),根据终端用户的信道质量选择合适的MCS便可推出每个
终端用户的TBS index值,从而可根据的LTE协议的规定得出该终端用户在当前子帧中
所需占用的RB数目,以20MHz为例,总共100个RBs在资源预分配过程中,当RBs
分配的总数达到100时停止预分配。 
-7-:.
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a)根据预分配的结果,统计每个终端用户的各业务预分配的资源块RBs的总数目;
b)根据终端用户的信道质量情况,按照RME算法(递归极大值扩张算法)确定各终
端用户的最佳资源块分配区域,即最适合传输的连续的RBs域[12]。RME算法(递归最
大值扩张算法)步骤如下:
210‹按照每个UE在每个RB上的信道质量指示指M,生成一个UE-RB矩阵。图6中
曲线为UE-RB矩阵的直观表现,图中横坐标表示TD-LTE系统所有的RBs,纵坐标
表示信道指示值,曲线代表4个UE在各个RB上的信道质量指示情况。红色的细
曲线代表UE1,蓝色的细曲线代表UE2,绿色的细曲线代表UE3,黄色的细曲线
代表UE4。
215‹在UE-RB矩阵中找到最大的M0,i值对应的RB和UE,如图6,整个矩阵中UE1在
RBi处最得最大(即图中标出的1);
‹把RBi分配给UE1; 
‹在UE‐RB矩阵中,以RBi列为基础,在RBi列左右两边扩大对UE1的RBs分配,直
到发现某个RB上另一个UE有更大的M值; 
220‹把UE1置为空闲模式; 
‹对于非空闲的UEs,在剩下的RBs中找最大的M值(如图中标出的2),并为各个
非空闲UEs重复1~4步的RBs分配,直到所有的UEs都处于空闲状态或是所有的
RBs都已被分配; 
‹若有未被分配的RBs,在剩余的RBs上找有最大的M值的UE;  
225‹检查在第6步中找到的UE与相邻已经被分配RBs的UE是否为同一个UE; 
‹若两者的UE不相同,则在保证不破坏连续性的情况下,把剩余的RBs分配给有最
大M值的UE,否则分配给相邻RB的UE; 
‹重复第6~8步,直到所有的RBs都被分配完成。 
按照上述RME算法对4个UE的RBs分配情况如图6用粗彩线标注的RBs区域,在曲
230线下面的的横线区域也分别指出了4个UE相应的最佳资源分配区域。
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RBi
图6RME算法为各终端用户分配的资源块结果
235c)结合终端用户的BSR,按信道质量将BSR转换成相应的RBs数目BSRi,RBs,并选择
min(,)NBSRiRBRBs,si,作为终端用户的总终资源块需求数目,在RME分配的资源域内
为终端用户最终分配资源块。
d)按照终端用户最终分配的资源块结果,计算实际资源块的起始值及长度,即RBstart
和RBlength,选择所分配资源块的平均MCS,封装到各终端用户的上行授权DCI0中。
240以上为新设计的上行调度算法的整个过程。
5性能测试及测试结果
为了验证算法的性能,在实际软件实验平台对该算法及传统的RR算法、MAXC/I算法
进行了编码测试,测试系统为TD-LTE协议栈软件系统软件。具体配置如下:
‹系统软件名称:TD-LTE基站协议栈软件系统、TD-LTE终端协议栈软件系统;
245‹软件开发者:中科院计算所无线通信技术研究中心LTE协议栈研发组;
‹开发语言:C语言;
‹软件平台:CentOS-Linux-;
‹上下行物理帧配置:Uplin-downlinkconfiguration2,Downlink-to-UplinkSwitch-point
;
250‹系统带宽配置:20MHz,100个RBs,其中前10个RBs主要用于随机接入消息2的资
源分配,后90个RBs用于上行调度资源分配;
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‹终端用户模型设置:4~150个UE,每个UE有多个业务承载,包括GBR和NON-GBR
业务承载,终端用户的实际上行信道质量与终端用户到基站的距离成正比,终端用户发
起调度请求服从随机分布。
255通过实际的软件系统测量,对将新算法与传统的RR算法、MAXC/I算法及PF算法进
行比较并记录实验数据,得到图7显示的结果。图7左侧图为LTE系统的吞吐量曲线图,
横坐标为终端用户数,纵坐标为系统吞吐量。右侧图为系统业务QoS测试图,横坐标为终
端用户,纵坐标为吞吐量与业务GBR之比。若测试结果比值超过1时则说明业务QoS能得
到保障,若比值小于1则不能保障Qos。从图中可以看出,新算法比MAXC/I算法和RR算
260法在提高系统吞吐量上更有优势,其中RR算法的系统吞吐量最差。另一方面,新算法与传
统经典的PF算法相比,新算法对终端用户业务的QoS需求都能够得到保证,而PF算法则
大多数情况不能保证,因为PF算法没有考虑业务的GBR需求。
图7新旧算法仿真结果对比图
6结论
本文主要提出了一种新的上行调度算法设计思路。在国内外已有的介绍LTE上行调度
算法的基础上,综合研究了上行调度关键的决策参数,并从全面考虑的角度设计了新的上行
270调度算法,经设计并测试表明该算法在满足LTE系统上行资源分配特有限制条件的基础上,
既能够保证终端用户的最佳传输,提升系统的吞吐量,又能够保证业务的QoS需求。
致谢
特别感谢中科院计算技术研究所LTE软件小组的所有同学和老师的指导及关心。
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