一种LTE系统资源调度方法与流程

本发明的技术方案涉及专门适用于LTE无线通信技术领域，具体地说是一种LTE系统资源调度方法。

背景技术：

2004年3GPP启动了长期演进项目LTE(Long Term Evolution)，旨在关注无线接口和无线组网架构的技术演进问题。2013年，中国移动、中国联通、中国电信均获得TD-LTE牌照，而后在2015年，中国联通和中国电信获得FDD-LTE牌照，至此4G商用的大门正式开启，而用户体验也成为运营商4G商用成功与否的必要条件。

相比于3G技术，LTE系统在系统容量、传输速度方面有了显著提高，在网络系统架构上进行了简化，可以支持多种不同QoS(Quality of Service)要求类型的业务，包括VoIP业务、流媒体、游戏、HTTP/FTP、e-mail等，给用户以更好的体验，同时这些业务或是对时延性要求较高，或是对误码率要求较高，这对无线资源的调度也提出了更高的要求。

在LTE系统中，基站和终端之间通过Uu接口进行连接，无线资源调度发生在基站的媒体接入控制(MAC)层，通过无线资源调度器实现，它可以为下行共享信道(DL-SCH)和上行共享信道(UL-SCH)分配物理层资源，DL-SCH和UL-SCH分别使用不同的调度器进行调度。一般资源调度考虑的性能指标有系统吞吐量、用户间的公平性、时延性等。

当今接入无线网的用户及业务越来越多，而无线资源紧张及信道质量不稳定，在调度资源时不能兼顾系统吞吐量、用户公平性、业务时延性等性能，或能兼顾但整体性能也不高，导致很多情况下不能很好的满足用户服务质量需求，达不到很好的用户体验。

近些年来，一些时域和频域资源调度方法相继被提出，较为经典的有三类：第一类是轮询调度，该方法就是基站按照一定的顺序为小区用户提供服务，用户间的公平性是最好的，但是由于没有考虑信道质量，导致系统整体吞吐量很差；第二类是最大载干比调度，该方法将信道条件好坏作为首要考虑条件，导致信道条件恶劣的用户可能一直得不到资源调度，用户间公平性最差；第三类是比例公平调度，该方法是轮询调度和最大载干比调度方法的折衷，在保证所有用户的平均数据传输量最大的同时保证了不会出现某些用户长期得不到调度的现象，该方法的不足之处在于系统整体的性能不高，且不能应用于实时业务。

无限资源调度问题被证明是一个NP-hard问题，但是提高LTE系统整体性能，有效地最大限度的利用有限的无线资源来实现无线资源的内在价值，是当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种LTE系统时域和频域资源调度方法，综合考虑QoS时延、系统吞吐量，公平性、传输速率，信道条件等因素，得到LTE系统中各个用户的调度优先等级，选出优先级最高的用户的业务，从而进行资源调度。本方法在保证一定吞吐量的前提下，通过经济学中的边际效用原理使系统整体性能最优，在用户间公平性和系统吞吐量之间找到一种更好的平衡。与现有方法相比，系统时延性降低，适用业务范围更广，且系统整体性能有所提升，克服了现有方法不能应用于实时业务的不足。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：提供一种LTE系统中时域和频域资源调度方法，是基于边际效用函数的LTE资源调度方法，其步骤如下：

步骤一，将QoS保证时延的参数加入到边际效用原理当中，得到能够反映业务在队列中时延敏感性变化的S型函数，为在队列中排队等待的业务的调度顺序进行规整，使队列中有QoS时延要求的业务和靠近时延门限的业务获得较大权重；

步骤二，根据用户i接收到的信号，计算出用户i在第n个TTI(Transmission Time Interval，传输时间间隔)在所有载波的信道增益；

步骤三，计算出用户i在每个子载波的信干噪比；

步骤四，将被占用的每个RB(资源块)中所有载波的信干噪比转化为该RB的有效信噪比；

步骤五，根据用户i在每个子载波的信干噪比，计算出用户i的传输速率DRC_i(n)；

步骤六，根据用户的传输速率计算用户在第n-1个TTI的平均速率；

步骤七，计算第n个TTI中用户i在每个RB的调度优先级因子，选出最高优先等级的用户的业务；

步骤八，更新用户在第n个TTI的平均速率，并重复上述过程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明方法中反映业务在队列中时延敏感性变化的S型函数图。

具体实施方式

设置系统的固定带宽为B，资源调度器连接i个终端，该方法中业务在第n个TTI之前的吞吐量、队列长度等参数可由RLC层获得。

步骤一，如图2，将QoS保证时延的参数加入到边际效用原理当中，得到能够反映业务在队列中时延敏感性变化的S型函数U_i(n)：

$U_i\left(n\right)=\frac{1}{1+e^{\mathrm{\δ}(L-l_i\left(n\right))}}$

其中，L为用户i所能容忍的最大时延；l_i(n)为用户i的业务在缓冲区的队列时延；δ为常数，取值范围[0，1]，在实际调度中可根据时延敏感性的大小进行调节，且δ越大，S型函数的坡度越陡。

步骤二，根据用户i接收到的信号，计算出用户i在第n个TTI在所有载波的信道增益

${\mathrm{Gain}}_{i,k}\left(n\right)={10}^{\left[\frac{P_{\mathrm{ti},k}\left(n\right)}{10}\right]+\left[\frac{{\mathrm{\ξ}}_{i,k}\left(n\right)}{10}\right]+\left[\frac{{\mathrm{mapth}}_{i,k}\left(n\right)}{10}\right]}$

其中，p_li，k(n)为第r个子载波的路径损耗；ξ_i，k(n)为第r个子载波阴影衰落所产生的增益；mpath_i，k(n)为第r个子载波多径衰落所产生的增益。

步骤三，利用以得到的载波信道增益，计算出用户i在每个子载波的信干噪比SINR_i，k(n)：

${\mathrm{SINR}}_{i,k}\left(n\right)=\frac{P_k*{\mathrm{Gain}}_{i,k}\left(n\right)}{I+N_o}$

其中，N_o是噪声功率，P_k是指基站在第r个子载波的发射功率，I为小区之间的干扰功率；

步骤四，将被占用的每个RB中所有载波的信干噪比转化为该RB的有效信噪比SNR_i，j(n)：

${\mathrm{SNR}}_{i,j}\left(n\right)=\mathrm{EESM}({\mathrm{SINR}}_{i,k}\left(n\right),\mathrm{\σ})=-\mathrm{\σ}\·\left[\frac{1}{M}\mathrm{\Σ}{e}^{-\frac{\mathrm{SINRi},k\left(n\right)}{\mathrm{\σ}}}\right]$

其中，M是一个资源块中所包含的子载波个数，对于不同的帧结构，M取值也不同，若采用普通前缀，M＝7；若帧结构采用的是扩展前缀，M＝6；σ是可变化因子，根据调制编码方式来取值，具体可查询表1：

表1

步骤五，根据用户i在每个子载波的信干噪比SINR_i，k(n)，计算出用户i的传输速率DRC_i(n)：

${\mathrm{DRC}}_i\left(n\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DRC}}_{i,j}\left(n\right)$

DRC_i，j(n)＝log₂(1+SINR_i，j(n))

其中，DRC_i，j(n)为用户i在第j个RB上的传输速率；

步骤六，根据用户i的传输速率计算第n-1个TTI的平均速率R_i(n)：

$R_i\left(n\right)=(1-\frac{1}{n_c})\·R_i(n-1)+\frac{1}{n_c}{\mathrm{DRC}}_i\left(n\right)$

其中，n_c为更新时间长度，一般要求满足覆盖快衰落的变化和业务时延要求；

步骤七，计算用户i在第n个TTI中在每个RB的调度优先级因子，并选出最高优先等级的用户i的业务，调度优先级因子为：

$P_i\left(n\right)=\frac{{\mathrm{DRC}}_{i,j}\left(n\right)}{R_i(n-1)}\·U_i\left(n\right)\·Q_i{\left(n\right)}^{-1}\·S_i{\left(n\right)}^{-1}$

其中，Q_i(n)，S_i(n)均为用于控制不同业务速率的速率因子，且

$Q_i\left(n\right)=\min [{\left(\frac{R_i(n-1)}{R_L}\right)}^{\mathrm{\α}},1]$

$S_i\left(n\right)=\max [{\left(\frac{R_i(n-1)}{R_H}\right)}^{\mathrm{\β}},1]$

其中，R_i(n-1)是用户i在第n个TTI之前的传输速率平均值；R_H是用户QoS速率要求的上限；R_L是用户QoS速率要求的下限；α、β均大于1，是函数参数，用来控制用户优先权的收敛速度。若用户的传输速率低于QoS要求的下限，即R_i(n-1)＜R_L，则Q_i(n)＜1，S_i(n)＝1，该用户的调度优先级会被提升；若用户的传输速率高于QoS要求的上限，即R_i(n-1)＞R_H，则Q_i(n)＝1，S_i(n)＞1，该用户的调度优先级会被降低，从而保证用户间调度的公平性。

步骤八，更新用户在第n个TTI的平均速率，并重复上述过程。