LTE多用戶下行資源調(diào)度自優(yōu)化技術(shù)研究

LTE下行資源多用戶調(diào)度自優(yōu)化技術(shù)研究MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r2\h引言LTE(長期演進)是3GPP(第三代合作工程)英文出現(xiàn)的順序是中文全稱，英文縮寫，英文全稱近4年中推出的最大的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工程。作為一種很有前途的移動通信技術(shù)，LTE提高了空中接口的性能，并通過一些關(guān)鍵技術(shù)增強了頻譜效率，例如，OFDM(正交頻分復(fù)用)，MIMO(多輸入多輸出)和資源共享[3沒有參考文獻1,2，直接從3開始]。因此，與以前的技術(shù)相比，LTE具有一定的優(yōu)勢，例如更高的數(shù)據(jù)速率以及更小的時間延遲。此外，OFDM技術(shù)既可在時域又可在頻域?qū)o線鏈路資源分開，使得資源分配和調(diào)度更靈活[6][7]。一般情況下，調(diào)度算法有三種，最大載干比〔MAXC/I，maxcarriertointerferenceratio〕，輪詢(RR，roundrobin)和正比公平(PF，proportionalfairness)，每種算法在吞吐量和用戶公平性的側(cè)重點不同。MAXC/I算法總是將PRB分配給當(dāng)前信道質(zhì)量最好的用戶。相反，輪詢算法將無線資源平均地分配給每個用戶。而PF是MAXC/I和RR的折中，它試圖平衡吞吐量和用戶公平性。英文出現(xiàn)的順序是中文全稱，英文縮寫，英文全稱沒有參考文獻1,2，直接從3開始顯然，在像LTE這樣的資源共享系統(tǒng)，調(diào)度算法對用戶體驗和網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能有很大的影響，因為它決定了在不同無線信道條件下的用戶之間如何分配無線資源。在參考文獻[5]最好用交叉引用，方便修改中，作者提出了在調(diào)度算法應(yīng)該考慮的假設(shè)干原那么：1).〕系統(tǒng)吞吐量最大化;2〕)可接受的時延最好用中文的標(biāo)點符號；;3〕)資源分配的用戶公平性。在本章節(jié)中，我們主要討論調(diào)度算法如何平衡系統(tǒng)吞吐量和用戶公平。首先提出調(diào)度算法的兩個關(guān)鍵因子，一個是用戶的SINR分散度？，另一個是在一個傳輸時間間隔(〔TTI〕)內(nèi)分配給每用戶的最大的PRB數(shù)量(〔MaxPRB)〕；其次，把這兩個因素進行聯(lián)合起來加以研究；然后，在基于對用戶的SINR分散度和MaxPRB的聯(lián)合研究根底上，我們提出了一種動態(tài)調(diào)度MaxPRB的策略以提高用戶間的公平性，同時保證LTE系統(tǒng)吞吐量。最好用交叉引用，方便修改最好用中文的標(biāo)點符號本章節(jié)的結(jié)構(gòu)安排如下：首先分析調(diào)度算法的兩個關(guān)鍵因子——用戶的SINR分散度和一個傳輸時間間隔(TTI)內(nèi)分配給每用戶的最大的PRB數(shù)量(MaxPRB)；其次，對這兩個因素進行聯(lián)合研究，尋找這兩個因素間的相互關(guān)系；然后，在聯(lián)合研究根底上提出了一種動態(tài)調(diào)度MaxPRB的資源調(diào)度自優(yōu)化算法，給出算法流程，通過通過蒙德卡洛仿真，比照我們提出的算法和常用的幾種調(diào)度方案的性能；最后，總結(jié)本章的主要內(nèi)容。系統(tǒng)模型和關(guān)鍵指標(biāo)建模OFDM資源調(diào)度模型在無線通信系統(tǒng)中，對于廣闊用戶，無線資源是有限而且十分珍貴的。隨著用戶數(shù)量的上升以及用戶需求的提升，如何有效地管理資源成為擺在我們面前最重要的問題之一。目前業(yè)界已經(jīng)研究了一系列資源管理技術(shù)來解決這個問題，其中之一就是資源調(diào)度技術(shù)。調(diào)度是資源管理的核心技術(shù)。在LTE系統(tǒng)中，多個活潑用戶需要共享帶寬。因此需要一種機制，來為這些用戶進行有效的資源分配。無線系統(tǒng)中的調(diào)度與有線系統(tǒng)中的不同，因為它面臨著更復(fù)雜的的情況：時變信道環(huán)境，有限的帶寬資源等。通過OFDM技術(shù)的應(yīng)用，LTE系統(tǒng)的無線資源被分為多個PRB，如圖2-1所示。物理資源塊(PRB)是根本的調(diào)度單位，它由時域中的一個時隙(0.5毫秒)以及頻域的180kHz組成。無線資源既可以在時域也可以在頻域調(diào)度，使得調(diào)度粒度變得更為靈活。由于LTE帶寬是20MHz，相比以往的移動通信系統(tǒng)，我們更注重?zé)o線信道的頻率選擇性衰落特性。通過頻率選擇性調(diào)度，我們可以每次給每個用戶分配最正確的頻段，使系統(tǒng)在頻域獲得多用戶分集增益。在LTE的下行方向，調(diào)度主要是基于CQI(信道質(zhì)量指示)報告，它代表了下行的SINR(信號干擾噪聲比)。CQI是通過測量參考信號得到的，它可以得到不同頻率的狀態(tài)信息。對于TD-LTE系統(tǒng)，由于上行下行同在一個頻點，信道的互易性使得基站可以通過測量上行信道的質(zhì)量，間接的獲得下行信道的特征，從而綜合對下行資源進行調(diào)度。這一段原理不太對，CQI一定是用戶反應(yīng)的，基站無法獲得，基站可以通過互異性由上行信道估計獲取下行信道，但是無法估計下行干擾，所以CQI一定是用戶反應(yīng)的。圖圖STYLEREF1\s1SEQ圖\*ARABIC\s11OFDM資源分配圖2-1OFDM資源分配的框架圖圖的內(nèi)容都要寫成中文，圖注要帶章節(jié)號圖的內(nèi)容都要寫成中文，圖注要帶章節(jié)號資源調(diào)度衡量指標(biāo)模型圖11公式編號不對，公式字號偏小公式編號不對，公式字號偏小時間公式中的每一個變量都要解釋含義公式中的每一個變量都要解釋含義用公式編輯器輸入xi用公式編輯器輸入fx=i=1nxi2i=1nx2xi≥0Ci區(qū)間D(Ci)D(D(Ci)=Dj=i=1圖2-2扇區(qū)SINR累計概率曲線〔CDF〕每TTI中給每個用戶分配的最大PRB數(shù)(MaxPRB)LTE系統(tǒng)中有不同類型的資源分配方法。PRB分配策略直接影響到資源分配和效率和公正性。除了SINR，調(diào)度算法還有另外一個重要因素，即MaxPRB。MaxPRB代表一個調(diào)度期(TTI)內(nèi)給每用戶可分配的PRB最大值。MaxPRB決定了每個用戶在每個TTI能夠獲得的最大無線資源，也決定了每個用戶的能夠到達最大的瞬時速率。下文對MaxPRB對調(diào)度方法的影響進行更深入的分析。動態(tài)調(diào)度自優(yōu)化算法〔DDS〕調(diào)度算法的主要挑戰(zhàn)是獲得最正確的頻譜效率的同時保持合理的用戶公平性。根據(jù)不同的系統(tǒng)環(huán)境，在不同的系統(tǒng)環(huán)境下，正確地調(diào)整調(diào)度參數(shù)以適應(yīng)變化是非常重要的。為此，我們有必要尋求一種自優(yōu)化方法，以選擇最正確的MaxPRB值來適應(yīng)不同的扇區(qū)分散度味著用戶的SINR相對集中。在這種情況下，公平性是一個次要的考慮因素，因為每個用戶都有較高的概率在這個時間間隔內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果我們提高MaxPRB，擁有更好信道條件的用戶將獲得更多的資源。因此在犧牲了少量公平性的代價下，整個系統(tǒng)的容量可以大幅度的提高。當(dāng)用戶的SINR分散度值較大，它說明不同的用戶的SINR差異比擬大。有些用戶可能擁有良好的信道環(huán)境，而其他用戶的無線鏈路條件較差。在這種情況下，我們需要減小MaxPRB以保證用戶的公平性。它限制分配給一個用戶的最大PRB數(shù)，這樣可以防止大量的資源只被分配給少數(shù)用戶。圖2-3顯示了文中提出的調(diào)度策略的步驟。圖2-3MaxPRB調(diào)整流程改成中文，我覺得這應(yīng)該是一個循環(huán)過程改成中文，我覺得這應(yīng)該是一個循環(huán)過程M=μD+λ(2-7)這里DM代表設(shè)置算法性能分析容量最大化分析公平性分析可以分析平均時延〔公平性〕，容量分析，算法復(fù)雜度分析系統(tǒng)仿真驗證載波頻率userequipment表格2-1LTEOFDMA下行仿真參數(shù)小區(qū)結(jié)構(gòu)六邊形，19小區(qū)，57扇區(qū)頻率2GHz系統(tǒng)帶寬20MHzPRB數(shù)量100TTI0.001second信道模型SCMchannel站間距500m傳播模型Cost231128.1+37.6log10(X),X(km)熱噪聲密度-174dBm/Hz穿透損耗20dBFFTsize1024用戶數(shù)570HARQ10進程，最大重傳次數(shù)3次MIMOSU-MIMO調(diào)度機制DDS,RR,MAXC/I,PF業(yè)務(wù)模型Fullbuffer物理為圖2-4不同分散度下的扇區(qū)吞吐量修改仿真圖修改仿真圖圖2-5不同分散度下的用戶公平性修改仿真圖修改仿真圖圖2-6不同調(diào)度算法下的扇區(qū)平均吞吐量〔場景I〕圖2-7不同調(diào)度算法下的用戶公平性〔場景I〕我覺得在沒有引入鏈路自適應(yīng)算法，或者改變傳輸流程時，在提升吞吐量的同時提升公平性不太可能我覺得在沒有引入鏈路自適應(yīng)算法，或者改變傳輸流程時，在提升吞吐量的同時提升公平性不太可能圖2-8不同調(diào)度算法下的扇區(qū)平均吞吐量〔場景II〕圖2-9不同調(diào)度算法下的用戶公平性〔場景II〕本章小結(jié)本章中，提出了一種在LTE自組織網(wǎng)絡(luò)中，基于扇區(qū)用戶分散度進行最大資源塊自適應(yīng)調(diào)整的自優(yōu)化技術(shù)。本章首先分析了經(jīng)典的3種移動通信資源調(diào)度算法，給出了他們使用的流程和根本原理。本章第二局部深入分析了在LTE自組織網(wǎng)絡(luò)中，可能對系統(tǒng)調(diào)度性能帶來影響多方面因素，重點研究了通過網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的根據(jù)扇區(qū)用戶的分布特征，動態(tài)調(diào)整資源分配算法中關(guān)鍵因子的可能性。并在此根底上，提出了基于扇區(qū)用戶分散度的用戶最大資源調(diào)度塊〔MaxPRB〕自優(yōu)化調(diào)整算法。我們探索和分析了不同扇區(qū)用戶分散度情況下，不同的用戶最大資源調(diào)度塊〔MaxPRB〕配置和系統(tǒng)的扇區(qū)平均吞吐量以及用戶公平性之間的關(guān)系，定義了基于扇區(qū)用戶分散度的用戶最大資源調(diào)度塊〔MaxPRB〕自優(yōu)化機制。我們基于上述思想對原有的比例公平調(diào)度算法進行了改良，并通過系統(tǒng)級仿真對新老算法進行了仿真和比擬。仿真假設(shè)中，我們定義了一種正常的用戶隨機分布場景和一種惡劣的用戶均勻場景，來分別驗證新提出的算法的效果。在正常的用戶隨機分布場景中，我們提出的自優(yōu)化算法表現(xiàn)出的性能，不管是扇區(qū)平均吞吐量和用戶滿意度，都超越了原有的普通的比例公平算法〔PF〕性能，在吞吐量方面取得了6%的增益，在用戶公平性方面，取得了15%的提高。在用戶均勻分布場景中，扇區(qū)分散度相對變化不大，這是一種相比照擬極端和不太容易發(fā)揮算法性能的場景。優(yōu)化后的算法不管是在吞吐量和用戶公平性方面，和原有的PF算法還是比擬接近的，由于通過動態(tài)調(diào)整對給每個用戶分配的最大PRB數(shù)〔MAXPRB〕進行優(yōu)化，在吞吐量方面取得了7%的增益，公平性方面和普通PF算法接近。參考文獻C.Han,K.C.Beh,M.Nicolaou,S.Armour,A.Doufexi,“PowerEfficientDynamicResourceSchedulingAlgorithmsforLTE,〞IEEE,2023.RaymondKwan,CyrilLeung,andJieZhang,〞MultiuserSchedulingontheDownlinkofanLTECellularSystem,〞HindawiPublishingCorporationResearchLettersinCommunicationsVolume2023,ArticleID323048,4pages,27May2023.3GPP,"MultipleInputMultipleOutput(MIMO)antennaeinUTRA(Release7),"vol.2007,TR25.876.KHALEDM.F.ELSAYEDandAHMEDK.F.KHATTAB,“Channel-AwareEarliestDeadlineDueFairSchedulingforWirelessMultimediaNetworks,〞WirelessPersonalCommunications,Springer2006R.vanNeeandR.Prasad,OFDMforWirelessMultimediaCommunications.ArtechHouse,2000.H,HolmaandA.Toskala,“LTEforUMTS-OFDMAandSC-FDMABasedRadioAccess〞,Wiley(2023).ErikDahlman,SttefanParkvall,andJohanSk?ld,“4GLTE/LTE-AdvancedforMobileBroadband,〞2023RajendraK.Jain,Dah-MingW.Chiu,WilliamR.Hawe,“Aquantitativemeasureoffairnessanddiscriminationforresourceallocationinsharedcomputersystem,〞ACMTransactiononComputerSystems,September26,1984.3GPPTR25.814,〞PhysicallayeraspectforevolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(UTRA)〞,2023Ericsson,〞LTEanintroduction〞,EricssonTechnicalReport28423-3124UenRevB,availableatwww:ericsson:com=technology=whitepapers=lteoverview:pdf,June2023,L.KyuIn,W.KyungSoo,K.YoHan,A.JaeYoung,andC.YongSoo,"