CN103024921B

CN103024921B - 一种基于cqi反馈参数和sinr数值分组的调度方法

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Publication number: CN103024921B
Application number: CN201210579853.6A
Authority: CN
Inventors: 张晓峰; 乔瑞萍; 胡宇平; 俞璐; 王效鹏; 雷江
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103024921A

Abstract

本发明公开了一种基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，基站计算小区内所有用户的SINR数值；设置SINR阈值，将大于等于SINR阈值的用户区分为小区中心用户组Ⅰ，将小于SINR阈值的用户区分为小区边缘用户组Ⅱ，并将小区内总的资源块分配给小区中心用户组Ⅰ和小区边缘用户组Ⅱ用以调度；在一个时间窗内，基站依据CQI机制依次为每组内的用户分配相应的资源块，分别对小区中心用户组Ⅰ与小区边缘用户组Ⅱ采用PF调度方法和RR调度方法进行调度。通过构建LTE系统仿真模型，将该算法与PF算法进行仿真对比，由仿真结果得出该算法较PF算法在一定程度上提高了小区的吞吐量和用户之间的公平性。

Description

一种基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法。

背景技术

基于LTE系统的调度算法是其无线资源管理（Radio ResourceManagement,RRM）技术中的一项核心技术，决定了整个系统的性能。调度算法主要解决的是多个用户在争用资源时，如何在分组数据传输的基础上提供资源分配和复用，以及如何确定一种服务次序。调度时主要是基于信道条件，同时考虑等待发送的数据量及业务的优先级等情况，并充分发挥自适应调制编码（Adaptive Modulation and Coding,AMC）、混合自动请求重传（HybridAutomatic Repeat reQuest,HARQ）及CQI反馈参数机制的作用。调度算法应该让具有瞬间最好信道条件的用户接受服务，这样在每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的系统吞吐量，但同时还要兼顾到每个用户的等级和公平性。

在LTE系统中最常用的分组调度算法有3种：轮循（Round Robin,RR）算法、最大载干比（Maximum Carrier to Interference,MAX C/I）算法和比例公平（Proportional Fair,PF）算法。

RR（Chuanxiong Guo.Improved Smoothed Round Robin Schedulers forHigh-Speed Packet Networks[A].IEEE the27th Conference on ComputerCommunications[C],2008:1579-1587）是一种为不同分组队列提供无差别调度机会的分组调度算法，其基本思想是保证小区内的不同用户能够按照某种确定的顺序循环占用等量的无线资源来进行通信。假设小区内有N个待调度用户，则每个用户被调度的概率定义如下：

P_{i} (t) = \frac{1}{N}, i &Element; [1, N] - - - (1)

式中，N为小区内待调度的用户总数，i是所有待调度用户中的第i个用户，其取值范围为[1,N]的任一整数。小区内的任一用户被调度的机会是相等的。

法国Eurecom学院的Knopp提出了一种具有最大化系统吞吐量的分组调度算法，称之为MAX C/I算法(Knopp R,Humblet P.A.Information capacity andpower control in single-cell multiuser communications[J].IEEE InternationalConference on‘Ggateway to Globalization’Communications,1995,vol.1:331-335)其基本思想为将所有等待的用户根据其接收信号的载干比的大小进行排序，每次调度的时候，总是选择信道条件好、具有最大载干比的用户提供调度机会，其调度优先级计算公式如下：

P_{i} (t) = \underset{i}{\arg \max} {\frac{C_{i}}{I_{i}}}, i &Element; [1, N] - - - (2)

式中，N为小区内待调度的用户总数，i是所有待调度用户中的第i个用户，C_i/I_i为第i个用户的载干比。

高通公司的Jack M.Holtzman提出了一种PF调度算法（Jack M.Holtzman.Cdma Forward Link Waterfilling Power Control[J].IEEE51st VehicularTechnology Conference Proceedings,Tokyo,2000,vol.3:1663-1667），其基本思想是同时兼顾系统的吞吐量和用户之间的公平性，为小区每个待调度用户分配一个与之对应的优先级，每个调度时隙具有最高优先级的用户来提供服务，其调度优先级计算公式如下：

P_{i} (t) = \underset{i}{\arg \max} {\frac{DR C_{i} (t)}{{\overset{&OverBar;}{R}}_{i} (t)}}, i &Element; [1, N] - - - (3)

式中，DRC_i(t)为第i个用户在t时刻时能达到的最大传输速率；为该用户在时刻t之前的平均传输速率，它的更新规则如下式所示：

\overset{&OverBar;}{R_{i} (t)} = (1 - \frac{1}{t_{c}}) \cdot \overset{&OverBar;}{R_{i} (t - 1)} + \frac{1}{t_{c}} \cdot {DRC}_{i} (t - 1) - - - (4)

式中，t_c为更新时间窗，其长度通常有严格的要求，一般要足以覆盖快衰落的变化，并且满足用户的时延要求。

从上述三种经典的调度算法不难看出，RR算法被认为是一种最为公平的算法，但由于轮循调度并未考虑到小区内各个不同用户业务的QoS需求及用户所处无线信道条件上的差异性，因此该算法的资源利用率不高，且系统吞吐量较低。

MAX C/I算法能获得较高的吞吐量、频谱利用率较高，但对于距离基站近的用户由于其信道条件好会一直接收服务，而处于小区边缘的用户由于C/I较低，这些用户将得不到服务机会，甚至会出现“饿死现象”，因此该算法是最不公平的。

PF是基于部分公平的调度算法，在公平性和整体调度效率之间做了一个折中。PF不是最公平的，效率也不是最高的，但它却是相对公平和相对有效的算法，其主要缺点是没有考虑不同业务的服务质量（Quality of Service，QoS）要求，特别是时延的要求。

而如果能够同时实现吞吐量和公平性的提升，将会很有意义。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，克服小区吞吐量和公平性之间不易折中的问题，在一定程度上提高了小区的吞吐量和用户之间的公平性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，包括以下步骤：

1）基站计算小区内所有用户的SINR数值；

2）设置SINR阈值，将大于等于SINR阈值的用户区分为小区中心用户组Ⅰ，将小于SINR阈值的用户区分为小区边缘用户组Ⅱ，并将小区内总的资源块数分配给小区中心用户组Ⅰ和小区边缘用户组Ⅱ用以调度；

3）在一个时间窗内，基站依据CQI机制依次为每组内的用户分配相应的资源块，分别对小区中心用户组Ⅰ与小区边缘用户组Ⅱ采用PF调度方法和RR调度方法进行调度；

4）下一个时间窗开始后，基站对小区内当前剩余用户再次计算其各自的SINR数值，按照步骤1）～3）进行调度直至小区内用户调度结束。

所述的计算用户的SINR数值的方法为：

对于任意时刻t，任意小区n，分别计算出当前用户i距离基站的距离L_i，天线增益A_i及相邻小区对该用户的干扰I_i，则用户i的SINR数值由下式确定：

{SINR}_{i} = \frac{P_{TX} - L_{i} - A_{i}}{Noise + I_{i}}

其中P_TX为当前小区的基站发射功率，Nosie为系统热噪声。

所述的SINR阈值为当前时间窗内参与SINR数值计算的用户的平均值。

所述小区中心用户组Ⅰ和小区边缘用户组Ⅱ所分配的资源块的比例为8：2～9：1。

基站依据CQI机制依次为每组内的用户分配相应的资源块，每个用户的SINR值通过下式得到其对应的CQI数值：

CQI_i=fix(0.35*SINR_i+1)+1,SINR_i∈[-2,42]；

然后再参照CQI与MCS以及资源块数的映射关系，得到对于该用户在调度过程中所采取的调制方式、编码速率、编码效率以建议分配的资源块数目。

所述步骤3）中对小区中心用户组Ⅰ的调度为：

对小区中心用户组Ⅰ内的用户，依据CQI机制依次为用户分配相应的资源块，按照PF调度算法进行调度，其调度优先级定义如下：

P_{i} (t) = \frac{{DRC}_{i} (t)}{\overset{&OverBar;}{R_{i} (t)}}

式中，DRC_i(t)指第i个用户在t时刻能达到的最大速率；而指该用户在t时刻之前的平均传输速率，的更新符合以下规则：

\overset{&OverBar;}{R_{i} (t)} = (1 - \frac{1}{t_{c}}) \cdot \overset{&OverBar;}{R_{i} (t - 1)} + \frac{1}{t_{c}} \cdot {DRC}_{i} (t - 1)

式中，t_c为更新时间窗。

所述步骤3）中小区边缘用户组Ⅱ的调度为：

对小区边缘用户组Ⅱ内的用户，依据CQI机制依次为用户分配相应的资源块，按照RR调度算法进行调度，每个用户的调度优先级均相同，设该组内有N个待调度用户，则每个用户被调度的概率如下：

P_{i} (t) = \frac{1}{N}, i &Element; [1, N]

式中，N为组内待调度的用户总数，i是待调度用户中的第i个用户，其取值范围为[1,N]的任一整数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，基于LTE系统，通过计算各个用户的SINR数值、设置合理的分组SINR阈值，将用户分为小区中心用户组Ⅰ和小区边缘用户组Ⅱ，便于调度资源块的合理分配，小区中心用户组Ⅰ可分配相对较多的资源块用以调度，提高系统吞吐量；而小区边缘用户分配相对较少的资源块组Ⅱ，以防止出现“饿死”现象；

同时结合CQI反馈参数为各用户分配相应的调度资源块并确定相应的MCS，由于CQI反馈参数是由信道所支持的数据速率，并考虑用户的SINR和接收机的特征，这样就能较为便捷地为每个用户选取相应的调制方式、编码速率、编码效率和资源块数目，从而降低了系统的信令开销，有利于提高系统的吞吐量和用户间的公平性；

然后运用不同的调度算法对各分组内的用户实施调度，由于小区中心用户具有相对较好的信道条件，采用PF算法对组Ⅰ内用户实施调度可以提高系统吞吐量，同时也能兼顾到用户的公平性；由于小区边缘的用户具有相对较差的信道条件，采用RR算法对Ⅱ内用户实施调度可以保证用户间的长期公平性，且实现较为简单。

通过构建LTE系统仿真模型，本发明提供的基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，与PF算法进行仿真对比，由仿真结果得出该算法较PF算法在一定程度上提高了小区的吞吐量和用户之间的公平性。

附图说明

图1是主要模块关系示意图；

图2是用户运动模型示意图；

图3是PF算法资源分配示意图；

图4是RR算法资源分配示意图；

图5是SINR与CQI对应关系图；

图6是吞吐量随时间窗t_c在改进算法与PF算法的对比图；

图7是用户间的公平性随时间窗t_c在改进算法与PF算法的对比图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，包括以下步骤：

1）基站计算小区内所有用户的SINR数值；

下面从所进行调度的模型和具体的操作步骤进行说明。

首先给出对基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法进行说明的系统模型。

1、构建系统模型（参见图1、图2）

（1）蜂窝小区模型

本系统采用的网络拓扑结构是三层19个蜂窝小区模型，每个小区半径为500m，基站位于小区的中心，每个小区由定向天线划分为三个扇区，每个小区会受到来自其它18个小区的干扰。

（2）用户运动模型

用户与基站之间的距离不得小于35米，小区半径为R，用户的坐标为（x,y），运动角度为angle，移动速率为V，位置更新时间为TTI，则任一用户的坐标分布范围为x∈[-R,R]，其位置更新公式为：

x_i(t)=x_i(t-1)+V·TTI·cos(angle) （5）

y_i(t)=y_i(t-1)+V·TTI·cos(angle) （6）

（3）信道模型

本系统中假设是在市区或近郊的通信环境，路径损耗公式为：

L_i=40(1-40×10^-3·H_b)·lg(d_i)-18·lg(H_b)+21·lg(f_c)+80(dB) （7）

式中，H_b表示基站天线相对于平均建筑物顶部的高度，d表示为用户到基站的距离，f_c为载波的中心频率。

天线增益计算公式为：

式中，其中，θ定义为链路与天线视轴方向的夹角，θ_3dB是3dB波束带宽，A_m是最大衰减量。

系统采用的是三层19蜂窝小区结构且频率复用因子为1，所以每个子载波都会受到来自于其余18个小区的同样频率的子载波带来的干扰。

系统内存在噪声则采用的是热噪声，其频谱为-174dBm/Hz。

（4）业务模型

采用一种较为简单却很实用的FullBuffer模型，即基站侧可以时刻发送数据，用户侧也可以时刻准备着接收数据。

2、计算小区内所有用户的SINR数值

{SINR}_{i} = \frac{P_{TX} - L_{i} - A_{i}}{Noise + I_{i}}

式中P_TX为基站发射功率，其取值为43dBm;Nosie为系统热噪声，其功率谱密度为-174dBm/Hz。

3、设置当前时间窗内参与SINR数值计算的用户的平均值为SINR阈值用以区分为信道质量较好的小区中心用户组Ⅰ和信道质量较差的小区边缘用户组Ⅱ，并对两组分配不同的资源块用以调度。

（1）用户类别的划分规则

当用户i满足SINR_i≥SINR_thr时,判定为小区中心用户，分为组Ⅰ；当用户i满足SINR_i<SINR_thr时,判定为小区边缘用户，分为组Ⅱ，SINR_thr为SINR阈值，具体为当前时间窗内参与SINR数值计算的用户的平均值。

（2）资源块的划分规则

假设当前小区内可供调用的资源块总数目为N_RB=100，则给组Ⅰ分配90%×N_RB=90个资源块用以调度；给组Ⅱ分配10%×N_RB=10个资源块用以调度。

4、分别对组Ⅰ与组Ⅱ采用比例公平算法（PF）和轮循算法（RR）进行调度。

（1）参见图3，对组Ⅰ内的用户，依据CQI机制依次为用户分配相应的资源块，按照PF调度算法进行调度，其调度优先级定义如下：

P_{i} (t) = \frac{{DRC}_{i} (t)}{\overset{&OverBar;}{R_{i} (t)}}

式中，DRC_i(t)指第i个用户在t时刻能达到的最大速率；而指该用户在时刻t之前的平均传输速率，它的更新符合以下规则：

\overset{&OverBar;}{R_{i} (t)} = (1 - \frac{1}{t_{c}}) \cdot \overset{&OverBar;}{R_{i} (t - 1)} + \frac{1}{t_{c}} \cdot {DRC}_{i} (t - 1)

（2）参见图4，对组Ⅱ内的用户，依据CQI机制依次为用户分配相应的资源块，按照RR调度算法进行调度，每个用户的调度优先级均相同，其被调度的概率定义如下：

P_{i} (t) = \frac{1}{N}, i &Element; [1, N]

式中，N为组内待调度的用户总数，i特指所有待调度用户中的第i个用户，其取值范围为[1,N]的任一整数。由上式可知，小区内的任一用户被调度的机会是相等的。

（3）所述的CQI机制基于一套误块率（Block Error Rate,BLER）,用户基于测量的接收信号质量根据相应的调制和编码方案（Modulation andCoding Scheme,MCS）报告CQI值。

CQI_i=fix(0.35*SINR_i+1)+1,SINR_i∈[-2,42] （9）

具体的图5是SINR与CQI对应关系图，表1是CQI与MCS以及资源块数的映射关系表，

表1CQI与MCS以及资源块数的映射关系表

CQI标记	调制	编码速率	编码效率	建议分配的资源块数目
					1	无传输	-	-	0
2	QPSK	78	0.1523	1
					3	QPSK	120	0.2344	5
4	QPSK	193	0.3770	10
					5	QPSK	308	0.6016	15
6	QPSK	449	0.8770	16
					7	QPSK	602	1.1758	20
8	16QAM	378	1.4766	35

9	16QAM	490	1.9141	35
					10	16QAM	616	2.4063	40
11	64QAM	466	2.7305	75
					12	64QAM	567	3.3223	75
13	64QAM	666	3.9023	75
					14	64QAM	772	4.5234	85
15	64QAM	873	5.1152	95
					16	64QAM	948	5.5547	100

由每个用户的SINR值通过上述公式（9）可得到其对应的CQI数值，再参照表1可得到对于该用户在调度过程中所应采取的调制方式、编码速率、编码效率以建议分配的资源块数目。

5、下一个时间窗开始后，对当前小区内剩余用户重新计算其各自的SINR数值，并重新划分为两组，分别采取上述两种调度算法，直至调度结束。

按照表2所示的系统仿真参数设置表来构建LTE系统仿真模型，对本发明的调度方法与PF调度方法进行对比。

结果如图6、表3、表4、图7所示，结果表明本发明的调度方法与PF调度方法在一定程度上提高了小区的吞吐量和用户之间的公平性。

表2系统仿真参数设置表

参数	数值
		用户总数（UE）	500
资源块（RB）总数	100
		资源块（RB）大小	12个子载波
用户分配资源块个数（N_PRB）	表1
		基站发射功率（P_TX）	43dBm

基站高度（H_b）	50m
		热噪声功率（Noise）	-174dBm/Hz
用户移动速度（V）	3km/h
		传输时间间隔（TTI）	0.001s
仿真时间（T）	1000*TTI
		时间窗参数（t_C）	1000
调制方式（MCS）	QPSK、16QAM、64QAM
		码率	表1
中心频率(f_C）	2000MHz

表3本发明与PF算法系统吞吐量对比表

表4本发明与PF算法用户间公平性对比表

Claims

1.一种基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基站计算小区内所有用户的SINR数值；

2)设置SINR阈值，将大于等于SINR阈值的用户区分为小区中心用户组I，将小于SINR阈值的用户区分为小区边缘用户组II，并将小区内总的资源块数分配给小区中心用户组I和小区边缘用户组II用以调度；

3)在一个时间窗内，基站依据CQI机制依次为每组内的用户分配相应的资源块，分别对小区中心用户组I与小区边缘用户组II采用PF调度方法和RR调度方法进行调度；

4)下一个时间窗开始后，基站对小区内当前剩余用户再次计算其各自的SINR数值，按照步骤1)～3)进行调度直至小区内用户调度结束；

所述的计算用户的SINR数值的方法为：

{SINR}_{i} = \frac{P_{TX} - L_{i} - A_{i}}{Noise + I_{i}}

其中P_TX为当前小区的基站发射功率，Nosie为系统热噪声；

所述的SINR阈值为当前时间窗内参与SINR数值计算的用户的平均值；

所述步骤3)中对小区中心用户组I的调度为：

对小区中心用户组I内的用户，依据CQI机制依次为用户分配相应的资源块，按照PF调度算法进行调度，其调度优先级定义如下：

P_{i} (t) = \frac{{DRC}_{i} (t)}{\overset{&OverBar;}{R_{i} (t)}}

式中，DRCi(t)指第i个用户在t时刻能达到的最大速率；而指该用户在t时刻之前的平均传输速率，的更新符合以下规则：

\overset{&OverBar;}{R_{i} (t)} = (1 - \frac{1}{t_{c}}) \cdot \overset{&OverBar;}{R_{i} (t - 1)} + \frac{1}{t_{c}} \cdot {DRC}_{i} (t - 1)

式中，t_c为更新时间窗。

2.如权利要求1所述的基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，其特征在于，所述小区中心用户组I和小区边缘用户组II所分配的资源块的比例为8∶2～9∶1。

3.如权利要求1所述的基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，其特征在于，基站依据CQI机制依次为每组内的用户分配相应的资源块，每个用户的SINR值通过下式得到其对应的CQI数值：

CQI_i＝fix(0.35*SINR_i+1)+1，SINR_i∈[-2，42]；

4.如权利要求1所述的基于CQI反馈参数和SINR数值分组的调度方法，其特征在于，所述步骤3)中小区边缘用户组II的调度为：

对小区边缘用户组II内的用户，依据CQI机制依次为用户分配相应的资源块，按照RR调度算法进行调度，每个用户的调度优先级均相同，设该组内有N个待调度用户，则每个用户被调度的概率如下：

P_{i} (t) = \frac{1}{N}, i &Element; [1, N]

式中，N为组内待调度的用户总数，i是待调度用户中的第i个用户，其取值范围为[1，N]的任一整数。