摘  要： 根據(jù)LTE系統(tǒng)的原理和模塊構(gòu)成，分析并建立了一個基于MATLAB的系統(tǒng)級仿真平臺。針對LTE系統(tǒng)中被廣泛認可的輪詢、比例公平和最大載干比三種經(jīng)典調(diào)度算法，利用仿真平臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對三者的性能進行比較和評估。此外，針對用戶不同的運動模式進行多次仿真后，得到在高速和低速場景中LTE系統(tǒng)平均吞吐量的變化情況并加以分析。

　　關(guān)鍵詞： LTE；分組調(diào)度算法；場景模擬；吞吐量；系統(tǒng)級仿真

0 引言

　　在當前移動通信寬帶化的趨勢下，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）為了對抗其他移動寬帶無線接入技術(shù)而提出了從3G向4G過渡的長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)。LTE采用了頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）和自適應技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)，增強了3G的空中接口，并有效提高了峰值速度，實現(xiàn)了靈活的頻譜帶寬配置。但系統(tǒng)性能得到大幅度提升的同時，實現(xiàn)的復雜度大大提高，所以需要LTE系統(tǒng)級仿真器對其進行性能和關(guān)鍵技術(shù)的分析與驗證。

　　本文根據(jù)3GPP協(xié)議TR 25.814[1]的參數(shù)要求，建立了一個基于MATLAB的系統(tǒng)級仿真平臺。該平臺采用混合編程技術(shù)，部分模塊采用C語言編寫，大大加快了仿真速度。仿真結(jié)果采用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）編程技術(shù)直觀地表示出來，可以方便查看任一基站任一扇區(qū)任一用戶的吞吐量曲線。利用該仿真平臺，本文對目前較為成熟的輪詢、比例公平和最大載干比三種調(diào)度算法進行比較分析。并且模擬出幾個不同的場景，研究用戶終端的移動速度對系統(tǒng)性能的影響。

1 LTE系統(tǒng)仿真模塊簡介

　　1.1 LTE系統(tǒng)仿真框架

　　本文從系統(tǒng)整體層面[2]對LTE進行動態(tài)仿真，仿真器包括小區(qū)和信道模型的建立、鏈路級映射、RRC模塊和調(diào)度算法等幾個關(guān)鍵部分，仿真平臺的系統(tǒng)構(gòu)成框架如圖1所示。

　　1.2 信道模型

　　信道模型主要是將測試所獲得的數(shù)據(jù)通過幾何統(tǒng)計的方法進行數(shù)學建模，然后根據(jù)不同場景和參數(shù)的設定，對無線通信系統(tǒng)的空間信道環(huán)境進行有效的描述，從而在其基礎上進行系統(tǒng)的仿真研究。參照3GPP的技術(shù)規(guī)范[3]，本文設置了Free Space、COST231、TS36942和TS25814四種信道模型，其中包含了大城市、小城市、大郊區(qū)、普通城市和普通郊區(qū)等不同的場景，根據(jù)不同的實際情況的需要靈活地選擇最適合的場景。

　　1.3 小區(qū)模型及Wrap-around技術(shù)

　　小區(qū)模型是由多天線多扇區(qū)構(gòu)成的拓撲結(jié)構(gòu)模型。本系統(tǒng)模擬了一個由7個小區(qū)構(gòu)成的宏小區(qū)，每個小區(qū)的基站位于蜂窩的中心。基站的天線采用120°間隔又將小區(qū)分為3個扇區(qū)。為了保證測試時的數(shù)據(jù)可靠性，系統(tǒng)中所有的用戶被隨機地均勻分布在各個小區(qū)內(nèi)。同時為了理論更加貼近實際，必須考慮各相鄰小區(qū)之間的干擾。所以在7個小區(qū)的基礎上，使用了Wrap-around[4]技術(shù)，如圖2所示，在仿真中實際建立的宏小區(qū)周圍平移復制出6個虛擬的宏小區(qū)，以確保仿真中測試的小區(qū)都有來自外部兩層小區(qū)的干擾。

　　1.4 調(diào)度算法

　　移動通信系統(tǒng)中需要根據(jù)用戶所處的位置來分配相應的信號傳輸信道。LTE系統(tǒng)通過動態(tài)資源調(diào)度的方式，最大程度地保證系統(tǒng)中各個用戶的數(shù)據(jù)吞吐量。目前最普遍的分組調(diào)度算法有輪詢（Round Robin，RR）、比例公平（Proportional Fair，PF）和最大載干比（best CQI）。

　　輪詢算法的原理是假設系統(tǒng)中所有用戶的優(yōu)先級是相等的，然后按照從頭到尾的順序平均地把資源分配給每一個用戶。此算法看似十分公平，但是沒有考慮各個用戶的實際信道條件，這就造成了資源的浪費。而最大載干比算法則不同，它的原理是給信道條件較好的用戶分配較高的優(yōu)先級，這樣可以得到最大的系統(tǒng)吞吐量。通常一個小區(qū)內(nèi)離基站越近的用戶信道條件越好，這樣就會導致小區(qū)邊緣用戶得不到資源分配而大大降低該算法的公平性。為了克服上述兩種算法的缺點，比例公平算法應運而生。它根據(jù)以下規(guī)則來分配用戶的優(yōu)先級[5]：

　　其中，Ri表示當前調(diào)度時刻用戶i的瞬時傳輸速率，表示用戶i在當前時刻之前的平均傳輸速率。由式（1）分析可知，該算法實現(xiàn)的就是讓系統(tǒng)各個用戶的優(yōu)先級與信道質(zhì)量成反比，即信道條件越差的用戶，優(yōu)先級越高。這樣就在吞吐量和公平性之間取得了盡量的平衡。

　　1.5 鏈路-系統(tǒng)接口映射

　　LTE系統(tǒng)中的鏈路具有相當?shù)膹碗s性，為了降低仿真的難度和時間消耗，需要將鏈路和系統(tǒng)仿真分開獨立進行，然后通過一種接口將兩者的數(shù)據(jù)聯(lián)通。目前較為常用的接口算法有兩種[6]：指數(shù)有效信噪比映射（Exponential Effective SINR Mapping，EESM）和互信息有效信噪比映射（Mutual Information Effective SINR Mapping，MIESM），它們的核心思想都是通過壓縮函數(shù)把一組不同的SINR值映射成為單一的SINR值，然后查表獲得真實的SINR值。不同的是，EESM要求每個用戶的子載波必須使用相同的調(diào)制編碼方式，而且它假設用戶的信道環(huán)境在一個子幀里是恒定的，所以該種算法適用于低速/中速多普勒信道衰落環(huán)境。為了克服這種局限性，出現(xiàn)了MIESM算法，它較好地解決了上述EESM的缺陷。

2 系統(tǒng)方案設計與運行流程

　　本文建立的LTE系統(tǒng)的主程序建模分為三個獨立的模塊，分別是程序初始化、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出三部分。

　　程序的運行框圖如圖3所示。初始化部分主要是對發(fā)射功率、仿真時間、信道模型、路徑損耗和陰影衰落模型以及天線模型等系統(tǒng)參數(shù)進行配置。數(shù)據(jù)處理部分主要由無線傳播環(huán)境、鏈路自適應和鏈路-系統(tǒng)級接口等幾個部分組成，是整個系統(tǒng)級仿真的核心部分，負責仿真數(shù)據(jù)的計算和統(tǒng)計。結(jié)果輸出部分主要是對數(shù)據(jù)處理部分得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，并通過GUI的形式將誤碼率、吞吐量等系統(tǒng)性能指標直觀地反映出來。

3 系統(tǒng)仿真與研究

　　3.1 分組調(diào)度算法的分析與比較

　　LTE作為3G向4G過渡的無線蜂窩通信系統(tǒng)，其在多址接入方面進行了較大改進，上行和下行信道分別采用了正交頻分多址（OFDMA）和單載波頻分多址（SC-FDMA）。因此，LTE系統(tǒng)的資源調(diào)度方式與采用CDMA的3G系統(tǒng)有本質(zhì)的不同。作為LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，OFDMA/SC-FDMA可以進行碼域、時域和頻域資源的靈活分配和調(diào)度。其靈活的動態(tài)資源調(diào)度帶來的一個重要變化是不再為特定用戶長時間預留固定的無線資源，而是將用戶數(shù)據(jù)實行分塊化處理，然后根據(jù)調(diào)度算法的規(guī)則將來自多個用戶的數(shù)據(jù)塊，復用在一個共享信道中傳輸。也正是由于此調(diào)度機制的實現(xiàn)流程，該系統(tǒng)能否發(fā)揮優(yōu)異的數(shù)據(jù)傳輸性能，很大程度上依賴于調(diào)度算法的靈活性和高效性。所以本文對目前應用較為廣泛的三種調(diào)度算法進行了研究與比較。

　　首先對設定拓撲結(jié)構(gòu)的小區(qū)進行建模，再在其基礎上實現(xiàn)各個算法的仿真。仿真參數(shù)見表1。

　　分組調(diào)度的主要功能有兩個：

　　（1）在用戶之間分配可用的無線資源，盡量確保系統(tǒng)中每個用戶的服務質(zhì)量。

　　（2）監(jiān)視網(wǎng)絡負載，通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速率來對網(wǎng)絡負載進行匹配。

　　一個調(diào)度系統(tǒng)的性能好壞主要取決于調(diào)度算法的優(yōu)劣，下面將從吞吐量和公平性兩個指標入手，對上述三種調(diào)度算法進行性能比較與評估。通過調(diào)度算法的仿真，本文將測試所獲得的數(shù)據(jù)進行整理和分析后，得到了如圖4、圖5所示的對比圖。

　　對比上述兩圖可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的蜂窩通信系統(tǒng)在小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)傳輸速率有著較大的差異，整個小區(qū)的用戶平均吞吐量明顯高于各邊緣用戶的平均吞吐量，這使得用戶在小區(qū)的不同位置得到的通信服務質(zhì)量會出現(xiàn)不同程度的波動。因此，有必要選擇一種較為合適的資源調(diào)度算法以盡量確保每個用戶都能得到相應的資源分配。

　　如圖4和圖5所示，在相同條件下，三種調(diào)度算法得到的系統(tǒng)平均吞吐量從高到低依次為最大載干比、比例公平和輪詢算法，而在小區(qū)邊緣區(qū)域，用戶的平均吞吐量由高到低依次為比例公平、輪詢和最大載干比。這是因為最大載干比算法盡可能地為小區(qū)中信道質(zhì)量較好的用戶提供資源，而完全忽略了小區(qū)邊緣信道質(zhì)量較差的用戶，所以公平性也是最差的。輪詢算法則不同，它對所有的用戶一視同仁，所以是最公平的，但是它完全不考慮用戶實際的信道情況，平均分配資源的后果就是系統(tǒng)的效率較低。鑒于前兩種算法存在的缺陷，比例公平算法進行了一個折中處理，它兼顧了吞吐量和公平性，所以應用較為廣泛。

　　3.2 用戶終端的移動速度對系統(tǒng)吞吐量的影響

　　在現(xiàn)今交通快速發(fā)展的時代，全國各地的高速公路、高速鐵路不斷建成。那么，當用戶處于高速運動時，經(jīng)常會出現(xiàn)手機接收數(shù)據(jù)的速度明顯變慢的情況。針對此種現(xiàn)象，本文利用LTE系統(tǒng)仿真進行了高速移動環(huán)境下通信系統(tǒng)的分析與研究。根據(jù)上文中運行的LTE系統(tǒng)模擬出兩個場景：第一個場景假設系統(tǒng)中所有用戶都是步行移動，速度設為5 km/h；第二個場景假設系統(tǒng)中所有用戶都在高速移動的汽車或火車上，速度設為100 km/h。對系統(tǒng)進行多次仿真，將得到的數(shù)據(jù)整理和分析后得到圖6所示對比圖。

　　由上圖可知，相對于低速場景，在高速場景中的系統(tǒng)吞吐量明顯降低，系統(tǒng)的性能大大減弱。這是因為當移動終端處于高速運動時，信號的收發(fā)會產(chǎn)生難以克服的多普勒效應，信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indicator，CQI）的反饋跟不上信道的切換速度。再加上車體穿透損耗大，導致了信號質(zhì)量差，從而導致頻譜利用率和系統(tǒng)吞吐量降低的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

　　目前，LTE系統(tǒng)作為從3G向4G過渡的一個階段性標準，在國內(nèi)外均已被廣泛地投入商用。但無論性能多么優(yōu)良的系統(tǒng)都需要一個成熟的仿真平臺進行不斷的更新與優(yōu)化。本文分析并闡述了該系統(tǒng)的功能框架和工作流程，然后基于MATLAB建立了一個LTE系統(tǒng)級仿真平臺。利用該平臺進行了三種經(jīng)典的資源調(diào)度算法的性能比較并加以分析。此外，本文模擬出兩個場景，分析了在用戶終端移動速度改變的情況下LTE系統(tǒng)性能的變化，為該系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了理論參考。

　　參考文獻

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