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(gè)基于MATLAB的系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)。針對(duì)LTE系統(tǒng)中被廣泛認(rèn)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(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)三者的性能進(jìn)行比較和評(píng)估。此外,，針對(duì)用戶不同的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行多次仿真后,，得到在高速和低速場(chǎng)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(chǎng)景模擬；吞吐量,；系統(tǒng)級(jí)仿真

0 引言

　　在當(dāng)前移動(dòng)通信寬帶化的趨勢(shì)下,，第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）為了對(duì)抗其他移動(dòng)寬帶無(wú)線接入技術(shù)而提出了從3G向4G過(guò)渡的長(zhǎng)期演進(jìn)（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(yīng)技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)了3G的空中接口,，并有效提高了峰值速度,，實(shí)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(shí),，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大大提高,，所以需要LTE系統(tǒng)級(jí)仿真器對(duì)其進(jìn)行性能和關(guān)鍵技術(shù)的分析與驗(yàn)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(gè)基于MATLAB的系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)采用混合編程技術(shù),，部分模塊采用C語(yǔ)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(lái),，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(tái)，本文對(duì)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(jìn)行比較分析,。并且模擬出幾個(gè)不同的場(chǎng)景，研究用戶終端的移動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響,。

1 LTE系統(tǒng)仿真模塊簡(jiǎn)介

　　1.1 LTE系統(tǒng)仿真框架

　　本文從系統(tǒng)整體層面[2]對(duì)LTE進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,，仿真器包括小區(qū)和信道模型的建立、鏈路級(jí)映射,、RRC模塊和調(diào)度算法等幾個(gè)關(guān)鍵部分,，仿真平臺(tái)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(cè)試所獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)幾何統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,，然后根據(jù)不同場(chǎng)景和參數(shù)的設(shè)定,，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的空間信道環(huán)境進(jìn)行有效的描述，從而在其基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的仿真研究,。參照3GPP的技術(shù)規(guī)范[3],，本文設(shè)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(chǎng)景，根據(jù)不同的實(shí)際情況的需要靈活地選擇最適合的場(chǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,。本系統(tǒng)模擬了一個(gè)由7個(gè)小區(qū)構(gòu)成的宏小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的基站位于蜂窩的中心,?；镜奶炀€采用120°間隔又將小區(qū)分為3個(gè)扇區(qū)。為了保證測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)可靠性,，系統(tǒng)中所有的用戶被隨機(jī)地均勻分布在各個(gè)小區(qū)內(nèi),。同時(shí)為了理論更加貼近實(shí)際，必須考慮各相鄰小區(qū)之間的干擾,。所以在7個(gè)小區(qū)的基礎(chǔ)上,，使用了Wrap-around[4]技術(shù)，如圖2所示，在仿真中實(shí)際建立的宏小區(qū)周圍平移復(fù)制出6個(gè)虛擬的宏小區(qū),，以確保仿真中測(cè)試的小區(qū)都有來(lái)自外部?jī)蓪有^(qū)的干擾,。

　　1.4 調(diào)度算法

　　移動(dòng)通信系統(tǒng)中需要根據(jù)用戶所處的位置來(lái)分配相應(yīng)的信號(hào)傳輸信道。LTE系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)資源調(diào)度的方式,，最大程度地保證系統(tǒng)中各個(gè)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(shè)系統(tǒng)中所有用戶的優(yōu)先級(jí)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(gè)用戶,。此算法看似十分公平，但是沒(méi)有考慮各個(gè)用戶的實(shí)際信道條件,，這就造成了資源的浪費(fèi),。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(jí),，這樣可以得到最大的系統(tǒng)吞吐量,。通常一個(gè)小區(qū)內(nèi)離基站越近的用戶信道條件越好，這樣就會(huì)導(dǎo)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(diǎn),，比例公平算法應(yīng)運(yùn)而生。它根據(jù)以下規(guī)則來(lái)分配用戶的優(yōu)先級(jí)[5]：

　　其中,，Ri表示當(dāng)前調(diào)度時(shí)刻用戶i的瞬時(shí)傳輸速率,，表示用戶i在當(dāng)前時(shí)刻之前的平均傳輸速率。由式（1）分析可知,，該算法實(shí)現(xiàn)的就是讓系統(tǒng)各個(gè)用戶的優(yōu)先級(jí)與信道質(zhì)量成反比,，即信道條件越差的用戶，優(yōu)先級(jí)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(dāng)?shù)膹?fù)雜性，為了降低仿真的難度和時(shí)間消耗,，需要將鏈路和系統(tǒng)仿真分開獨(dú)立進(jìn)行,，然后通過(guò)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(guò)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(shí)的SINR值,。不同的是，EESM要求每個(gè)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(shè)用戶的信道環(huán)境在一個(gè)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(shè)計(jì)與運(yùn)行流程

　　本文建立的LTE系統(tǒng)的主程序建模分為三個(gè)獨(dú)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(yùn)行框圖如圖3所示,。初始化部分主要是對(duì)發(fā)射功率,、仿真時(shí)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(jìn)行配置,。數(shù)據(jù)處理部分主要由無(wú)線傳播環(huán)境、鏈路自適應(yīng)和鏈路-系統(tǒng)級(jí)接口等幾個(gè)部分組成,，是整個(gè)系統(tǒng)級(jí)仿真的核心部分,，負(fù)責(zé)仿真數(shù)據(jù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。結(jié)果輸出部分主要是對(duì)數(shù)據(jù)處理部分得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，并通過(guò)GUI的形式將誤碼率,、吞吐量等系統(tǒng)性能指標(biāo)直觀地反映出來(lái)。

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(guò)渡的無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng),，其在多址接入方面進(jìn)行了較大改進(jìn),，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L(zhǎng)TE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，OFDMA/SC-FDMA可以進(jìn)行碼域,、時(shí)域和頻域資源的靈活分配和調(diào)度,。其靈活的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度帶來(lái)的一個(gè)重要變化是不再為特定用戶長(zhǎng)時(shí)間預(yù)留固定的無(wú)線資源，而是將用戶數(shù)據(jù)實(shí)行分塊化處理,，然后根據(jù)調(diào)度算法的規(guī)則將來(lái)自多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)塊,，復(fù)用在一個(gè)共享信道中傳輸。也正是由于此調(diào)度機(jī)制的實(shí)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(duì)目前應(yīng)用較為廣泛的三種調(diào)度算法進(jìn)行了研究與比較,。

　　首先對(duì)設(shè)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的小區(qū)進(jìn)行建模,，再在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(gè)：

　?。?）在用戶之間分配可用的無(wú)線資源,，盡量確保系統(tǒng)中每個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量。

　?。?）監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,，通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行匹配。

　　一個(gè)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(gè)指標(biāo)入手,，對(duì)上述三種調(diào)度算法進(jìn)行性能比較與評(píng)估。通過(guò)調(diào)度算法的仿真,，本文將測(cè)試所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析后,，得到了如圖4、圖5所示的對(duì)比圖,。

　　對(duì)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(gè)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(wù)質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng),。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(gè)用戶都能得到相應(yīng)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?yàn)樽畲筝d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(duì)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(shí)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(jìn)行了一個(gè)折中處理，它兼顧了吞吐量和公平性,，所以應(yīng)用較為廣泛,。

　　3.2 用戶終端的移動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響

　　在現(xiàn)今交通快速發(fā)展的時(shí)代,，全國(guó)各地的高速公路、高速鐵路不斷建成,。那么,，當(dāng)用戶處于高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)手機(jī)接收數(shù)據(jù)的速度明顯變慢的情況,。針對(duì)此種現(xiàn)象,，本文利用LTE系統(tǒng)仿真進(jìn)行了高速移動(dòng)環(huán)境下通信系統(tǒng)的分析與研究。根據(jù)上文中運(yùn)行的LTE系統(tǒng)模擬出兩個(gè)場(chǎng)景：第一個(gè)場(chǎng)景假設(shè)系統(tǒng)中所有用戶都是步行移動(dòng),，速度設(shè)為5 km/h,；第二個(gè)場(chǎng)景假設(shè)系統(tǒng)中所有用戶都在高速移動(dòng)的汽車或火車上，速度設(shè)為100 km/h,。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)比圖,。

　　由上圖可知,，相對(duì)于低速場(chǎng)景，在高速場(chǎng)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?yàn)楫?dāng)移動(dòng)終端處于高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)的收發(fā)會(huì)產(chǎn)生難以克服的多普勒效應(yīng),，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(dǎo)致了信號(hào)質(zhì)量差,，從而導(dǎo)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(guò)渡的一個(gè)階段性標(biāo)準(zhǔn),，在國(guó)內(nèi)外均已被廣泛地投入商用。但無(wú)論性能多么優(yōu)良的系統(tǒng)都需要一個(gè)成熟的仿真平臺(tái)進(jìn)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(gè)LTE系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)。利用該平臺(tái)進(jìn)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(gè)場(chǎng)景，分析了在用戶終端移動(dòng)速度改變的情況下LTE系統(tǒng)性能的變化,，為該系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論參考,。

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