基于高速铁路的lte无线资源调度算法研究-徐岩.pdf

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1、第38卷第9期 铁 道 学 报 V0138 No92 O 1 6年9月 JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY September 20 1 6文章编号：10018360(2016)09008105基于高速铁路的LTE无线资源调度算法研究徐 岩， 李 露(兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州 730070)摘要：LTE作为新一代的移动通信系统，具有带宽大、覆盖能力强、频谱效率高等特点，能够更好地满足逐渐增长的多媒体业务需求，但是无线资源的局限性仍然存在，用户业务的多样性、高铁环境的特殊性加大了对频谱资源最大化合理利用研究的挑战。本文针对高速铁路的特点，在对

2、经典的LTE资源调度算法分析的基础上，提出基于提高列车用户公平性的p-PF算法，并对改进后的算法进行仿真分析。仿真结果表明，在不同的列车速度、用户数和业务类型下，该算法既保证了列车用户吞吐量也有效提高了列车用户的公平性，能够更好的适应高速环境。关键词：LTE；高速铁路；资源调度算法；公平性；吞吐量中图分类号：TN9295 文献标志码：A doi：103969jissn10018360201609012Research on Wireless Resource Scheduling Algorithm ofLTE System within High_。speed RailXU Yan。 LI

3、Lu(SchooI of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)Abstract：LTE as a new generation of mobile communication system characterized by large bandwidth，highcoverage capacity and high spectrum efficiency，can better meet the growing demand of multimedia se

4、rviceHowevergiven the limit of wireless resource，the diversity of user services and the particularity of high speedrail environment have increased the challenge of the research on the maximization of the rational utilization ofspectrum resourceIn response to the characteristics of high speed railway

5、，based on the analysis of the elassicalLTE resource scheduling algorithm，a packet scheduling algorithm p-PF which aims tO improve the fairness oftrain users was proposed and a performance simulation on the improved algorithm was made in this paperThesimulation results showed that，under different tra

6、in speeds，number of users and service types，the p-PF algorithm can better adapt tO high。speed railway environment by not only ensuring the throughput of the train US。-ers，but also effectively improving the fairness of themKey words：LTE；highspeed railway；resource scheduling algorithm；fairness新一代移动通信系

7、统LTE在网络结构，网络性能上较2G和3G系统都有较大的改善，能够获得高的数据速率支持更多的实时多媒体业务1。LTE采用OFDM和MIMO等先进的无线传输技术，有效的扩大了无线资源，提高了频谱利用率，其无线接入网采用只有单1节点eNodeB的扁平化架构，直接和LTE用户终端进行数据信息的交互，主要负责1个或多个小区的无线资源管理。分组调度是无线资源管理的主要收稿日期：20150905；修回日期：20151030作者简介：徐岩(1965一)，男，江苏南通人，教授，硕士。E-mail：xuyanmailIzjtucn功能之一，当多个用户竞争无线资源时，确定用户服务顺序，尽量保障用户公平性，使系统资

8、源得到有效利用是分组调度的主要工作。调度算法是无线资源分组调度的关键所在，调度器2根据用户信道质量反馈信息，以调度算法为承载，决定调度哪个用户，分配给它们哪些子载波，从而得到多用户分集，提高无线资源的利用率。1 LTE的资源调度在LTE系统中，采用通用的动态调度方法，对每万方数据82 铁 道 学 报 第38卷一个无线资源调度的基本单位，调度器都根据用户设备资源请求分配资源啪，它是完成资源调度的功能实体，其模型见图1，具体功能为图1通用分组调度器模型(1)调度器需要知道每条链路的信道状态信息CSI。在单发天线或是发射分级的情形下，调度器需知晓CSI功率部分SINR参数。在多发射天线的情形下，调度

9、器还需要知道CSI中的相位信息，以便利用空间维度增加系统的容量。(2)物理层提供动态调度信令，用来授权终端占用某些资源进行传输接收数据，调度器需权衡调度信令的开销和业务信道容量。(3)对于系统的上行链路，网络需要知道终端发送缓冲器的状态，功率提升是否还有余量，是否需要调度来运行数据发送等信息，以便eNodeB有效的调度上行资源。2 LTE调度算法经典的LTE无线资源调度算法有轮询(RR)算法、最大载干比(MAX ci)算法和比例公平算法(PF)4。RR算法是按照次序给网络内所有用户分配资源，保证了网络内所有用户的服务机会均等，是调度算法的公平性上界。MAX cI算法是根据网络内所有用户的载干比

10、决定哪个用户可以被服务，将所有用户按照载干比的大小进行排序，在每个时间间隔内总是选择载干比最大的用户进行资源分配，从而很好地提高了系统的吞吐量。PF算法则是依据终端反馈的信息，按照相应的比例关系，给用户分配1个相应的优先级，同时兼顾了用户当前的信道质量和公平性。3种经典调度算法的特点总结见表15，从表中分析可以看出3种基本调度算法中性能最好的是PF算法，达到了RR算法和MAX CI算法性能的折中，既有较高的吞吐量也有较好的公平性，是1种具有代表性的调度算法。表1不同算法性能比较3高铁环境下LTE调度算法铁路沿线一般采用线状的覆盖方式，但在市区内或是铁路沿线相隔较近的地带，会有公网的面状覆盖嘲。

11、当列车行驶至铁路沿线的蜂窝小区时，普通用户随机分布在小区内，与列车用户共同享用无线资源。列车高速运行引起的多普勒频移、信道环境恶劣等问题使列车用户的通信环境变差，影响资源竞争的公平性7|。另外，采用车载中继解决车体穿透损耗并未考虑当列车穿过蜂窝小区，列车用户与普通用户参与资源竞争时，被eNodeB当作单个独立用户进行调度并分配资源的问题，而实际上列车内有多个用户，分配到的资源被分割，这样列车内的每个用户得到的无线资源更少，无线信号传输成功率更低，从而进一步影响列车用户竞争资源的公平性嘲。由于经典的LTE资源调度算法均没有考虑高速铁路的特殊性，无法使列车用户和普通用户之间公平的竞争无线资源。本文

12、基于此提出了旨在提高列车用户公平性的改进比例公平算法(p-PF)。该算法的核心是加入了列车用户数目提高列车用户优先级，从而改善列车用户的公平性，其表达式为 卜黼。l。 R?()9【一 -T。()式中：m表示列车用户；咒表示普通用户；指数参数“和口调节用户瞬时速率和平均吞吐量的比重。本文不考虑这两个参量变化对算法性能的影响，因此设定“=口=1。在每个调度时隙将资源分配给优先级最大的用户k。(愚(mU 7z)，可表示为k。g耻argmax(哿)fT。() (2)11=J弋FI T。()式中：平均吞吐量T。()，k(仇U咒)的更新规则为Tl()=等T(一1)+R(一1)g(忌)万方数据第9期 王艳辉

13、等：基于改进FPGrowth算法的CRHX型动车组牵引系统关联失效模型研究 83鲋，=嚣 ：主乏 pPF算法流程见图2，具体步骤为(墅塑)匿五丽近翮竺型查询每个用户的信道质量反馈CQI，并计算用户的瞬时速率查询氲个用户在过去1-v*个时隙内的吞吐量死(I)统计上报的列车用户数“将瞬时速率和吞吐量的计算值代入优先级计算公式，得出每个用户的优先级(对列车用户和普通用户的优先级区分计算)将所有用户按照优先级由大到小排序，得到数组Se_IleaaeHJ,为用户编号面石度的芜夏磊凉岁根据更新公式更新用户状态图2 p-PF算法流程图结束Stepl首先eNodeB判断是否有可利用的资源以及需要调度的用户集【

14、，(1，2，k)；Step2若无，在这一时隙就不需要调度，任何1个没有数据传送的用户在这次计算中都会被忽略；若有，eNodeB发送小区特定参考信号给UE，UE估计CQI上报给eNodeB，并计算UE的瞬时速率；Step3 eNodeB统计车载中继上报的列车用户数目U。并进行周期性的上报；Step4根据改进算法的度量值计算式，对所有用户计算优先级；Step5将用户优先级从大到小排序，在每个调度时隙调度优先级最高的用户愚。，；Step6 eNodeB分配资源并通知UE，并且将在哪个时隙哪个载波上传输数据的具体信息告诉UE；Step7依次调度每个用户，并根据更新公式更新每个用户的平均吞吐量。4仿真及

15、结果分析仿真参数配置见表2。裹2仿真参数配置表参数 取值场景基站发射功率dBm小区分布小区半径m路径损耗dB阴影衰落标准差dB载波频率GHz系统带宽MHzTTI长度ms列车速度(kinh“)业务类型列车穿过蜂窝小区4611 700L=128I+37619d82101120，200，300FTPVideo41 基于不同速度下的仿真列车沿直线在铁轨上行驶，普通用户随机分布在小区内与列车用户共同抢占资源，对4种诃度算法进行公平性和吞吐量的仿真，结果见图3、图4。e二五堇捌古|临露斗止暖O6羹o4趔睁02盘O算法种类图3不同算法下公平性的比较一 (a)t，=120k舶 旺o】)口：200 km，IIB

16、20 24 28 32 36叁 用户数(c)v=300 kmhPF算法；十pPF算法；+MAXC，I算法；一RR算法。图4不同速度下4种算法列车用户平均吞吐量比较在图4中可见不同速度下获得最高平均吞吐量的是MAX CI算法，最小的是RR算法，与预期结果一致。但综合图3中用户的公平性，pPF算法的优势就凸显出来，在4种算法中既有较好的吞吐量也有较高的公平性，性能是最好的。这是因为pPF算法考虑州J鲨M一腿I一阡I一一万方数据84 铁 道 学 报 第38卷了场景的特殊性，增加了列车用户数目这个参数，使列车上的用户数与优先级成正比，提高了列车上用户的公平性，获得了较好的吞吐量。表3给出了用户数为30

17、时，不同速度不同算法下平均吞吐量数值。从表3中数值可以看出，用户平均吞吐量随着列车速度的不断提高而降低，这是因为速度的不断提高使列车用户的信道质量变差，误码率增大，数据传输成功率降低。表3用户数为30时平均吞吐量的比较 Mbits列车速度(kinh_1)算法种类120 200 30042基于不同业务下的仿真在实际应用中，移动通信系统的业务类型很多，基本上可以分为实时性业务和非实时性业务。本文选取较为典型的FTP业务和Video业务，并对公平性和吞吐量进行仿真，其典型参数为FTP业务平均时延为300 ms，Video业务平均时延为100 ms。(1)公平性图5给出了不同业务下两种算法的公平性比较

18、。可见，当用户数相同时，两种业务下采用p-PF算法列车用户的公平性均得到提高，达到了理论分析的结果。另外随着用户数目的增加公平性指数均呈下降趋势，但p-PF算法下的公平性指数仍然比PF算法高，保障了调度的公平性。20 24 28 32 36用户数 用户数(a)F1甲业务 Co)Video ql,务一PF算法；斗pPF算法图5不同业务下两种算法的公平性比较(2)吞吐量图6给出了用户平均吞吐量与列车用户数目的变化曲线。可见在不同业务承载方式下，采用p-PF算法的用户平均吞吐量高于PF算法。p-PF算法提高了列车用户的优先级，使其可以得到优先服务，数据优先得到传输，有效的增加了列车用户的服务数量，提

19、升了列车用户的吞吐量。用尸数 用尸数(a)丌P业务 Video务一PF算法；pPF算法。图6不同业务下两种算法平均吞吐量比较表4、表5列出了两种业务下用户平均吞吐量数值。从表中可见，用户数为36时，FTP业务承载下采用p-PF算法的用户平均吞吐量增加了约o5 Mbits，比PF算法吞吐量提高了约32。Video业务承载下采用p-PF算法的用户平均吞吐量增加了约0068Mbits，比PF算法吞吐量提高了约25。哀4 FIP业务中两种算法不同用户数下平均吞吐量比较 Mbits用户数目算法类型用户数目算法类型20 24 28 32 365 结论高铁环境的复杂性使列车用户的通信环境更加恶劣，对列车用户

20、业务的实现有很大的挑战性。本文重点研究了高速铁路环境下的资源调度算法，设立了当列车穿过蜂窝小区时，普通用户和列车用户同时存在的场景，并提出了适合此场景下的改进比例公平(PPF)算法。通过仿真分析可知p-PF算法在保证列车用户吞吐量的同时有效提高了列车用户的公平性，能够更好的适应高铁环境；另外为了进一步验证p-PF算法的性能，本文选取了两种典型的业务：FTP业务和Video业务，仿真结果表明在不同的业务负载下，PPF算法均能有效改善列车用户的公平性。孝们叭o：孥兰万方数据第9期 王艳辉等：基于改进FPGrowth算法的CRHX型动车组牵引系统关联失效模型研究 85参考文献：1ALFAYLY A，

21、MKWAWA I，SUN L，et a1QoE-basedPerformance Evaluation of Scheduling Algorithms overLTECProceedings of IEEE International Conferenceon Globecom Workopssh(GC Wkshps)New York：IEEE，2012：1 362-1 36623 SUN Y，LEE c Y，jo J M，et a1Study on the Effectiveness of High-speed Railway Communication and SignalingSyst

22、em Based on 4G LTE TechnologyI-CProceedings ofIEEE 13th International Conference on Control，Automation and Systems Control(ICCAS)NewYork：IEEE，2013：402-4063卢美莲，张锴一种支持LTE语音业务的优先级半持续调度机制J西安电子科技大学学报，2013，40(2)：142147LU Meilian。ZHANG KaiPriority Semi-persisting Scheduling Scheme for Voice over LTE Servic

23、eJJournal ofXidian University：Natural Science Edition，2013，40(2)：1421474杨勇，石慧，郑秀萍LTE系统下行链路中无线资源分组调度算法研究i-J科技情报开发与经济，2009，19(19)：136138YANG Yong，SHI Hui，ZHENG XiupingA Research onPacket Scheduling Algorithms for LTE Downlink SystemJTechnical Information Development&Economy,2009，19(19)：1361385ARUNABHA

24、 G，ZHANG Jun，JEFFREY GLTE权威指南M北京：人民邮电出版社，20121-67郑培超，贾韶军，宋瀚涛，等LTE系统上行保证服务质量的分组调度算法口电子科技大学学报，2009，38(2)：186189ZHENG Peichao，jIA Shaojun，SONG Hantao，et a1QoSGuaranteed Packet Scheduling Algorithm for LTE UplinkSystemsJ7Journal of University of Electronic Science andTechnology of China，2009，38(2)：18618

25、97蒋新华，朱铨，邹复民高速铁路3G通信的覆盖与切换技术综述J计算机应用，2012，32(9)：2 385-2 390JIANG Xinhua，ZHU Quan，ZOU FuminReview of Cov-erage and Handoff Technologies of 3G Communication forHigh-speed Railway-JJournal of Computer Applications，2012，32(9)：2 3852 3908张敏，李毅，舒培炼高速铁路列车车厢穿透损耗应用探析J移动通信，2011，35(2)：2125ZHANG Ming，LI Yi，SHU

26、PeilianHigh-speed Rail TrainCarriages Through Loss Application AnalysisJMobileCommunications，2011，35(2)：21-25(责任编辑：江峰)址址址址址址址J止lL，址址址址址址址L扯址址址址址址4lL-IL址4L址址址IL址址-L址址-L址JL址ILlL址4L址址址-L“中国最北高铁哈齐高铁开通运营一周年2016年8月17日，我国最北高铁哈齐高铁开通运营一周年。一年来，哈齐高铁经历了春运、暑运和十一黄金周等节假日客流高峰，经受住了冬季最低一40的极寒天气考验，累计开行动车组列车22 653趟次，运送

27、旅客1 251万人次，日均运送34万人次。哈齐高铁是国家中长期铁路网规划的重要组成部分，是哈尔滨、大庆、齐齐哈尔三大城市间的重要快速铁路通道，也是中国目前最北端的、纬度最高的高寒高速铁路，对完善中国东北地区铁路网结构，加快哈大齐工业走廊经济发展和沿线城镇化进程，促进东北老工业基地振兴，具有重要意义。哈齐高铁，全长279 km，2009年11月开工建设，2015年5月开始联调联试，7月开始试运行，8月17日开通运营，运营初期时速为250 km。哈齐高铁开通运营以来，先后经历4次调图，从开通初期每天开行20对动车组增加到目前的34对，往返哈齐间动车组每天有51万个席位，加上既有线普速列车，哈齐间每

28、天共86万个席位，运能比哈齐高铁开通运营前增加了1倍，今年五一小长假期间创造单日运送旅客62万人次的最大客流纪录。哈齐高铁开通运营一年来，哈尔滨至齐齐哈尔间85 min的最短运行时间较既有线铁路压缩了12以上，速度给人们出行带来全新的体验与变化。哈尔滨与大庆、齐齐哈尔快速对接，形成了一张“1小时交通网”，“同城生活”成为高铁沿线人们最大的福利。如今，哈齐高铁已与哈大高铁衔接，使黑龙江百姓出行更为便捷。2016年春运期间，哈齐高铁沿线遭遇了最低一40。C极寒天气。铁路运输系统针对动车组车体防寒、底盘防挂冰、车门防冻等难题，组织相关单位进行技术攻关，对动车组车体零件、密封胶条、制动系统等19个重点项目进行防寒改造，全力破解了动车组在极寒天气下运行难题，确保了哈齐高铁在冬季安全平稳运行，为我国高铁在极寒天气下运营积累了丰富经验。万方数据