摘 要： 根據LTE系統的原理和模塊構成，分析并建立了一個基于MATLAB的系統級仿真平臺。針對LTE系統中被廣泛認可的輪詢、比例公平和最大載干比三種經典調度算法，利用仿真平臺產生的數據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系統平均吞吐量的變化情況并加以分析。
關鍵詞： LTE；分組調度算法；場景模擬；吞吐量；系統級仿真
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而提出了從3G向4G過渡的長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術。LTE采用了頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）和自適應技術作為關鍵技術，增強了3G的空中接口，并有效提高了峰值速度，實現了靈活的頻譜帶寬配置。但系統性能得到大幅度提升的同時，實現的復雜度大大提高，所以需要LTE系統級仿真器對其進行性能和關鍵技術的分析與驗證。
本文根據3GPP協議TR 25.814[1]的參數要求，建立了一個基于MATLAB的系統級仿真平臺。該平臺采用混合編程技術，部分模塊采用C語言編寫，大大加快了仿真速度。仿真結果采用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）編程技術直觀地表示出來，可以方便查看任一基站任一扇區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性能的影響。
1 LTE系統仿真模塊簡介
1.1 LTE系統仿真框架
本文從系統整體層面[2]對LTE進行動態仿真，仿真器包括小區和信道模型的建立、鏈路級映射、RRC模塊和調度算法等幾個關鍵部分，仿真平臺的系統構成框架如圖1所示。
1.2 信道模型
信道模型主要是將測試所獲得的數據通過幾何統計的方法進行數學建模，然后根據不同場景和參數的設定，對無線通信系統的空間信道環境進行有效的描述，從而在其基礎上進行系統的仿真研究。參照3GPP的技術規范[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、普通城市和普通郊區等不同的場景，根據不同的實際情況的需要靈活地選擇最適合的場景。
1.3 小區模型及Wrap-around技術
小區模型是由多天線多扇區構成的拓撲結構模型。本系統模擬了一個由7個小區構成的宏小區，每個小區的基站位于蜂窩的中心。基站的天線采用120°間隔又將小區分為3個扇區。為了保證測試時的數據可靠性，系統中所有的用戶被隨機地均勻分布在各個小區內。同時為了理論更加貼近實際，必須考慮各相鄰小區之間的干擾。所以在7個小區的基礎上，使用了Wrap-around[4]技術，如圖2所示，在仿真中實際建立的宏小區周圍平移復制出6個虛擬的宏小區，以確保仿真中測試的小區都有來自外部兩層小區的干擾。
1.4 調度算法
移動通信系統中需要根據用戶所處的位置來分配相應的信號傳輸信道。LTE系統通過動態資源調度的方式，最大程度地保證系統中各個用戶的數據吞吐量。目前最普遍的分組調度算法有輪詢（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中所有用戶的優先級是相等的，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先級，這樣可以得到最大的系統吞吐量。通常一個小區內離基站越近的用戶信道條件越好，這樣就會導致小區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。它根據以下規則來分配用戶的優先級[5]：
其中，Ri表示當前調度時刻用戶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，該算法實現的就是讓系統各個用戶的優先級與信道質量成反比，即信道條件越差的用戶，優先級越高。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-系統接口映射
LTE系統中的鏈路具有相當的復雜性，為了降低仿真的難度和時間消耗，需要將鏈路和系統仿真分開獨立進行，然后通過一種接口將兩者的數據聯通。目前較為常用的接口算法有兩種[6]：指數有效信噪比映射（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制編碼方式，而且它假設用戶的信道環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境。為了克服這種局限性，出現了MIESM算法，它較好地解決了上述EESM的缺陷。
2 系統方案設計與運行流程
本文建立的LTE系統的主程序建模分為三個獨立的模塊，分別是程序初始化、數據處理和結果輸出三部分。
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參數進行配置。數據處理部分主要由無線傳播環境、鏈路自適應和鏈路-系統級接口等幾個部分組成，是整個系統級仿真的核心部分，負責仿真數據的計算和統計。結果輸出部分主要是對數據處理部分得到的相關數據進行分析，并通過GUI的形式將誤碼率、吞吐量等系統性能指標直觀地反映出來。
3 系統仿真與研究
3.1 分組調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，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系統的資源調度方式與采用CDMA的3G系統有本質的不同。作為LTE系統的關鍵技術之一，OFDMA/SC-FDMA可以進行碼域、時域和頻域資源的靈活分配和調度。其靈活的動態資源調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，而是將用戶數據實行分塊化處理，然后根據調度算法的規則將來自多個用戶的數據塊，復用在一個共享信道中傳輸。也正是由于此調度機制的實現流程，該系統能否發揮優異的數據傳輸性能，很大程度上依賴于調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度算法進行了研究與比較。
首先對設定拓撲結構的小區進行建模，再在其基礎上實現各個算法的仿真。仿真參數見表1。
分組調度的主要功能有兩個：
（1）在用戶之間分配可用的無線資源，盡量確保系統中每個用戶的服務質量。
（2）監視網絡負載，通過調節數據傳輸速率來對網絡負載進行匹配。
一個調度系統的性能好壞主要取決于調度算法的優劣，下面將從吞吐量和公平性兩個指標入手，對上述三種調度算法進行性能比較與評估。通過調度算法的仿真，本文將測試所獲得的數據進行整理和分析后，得到了如圖4、圖5所示的對比圖。
對比上述兩圖可以發現，現有的蜂窩通信系統在小區中心和小區邊緣的數據傳輸速率有著較大的差異，整個小區的用戶平均吞吐量明顯高于各邊緣用戶的平均吞吐量，這使得用戶在小區的不同位置得到的通信服務質量會出現不同程度的波動。因此，有必要選擇一種較為合適的資源調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，三種調度算法得到的系統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，而在小區邊緣區域，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中信道質量較好的用戶提供資源，而完全忽略了小區邊緣信道質量較差的用戶，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吞吐量的影響
在現今交通快速發展的時代，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，經常會出現手機接收數據的速度明顯變慢的情況。針對此種現象，本文利用LTE系統仿真進行了高速移動環境下通信系統的分析與研究。根據上文中運行的LTE系統模擬出兩個場景：第一個場景假設系統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。對系統進行多次仿真，將得到的數據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吞吐量明顯降低，系統的性能大大減弱。這是因為當移動終端處于高速運動時，信號的收發會產生難以克服的多普勒效應，信道質量指示（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，導致了信號質量差，從而導致頻譜利用率和系統吞吐量降低的現象。
4 結論
目前，LTE系統作為從3G向4G過渡的一個階段性標準，在國內外均已被廣泛地投入商用。但無論性能多么優良的系統都需要一個成熟的仿真平臺進行不斷的更新與優化。本文分析并闡述了該系統的功能框架和工作流程，然后基于MATLAB建立了一個LTE系統級仿真平臺。利用該平臺進行了三種經典的資源調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系統性能的變化，為該系統的進一步發展提供了理論參考。
參考文獻
[1] 3GPP TR25.814 V9.0.0.Physical layer aspects for evolved universal terrestrial radio access（UTRA）[S]. 2010：83-86.
[2] 何金薇，丁璐，劉志敏.LTE系統級仿真建模實現及其優化[J].計算機工程與應用，2012，48（22）：104-108.
[3] 3GPP TR 25.996 V.6.1.0.Spatial channel model for multiple input multiple output（MIMO）simulations[S]. 2009.
[4] 劉偉.LTE系統高速場景下切換機制優化研究[D].長春：吉林大學，2014.
[5] 徐兵，謝志軍.LTE系統級仿真的關鍵技術與研究[J].無線電通信技術，2014，40（5）：9-12.
[6] 易睿得.LTE系統原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2012.