[论文解读] Multi-User Scheduling in the 3GPP LTE Cellular Uplink

Narayan Prasad, Honghai Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2012

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 15被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于局部比率测试（LRT）的多项式时间近似算法，用于3GPP LTE上行链路中的多用户调度，解决了在连续资源块、共调度重叠和功率池化等实际约束下的频谱效率问题。证明了该问题为APX-难问题，并实现了具有可证明性能边界的常数因子近似。

ABSTRACT

In this paper, we consider resource allocation in the 3GPP Long Term Evolution (LTE) cellular uplink, which will be the most widely deployed next generation cellular uplink. The key features of the 3GPP LTE uplink (UL) are that it is based on a modified form of the orthogonal frequency division multiplexing based multiple access (OFDMA) which enables channel dependent frequency selective scheduling, and that it allows for multi-user (MU) scheduling wherein multiple users can be assigned the same time-frequency resource. In addition to the considerable spectral efficiency improvements that are possible by exploiting these two features, the LTE UL allows for transmit antenna selection together with the possibility to employ advanced receivers at the base-station, which promise further gains. However, several practical constraints that seek to maintain a low signaling overhead, are also imposed. In this paper, we show that the resulting resource allocation problem is APX-hard and then propose a local ratio test (LRT) based constant-factor polynomial-time approximation algorithm. We then propose two enhancements to this algorithm as well as a sequential LRT based MU scheduling algorithm that offers a constant-factor approximation and is another useful choice in the complexity versus performance tradeoff. Further, user pre-selection, wherein a smaller pool of good users is pre-selected and a sophisticated scheduling algorithm is then employed on the selected pool, is also examined. We suggest several such user pre-selection algorithms, some of which are shown to offer constant-factor approximations to the pre-selection problem. Detailed evaluations reveal that the proposed algorithms and their enhancements offer significant gains.

研究动机与目标

• 解决在连续资源块、共调度重叠和功率池化等实际约束下，3GPP LTE上行链路中高效多用户调度的挑战。
• 在频率选择性调度和发射波束成形选择的约束下，将资源分配问题建模为约束优化任务。
• 证明3GPP LTE上行链路中的多用户调度问题是APX-难问题，表明在多项式时间内找到最优解的可能性极低。
• 设计一种基于局部比率测试（LRT）的近似算法，保证常数因子性能边界。
• 探索对LRT算法和用户预选择技术的改进，以在保持低复杂度的同时提升性能。

提出的方法

• 提出一种基于局部比率测试（LRT）的多项式时间近似算法，用于求解LTE上行链路中NP-难的多用户调度问题。
• 提出一种基于顺序LRT的调度算法，提供常数因子近似，并在复杂度与性能之间实现权衡。
• 设计用户预选择算法，以在保持常数因子近似保证的同时减小调度用户池的规模。
• 建模调度问题时考虑的约束包括：连续资源块（RB）分配、共调度用户间的完全重叠，以及在分配的RB上采用均匀功率分配。
• 利用子模最大化与背包约束松弛方法，界定近似比，证明最优解与LRT解之间的差距不超过 $ T+1+ ababla+2J $ 倍。
• 利用Zadoff-Chu序列的结构特性，强制实施共调度约束，确保可靠的信道估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际约束条件下，3GPP LTE上行链路中多用户调度的计算复杂度是什么？
• RQ2 能否设计一种多项式时间近似算法，为LTE上行链路调度问题提供常数因子性能保证？
• RQ3 用户预选择策略如何影响LTE上行链路中多用户调度的性能与复杂度？
• RQ4 共调度约束与功率池化对高效调度算法设计有何影响？
• RQ5 LRT方法能否通过改进来提升性能，同时保持可证明的近似保证？

主要发现

• 证明了3GPP LTE上行链路中的多用户调度问题是APX-难问题，表明除非P=NP，否则不存在能在多项式时间内获得最优解的算法。
• 所提出的基于LRT的算法实现了常数因子近似，性能边界为 $ rac{1}{T+1+ abla+2J} $，其中 $ T $ 为每组用户最大数量，$ abla $ 为二进制背包约束数量，$ J $ 为通用背包约束数量。
• 对LRT算法的改进，包括顺序调度和用户预选择，显著提升了仿真性能，且未牺牲近似保证。
• 用户预选择算法被证明可对预选择问题提供常数因子近似，有效缩小搜索空间，同时保持调度效率。
• 与基准方案相比，所提算法在高移动性和多径衰落环境中实现了显著的频谱效率增益。
• 假设在分配的RB上采用均匀功率分配，因多用户分集增益损失可忽略不计，验证了功率池化约束的实际可行性。