[论文解读] Scheduling Policies for the LTE Downlink Channel: A Performance Comparison

Mattia Carpin, Andréa Zanella+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2014

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文提出并评估了一种用于LTE下行链路的公平吞吐量保障调度器（FTGS），该调度器确保所有用户获得相等的长期吞吐量，同时利用瞬时信道变化提升小区容量。通过ns-3仿真比较了时分（TD）和频分（FD）模式下的FTGS，结果表明在频率选择性衰落环境中，FD-FTGS显著提升了性能，尤其在信道色散较高时表现更优。

ABSTRACT

A key feature of the packet scheduler in LTE system is that it can allocate resources both in the time and frequency domain. Furthermore, the scheduler is acquainted with channel state information periodically reported by user equipments either in an aggregate form for the whole downlink channel, or distinguished for each available subchannel. This mechanism allows for wide discretion in resource allocation, thus promoting the flourishing of several scheduling algorithms, with different purposes. It is therefore of great interest to compare the performance of such algorithms in different scenarios. A very common simulation tool that can be used for this purpose is ns-3, which already supports a set of well known scheduling algorithms for LTE downlink, though it still lacks schedulers that provide throughput guarantees. In this work we contribute to fill this gap by implementing a scheduling algorithm that provides long-term throughput guarantees to the different users, while opportunistically exploiting the instantaneous channel fluctuations to increase the cell capacity. We then perform a thorough performance analysis of the different scheduling algorithms by means of extensive ns-3 simulations, both for saturated UDP and TCP traffic sources. The analysis makes it possible to appreciate the difference among the scheduling algorithms, and to assess the performance gain, both in terms of cell capacity and packet service time, obtained by allowing the schedulers to work on the frequency domain.

研究动机与目标

• 解决ns-3中LTE下行链路仿真缺乏吞吐量保障调度器的问题。
• 将现有的公平吞吐量保障调度器（FTGS）从时分（TD）模式扩展到频分（FD）模式，以提升资源分配灵活性。
• 在各种业务和信道条件下，对比FTGS（TD与FD模式）与MTS、BETS和PFS等成熟调度器的性能表现。
• 通过分析快衰落与慢衰落场景下的调度间隔时间，评估调度粒度对延迟敏感应用的影响。
• 量化LTE下行链路调度中频谱效率、公平性与吞吐量保障之间的权衡关系。

提出的方法

• 在ns-3 LTE仿真器中实现一种新型FD版本的公平吞吐量保障调度器（FTGS），以支持频域资源分配。
• 利用每子带报告的信道状态信息（CSI）实现频率选择性调度，提升频谱效率。
• 定义调度度量 $ S_i = \alpha_i \cdot \bar{\gamma}_i / \bar{\gamma} $，其中 $ \alpha_i $ 用于调节公平性，$ \bar{\gamma}_i $ 为平均SINR，以平衡吞吐量与公平性。
• 使用顺序统计与贝叶斯规则推导接入概率 $ p(i) $，以确保用户间长期吞吐量相等。
• 基于调度间隔时间 $ \delta_k $ 和传输比特数 $ b_k $，假设 $ b_k $ 独立同分布且多余比特均匀分布，估计数据链路层（DLL）服务时间 $ D $ 的均值与方差。
• 采用指数积分函数 $ E_i(x) $ 建模BETS的长期吞吐量，实现对不同调度器频谱效率的解析比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 所提出的FD-FTGS调度器在小区容量与公平性方面相较于现有LTE调度器（MTS、BETS、PFS）的表现如何？
• RQ2 在频率选择性衰落信道中，使用频域调度（FD）相较于时域调度（TD）的性能增益有多大？
• RQ3 与TD-FTGS及其他调度器相比，FD-FTGS调度器在提升频谱效率与降低延迟敏感应用延迟方面改善程度如何？
• RQ4 在快衰落与慢衰落环境中，FTGS、BETS与PFS的调度间隔时间有何差异，对延迟敏感业务的影响如何？
• RQ5 在瑞利衰落信道下，BETS调度器的解析频谱效率是多少？与仿真设置中其他调度器相比表现如何？

主要发现

• 在频率选择性衰落信道中，FD-FTGS相较于TD-FTGS表现出显著性能增益，尤其在信道色散较高时更为明显。
• FD-FTGS在小区容量与公平性之间实现了有利的权衡，其公平性优于MTS，频谱效率优于BETS。
• 所提出的BETS吞吐量解析模型准确预测了性能，其频谱效率表达式为 $ \eta_{\text{BETS}} = \frac{N\log_2(e)}{\sum_{i=1}^{N} e^{-\Gamma/\bar{\gamma}_i} \left[ E_i(-\Gamma/\bar{\gamma}_i) \right]^{-1}} $。
• 通过调度间隔时间均值 $ m_\delta $、传输比特数均值 $ m_b $ 及其方差，估计了均值DLL服务时间 $ m_D $，从而支持延迟分析。
• 调度间隔时间分析表明，PFS与FTGS的调度模式比BETS更规律，这对延迟敏感应用更为有利。
• 仿真结果证实，在高移动性场景下，FD调度可使小区容量提升高达25%，验证了该设计在性能权衡上的有效性。