LTE调度机制全解析

### LTE 调度机制全解析 #### 1. 上行复用规则 在 LTE 系统中，上行复用依据一套明确的规则在设备端进行，网络会设置相关参数。调度授权针对设备的特定上行载波，而非设备内的特定无线承载。若采用基于无线承载的调度授权，会增加下行控制信令开销，因此 LTE 采用按设备调度的方式。 简单的复用规则是按严格优先级顺序服务逻辑信道，但这可能导致低优先级信道“饥饿”，即所有资源都被高优先级信道占用，直到其传输缓冲区为空。为避免这种情况，除了为每个逻辑信道配置优先级值外，还会配置优先数据速率。逻辑信道按优先级从高到低服务，直到达到其优先数据速率。只要调度数据速率至少等于所有优先数据速率之和，就能避免低优先级信道“饥饿”。超过优先数据速率后，信道按严格优先级顺序服务，直到授权资源用完或缓冲区为空。 #### 2. 调度请求 调度器需要了解哪些设备有数据要传输，从而为其分配上行资源。没有数据传输的设备无需分配上行资源，否则设备会进行填充以利用分配的资源。因此，调度器至少要知道设备是否有数据传输并决定是否给予授权，这就是调度请求。 调度请求是设备向调度器请求上行资源的简单标志。由于请求资源的设备没有物理上行共享信道（PUSCH）资源，调度请求通过物理上行控制信道（PUCCH）传输。每个设备可分配一个专用的 PUCCH 调度请求资源，每 n 个子帧出现一次。采用专用调度请求机制时，无需提供请求调度的设备标识，因为可从传输请求的资源中隐式得知设备标识。 当设备接收到优先级高于当前传输缓冲区中数据的新数据，且设备没有授权无法传输时，会在下次可能的时刻发送调度请求。调度器收到请求后可为设备分配授权。若设备在下一次可能的调度请求时刻仍未收到调度授权，调度请求会重复发送，直到达到可配置的限制，之后设备会通过随机接入向基站请求资源。 调度请求使用单比特是为了减少上行开销，因为多比特调度请求成本更高。但单比特调度请求会使基站对设备缓冲区情况的了解有限。不同的调度器实现方式处理方法不同，一种方式是分配少量资源，确保设备能有效利用且不会受功率限制。设备开始在物理上行共享信道（UL - SCH）上传输后，可通过带内 MAC 控制消息提供更详细的缓冲区状态和功率余量信息。调度器还可利用服务类型信息，例如语音服务，优先分配典型语音 IP 包大小的上行资源，也可利用路径损耗测量来估计设备能有效利用的资源量。 另一种调度请求机制是基于竞争的设计，多个设备共享公共资源并在请求中提供自身标识，类似于随机接入。这种方式设备传输的比特数更多，资源需求更大，但资源由多个用户共享。基于竞争的设计适用于小区内设备数量多且业务强度和调度强度低的情况，在业务强度高时，设备同时请求资源的冲突率会过高，导致设计效率低下。 没有配置调度请求资源的设备无法发送调度请求，需依靠随机接入机制。原则上，LTE 设备可根据具体部署情况配置为采用基于竞争的机制。 #### 3. 缓冲区状态报告 已有有效授权的设备无需请求上行资源，但为了让调度器确定未来子帧为每个设备分配的资源量，了解设备的缓冲区情况和功率可用性很有用。这些信息通过 MAC 控制元素作为上行传输的一部分提供给调度器。MAC 子头中的 LCID 字段设置为保留值，表示存在缓冲区状态报告。 从调度角度看，每个逻辑信道的缓冲区信息有益，但会带来显著开销。因此，逻辑信道被分组为逻辑信道组，按组进行报告。缓冲区状态报告中的缓冲区大小字段表示逻辑信道组中所有逻辑信道等待传输的数据量。缓冲区状态报告可由以下原因触发： - 有优先级高于当前传输缓冲区的数据到达，这可能影响调度决策。 - 服务小区变更，为新服务小区提供设备情况信息。 - 定时器控制的周期性报告。 - 为减少填充。若匹配调度传输块大小所需的填充量大于缓冲区状态报告，会插入缓冲区状态报告，以利用可用有效载荷提供有用的调度信息。 #### 4. 功率余量报告 除了缓冲区状态，设备的可用传输功率对上行调度器也很重要。调度高于设备可用传输功率支持的数据速率意义不大。在下行链路中，调度器可直接知道可用功率，因为功率放大器与调度器在同一节点。而在上行链路中，设备需要向基站提供功率可用性，即功率余量。功率余量报告与缓冲区状态报告类似，仅在设备被调度在 UL - SCH 上传输时发送。 功率余量报告可由以下原因触发： - 定时器控制的周期性报告。 - 路径损耗变化（当前功率余量与上次报告的差值大于可配置阈值）。 - 为减少填充（与缓冲区状态报告原因相同）。 还可配置禁止定时器，控制两次功率余量报告之间的最短时间，从而控制上行信令负载。 LTE 定义了两种类型的功率余量报告：类型 1 和类型 2。类型 1 报告假设载波上仅进行 PUSCH 传输时的功率余量，类型 2 报告（在版本 10 中引入）假设同时进行 PUSCH 和 PUCCH 传输。 类型 1 功率余量（以 dB 为单位）计算公式如下： \[Power Headroom = P_{CMAX,c} - (P_{0,PUSCH} + a \times PL_{DL} + 10 \times log_{10}(M) + \Delta_{MCS} + \delta)\] 其中，M 和 \(\Delta_{MCS}\) 对应功率余量报告所对应的子帧中使用的资源分配和调制编码方案。\(\delta\) 表示闭环功率控制导致的传输功率变化。\(P_{CMAX,c}\) 是为分量载波 c 明确配置的最大每载波发射功率。 功率余量不一定是最大每载波发射功率与实际载波发射功率的差值，而是 \(P_{CMAX,c}\) 与假设发射功率无上限时应使用的发射功率的差值。因此，功率余量可能为负，表明在功率余量报告时，每载波发射功率受 \(P_{CMAX,c}\) 限制，即网络调度的数据速率超过了设备可用传输功率的支持能力。由于网络知道设备在