[4G&5G专题-96]：MAC层- 调度 - 下行调度的原理、过程与算法

目录

第1章 调度概述

1.1 下行调度概述

1.2 无线资源调度的分类

第2章 下行调度的整体架构与过程

2.1 上行需要调度的信道

2.2 下行数据发送过程

2.3 下行调度架构

2.4 下行调度的输入信息

2.5 调度的步骤与过程

2.6 调度的输出结果

第3章 第1步：待调度数据的优先级

3.1 Qos管理框架

3.2 不同控制信令的优先级

3.3 HARQ重传数据的优先级

第4 第2步：新传数据的用户调度优先级

4.1 用户优先级处理流程

4.2. 用户过滤

4.3 用户优先级调度算法分类

第6章 第3步：CQI与MCS

6.1 CQI处理

6.2 TBS选择 

6.3 MCS选择

第7章 第4步：PDSCH信道的RB资源分配方式

7.1 RB资源的计算

7.2 RB的映射

7.3 Type0的资源分配方式

7.4 Type1的资源分配方式

7.5 Type2的资源分配方式

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第1章 调度概述

1.1 下行调度概述

无线资源调度：就是对空口无线资源的管理、分配，为终端提供下行和上行数据传输服务。

基站的调度器会根据掌握的各种信息动态地选择哪些终端能够被调度（能够通过空口进行数据发送和接收），以及为这些终端分配多少无线空口资源。

调度器使用不同的调度算法使得系统吞吐量达到最大或是用户的体验最好，也可以在两者间追求一定平衡。

MAC层调度器本质是对基站和手机的MAC层和物理层的行为进行控制。

 

1.2 无线资源调度的分类

（1）按照信道服务的对象

• 狭义调度：为特定的手机用户业务（包括RRC信令、NAS信令和业务数据）分配信道资源，称为狭义调度 ，主要是分配PDSCH、PUSCH信道资源。
• 广义调度：除了狭义调度外，还包括所有的其他信道资源，包括公共信道资源、MAC调度控制的信道PDCCH， PUCCH资源的分配。

本文主要阐述的的“狭义”调度。

 

（2）按照信道的方向

• 上行调度
• 下行调度

本文主要阐述的下行PDSCH信道的调度。

 

第2章 下行调度的整体架构与过程

2.1 下行需要调度的信道

从上图可以看出，PUCCH和PDCCH信道，为物理层上行和下行控制信道。

PUSCH和PDSCH信道需要承载不同类型的数据，为不同用户共享，是调度的重点。

 

2.2 下行数据发送过程

如上图所示，调度信息和数据是一起发送的。

调度信息在PDCCH信道中传输，而数据在PDSCH信道中传输。

PDCCH控制信道中的信息指示终端，如何解析PDSCH中的数据。

 

2.3 下行调度架构

 

2.4 下行调度的输入信息

• 关于每个信道功率的资源分配，是功率控制的范畴，后续会在专专门章节中讨论。

 

2.5 调度的步骤与过程

（0）调度周期：每1ms进行一次调度，这个称为TTI周期，有些实现，可以一个时隙0.5ms调度一次。

（1）待调度数据：计算带调度数据的优先级：包括广播信道数据、MAC层的调度控制信息、用户专有的信令数据、用户专有的业务数据。

由于是下行发送，因此待发送的下行数据是调度的起点。

（2）待调度用户：根据要调度的数据所对应的用户的优先级，确定哪些用户的数据能够参与后续的调度。

（3）待掉用户业务数据：GBR与Non GBR业务数据的优。先级

（4）编码调制：根据参与调度用户的CQI值，计算出要调度用户数据的MCS

（5）无线资源RB：对待调度数据分配RB资源。

（6）传输格式：根据调度结果，生成本次调度的传输格式

 

2.6 调度的输出结果

• 选择参与本次调度（1ms调度周期）调度的用户
• 为重传数据分配RE资源
• 为新传数据指定编码调制与解调的方式MCS
• 为重传或新数据制定RE资源

 

第3章 第1步：待调度数据的优先级

待调度数据：计算带调度数据的优先级：包括广播信道数据、MAC层的调度控制信息、用户专有的信令数据、用户专有的业务数据。

3.1 Qos管理框架

业务包含业务控制的消息和业务数据。

（1）空口命令：空口公共控制命令、消息的优先级大于用户专有信令的优先级。

（2）HRAQ：待重传的用户数据的优先级大于新增用户数据的优先级。

（3）业务信令：用户的RRC信令、NAS信令的优先级大于用户的业务数据的优先级。

（4）业务数据：用户不同的业务数据的优先级不同：GBR > None GBR

 

3.2 不同控制信令的优先级

 

3.3 HARQ重传数据的优先级

（1）HARQ的优先级

备注：多个用户的重传优先级取决于重传数据的等待时长。

 

（2）HARQ处理流程

 

第4 第2步：新传数据的用户调度优先级

4.1 用户优先级处理流程

4.2. 用户过滤

备注：GBR速率满足和AMBR速率满足，都表示这些用户的速率以及满足，在该TTI周期内不需要再调度他们。把资源留给其他用户。

 

4.3 用户优先级调度算法分类

下面先以GBR与Non-GBR业务进一步参数EPF增强型正比公平调度算法。

 

第5章 GBR与Non-GBR业务数据优先级

（1）GBR业务与Non-GRB业务优先级

（2）GBR业务的优先级算法

（3）No-GBR业务的优先级算法

（4）Alpha容量因子

（5）业务优先级因子

（6）Non-GBR业务防饿死机制

（7）Non-GBR下行调度参数

 

第6章 第3步：CQI与MCS

6.1 CQI处理

（0）什么是CQI

CQI是信道质量的信息指示，是一个信号质量的等级值，代表当前信道质量的好坏，和信道的信噪比大小相对应，取值范围0～31。

CQI取值为0时，信道质量最差；CQI取值为31的时候，信道质量最好。一般常见的取值为12～24。

基站会根据CQI的大小确定传输数据块大小、PDSCH信道的编码方式、调制方式。

 

（1）CQI上报

周期性上报：实时性要求高，因此必须在PUCCH信道上报。

非周期性上报：可以通过PUSCH信道上报。

 

（2）CQI调整

CQI越小，说明信号越不好。CQI越大，说明信号越好，因此，

如果收到的是ACK, 则可以把CQI向大的方向调整。

如果收到的是NAK, 则可以把CQI向小的方向调整。

 

（3）CQI与调制方式的映射

CQI越小，说明信号越不好，采用低阶调制方式，码率越低，即保护比特越多。

对于同一种调制方式，对应多种码率。比如CQI = 1~6，调制方式都是QPSK，但码率越来越高，通过这样的细分保证调度灵活性。

编码后的二进制比特，除了有效数据，还包含大量的冗余数据。

编码效率=调制比特数 * （编码有效比特数/1024），标识每个RE符号，携带多少有效数据的比特。

CQI=1时，选择的调试方式为QPSK, 编码后，每1024个比特中，包含78个有效数据比特，编码效率为0.3770, 表明每个子载波符号携带0.3770个有效比特。

CQI=6时，选择的调试方式为QPSK, 编码后，每1024个比特中，包含602个有效数据比特，编码效率为1.1758，表明每个子载波符号携带1.1758个有效比特。

CQI=15时，选择的调试方式为64QAM, 编码后，每1024个比特中，包含948个有效数据比特，编码效率为5.5547，表明每个子载波符号携带5.5547个有效比特。

到这里，基站已经确定了调制方式和最高码率.

 

6.2 TBS选择 

 

6.3 MCS选择

（1）什么是MCS

LTE中速率配置通过MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）索引值实现。

MCS将所关注的影响通讯速率的因素作为表的列，将MCS索引作为行，形成一张速率表。

所以，每一个MCS索引其实对应了一组参数下的物理传输速率。

 

（2）MCS的选择过程

备注：

在传输数据比特一定的情况下，调制方式影响所需要的RB数。

同时冗余编码方式会引起调制比特数的增加，不同的编码方式，冗余编码量不同，因此所需要RB数量不同。

MCS映射与选择

 

第7章 第4步：PDSCH信道的RB资源分配方式

7.1 RB资源的计算

 

7.2 RB的映射

通常情况下采用频分调度的调度策略。

至于如何把用户的数据映到RB上，如何指示这种映射，如何让UE知道这些指示，这里要进一步细分，有三种分配方式：

• Type0：RBG大粒度分配、RB可以不连续、全带宽分配
• Type1：RB小粒度分配、RB可以不连续、部分带宽分配
• Type2：RB小粒度分配、RB必须连续、全带宽分配

 

7.3 Type0的资源分配方式

特点：RBG大粒度分配、RB可以不连续、全带宽分配

• 每个映射代表一个RBG.
• 手机端通过bitmap映射和bitmap的0和1的设置，就可以知道，哪些RBG是分配给自己的RB资源。也就是说，基站通过bitmap的方式，通知基站给UE进行的资源分配结果。

 

7.4 Type1的资源分配方式

特点：RB小粒度分配、RB可以不连续、部分带宽分配

目标：源映射bitmap的长度不变（如这里的17）的情形下，能够按照RB，而不是RBG进行资源分配。

方法：把整个RB资源块，预先分组，分组的数目取件于带宽的大小, 20M时分为4个组，10M带宽时，分为3个组。这样的结果是：

• 在每个组内的，bitmap映射的长度不变，这里是17。
• 每个映射单元代表的是一个RB，而不是一个RBG，资源分配的粒度从RBG组降低到RB.
• 每个用户一次调度只能在一个分组中进行bitmap映射。
• 每个用户一次调度的资源块不在是物理上连续的，这样带来的一个好处是带来更高的分集增益。
• 每个用户一次调度的资源块无法占用整个带宽资源，只能是分组后的组内的所有RB资源，因此最高速率会受到影响，这是Type1分配方式的缺点。
• 需要在bitmap的头部增加3个bit，其中2个bit用于标识分组号，1个bit标识从前往后映射，还是由后往前映射，实际上标识了从什么方向解析数据。

实际案例：

备注：每个映射代表一个RB.

 

7.5 Type2的资源分配方式

RB小粒度分配、RB必须连续、全带宽分配

由于Type2的RB必须连续，就不需要通过Bitmap指示RB资源的位置了。

只需要知道RB的起始偏移+长度，就可以知道基站分配给终端的RB资源了, 并用RIV来标识。

为了进一步减少RIV表示的数据量，采用了一种资源数数的方式在RIV与资源位置的映射，数学公式如下。

上述数学公式直观的示意如下图：

这种神奇之处在于：只需要知道节点数（即节点的位置），就可以知道RB的起点和RB的个数。