針對(duì)靜態(tài)和低速用戶的一種基站新型分組調(diào)度算法

劉勇　謝映海

【摘 要】分組調(diào)度作為基站通信系統(tǒng)的一個(gè)核心技術(shù)，如何在吞吐量極大化和公平服務(wù)之間實(shí)現(xiàn)較好的折中一直是研究熱點(diǎn)?；谟脩舻男诺罓顟B(tài)統(tǒng)計(jì)信息，利用靜態(tài)或低速移動(dòng)的用戶的信道狀態(tài)時(shí)變但統(tǒng)計(jì)特征保持穩(wěn)定的特性，提出了一種新型的分組調(diào)度算法。該算法對(duì)多用戶的聯(lián)合信道狀態(tài)概率空間進(jìn)行巧妙的事件域切割，并計(jì)算出其發(fā)生的具體概率值，據(jù)此對(duì)這些用戶進(jìn)行可量化的合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)公共無(wú)線信道的高效和公平利用。理論分析和仿真結(jié)果表明，該算法可以在系統(tǒng)總吞吐量極大化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶分配速率的趨同，為化解吞吐量極大化和公平服務(wù)之間矛盾提供了一種新的方法。

【關(guān)鍵詞】分組調(diào)度算法；聯(lián)合信道狀態(tài)概率空間；吞吐量極大化；服務(wù)公平性

0 引言

作為基站通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，分組調(diào)度應(yīng)該以怎樣的方式來(lái)更加合理有效地分配和利用無(wú)線資源成為了一個(gè)重要的研究課題[1-4]。而如何在系統(tǒng)吞吐量極大化和公平服務(wù)之間實(shí)現(xiàn)較好的折中一直是該技術(shù)的研究熱點(diǎn)，但至今也沒(méi)有完美的解決方案?，F(xiàn)有的一些常用算法包括最大信噪比算法、輪詢算法、比例公平算法[5-9]、M-LWDF算法[10]等。

其中最大信噪比算法一直把信道分配給信道狀態(tài)最好的用戶，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量極大化，但該算法沒(méi)有考慮任何公平性，很容易導(dǎo)致信道條件較差的用戶發(fā)生‘餓死現(xiàn)象；比例公平算法則充分考慮了各個(gè)用戶的實(shí)時(shí)信道狀態(tài)和用戶業(yè)務(wù)的公平服務(wù)，是單載波的CDMA-HDR中采用的信道分配機(jī)制；M-LWDF算法則進(jìn)一步考慮了業(yè)務(wù)的時(shí)延因素。但這些資源動(dòng)態(tài)分配算法都僅僅考慮各個(gè)用戶的實(shí)時(shí)信道狀態(tài)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度性能的最優(yōu)化。

無(wú)線信道的時(shí)變性一般是大尺度衰落和小尺度衰落共同作用的結(jié)果。大尺度衰落是由距離產(chǎn)生的信號(hào)路徑損耗以及由各種大型障礙物的陰影造成的，小尺度衰落主要是由于多條信號(hào)路徑的相長(zhǎng)干擾和相消干擾造成的。當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離沒(méi)有大幅改變時(shí)，一般來(lái)說(shuō)大尺度衰落不隨時(shí)間發(fā)生較大變化，而小尺度衰落隨時(shí)間的變化可能會(huì)很劇烈，但這種變化一般是滿足一定概率分布的。

設(shè)基站正在為M個(gè)用戶進(jìn)行不同的下行業(yè)務(wù)傳輸，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，這里認(rèn)為基站可以理想獲得每個(gè)用戶在業(yè)務(wù)信道上的信道信息，且基站的發(fā)射功率保持恒定。另外為了保證用戶信道狀態(tài)保持統(tǒng)計(jì)意義上的穩(wěn)定，默認(rèn)系統(tǒng)這些用戶在整個(gè)業(yè)務(wù)過(guò)程中都是處于靜止或低速移動(dòng)狀態(tài)，使得下行信道雖然是時(shí)變的，但相鄰的兩段時(shí)間內(nèi)的信道狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較接近。

本文利用上述特性，對(duì)上述用戶的聯(lián)合信道狀態(tài)概率空間進(jìn)行巧妙的事件域無(wú)縫切割，并利用過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的用戶信道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算切割后每個(gè)事件域的發(fā)生概率的預(yù)期值，以此來(lái)制定下一段時(shí)間內(nèi)的分組調(diào)度策略，首次實(shí)現(xiàn)了可量化的調(diào)度過(guò)程。理論分析和仿真結(jié)果表明，新型算法充分考慮到了用戶的遠(yuǎn)近因素，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)理想的調(diào)度效果，可以在用戶業(yè)務(wù)總吞吐量極大化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶平均調(diào)度速率的趨同，一定程度上摒棄了無(wú)線資源管理領(lǐng)域中系統(tǒng)吞吐量極大化和公平服務(wù)之間互為矛盾的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，具有較強(qiáng)的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 用戶聯(lián)合信道狀態(tài)概率空間的事件域切割及發(fā)生概率計(jì)算

本節(jié)主要給出對(duì)M個(gè)用戶的聯(lián)合信道狀態(tài)概率空間如何進(jìn)行事件域切割，以及切割后對(duì)每個(gè)事件域的發(fā)生概率大小的計(jì)算過(guò)程。

設(shè)一個(gè)基站需要同時(shí)支持M個(gè)均勻分布在小區(qū)內(nèi)的用戶不同的下行業(yè)務(wù)需求，且基站可以實(shí)時(shí)獲得這些用戶的下行信道狀態(tài)信息（共L種），且采用自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)在共享信道上來(lái)獲得最大的傳輸效率。在整個(gè)業(yè)務(wù)過(guò)程中，所有用戶都處于靜止或低速移動(dòng)狀態(tài)，使得它們的信道雖然是時(shí)變的，但相鄰的兩段時(shí)間內(nèi)的信道狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較接近。

根據(jù)上述調(diào)度過(guò)程可知，上述調(diào)度算法充分利用了靜態(tài)或低速移動(dòng)用戶的信道狀態(tài)時(shí)變但統(tǒng)計(jì)特征保持穩(wěn)定的特性，利用前一段時(shí)間用戶的信道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)估后一段時(shí)間的調(diào)度速率，從而以可量化的方式來(lái)靈活調(diào)整用戶的信道分配，在保證信道使用權(quán)盡可能歸屬于某個(gè)信道最好的用戶的同時(shí)，使得信道條件較差的用戶獲得一定的優(yōu)先權(quán)，另外讓那些預(yù)估調(diào)度速率過(guò)大的用戶讓出適量的調(diào)度機(jī)會(huì)給那些預(yù)估調(diào)度速率過(guò)小的用戶，從而盡可能實(shí)現(xiàn)所有用戶的調(diào)度速率的趨同。

3 仿真及結(jié)果

為驗(yàn)證上述調(diào)度算法的分配效果，下面給出相關(guān)的仿真結(jié)果。設(shè)一個(gè)單載波基站系統(tǒng)需要同時(shí)支持8個(gè)均勻分布在小區(qū)內(nèi)的用戶的下行業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙上都可以根據(jù)用戶的理想反饋采用表1中方案來(lái)獲得最大的傳輸速率。

對(duì)信道帶寬和符號(hào)時(shí)間進(jìn)行歸一化后，基站在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙里采用這7個(gè)調(diào)制編碼方案的下行吞吐量依次定義為1/4、1/2、1、3/2、2、3和4。

這里綜合考慮大尺度衰落和小尺度衰落方面的影響，在整個(gè)調(diào)度過(guò)程，用戶都處于低速和靜止?fàn)顟B(tài)，即大尺度衰落因子變化速率較慢，且不同調(diào)度時(shí)隙上的信道情況保持相互獨(dú)立?；鞠滦邪l(fā)射功率為48dB，初始化時(shí)8個(gè)用戶的大尺度衰落系數(shù)依次為[-34.8， -33.1， -35.2， -31.2， -32， -32， -30.6， -30.2] dB，調(diào)度區(qū)的調(diào)度窗口包含K=1000個(gè)調(diào)度時(shí)隙，且每個(gè)用戶在相鄰兩個(gè)調(diào)度區(qū)的大尺度衰落系數(shù)變化值從區(qū)間[-0.2，0.2]dB上隨機(jī)抽取來(lái)模擬用戶的低速移動(dòng)，而在含100個(gè)調(diào)度區(qū)，總共含105個(gè)調(diào)度時(shí)隙的調(diào)度過(guò)程中小尺度衰落系數(shù)均為滿足均值為1的瑞利衰落分布。

圖2給出了在整個(gè)調(diào)度過(guò)程中基站在每個(gè)調(diào)度區(qū)內(nèi)的每個(gè)時(shí)隙的平均下行吞吐量；而圖3（a）和圖3（b）分別依次給出了在整個(gè)調(diào)度過(guò)程中第1至4個(gè)用戶，第5至第8個(gè)用戶在每個(gè)調(diào)度區(qū)內(nèi)的每個(gè)時(shí)隙所獲得平均速率值。從圖2可以看出，基站下行吞吐量在3.96至3.99之間，基本上逼近了基站的下行容量值，實(shí)現(xiàn)了下行吞吐量的極大化；而圖3（a）和圖3（b）則表明，8個(gè)用戶獲得的實(shí)際調(diào)度速率相差不大，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)趨同。

總而言之，仿真結(jié)果表明，本文提供的調(diào)度算法可以在極大化系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)，使得每個(gè)用戶獲得非常接近的調(diào)度速率，使系統(tǒng)的無(wú)線信道資源獲得了合理和高效的利用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)單載波基站系統(tǒng)的處于靜態(tài)或低速移動(dòng)的下行用戶，利用用戶信道時(shí)變，但信道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)特征在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都保持穩(wěn)定的特性，首次對(duì)用戶信道狀態(tài)離散概率空間進(jìn)行了事件域切割，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型預(yù)測(cè)性調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)下行信道的合理使用。理論分析和仿真結(jié)果表明，該算法可以在系統(tǒng)總吞吐量極大化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶平均速率的趨同，給出了一種能夠很好解決無(wú)線資源管理領(lǐng)域中系統(tǒng)吞吐量極大化和公平服務(wù)之間的矛盾的方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]A.Jalali，R.Padovani，R.Pankai.Data throughput of CDMA HDR a high efficient-high data rate personal communication wireless system[C]// IEEE VTC 2000 spring.2000：1854-1858

[2]Holtzman J M. Asymptotic analysis of proportional fair algorithm [C]// IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications. 2001，2：F33-F37.

[3]Yakun Sun，Weimin Xiao，Robert Love etc.Multi-user Scheduling for OFDM Downlink with Linited Feedback for Evolved UTRA[DB/OL].IEEE Xplore，2006.

[4]Hoon Kim，Keunyoung Kim，Youngnam Han etc.An efficient scheduling algorithm for QoS in wireless packet data transmission[C]// The 13th IEEE International Symposium.2002，5：2244-2248.

[5]Xu，X.Shen J.W.Mark.A dynamic fair scheduling scheme for WCDMA systems.IEEE Inter.Conf.on 3G Wireless Commun，2001，3：39-42.

[6]Westphal C. Monitoring proportional fairness in cdma2000 high data rate networks[C]// GLOBECOM04. IEEE，2004：3866-3871.

[7]Adibah H，Basukla R，Sandrasegaran K.Performance of Well Known Packet Scheduling Algorithms in the Downlink 3GPP LTE System[C]// Proc.of MICC09.[S.1.]：IEEE Press，2009.

[8]L.Xiao，S.D.Zhou，Y.Yao.QoS-oriented Scheduling Algorithm for Mobile Multimedia in OFDM [C]// 2007. PIMRC 2007， 14th IEEE Proceedings on Personal Indoor and Mobile Radio Communications， Sept.2007，1：545-549.

[9]Sanjay Shakkottai and Alexander L.Stolyar. Scheduling Algorithms for a Mixture of Real-Time and Non-Real-Time Data in HDR[C]// Proceedings of the 17th International Telegraphic Congress -ITC-17， 2001：793-804.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]