OFDM系統(tǒng)分組調(diào)度算法仿真與分析

劉 平， 張 成， 車 進(jìn)

（寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

隨著通信需求的迅速增長(zhǎng)，人們對(duì)下一代無線通信系統(tǒng)在頻點(diǎn)、帶寬、峰值速率、平均吞吐量、邊緣用戶吞吐量、時(shí)延以及兼容性等方面提出了許多新的要求[1]。

在無線通信系統(tǒng)中，單位范圍內(nèi)用戶對(duì)通信速率需求的總和常常大于系統(tǒng)所能提供的接入速率。在這種無線資源廣泛存在的“供需矛盾”情況下，必須對(duì)無線資源按照一定規(guī)則進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)這一功能的器件就是調(diào)度器，分配資源的規(guī)則叫做調(diào)度算法[2]。

1 分組調(diào)度算法及其關(guān)鍵指標(biāo)

對(duì)下一代蜂窩系統(tǒng)的分組調(diào)度算法來說，所要完成的基本任務(wù)是根據(jù)各種復(fù)雜的情況來合理的進(jìn)行資源分配。這種分配應(yīng)該兼顧到不同帶寬、不同時(shí)延、不同服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的用戶需求，并且還應(yīng)該考慮到單位區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)總吞吐量和頻率利用率。

為了對(duì)不同的分組調(diào)度算法進(jìn)行定量的比較，需要選取系統(tǒng)中一些有代表性的參數(shù)作為依據(jù)。從本質(zhì)上來說，分組調(diào)度算法是一種分配資源的規(guī)則。因此在調(diào)度算法的設(shè)計(jì)中，最重要的兩個(gè)也是最需要平衡考慮的兩個(gè)因素是算法的效率和公平性。效率的高低用吞吐量即一定范圍內(nèi)單位時(shí)間里傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量加以衡量。公平性則反映了系統(tǒng)為各個(gè)用戶提供的接入機(jī)會(huì)。除了反映效率和公平的指標(biāo)，在調(diào)度算法設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮到算法的復(fù)雜程度和時(shí)延特性。其中算法的復(fù)雜度代表每次調(diào)度的時(shí)間代價(jià)并且決定算法的運(yùn)行周期；時(shí)延特性則是一個(gè)重要的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)來說，時(shí)延特性尤其需要考慮。

以上所提到的吞吐量、公平性、時(shí)延特性和算法復(fù)雜度是對(duì)分組調(diào)度算法進(jìn)行對(duì)比評(píng)估的重要指標(biāo)[3]。

2 OFDM系統(tǒng)下行鏈路分組調(diào)度算法

對(duì)于分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，分組調(diào)度的地位等同于信道資源分配在電路交換業(yè)務(wù)中的地位，分組調(diào)度在分組業(yè)務(wù)的無線資源管理中處于中心支配地位，很大程度上決定了整個(gè)無線分組業(yè)務(wù)系統(tǒng)所能提供的服務(wù)質(zhì)量和效率，并在一定程度上影響著其他技術(shù)和算法的決策和執(zhí)行。下一代蜂窩系統(tǒng)在物理層采用了OFDM作為調(diào)制技術(shù)，對(duì)于采用了OFDM技術(shù)的系統(tǒng)而言，調(diào)度算法所分配的系統(tǒng)基本資源是一個(gè)時(shí)頻塊（TFU）。位于媒體接入控制（MAC）層的調(diào)度器在工作時(shí)必須有業(yè)務(wù)需求、資源信息等來自物理層的信息支持，既調(diào)度器應(yīng)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)。同時(shí)，好的調(diào)度算法應(yīng)該兼顧吞吐量、公平性，算法復(fù)雜度和時(shí)延特性，根據(jù)算法的特點(diǎn)，基本調(diào)度算法主要有以下幾種[4-7]。

2.1 輪詢調(diào)度算法

輪詢(Round Robin RR)算法的基本原則是使小區(qū)內(nèi)的所有用戶以確定的順序循環(huán)占用均等時(shí)長(zhǎng)的無線資源，該算法認(rèn)為所有的用戶在優(yōu)先級(jí)上是平等的。在任何一個(gè)時(shí)刻，每個(gè)申請(qǐng)用戶能夠獲得資源的概率完全相同，通過這種方式來保證算法的公平性。輪詢調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，算法復(fù)雜度低。此外，由于輪詢算法賦予所有用戶以相同的優(yōu)先級(jí)，為每個(gè)用戶提供了相同的接入概率，因此被認(rèn)為是最公平的，其算法結(jié)果常常作為公平性的上限。與之相對(duì)應(yīng)的是，由于系統(tǒng)中與每個(gè)用戶信道質(zhì)量有關(guān)的信息沒有被輪詢調(diào)度算法所利用，進(jìn)而使得系統(tǒng)資源浪費(fèi)，總吞吐量不高。

2.2 公平吞吐量算法

與輪詢調(diào)度算法類似，公平吞吐量(Max-Min)算法的主要關(guān)注點(diǎn)也放在了系統(tǒng)公平性的實(shí)現(xiàn)上。它與輪詢算法的不同之處在于，輪詢算法是以確定順序使所有用戶循環(huán)占用等時(shí)長(zhǎng)的資源，追求實(shí)現(xiàn)用戶時(shí)間上的公平性；公平吞吐量算法追求實(shí)現(xiàn)的是不同用戶之間吞吐量上的均衡，并不確保每個(gè)用戶得到的時(shí)長(zhǎng)資源相同。該調(diào)度算法的優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式為：

2.3 最大載干比調(diào)度算法

最大載干比(Max C/I,Maximum Carrier Interference)算法是一種優(yōu)先考慮效率的調(diào)度算法。其基本思想是在進(jìn)行無線資源分配時(shí)，始終優(yōu)先滿足當(dāng)前時(shí)刻信道質(zhì)量最好的用戶所提出的請(qǐng)求。在該算法中，如果在t時(shí)刻有K個(gè)用戶請(qǐng)求傳輸數(shù)據(jù)，則被選中的用戶為:

顯然，假設(shè)某一用戶的C/I最高，則該用戶的優(yōu)先級(jí)也最高。由于采用效率優(yōu)先的算法設(shè)計(jì)思想，既資源優(yōu)先分配給信道條件最好的用戶，所以這種算法活動(dòng)的吞吐量是系統(tǒng)吞吐量的極大值，通常被作為吞吐量的上界。以最高效率為代價(jià)的是，由于最大載干比算法只為信道條件最優(yōu)的用戶分配資源，對(duì)于信道條件差的用戶來說無法得到服務(wù)機(jī)會(huì)繼而出現(xiàn)“饑餓效應(yīng)”，因此該算法的公平性有待改進(jìn)。

2.4 比例公平調(diào)度算法

與前 3種算法不同，比例公平算法(PF，Proportional Fair)是一種兼顧公平性和系統(tǒng)吞吐量的調(diào)度算法，在比例公平調(diào)度算法中，用戶當(dāng)前時(shí)刻的信道質(zhì)量和之前一段時(shí)間的傳輸速率被同時(shí)考慮作為資源分配的依據(jù)。由此比例公平算法在公平和效率直接取到一定程度的折中，成為目前被廣泛采用的一種算法。其優(yōu)先級(jí)公式為：

其中n是TTI索引，DRCk,m(n) 是第k個(gè)用戶在第m個(gè)子載波（或者子信道）要求的速率，Rk(n)是用戶k在n個(gè)TTI中已經(jīng)獲得的速率，α和β是調(diào)節(jié)公平性的系數(shù)，通常取α=β=1。Rk(n)的更新方程為：

3 仿真及結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)不同的調(diào)度算法的性能，需要在不同的帶寬條件以及業(yè)務(wù)模式下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。參照參考文獻(xiàn)[8]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定（表1）；同時(shí)仿真前面所提到的 4種調(diào)度算法: 輪詢(RR，Round Robin)算法、最大載干比(Max C/I，Maximum Carrier Interference)算法，公平吞吐量(Max-Min)算法以及比例公平算法(PF，Proportional Fair)。為了定量的表述不同算法的公平性，這里選用公平指數(shù)β作為公平性的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。其定義為：M為系統(tǒng)中的總用戶數(shù)，Bi為分配給i用戶的帶寬。β→ 1，說明公平性好；反之說明公平性差。

表1 仿真參數(shù)

圖1、圖2為4種基本調(diào)度算法的仿真結(jié)果圖。

圖1反映的是在不同調(diào)度算法情況下，單位小區(qū)用戶數(shù)與系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系。從中可以看出，由于Max C/I算法在設(shè)計(jì)時(shí)以效率為優(yōu)先考慮對(duì)象，盡量滿足信道條件好的用戶對(duì)系統(tǒng)資源的需求，故而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)吞吐量的最大化，其系統(tǒng)吞吐量可以作為吞吐量的上限來對(duì)其他算法加以衡量；Max-Min(公平吞吐量)算法則首先考慮公平性，優(yōu)先保證了傳輸速率較低的用戶，然而由于其過于追求流量公平，忽視了用戶速率和信道質(zhì)量的差異，當(dāng)系統(tǒng)中用戶到達(dá)速率差異過大時(shí)，會(huì)對(duì)高速率用戶帶來過多的限制而以此為代價(jià)換來的低速率用戶吞吐量的提升又不明顯，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總吞吐量降低。對(duì)于RR算法來說，沒有利用信道信息，系統(tǒng)吞吐量最低。PF算法其吞吐量非常接近Max C/I算法的吞吐量，在系統(tǒng)吞吐量方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖2反映的是在不同調(diào)度算法情況下，單位小區(qū)用戶數(shù)與公平指數(shù)之間的關(guān)系。從中可以看出，RR算法由于為每個(gè)用戶提供了相同的接入概率和等時(shí)長(zhǎng)的資源，其結(jié)果是公平性的上界。Max C/I算法優(yōu)先考慮系統(tǒng)吞吐量的最大化，其公平性最差。Max-Min算法在用戶數(shù)規(guī)模較小的情況下，公平性較好，然而隨著用戶數(shù)的增加，不可避免地造成用戶間傳輸速率差值的增大，該算法只能過多地犧牲較高速率用戶以此來為較低速率的用戶提供更多的資源分配機(jī)會(huì)，最終造成系統(tǒng)公平性下降。對(duì)PF算法來說，由于同時(shí)考慮了用戶當(dāng)前時(shí)刻的信道質(zhì)量和之前一段時(shí)間的傳輸速率，固其公平性介于 Max C/I算法和RR算法之間。

圖1 小區(qū)用戶數(shù)與系統(tǒng)吞吐量關(guān)系

圖2 小區(qū)用戶數(shù)與公平指數(shù)關(guān)系

通過仿真可以得出結(jié)論，PF算法能夠兼顧公平性和系統(tǒng)吞吐量，PF 算法通過適當(dāng)限制一部分信道質(zhì)量好的用戶的資源，把它動(dòng)態(tài)的分配給信道質(zhì)量較差的用戶，進(jìn)而保證了用戶平均速率的一致性。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)PF調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)，則可以得到更好的系統(tǒng)性能。

[1]3GPP TR 36.913 v8.0.0.Requirements for Further Advancements for E-UTRA[S].USA:3GPP,2008.

[2]沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[3]鄭侃，彭岳星，龍航，等.協(xié)作通信及其在LTE-Advanced中的應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[4]陸彥輝, 尹長(zhǎng)川, 樂光新.寬帶OFDMA 系統(tǒng)有效支持QoS的分組調(diào)度算法[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（04）:24-28.

[5]張思超，羅新.多服務(wù)多用戶OFDM系統(tǒng)資源分配算法[J].通信技術(shù),2010,43(11):18-20.

[6]張廣馳.OFDMA中繼網(wǎng)絡(luò)基于效用的資源分配[J].通信技術(shù),2011,44(01):135-136.

[7]王瑞文.一種新型的OFDMA系統(tǒng)調(diào)度算法[J].通信技術(shù),2011,44(03):9-10.

[8]3GPP TR36.942.Radio Frequency(RF)System Scenarios[S].USA:3GPP,2010.