針對靜態和低速用戶的一種基站新型分組調度算法

劉勇　謝映海

【摘 要】分組調度作為基站通信系統的一個核心技術，如何在吞吐量極大化和公平服務之間實現較好的折中一直是研究熱點。基于用戶的信道狀態統計信息，利用靜態或低速移動的用戶的信道狀態時變但統計特征保持穩定的特性，提出了一種新型的分組調度算法。該算法對多用戶的聯合信道狀態概率空間進行巧妙的事件域切割，并計算出其發生的具體概率值，據此對這些用戶進行可量化的合理調度，實現對公共無線信道的高效和公平利用。理論分析和仿真結果表明，該算法可以在系統總吞吐量極大化的同時實現用戶分配速率的趨同，為化解吞吐量極大化和公平服務之間矛盾提供了一種新的方法。

【關鍵詞】分組調度算法；聯合信道狀態概率空間；吞吐量極大化；服務公平性

0 引言

作為基站通信系統的核心技術之一，分組調度應該以怎樣的方式來更加合理有效地分配和利用無線資源成為了一個重要的研究課題[1-4]。而如何在系統吞吐量極大化和公平服務之間實現較好的折中一直是該技術的研究熱點，但至今也沒有完美的解決方案。現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最好的用戶，可實現系統吞吐量極大化，但該算法沒有考慮任何公平性，很容易導致信道條件較差的用戶發生‘餓死現象；比例公平算法則充分考慮了各個用戶的實時信道狀態和用戶業務的公平服務，是單載波的CDMA-HDR中采用的信道分配機制；M-LWDF算法則進一步考慮了業務的時延因素。但這些資源動態分配算法都僅僅考慮各個用戶的實時信道狀態，因此無法實現系統調度性能的最優化。

無線信道的時變性一般是大尺度衰落和小尺度衰落共同作用的結果。大尺度衰落是由距離產生的信號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路徑的相長干擾和相消干擾造成的。當發射機與接收機之間的距離沒有大幅改變時，一般來說大尺度衰落不隨時間發生較大變化，而小尺度衰落隨時間的變化可能會很劇烈，但這種變化一般是滿足一定概率分布的。

設基站正在為M個用戶進行不同的下行業務傳輸，為簡化問題，這里認為基站可以理想獲得每個用戶在業務信道上的信道信息，且基站的發射功率保持恒定。另外為了保證用戶信道狀態保持統計意義上的穩定，默認系統這些用戶在整個業務過程中都是處于靜止或低速移動狀態，使得下行信道雖然是時變的，但相鄰的兩段時間內的信道狀態的統計數據比較接近。

本文利用上述特性，對上述用戶的聯合信道狀態概率空間進行巧妙的事件域無縫切割，并利用過去一段時間內的用戶信道狀態統計數據來計算切割后每個事件域的發生概率的預期值，以此來制定下一段時間內的分組調度策略，首次實現了可量化的調度過程。理論分析和仿真結果表明，新型算法充分考慮到了用戶的遠近因素，實現了相對理想的調度效果，可以在用戶業務總吞吐量極大化的同時實現用戶平均調度速率的趨同，一定程度上摒棄了無線資源管理領域中系統吞吐量極大化和公平服務之間互為矛盾的傳統觀點，具有較強的理論和實際應用價值。

1 用戶聯合信道狀態概率空間的事件域切割及發生概率計算

本節主要給出對M個用戶的聯合信道狀態概率空間如何進行事件域切割，以及切割后對每個事件域的發生概率大小的計算過程。

設一個基站需要同時支持M個均勻分布在小區內的用戶不同的下行業務需求，且基站可以實時獲得這些用戶的下行信道狀態信息（共L種），且采用自適應調制編碼技術在共享信道上來獲得最大的傳輸效率。在整個業務過程中，所有用戶都處于靜止或低速移動狀態，使得它們的信道雖然是時變的，但相鄰的兩段時間內的信道狀態的統計數據比較接近。

根據上述調度過程可知，上述調度算法充分利用了靜態或低速移動用戶的信道狀態時變但統計特征保持穩定的特性，利用前一段時間用戶的信道狀態統計數據來預估后一段時間的調度速率，從而以可量化的方式來靈活調整用戶的信道分配，在保證信道使用權盡可能歸屬于某個信道最好的用戶的同時，使得信道條件較差的用戶獲得一定的優先權，另外讓那些預估調度速率過大的用戶讓出適量的調度機會給那些預估調度速率過小的用戶，從而盡可能實現所有用戶的調度速率的趨同。

3 仿真及結果

為驗證上述調度算法的分配效果，下面給出相關的仿真結果。設一個單載波基站系統需要同時支持8個均勻分布在小區內的用戶的下行業務需求。系統在每個調度時隙上都可以根據用戶的理想反饋采用表1中方案來獲得最大的傳輸速率。

對信道帶寬和符號時間進行歸一化后，基站在每個調度時隙里采用這7個調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，在整個調度過程，用戶都處于低速和靜止狀態，即大尺度衰落因子變化速率較慢，且不同調度時隙上的信道情況保持相互獨立。基站下行發射功率為48dB，初始化時8個用戶的大尺度衰落系數依次為[-34.8， -33.1， -35.2， -31.2， -32， -32， -30.6， -30.2] dB，調度區的調度窗口包含K=1000個調度時隙，且每個用戶在相鄰兩個調度區的大尺度衰落系數變化值從區間[-0.2，0.2]dB上隨機抽取來模擬用戶的低速移動，而在含100個調度區，總共含105個調度時隙的調度過程中小尺度衰落系數均為滿足均值為1的瑞利衰落分布。

圖2給出了在整個調度過程中基站在每個調度區內的每個時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調度過程中第1至4個用戶，第5至第8個用戶在每個調度區內的每個時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，實現了下行吞吐量的極大化；而圖3（a）和圖3（b）則表明，8個用戶獲得的實際調度速率相差不大，已經基本實現趨同。

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

4 結束語

本文針對單載波基站系統的處于靜態或低速移動的下行用戶，利用用戶信道時變，但信道狀態統計特征在較長時間內都保持穩定的特性，首次對用戶信道狀態離散概率空間進行了事件域切割，并在此基礎上提出了一種新型預測性調度算法，實現了系統下行信道的合理使用。理論分析和仿真結果表明，該算法可以在系統總吞吐量極大化的同時實現用戶平均速率的趨同，給出了一種能夠很好解決無線資源管理領域中系統吞吐量極大化和公平服務之間的矛盾的方法。

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