劉勇　謝映海

【摘 要】分組調(diào)度作為基站通信系統(tǒng)的一個核心技術(shù)，如何在吞吐量極大化和公平服務(wù)之間實現(xiàn)較好的折中一直是研究熱點。基于用戶的信道狀態(tài)統(tǒng)計信息，利用靜態(tài)或低速移動的用戶的信道狀態(tài)時變但統(tǒng)計特征保持穩(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，并計算出其發(fā)生的具體概率值，據(jù)此對這些用戶進(jìn)行可量化的合理調(diào)度，實現(xiàn)對公共無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實現(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(tǒng)吞吐量極大化和公平服務(wù)之間實現(xiàn)較好的折中一直是該技術(shù)的研究熱點，但至今也沒有完美的解決方案?，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，可實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量極大化，但該算法沒有考慮任何公平性，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用戶的實時信道狀態(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制；M-LWDF算法則進(jìn)一步考慮了業(yè)務(wù)的時延因素。但這些資源動態(tài)分配算法都僅僅考慮各個用戶的實時信道狀態(tài)，因此無法實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度性能的最優(yōu)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(jié)果。大尺度衰落是由距離產(chǎn)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(dāng)發(fā)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(fā)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(shè)基站正在為M個用戶進(jìn)行不同的下行業(yè)務(wù)傳輸，為簡化問題，這里認(rèn)為基站可以理想獲得每個用戶在業(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)計意義上的穩(wěn)定，默認(rèn)系統(tǒng)這些用戶在整個業(yè)務(wù)過程中都是處于靜止或低速移動狀態(tài)，使得下行信道雖然是時變的，但相鄰的兩段時間內(nèi)的信道狀態(tài)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較接近。

本文利用上述特性，對上述用戶的聯(lián)合信道狀態(tài)概率空間進(jìn)行巧妙的事件域無縫切割，并利用過去一段時間內(nèi)的用戶信道狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來計算切割后每個事件域的發(fā)生概率的預(yù)期值，以此來制定下一段時間內(nèi)的分組調(diào)度策略，首次實現(xiàn)了可量化的調(diào)度過程。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，實現(xiàn)了相對理想的調(diào)度效果，可以在用戶業(yè)務(wù)總吞吐量極大化的同時實現(xiàn)用戶平均調(diào)度速率的趨同，一定程度上摒棄了無線資源管理領(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，具有較強的理論和實際應(yīng)用價值。

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

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

設(shè)一個基站需要同時支持M個均勻分布在小區(qū)內(nèi)的用戶不同的下行業(yè)務(wù)需求，且基站可以實時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)在共享信道上來獲得最大的傳輸效率。在整個業(yè)務(wù)過程中，所有用戶都處于靜止或低速移動狀態(tài)，使得它們的信道雖然是時變的，但相鄰的兩段時間內(nèi)的信道狀態(tài)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較接近。

根據(jù)上述調(diào)度過程可知，上述調(diào)度算法充分利用了靜態(tài)或低速移動用戶的信道狀態(tài)時變但統(tǒng)計特征保持穩(wěn)定的特性，利用前一段時間用戶的信道狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來預(yù)估后一段時間的調(diào)度速率，從而以可量化的方式來靈活調(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(yōu)先權(quán)，另外讓那些預(yù)估調(diào)度速率過大的用戶讓出適量的調(diào)度機會給那些預(yù)估調(diào)度速率過小的用戶，從而盡可能實現(xiàn)所有用戶的調(diào)度速率的趨同。

3 仿真及結(jié)果

為驗證上述調(diào)度算法的分配效果，下面給出相關(guān)的仿真結(jié)果。設(shè)一個單載波基站系統(tǒng)需要同時支持8個均勻分布在小區(qū)內(nèi)的用戶的下行業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)在每個調(diào)度時隙上都可以根據(jù)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(jìn)行歸一化后，基站在每個調(diào)度時隙里采用這7個調(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，在整個調(diào)度過程，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)度時隙上的信道情況保持相互獨立。基站下行發(fā)射功率為48dB，初始化時8個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個調(diào)度時隙，且每個用戶在相鄰兩個調(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上隨機抽取來模擬用戶的低速移動，而在含100個調(diào)度區(qū)，總共含105個調(diào)度時隙的調(diào)度過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給出了在整個調(diào)度過程中基站在每個調(diào)度區(qū)內(nèi)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(diào)度過程中第1至4個用戶，第5至第8個用戶在每個調(diào)度區(qū)內(nèi)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(xiàn)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(diào)度速率相差不大，已經(jīng)基本實現(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，使得每個用戶獲得非常接近的調(diào)度速率，使系統(tǒng)的無線信道資源獲得了合理和高效的利用。

4 結(jié)束語

本文針對單載波基站系統(tǒng)的處于靜態(tài)或低速移動的下行用戶，利用用戶信道時變，但信道狀態(tài)統(tǒng)計特征在較長時間內(nèi)都保持穩(wěn)定的特性，首次對用戶信道狀態(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)測性調(diào)度算法，實現(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實現(xiàn)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(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。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]