一種新型的OFDMA系統調度算法

王瑞文

（南京郵電大學 通信與信息工程學院，南京 210003）

0 引言

OFDMA是一種無線環境中的多載波傳輸技術，系統中資源是一個時頻兩維的概念，對于一個帶寬與幀長都固定的了OFDMA多用戶系統來說，通過為每個用戶分配不同的子載波可以實現并行數據傳輸。這里研究了OFDMA系統下行鏈路支持非實時業務的三種典型分組調度算法，并且提出了一種結合遺傳搜索的自適應調度算法，并對這四種算法進行了仿真測試和分析比較。

1 系統模型

OFDMA系統中一個小區下行鏈路上有多個用戶。資源調度器中有基站側下行排隊狀態的完全信息，同時，所有移動用戶關于信道的狀態信息可以通過反饋信道傳送到資源調度器。資源調度器根據信道狀態信息和各數據流排隊的狀況，給出具體的資源分配策略，并傳送給正交頻分復用[1-2]（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）收發器。OFDM收發器根據子載波分配情況，從不同用戶隊列中取出數據形成一個OFDM符號，按確定的功率發射出去。這里假設每個子載波在一個時隙內只分給一個用戶，而移動用戶對信道狀態的估計是準確的，并且信道的瞬時狀態信息均是可用的。

2 調度分配算法

無線調度的目的是為用戶合理分配何種無線資源，最大限度滿足用戶的通信需求。當前經典的分組調度算法有三種：輪詢算法（RR，Round Robin），最大載干比算法（Max C/I）和比例公平算法（PF，Proportional Fair）。

2.1 輪詢調度算法

輪詢算法[3]的思想為：系統在每塊資源上輪詢地調度用戶，使每個用戶在長時間內分配到的資源是近乎相等的。在該算法中，每個用戶被分配到資源的優先級是相同的，在K個用戶的情況，一次循環完畢，每個用戶被調度分配資源的概率P(k)均為1/K。它的優點是：算法實現簡單，保證了所有用戶相同時間內可以占用等量資源進行通信。因此，輪詢算法不僅可以保證用戶的長期公平性，而且可以保證用戶間的短期公平性。

2.2 最大C/I（載/干比）調度算法

最大載干比算法[3-4]的思想是最大化的利用每份資源，以使得系統的總吞吐量最大。在這種算法中，較高的C/I值的用戶比較低C/I值的用戶具有更高的優先級，即在時刻t有K個用戶同時請求傳輸數據，則此調度選中的用戶為：

在該算法下，系統可以達到最大的吞吐量，但是該算法會導致距離通信節點近的用戶由于其通信信道好而一直接收服務，而處于小區邊緣的用戶由于C/I較低，卻一直得不到服務。最大C/I調度算法是不公平的，但是該算法得到的系統吞吐量一般認為是系統吞吐量的上界。

2.3 比例公平調度算法

比例公平調度算法[5-7]的思想是給小區內每個用戶分配了一個相應的優先級，小區中優先級最大的用戶接收服務。該優先權[3]定義如下：

這里的(C/I)k(t)是指用戶在時刻t的載干比，反映用戶在當前時刻的信道條件。式中 Tk(t)指該用戶在以t結尾的時間窗tc中的平均吞吐量，在每個調度時刻 Tk(t)的更新見式(3)[3]：

2.4 自適應公平算法

2.4.1 遺傳算法

遺傳算法是一類借鑒生物界的進化規律（適者生存，優勝劣汰遺傳機制）演化而來的隨機化搜索方法。遺傳算法是計算數學中用于解決最優化的搜索算法，是一種智能的自適應算法。

遺傳算法[8-9]的基本運算過程包括初始化、個體評價、選擇運算、交叉運算、變異運算、終止條件判斷六個部分。

2.4.2 結合遺傳搜索的自適應算法

現提出的自適應算法是結合遺傳搜索進行的，APF算法的基本原理是：以吞吐量和公平性的加權求和作為目標函數，也就是：吞吐量-Alpha×公平性指標，則公平性指標越小越公平，而Alpha表示加權系數，再利用遺傳算法全局尋優的特點得到調度結果，其適應度函數公式見式(4)：

其中，Y為總速率，R為各用戶的速率，G為R的標準差。一個小區中包含K用戶，N個子載波，B為總帶寬，N0為加性高斯白噪聲功率譜密度，Pk,n表示第k個用戶在第n個子載波上的功率，Hk,n表示第k個用戶在第n個子載波上的信道增益。則第k個用戶的更新公式為：

3 算法仿真與分析

仿真結果給出了在用戶數取 40時的系統吞吐量和公平性情況。仿真參數表如表1所示。

表1 仿真參數設置

圖1是用戶數為40時系統的吞吐量情況，從仿真結果可以看出，最大載干比算法的系統吞吐量最大，因為它在每個子載波上調度了性能最優的用戶，能夠使子載波的可達速率最大化；而輪詢調度的吞吐量最低，因為它沒有考慮各個子載波在每個用戶上的性能；至于 PF調度算法，它在保證一定的公平性下盡量地調度不同子載波中信道條件較好的用戶，因此它的頻譜效率的損失要少的多；而APF采用遺傳搜索對 PF算法進行了改進，從圖中可以看出它的吞吐量明顯要高于PF算法，而且非常接近最大載干比算法。

圖1 系統吞吐量

圖2 系統公平性

圖2所示為用戶數取40時的系統公平性，從仿真結果可以看出，輪詢算法的公平性最好，因為每個用戶所獲得的資源數是一樣的；最大載干比算法的公平性很差，因為在該算法下資源集中分配給了少數用戶；至于PF算法考慮了一定的公平性，并且隨著用戶數的增多公平性有所提高；而結合遺傳搜索的APF算法在公平性性能上明顯優于PF算法，而且效果僅次于輪詢算法。

4 結語

研究了OFDMA下行鏈路的三種經典調度算法，并結合遺傳搜索對公平算法進行了改進。仿真結果表明，不管是系統吞吐量還是公平性，自適應調度算法都有較好的性能提升，今后可以在這方面做更進一步的研究和探討。

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