基于比例公平无线分组调度算法的研究与改进

摘要

未来的移动通信系统需要支持更高的传输速率，容纳更多的用户，并且保障多种业务的服务质量(QoS)。在多用户共享的无线网络中，设计有效的无线分组调度算法将有助于实现这一目标。在无线网络中，调度的有效性和公平性通常是两个相互矛盾的性能指标，调度算法必须根据不同用户的QoS要求，在二者之间取得最优折中。因此，如何设计出既能保证用户的QoS，又能提高系统容量的分组调度算法是当前无线通信领域的一个研究热点。
　　 本文从分析无线网络特点入手，介绍了无线分组调度技术的研究现状，给出了无线分组调度算法的分类、设计目标及性能评价标准，指出了当前面临的一些挑战。论文首先针对时变环境下时分复用的无线网络分组调度机制进行了研究，考虑到日后用户业务需求的多样性，以数据类业务和语音类业务为例分别展开讨论。由于不同的业务有着自身的特点和不同的QoS要求，在设计调度算法时考虑的因素也有所不同。例如，数据业务需要传输大量的数据，这就要求算法可以提供较高的数据速率，保证系统吞吐量；语音业务则对时延十分敏感，要求算法尽量减少时延，保证短期公平性。
　　 文中首先给出了TDMA系统中的分组调度模型，介绍了RR、MAXC/I和PF三种适用于数据业务的经典算法，考虑到用户的访问时延这一因素，为了提高用户间的短期公平，在PF算法的基础上提出了改进的比例公平(M-PF)算法。该算法为每个用户维护一个访问时延计时器，使访问时延接近时延上限的用户优先获得调度机会。仿真结果表明，M-PF算法在实现严格长期公平基础上，大大提高了系统的短期公平性，仅在系统吞吐量方面较PF算法有极少的损失。
　　 针对语音业务的研究，文中首先对M-LWDF和EXP这两种经典的调度算法进行了分析，考虑到语音业务对于分组时延的具体要求（分组超时率、超时期限等），依然采用PF算法的调度思想，提出了加权指数比例公平(WEPF)算法。该算法将指数化的分组等待时间加入判决准则中，设置了一个优先级区分参量，同时引入时延补偿机制，通过设定一个预超时门限，提前使即将超时的分组优先级提高，增加了其被调度的可能。在用户QoS要求相同和不同的假设条件下进行了仿真，结果表明WEPF算法大大降低了用户的分组超时率和时延抖动，提高了系统的综合性能，更好的保证了服务质量。
　　 作为下一代移动通信的核心技术，OFDM技术可以在增加频谱利用率的同时提高系统的抗多径衰落能力。因此，OFDM系统中的分组调度算法也成为时下的一项研究热点。由于OFDM系统中的资源是时频二维的，因此设计针对该系统的调度与资源分配方案时，与一般的基于时分或码分复用的系统相比也有所不同。
　　 文中最后对OFDM系统中的无线分组调度算法进行了研究，首先简单介绍了OFDM技术，描述了OFDM系统中的资源分配方案，给出了OFDM系统的调度模型。随后对系统进行数学建模，给出了三种用于该模型下的调度算法（K&H算法、McPF算法和加入子载波微调的K&H算法），比较了不同算法的性能。仿真结果表明McPF算法以损失微小的系统吞吐量为代价，在公平性和吞吐量方面取得了较好的折中；同时，子载波微调技术的引入可以更好的保证算法的短期公平性。