一种新型的OFDMA系统调度算法

王瑞文

（南京邮电大学 通信与信息工程学院，南京 210003）

0 引言

OFDMA是一种无线环境中的多载波传输技术，系统中资源是一个时频两维的概念，对于一个带宽与帧长都固定的了OFDMA多用户系统来说，通过为每个用户分配不同的子载波可以实现并行数据传输。这里研究了OFDMA系统下行链路支持非实时业务的三种典型分组调度算法，并且提出了一种结合遗传搜索的自适应调度算法，并对这四种算法进行了仿真测试和分析比较。

1 系统模型

OFDMA系统中一个小区下行链路上有多个用户。资源调度器中有基站侧下行排队状态的完全信息，同时，所有移动用户关于信道的状态信息可以通过反馈信道传送到资源调度器。资源调度器根据信道状态信息和各数据流排队的状况，给出具体的资源分配策略，并传送给正交频分复用[1-2]（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）收发器。OFDM收发器根据子载波分配情况，从不同用户队列中取出数据形成一个OFDM符号，按确定的功率发射出去。这里假设每个子载波在一个时隙内只分给一个用户，而移动用户对信道状态的估计是准确的，并且信道的瞬时状态信息均是可用的。

2 调度分配算法

无线调度的目的是为用户合理分配何种无线资源，最大限度满足用户的通信需求。当前经典的分组调度算法有三种：轮询算法（RR，Round Robin），最大载干比算法（Max C/I）和比例公平算法（PF，Proportional Fair）。

2.1 轮询调度算法

轮询算法[3]的思想为：系统在每块资源上轮询地调度用户，使每个用户在长时间内分配到的资源是近乎相等的。在该算法中，每个用户被分配到资源的优先级是相同的，在K个用户的情况，一次循环完毕，每个用户被调度分配资源的概率P(k)均为1/K。它的优点是：算法实现简单，保证了所有用户相同时间内可以占用等量资源进行通信。因此，轮询算法不仅可以保证用户的长期公平性，而且可以保证用户间的短期公平性。

2.2 最大C/I（载/干比）调度算法

最大载干比算法[3-4]的思想是最大化的利用每份资源，以使得系统的总吞吐量最大。在这种算法中，较高的C/I值的用户比较低C/I值的用户具有更高的优先级，即在时刻t有K个用户同时请求传输数据，则此调度选中的用户为：

在该算法下，系统可以达到最大的吞吐量，但是该算法会导致距离通信节点近的用户由于其通信信道好而一直接收服务，而处于小区边缘的用户由于C/I较低，却一直得不到服务。最大C/I调度算法是不公平的，但是该算法得到的系统吞吐量一般认为是系统吞吐量的上界。

2.3 比例公平调度算法

比例公平调度算法[5-7]的思想是给小区内每个用户分配了一个相应的优先级，小区中优先级最大的用户接收服务。该优先权[3]定义如下：

这里的(C/I)k(t)是指用户在时刻t的载干比，反映用户在当前时刻的信道条件。式中 Tk(t)指该用户在以t结尾的时间窗tc中的平均吞吐量，在每个调度时刻 Tk(t)的更新见式(3)[3]：

2.4 自适应公平算法

2.4.1 遗传算法

遗传算法是一类借鉴生物界的进化规律（适者生存，优胜劣汰遗传机制）演化而来的随机化搜索方法。遗传算法是计算数学中用于解决最优化的搜索算法，是一种智能的自适应算法。

遗传算法[8-9]的基本运算过程包括初始化、个体评价、选择运算、交叉运算、变异运算、终止条件判断六个部分。

2.4.2 结合遗传搜索的自适应算法

现提出的自适应算法是结合遗传搜索进行的，APF算法的基本原理是：以吞吐量和公平性的加权求和作为目标函数，也就是：吞吐量-Alpha×公平性指标，则公平性指标越小越公平，而Alpha表示加权系数，再利用遗传算法全局寻优的特点得到调度结果，其适应度函数公式见式(4)：

其中，Y为总速率，R为各用户的速率，G为R的标准差。一个小区中包含K用户，N个子载波，B为总带宽，N0为加性高斯白噪声功率谱密度，Pk,n表示第k个用户在第n个子载波上的功率，Hk,n表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益。则第k个用户的更新公式为：

3 算法仿真与分析

仿真结果给出了在用户数取 40时的系统吞吐量和公平性情况。仿真参数表如表1所示。

表1 仿真参数设置

图1是用户数为40时系统的吞吐量情况，从仿真结果可以看出，最大载干比算法的系统吞吐量最大，因为它在每个子载波上调度了性能最优的用户，能够使子载波的可达速率最大化；而轮询调度的吞吐量最低，因为它没有考虑各个子载波在每个用户上的性能；至于 PF调度算法，它在保证一定的公平性下尽量地调度不同子载波中信道条件较好的用户，因此它的频谱效率的损失要少的多；而APF采用遗传搜索对 PF算法进行了改进，从图中可以看出它的吞吐量明显要高于PF算法，而且非常接近最大载干比算法。

图1 系统吞吐量

图2 系统公平性

图2所示为用户数取40时的系统公平性，从仿真结果可以看出，轮询算法的公平性最好，因为每个用户所获得的资源数是一样的；最大载干比算法的公平性很差，因为在该算法下资源集中分配给了少数用户；至于PF算法考虑了一定的公平性，并且随着用户数的增多公平性有所提高；而结合遗传搜索的APF算法在公平性性能上明显优于PF算法，而且效果仅次于轮询算法。

4 结语

研究了OFDMA下行链路的三种经典调度算法，并结合遗传搜索对公平算法进行了改进。仿真结果表明，不管是系统吞吐量还是公平性，自适应调度算法都有较好的性能提升，今后可以在这方面做更进一步的研究和探讨。

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