頻譜系數(shù)比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法

田曄非，翟 淵

(1.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400044；2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用電子學(xué)院，重慶 401331；3.重慶科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

在過去的幾十年里，人們對無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度問題進(jìn)行廣泛的研究和分析，大量的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法如雨后春筍般層出不窮，極大地提升了無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)容量和頻譜利用率[1-5]。最初為蜂窩技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，其采用蜂窩技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)，具有較高的可拓展性，但是頻譜資源利用率低[6]。為了解決蜂窩技術(shù)的缺陷，有學(xué)提出了基于3G和4G模式下的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，當(dāng)時頻譜資源還是可以滿足數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬的需求[7]，但是由于用戶人數(shù)的不斷增加，可利用頻譜資源已不斷消耗殆盡，無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)難以再提升，為此出現(xiàn)了基于5G模式下的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，兼容性更好，便于擴(kuò)展[8]，但資源分配問題仍然嚴(yán)重，為此有學(xué)者提出了基于增加發(fā)射功率的無線通信網(wǎng)絡(luò)資源分配策略，無線網(wǎng)絡(luò)資源的利用率得到了大幅度提升，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也急劇增加，但由于沒有考慮網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性，實(shí)際應(yīng)用效果不佳[10]。有學(xué)者提出了基于比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法，考慮用戶獲取服務(wù)機(jī)會的公平性、信道質(zhì)量等因素，網(wǎng)絡(luò)吞吐量能夠長期保持良好，但是網(wǎng)絡(luò)延時問題嚴(yán)重[11]。有研究人員提出基于下行鏈路時頻混合的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法，調(diào)度器設(shè)置成可以切換的兩種調(diào)度模式[12]，由于忽略了網(wǎng)絡(luò)吞吐量指標(biāo)，因此當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法雖然取得一定效果，但無法解決用戶公平性和網(wǎng)絡(luò)吞吐量之間的矛盾，使得到無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資資源難以得到最大化利用[13]。

為了解決當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法存在的吞吐量小、用戶公平性差等難題，設(shè)計了基于頻譜系數(shù)比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法。首先建立無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度的通信模型，然后采用改進(jìn)比例公平的資源調(diào)度方法對無線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，最后通過仿真對比實(shí)驗(yàn)對無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法的性能進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以提高用戶公平性和無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的吞吐量，解決了用戶公平和系統(tǒng)吞吐量之間的矛盾。

1 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度的理論

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信模型

無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在通信過程中，由于信道頻率、通信空間以及服務(wù)質(zhì)量等因素的約束，需要設(shè)計相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度策略。無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信模型是無線資源調(diào)度策略設(shè)計的基礎(chǔ)，由于多載波的通信模型最為經(jīng)典，因此選擇多載波作為無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信模型，具體如圖1所示。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信模型

1.2 用戶體驗(yàn)質(zhì)量的評價指標(biāo)

由于無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍不斷增加，再加上網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)類型多樣化，無線通信質(zhì)量要求日益提高，因此在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法設(shè)計時，首先要考慮用戶的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)質(zhì)要求，當(dāng)前QoS主要采用丟包率、吞吐率、時延等指標(biāo)組建服務(wù)質(zhì)量衡量體系，但這些指標(biāo)均是技術(shù)層面上的指標(biāo)，與用戶對無線通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的主觀感受程度不同，為此有學(xué)者提出了用戶體驗(yàn)質(zhì)量(quality of experience，QoE)評價體系[14]，從服務(wù)技術(shù)和用戶主觀感受兩方面對服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評價，滿足用戶持續(xù)増長的通信需求。在服務(wù)質(zhì)量衡量體系中，本文主要考慮吞吐量、公平性。

(1)吞吐量是評價資源調(diào)算法性能的最直接指標(biāo)，主要用用描述一定時間內(nèi)，整個用戶的數(shù)據(jù)吞吐量總數(shù)，設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中共有N個用戶，第i個用戶的數(shù)據(jù)吞吐量為ri，那么系統(tǒng)的吞吐量為

(1)

式中：T表示仿真時間，B表示無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬，n表示仿真過程中參與的用戶數(shù)。

(2)公平性是評價資源分配結(jié)果的均衡度指標(biāo)，由于用戶的位置和服務(wù)質(zhì)量要求不一樣，則需要分配不同的資源，采用公平性指數(shù)作為無線網(wǎng)絡(luò)的公平性評價結(jié)果，定義如下

(2)

式中：Qg為用戶需求帶寬的滿足情況。

1.3 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的信道模型

在無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的工作過程中，由于受到外界環(huán)境的影響，信道會出現(xiàn)一定路徑損耗，那么路徑損耗的信道模型可以描述為

L(db,u)=K+10α1ogl0(db,u)

(3)

式中：b表示基站的編號，u表示用戶的編號；db,u表示小尺度衰落。

在用戶u感興趣的無線通信區(qū)域，第n個基站的瞬時信噪比為

(4)

式中：t表示調(diào)度時間；Ho,u,n(t)表示無線網(wǎng)絡(luò)的子帶頻率響應(yīng)，N0表示噪聲功率譜密度，Δf表示子載波帶寬，Pc表示均勻功率分配；Iu,n(t)表示干擾，那么Δf和Iu,n(t)的計算公式分別為

(5)

(6)

式中：Φn為基站干擾集。

Pc的計算公式為

(7)

式中：FC和FE表示中心區(qū)域和邊緣區(qū)域。

由于每一個基站有Nsc個子載波，那在t時間段內(nèi)，用戶u在第n個基站上的數(shù)據(jù)傳輸速率為

r(γu,n(t))=Nscρ(γu,n(t))

(8)

在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于無線通信系統(tǒng)自身的原因，難免會產(chǎn)生一個的數(shù)據(jù)傳輸錯誤，因此實(shí)際有效數(shù)據(jù)的傳輸速率計算公式應(yīng)該為

(9)

式中： ?(γu,n(t))的計算公式為

(10)

2 無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的具體設(shè)計

2.1 經(jīng)典資源調(diào)算法

經(jīng)典無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法主要有：輪循算法，最大載干比算法和公平比例算法，其中輪循算法為最原始算法，其將無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)工作時間劃為一定的時間間隔，一個時間間隔內(nèi)只為一個用戶服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣每一個用戶分配的時隙、功率等資源是相同的，根據(jù)用戶申請資源的時間分配網(wǎng)絡(luò)資源，是最公平的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法，而且簡單、易實(shí)現(xiàn)，但是用戶的要求有一定的差異，沒有考慮無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)信道的時變性，實(shí)際沒有達(dá)到真正公平性，資源分配經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重不均衡現(xiàn)象，鏈路狀況很差用戶可被分配資源，系統(tǒng)吞吐量降低。

針對輪循算法存在的缺陷，出現(xiàn)了最大載干比算法，該算法利用多用戶分集效應(yīng)，最好用戶的調(diào)度級別最高，錯誤重傳的次數(shù)，大幅度提高了無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸成功率，在吞吐量方面是當(dāng)前最好的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法。設(shè)共有M個等服務(wù)的用戶，用戶k被選擇進(jìn)行資源調(diào)度的結(jié)果為

(11)

式中：C/I表示載干比。

在最大載干比算法的實(shí)際應(yīng)用中，一些信道質(zhì)量不好用戶，長期分配不到資源，有時出現(xiàn)“餓死現(xiàn)象”，因此該算法無法保證小區(qū)中所有用戶的公平，存在嚴(yán)重的不足[15]。

針對輪循算法僅考慮用戶的公平性和最大載干比算法僅考慮系統(tǒng)吞吐量的局限性，有學(xué)者設(shè)計了公平比例算法，該算法將整無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分多個小區(qū)，每一個小區(qū)均有一個調(diào)度器，在每一個時刻，調(diào)度器會將分配給每一個小區(qū)中級別最高的用戶，調(diào)度優(yōu)先級的計算公式為

(12)

式中：Ti(t)表示用戶i的瞬時傳輸速率；Ri(t)表示用戶i的平均吞吐量。

從式(12)可知，公平比例算法解決了系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性的之間矛盾，每個調(diào)度時刻結(jié)束后，需要對Ri(t)進(jìn)行更新操作，具體為

(13)

式中：tc表示參考時隙數(shù)。

2.2 頻譜系數(shù)比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法

在實(shí)際應(yīng)用中公平比例算法雖然考慮了用戶的瞬時速率和平均信道條件，兼顧傳輸有效性和服務(wù)公平性，但仍然可能引起短期的不公平性，出現(xiàn)“餓死現(xiàn)象”，為此本文對公平比例算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了頻譜系數(shù)比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法，通過頻譜分配系數(shù)得到網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最優(yōu)資源分配方案。首先考慮頻譜分配系數(shù)，對各個區(qū)域吞吐量均值的計算公式為

(14)

式中：PC表示用戶在中心區(qū)域的概率，具體為

(15)

網(wǎng)絡(luò)吞吐量均值最大化問題可以轉(zhuǎn)換為如下優(yōu)化問題

w

(16)

選擇顯著影響區(qū)域吞吐量均值的參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，具體為

τ(w,ξ)

(17)

式中：相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[15]。

頻譜分配系數(shù)(ξ)的取值范圍為

(18)

將無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配系數(shù)進(jìn)行固定，那么w優(yōu)化問題可表示為

(19)

在無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中，資源考引入用戶訪問時延，解決造短期的不公平性問題，那么式(11)變?yōu)?/p>

(20)

式中：λi(t)表示用戶i的訪問時延，λc表示最大訪問時延，其中

(21)

頻譜系數(shù)比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的工作步驟：

步驟1 當(dāng)用戶資源申請要求時，計算用戶的通信質(zhì)量要求指標(biāo)值，將其包含于用戶發(fā)送的信息中。

步驟2 無線網(wǎng)絡(luò)通系統(tǒng)資源的調(diào)度器根據(jù)用戶終端傳輸過來的信道探測參考信號，對每個信道質(zhì)量進(jìn)行評價。

步驟3 無線網(wǎng)絡(luò)通系統(tǒng)資源的調(diào)度器根據(jù)信道質(zhì)量信息對頻譜分配系數(shù)進(jìn)行估計。

步驟4 根據(jù)頻譜分配系數(shù)計算每個用戶的瞬時數(shù)據(jù)傳輸速率。

步驟5 無線網(wǎng)絡(luò)通系統(tǒng)的資源調(diào)度器綜合考慮用戶的瞬時數(shù)據(jù)傳輸速率和用戶公平性估計每個用戶在每個信道的優(yōu)先級。

步驟6 選擇優(yōu)先級最高的用戶進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通系統(tǒng)資源調(diào)度，將該信道分配給優(yōu)先級最高的用戶。

步驟7 從候選信道集合的列表中刪除已經(jīng)分配的信道。

步驟8 如果候選信道集合的列表為空，則表示全部無線網(wǎng)絡(luò)通系統(tǒng)資源調(diào)度已經(jīng)分配完畢，那么就結(jié)束算法的支持，不然返回步步驟3繼續(xù)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通系統(tǒng)資源調(diào)度與分配。

3 仿真測試

3.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

為了測試頻譜系數(shù)比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的有效性，設(shè)多個用戶均勻部署于無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域內(nèi)，采用Matlab2016作為實(shí)驗(yàn)平臺，無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

3.2 結(jié)果與分析

為了使本文無線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力，選擇傳統(tǒng)公平比例算法、文獻(xiàn)[15]的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法在相同仿真環(huán)境下進(jìn)行對比測試，選擇用戶公平性、無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的吞吐量、用戶的服務(wù)速率作為無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度結(jié)果的評價指標(biāo)。

3.2.1 用戶公平性對比

本文算法、公平比例算法、文獻(xiàn)[15]的無線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法的用戶公平性的仿真結(jié)果如圖2所示。對圖2的用戶公平性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著用戶數(shù)量的不斷增加，所有無線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法的用戶公平性不斷下降，這主要是由于用戶數(shù)量增加，用戶之間競爭資源的程度不斷增加，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)資源公平性更加不均衡，同時在相同用戶數(shù)量下，本文算法的資源高公平性明顯好于公平比例算法、文獻(xiàn)[15]的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的公平性，同時也證明本文算法對公平比例算法的改正是有效的。

圖2 不同算法的用戶公平性對比

3.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的吞吐量對比

本文算法、公平比例算法、文獻(xiàn)[15]的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖3無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)吞吐量變化曲線可以清楚看出，隨著無線網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的逐漸增多，無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量的增加速度比較快，這主要是因?yàn)橛脩魯?shù)量增多，數(shù)據(jù)傳輸量增加，在相同條件下，本文算法的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)吞吐量一直要高于公平比例算法、文獻(xiàn)[15]的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文算法無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度的優(yōu)越性。

圖3 不同算法的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐對比

3.2.3 用戶服務(wù)速率對比

不同用戶編號用戶，本文算法、公平比例算法、文獻(xiàn)[15]的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的用戶服務(wù)速率變化結(jié)果見表2。對表2的用戶服務(wù)速率變化結(jié)果進(jìn)行對比和分析可以知道，本文算法的戶服務(wù)速率變化十分平穩(wěn)，驗(yàn)證本文算法可以獲得十分理想的用戶公平性，而公平比例算法、文獻(xiàn)[15]的無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的用戶服務(wù)速率變化波動大，難以滿足用戶服務(wù)質(zhì)量要求，存在一定的缺陷，再一次驗(yàn)證了本文無線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法的優(yōu)越性。

表2 不同算法的用戶服務(wù)速率對比/(kb/s)

4 結(jié)束語

為了解決當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法存在的用戶公平性和系統(tǒng)吞吐量之間的矛盾，設(shè)計了固定頻譜系數(shù)比例公平的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的有效性和優(yōu)越性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，本文提出的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)資源調(diào)度算法獲得了理想的用戶比例性，大幅度提高了無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的吞吐量，而且綜合性能要明顯優(yōu)于無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法，具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用價值。