无线资源管理中的调度算法研究

无线资源管理中的调度算法研究

李英杰，雷海鹏，杨大成

北京邮电大学电信工程学院，北京 (100876)

E-mail ：lyjbupt@

摘 要：在无线系统中进行通信，必须占有一定的无线资源。而对于任何无线系统来说，资源总是有限的，所以通常会在满足服务质量(Quality of Service, QoS)的情况下通过资源共享向多个用户提供业务，通过采用资源控制的调度技术，合理地为用户分配资源，从而使得系统性能达到最大化。本文介绍并比较了3G 以及B3G 系统中的一些调度算法，分析了新一代无线通信中主要分组调度算法的特点。

关键词：调度算法 ，公平性 吞吐量，效用函数

1. 前言

无线通信系统是资源受限的，如何利用有限的系统资源满足日益增长的用户需求，已经成为移动通信系统制造商和运营商亟需解决的问题。作为一项关键技术，无线资源管理已经成为衡量一个移动通信系统体制是否可行、系统服务质量优劣的准则。无线资源管理的目标就是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道起伏变化的情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度提高无线频谱利用率、防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。

无线资源管理主要包括功率控制、速率控制、信道分配、调度、切换控制、接入控制、端到端QoS 调配、无线链路自适应，以及无线资源预留。

2. 调度算法概述

调度算法为无线用户的各种分组业务分配无线资源，针对初期满Buffer 的数据业务，调度算法研究中需要考虑的两个重要方面：吞吐量和公平性。

吞吐量一般用单位时间内正确传输的数据量来表示，公平性一般以公平性准则来衡量

[1]，该准则是用各用户吞吐量归一化分布函数（CDF ，Cumulative Distribution Function ）曲线来表示，用所有用户的平均吞吐量做归一化。如果用户k 的吞吐量为T put (k)，相对于所有用户平均吞吐量的归一化吞吐量)(~k T put 为

)}({)()(~,...,1j T avg k T k T put K j put put ==

准则由表1的3个点表示

表1 CDF 准则 归一化吞吐量 0.10.2

0.5CDF 0.1

0.20.5

该准则实质上是限制了低吞吐量用户占总用户数的比例，比如低于0.1倍平均吞吐量的用户数不能超过总用户数的10%。按照该准则，所有满足公平性要求的调度算法，其CDF 曲线一定在这三点连成的直线的右侧，否则就是违反了公平性准则。

3. CDMA 中的调度算法

图1描述了无线分组调度机制的基本原理[2]。在下行链路，基站调度器缓存核心网传送来的数据，为每个用户建立一个数据队列，然后根据用户信道状态信息和用户的队列及其它信息，根据所采用的调度算法，计算出每个用户的优先级，然后根据优先级对用户进行排队，并分配无线资源。信道状况的变化有慢衰落和快衰落两种。慢衰主要受终端与基站间距离和地形状态的影响，而快衰则主要受多径效应影响。数据速率相应于信道的这两种变化也存在短时抖动与长时变化。数据业务对于短时抖动相对可以容忍，但对于长时抖动要求则较严。好的调度算法既要充分利用短时抖动特性，也要保证不同用户之间的长时公平性。也就是说，既要使得信道条件最好的用户占用资源以提高系统吞吐量，也要使得信道条件相对不好的用户在一定时间内能够得到调度机会，保证业务连续性。

图 1 基站调度器结构

在CDMA2000 1x EV-DO 系统中，由于采用的是时分共享信道，所以系统可调度的资源主要是时隙。在每一个时隙，调度器根据某种调度规则，选出具有最高优先级的用户，然后将当前时隙分给该用户用来传输数据。各种调度算法的区别主要在于用户优先级的计算策略，CDMA 系统中常见的调度算法有轮询、最大C/I 和正比公平几种，它们的优先级计算函数如下所示：

轮询：

)}({max arg ,...,1t T k j K j ==

最大C/I ：

)}(){(max arg ,...,1t I C k j K j ==

从轮询和最大C/I 算法的优先级表达式中可以看出，轮询保证以均等的机会为系统中的

所有用户分配相同数量的资源，使用户按照某种确定的顺序占用无线资源进行通信。其主要思想是，以牺牲吞吐量为代价，公平地为系统内的每个用户提供资源。但是由于没有考虑用户信道状况的不同，传输的可靠性并不高，导致吞吐量极低。最大C/I 则在调度用户时，只选择信道状况最好的用户，即让信道条件好的用户一直在传，因而能够适应无线信道的时变特性，充分利用了多用户分集的效果。因此其吞吐量是吞吐量的极限值，但是完全不考虑用户公平性也使它饱受诟病，对于信道状况差的用户，可能将长期得不到服务机会，甚至出现所谓“饿死现象”，其公平性是很差的。

正比公平：

)()({(max arg ,...,1t R t r k j j K j ==

c

j j c j T t r t R T t R )()()11()1(+−=+其中： 对于正比公平调度算法，r 是用户的瞬时速率，由用户的信道状态信息决定，R 是用户在时间窗口T c 内的平均速率。随着用户速率的提高，其优先级降低，这就使原来低优先级的用户获得较多的传输机会，因此能保证用户间的公平性。而其本身也利用了多变的信道状况，达到了维持吞吐量较高的效果[3]。

4. 调度算法的发展

上述3G 中的调度算法很大的问题一是只用于单一业务，二是没有QoS 保证，没有考虑不同业务对时延、速率的要求。随着移动通信中VoIP 、Video Streaming 和Online Gaming 等新型的多媒体应用业务的出现，这些新业务对时延的要求越来越高，对调度的实时性要求与FTP 等类似满Buffer 的非实时业务有很大不同。比如，它们不要求吞吐量达到非常高的值、公平性到达某个水平，只是时延的要求很苛刻；它们每时刻产生的数据包平均是很小的，但是这些数据包的生存周期是很短的。好的调度算法在处理这两类时既要兼顾系统整体的吞吐量和公平性，又要针对实时业务，保证其时延要求。而针对实时业务，评价调度算法的指标演变为系统可容纳的用户数和用户的丢包率等业务指标。针对这两类混合业务的调度，主要的调度算法有M-LWDF 、EXP/PF 两种[4],它们的优先级计算公式如下所示：

M-LWDF:

()()()()()

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∈∈=非实时业务实时业务i t R t r i t R t r W a t Q i i i i i i

EXP/PF: ()()()()()

()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧∈∈+−=非实时业务实时业务i t R t r i aW aW t W a t R t r t Q i i i i i

i )1exp(*