OFDM系統(tǒng)中的資源調(diào)度

汪安春，肖亮，周世東，許希彬，姚彥


清華大學 微波與數(shù)字通信國家重點實驗室，北京100084


　　摘 要：資源調(diào)度可以顯著地改善通信系統(tǒng)的頻譜效率和吞吐量。文中給出了OFDM下行鏈路中3種不同的時隙調(diào)度策略，這些策略都是以CDMA/HDR中比例公平算法(Proportional Fair)為基礎。比較和分析了3種子帶分配的方案。首先將OFDM的子載波劃分為若干個子帶，目的是減少系統(tǒng)的反饋量。所有的用戶同時競爭所有的子帶。仿真表明，子帶的劃分以16～32個比較合適，而調(diào)度可以將系統(tǒng)的吞吐量提高0.4～1倍，調(diào)度方案3實現(xiàn)了性能和復雜度的折衷，是一種好的選擇。


　　關鍵詞：無線通信；OFDM系統(tǒng)；動態(tài)資源調(diào)度；算法��



　　一、 簡介


　　無線通信系統(tǒng)已經(jīng)并正在經(jīng)歷著巨大的發(fā)展，出現(xiàn)了以GSM為代表的第二代移動通信系統(tǒng)和正在研究和實施的第三代移動通信系統(tǒng)標準IMT-2000。然而現(xiàn)有的這種無線通信網(wǎng)絡仍然不能滿足未來通信的需求。未來無線通信系統(tǒng)期望能夠提供高速數(shù)據(jù)通信能力，這和頻譜資源的缺乏相矛盾。因此，如何在有限的頻譜資源下，提高頻譜效率和數(shù)據(jù)通過率，成為未來無線通信系統(tǒng)的關鍵問題之一。


　　OFDM由于其具有較高的頻譜效率和抵抗多徑干擾的能力，成為目前解決高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)之一，已成功用于數(shù)字視頻點播（DVB）、非對稱用戶數(shù)據(jù)環(huán)（ADSL）以及無線接入網(wǎng)系統(tǒng)，使其在無線移動通信中的應用具有良好的基礎。


　　和有線通信系統(tǒng)相比，無線通信系統(tǒng)具有以下幾個特點: (1)信道容量的時變性；(2)信道錯誤具有突發(fā)特性；(3）信道錯誤和用戶位置相關。另一方面，數(shù)據(jù)業(yè)務對時延并不敏感。因此，如何利用信道和數(shù)據(jù)業(yè)務的這些特點以提高系統(tǒng)的頻譜效率和系統(tǒng)吞吐量，就成為關鍵所在。也就是說，如何在相互競爭資源的用戶之間提供一種機制，使得用戶公平地訪問共享資源，同時使系統(tǒng)吞吐量獲得較大改善。


　　在CDMA-2000的高數(shù)據(jù)率（HDR）的下行鏈路中，時間分成了1.67 ms長度的時隙，這個時隙長度能夠保證用戶信道在這個時隙之內(nèi)基本保持不變。在每一個時隙上，只有一個用戶被調(diào)度，獲得這個時隙以進行傳輸。每一個用戶向基站周期性地報告自己信道可以支持的速率，基站按照一定的準則選擇一個用戶獨占一個時隙的資源。已經(jīng)得到證明，在一定的條件下，這種時分方式在CDMA-HDR系統(tǒng)中是最優(yōu)的。


　　CDMA-HDR采用的調(diào)度算法是一種單載波的系統(tǒng)［１，２，３］，也就是說，所有用戶同時競爭一個時隙。而OFDM系統(tǒng)中有很多子載波，所有用戶同時競爭這些資源［４］，因此，如何調(diào)度這些資源，使得系統(tǒng)的頻譜效率最大，同時保證用戶之間的公平性，正是本文研究的目的。由于OFDM子載波之間具有一定的相關性，而且直接對所有的子載波進行調(diào)度，信道的反饋量會非常大。因此，一般將子載波分成若干組, 也稱子帶，用戶競爭的是這些子帶。這樣，達到性能和反饋量的折衷。


　　二、系統(tǒng)模型


　　本文考慮單小區(qū)的OFDM系統(tǒng)，并假定小區(qū)是一個圓形的，基站位于正中間，并以恒定功率Ｐt發(fā)射，而用戶在小區(qū)內(nèi)均勻分布。假定用戶數(shù)為N，子載波數(shù)為M,劃分的子帶數(shù)為S,每一個子帶包含Z＝Ｍ／Ｓ個子載波。假定各個用戶的信道是相互獨立的，每一個信道包含3個部分的影響：路徑損耗、陰影衰落和小尺度衰落。設第i個用戶離基站的距離為di，i＝１，…，Ｎ－１，則第i個用戶的路徑損耗為��





　　其單位為dB。這里n是路徑損耗系數(shù)，d０表示近地參考位置，Ｘσ是均值為0、方差為σ的高斯隨機變量，表示陰影衰落，表示參考位置處的路徑損耗。


　　小尺度衰落的信道模型為L個抽頭的多徑信道，每一個子徑服從Clarke衰落模型［８］。信道的沖擊函數(shù)為





　　并且各個子徑之間互不相關，這里Ｅl是第l徑的功率，J０（·）表示第一類零階Bessel函數(shù)。由式（1）和（2）可以得到用戶i的信道的沖激響應為





　　對（4）式中的τ作傅里葉變換，可以得到信道的時變的頻率響應為





　　這里ＴＳ表示時域上的采樣間隔，Δf表示子載波的頻率間隔，Δf=1/TＳ。


　　第i個用戶的第s個子帶的子帶的信號干擾噪聲比（SINR）為





　　式中Ｐt為基站發(fā)送的功率；


　　σv表示白高斯噪聲和其它小區(qū)的干擾。


　　每一個移動臺周期性地測量信道，并向基站報告每一個子帶的傳輸能力DRCi,s（n)，其中DRCi,s(n)與SINRi,s(n)之間映射關系與采用的調(diào)制方式和編碼有關。在本文中采用的映射關系如表1所示。基站收到每一個用戶的信道反饋后，開始給每一個用戶分配子帶。






　　三、調(diào)度算法


　　單載波的CDMA-HDR中采用的調(diào)度算法如下：


　　設第i個用戶n時刻信道支持的速率為DRC�璱(n),用戶的當前平均速率為R�璱(n),則調(diào)度優(yōu)先級的度量為





　　也就是具有最大度量的用戶j將占用當前的時隙，進行數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)度完成后進行平均速率更新:��





　�。詂是一個窗口參數(shù)，表示平均速率中包含了多長過去的信道信息。Tc越大，用戶的吞吐量越大，但是用戶可能需要等待更長的時間來獲得服務，特別是用戶的信道突然變壞的時候。


　　已經(jīng)證明，這種分配算法是一種比例公平性（Proportional Fair）調(diào)度算法，并能夠很好地改善系統(tǒng)的吞吐量。由于這個算法每一次只是分配一個時隙，而OFDM系統(tǒng)中有多個子帶需要調(diào)度，因此，需要確定如何在OFDM系統(tǒng)中使用這種調(diào)度算法，并研究各個調(diào)度參數(shù)對于調(diào)度算法性能的影響。


　　第一種方案是每一個子帶上均使用一個獨立的調(diào)度器。也就是說，每一個用戶在競爭每一個子帶上只是使用該用戶在當前子帶上的平均速率，這樣，每一個用戶有個平均速率，和子帶一一對應。由于各個子帶是獨立調(diào)度的，因此，直接進行調(diào)度可以獲得最優(yōu)的性能。也就是各個子帶最大，可以得到總的最大。


　　第二種方案是是將OFDM的各個子帶逐個進行調(diào)度，也就是說，所有的用戶首先競爭其中某一個子帶，然后馬上按照式（7）將其平均速率更新；接著競爭第二個子帶，如此下去，直到所有的子帶分配完畢。將各個子帶按照某種規(guī)則串接起來，但是此時得到的等效信道不是一個平穩(wěn)的信道，而是一個周期性平穩(wěn)的信道，這是由于在一個時隙內(nèi)，等效信道之間是不相關的，而等效信道之外，兩者又有一定的相關性。因此，這種調(diào)度方法和HDR的平穩(wěn)假設相矛盾。但如果窗口選取足夠大，仍然可以近似認為其是平穩(wěn)的。這種方法的好處是每一個用戶只用記住一個平均速率,但是帶來了性能上的損失。


　　第三種方案是每一個用戶只是使用一個平均速率。在分配子帶的過程中，并不更新平均速率，而在子帶分配完畢后，才更新用戶的平均速率。按照時隙平均的方法來進行的，根據(jù)隨機過程的可以知道，時隙平均以后，平均的信道是一個平穩(wěn)的、遍歷的隨機過程，此時求其時域的平均。因此，可以看出，只要信道是平穩(wěn)的，這個均值就是固定的。因此，時隙平均的方法是可以利用的，但這種方法不一定是最優(yōu)的，因為它經(jīng)過了一定的轉(zhuǎn)化才平穩(wěn)的。其平均速率的更新公式為





　　這里（n)=0,1,表示用戶i是否選中子帶j,DRCi,j（n)是非負實數(shù),表示用戶i的子帶j上支持的速率。��



　　四、仿真


　　仿真的時候采用的多徑模型是M-1225E的室外信道模型，如表2所示。陰影衰落采用5 dB的lognormal，路徑損耗的指數(shù)為3,小區(qū)半徑為3 000 m，參考半徑為500 m， 用戶均勻分布在這個小區(qū)環(huán)之中，發(fā)送功率為48 dB。每個用戶調(diào)度了8 192個時隙后，用戶的位置重新均勻分布。每一個用戶總共有25個位置。多普勒為fd=105 Hz,時域采樣率為fs＝10６ Hz，將臨小區(qū)干擾和共信道干擾都等效到高斯噪聲中。��






　　圖1給出了子帶數(shù)為32、Tc＝1 000時系統(tǒng)吞吐量隨著用戶數(shù)的變化情況。當用戶數(shù)從2變到4和8的時候，吞吐量的改善程度非常大，當用戶數(shù)達到16以后，吞吐量的增益開始逐漸飽和，因此，后面用戶數(shù)都固定為16。與方案1相比，方案2的性能略微差一點，但是非常接近，而方案2的性能相對惡化很多。和不調(diào)度相比，調(diào)度后系統(tǒng)的吞吐量可以獲得40％～100％的改善。��






　　圖2給出了子帶數(shù)為32，用戶數(shù)為16時系統(tǒng)吞吐量隨著Ｔc變化而變化。圖3給出了方案3時16個用戶的時間抖動和Ｔc關系。從這兩個圖可以看出，Ｔc越大，系統(tǒng)的吞吐量越大，但是另外一個方面，抖動也同時增加。因此，從系統(tǒng)的角度來看，Ｔc的選擇必須折衷考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延界和系統(tǒng)性能改善程度這兩個方面。�オ�








　　圖4研究了系統(tǒng)吞吐量隨著子帶個數(shù)而變化的情況。子帶數(shù)越多，方案1和3的性能越好，這是由于頻率選擇性得到了更好的利用。方案2的性能開始是變好，到達峰值后，又開始變壞。這是由于子帶之間的相關性和調(diào)度算法導致。因為我們在調(diào)度的過程中，是逐個子帶選取的，而調(diào)度算法內(nèi)在的懲罰特性導致一個用戶難以保證選中相鄰的強子帶。因此，從這個角度來看，調(diào)度方案3是復雜度和性能的一種好的折衷。子帶的個數(shù)和移動臺的信息反饋量成線性關系，因此，子帶個數(shù)可以選擇為16或者32。��







　　五、結(jié)論


　　資源調(diào)度可以顯著地改善通信系統(tǒng)的頻譜效率和吞吐量。本文給出了OFDM下行鏈路中3種不同的時隙調(diào)度策略，這些策略都是以CDMA/HDR中比例公平算法(Proportional Fair)為基礎。首先將OFDM的子載波劃分為若干個子帶，目的是減少系統(tǒng)的反饋量。所有的用戶同時競爭所有的子帶。仿真表明，子帶的劃分以16～32個比較合適，而調(diào)度可以將系統(tǒng)的吞吐量提高0.4～1倍，調(diào)度方案3實現(xiàn)了性能和復雜度的折衷，是一種好的選擇。��


　　參考文獻



　　［１］P Bender, P　Black, M　Grob，et al．CDMA/HDR: A bandwidth efficient high speed data Service for nomadic users［Ｊ］．IEEE Comm. Magazine,2000，（７）．


　�。郏玻軦 Jalali, R Padovani．Data throughput of CDMA-HDR a high efficiency-high data rate personal communication wireless system［Ａ］．IEEE Vehicular Technology conf.(VTC2000-spring)［Ｃ］．Tokyo, May 2000．


　　［３］C Rentel, W Krzymien,B　Darian．Comparative forward linktraffic channel performance evaluation of HDR and 1XTREME systems［Ａ］．VTC2002［Ｃ］.２００２．


　�。郏矗軼illiam Y Zou, Yiyan Wu．COFDM:An overview［Ｊ］．IEEE Trans.on Broadcasting,1995,41(1).



　　
摘自　電訊技術(shù)