[论文解读] Fair Scheduling in OFDMA-based Wireless Systems with QoS Constraints

Tolga Gırıcı, Chenxi Zhu+2 more|ArXiv.org|Nov 8, 2007

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 4被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于OFDMA系统的公平性与QoS兼顾的功率与子信道分配（FQPSA）算法，通过凸优化同时优化数据用户的比例公平性与实时语音/视频会话的严格QoS要求。在不同用户负载下，该算法相比M-LWDF-PF表现出更优性能——系统吞吐量提升10%，实时业务延迟更低，公平性更优。

ABSTRACT

In this work we consider the problem of downlink resource allocation for proportional fairness of long term received rates of data users and quality of service for real time sessions in an OFDMA-based wireless system. The base station allocates available power and bandwidth to individual users based on long term average received rates, QoS based rate constraints and channel conditions. We solve the underlying constrained optimization problem and propose an algorithm that achieves the optimal allocation. Numerical evaluation results show that the proposed algorithm provides better QoS to voice and video sessions while providing more and fair rates to data users in comparison with existing schemes.

研究动机与目标

• 解决在基于OFDMA的无线网络中，同时保障数据用户比例公平性与实时会话（语音/视频）严格QoS要求的挑战。
• 克服现有方案仅关注短期公平性或缺乏对异构业务QoS保障的局限性。
• 提出一种基于长期速率的优化框架，综合考虑信道条件、功率、带宽及QoS约束。
• 在满足实时会话延迟与速率需求的前提下，确保数据速率分配的稳定与公平。

提出的方法

• 构建一个约束凸优化问题，以最大化数据用户指数平均速率的对数之和。
• 采用香农容量公式，并引入速率间隙补偿因子β=0.25，基于功率与带宽分配建模可实现速率。
• 应用指数平均法追踪长期用户速率，赋予近期性能更高权重。
• 根据信道质量、队首延迟及长期速率选择实时用户，并强制执行最小速率约束。
• 采用贪心度量方法逐个分配子信道，该度量结合延迟紧迫性与信道增益。
• 在优化后对SINR值进行量化，转换为标准阈值，以确保与IEEE 802.16a/e标准的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足实时会话严格QoS要求的前提下，如何在OFDMA系统中优化数据用户的公平性？
• RQ2 随着语音、视频与数据用户数量的增加，对吞吐量、延迟与公平性指标有何影响？
• RQ3 在不同业务负载下，所提出的FQPSA算法与M-LWDF-PF相比，在延迟性能与系统吞吐量方面表现如何？
• RQ4 即使在用户密度高、小区边缘的场景下，该算法是否仍能保持语音与视频会话的低延迟？
• RQ5 在异构业务环境中，FQPSA算法相较于现有调度方案，在公平性与吞吐量方面改善程度如何？

主要发现

• 在所有用户负载场景下，FQPSA相比M-LWDF-PF实现了至少10%的总系统吞吐量提升。
• 当有60个语音用户时，FQPSA将语音延迟控制在31 ms以内（符合可接受范围），而M-LWDF-PF在小区边缘用户中延迟超过150 ms。
• 对于60个视频用户，FQPSA将视频延迟控制在323 ms以内，而M-LWDF-PF延迟超过600 ms，表明其在QoS支持方面显著更优。
• 随着数据用户数量增加（如D=70），FQPSA的对数和性能保持稳定或提升（例如达到775），表明其具备强公平性，而M-LWDF-PF的对数和性能则出现下降。
• 吞吐量随语音/视频用户数量增加呈线性下降——每增加10个语音用户，吞吐量减少约1.2–1.4 Mbps，反映出严格QoS约束的影响。
• 在数据业务主导场景下（D=70），FQPSA实现26.6 Mbps的吞吐量，且对数和公平性稳定，优于M-LWDF-PF在吞吐量与公平性指标上的表现。