LTE-A網(wǎng)絡(luò)的比例公平資源調(diào)度代碼與使用說明

一、架構(gòu)圖本次畢業(yè)設(shè)計主要模擬仿真了以下三類算法的資源調(diào)度過程，結(jié)構(gòu)如下圖所示：最大載干比算法最大載干比算法資源調(diào)度算法輪詢算法資源調(diào)度算法輪詢算法比例公平算法比例公平算法圖1算法仿真結(jié)構(gòu)模塊圖二、MATLAB仿真的系統(tǒng)及通信模型搭建本算法是基于MATLAB進行的模擬仿真，首先需要下載并安裝MATLAB軟件，建議版本：2014a。在安裝程序完成后，即可雙擊本程序運行。在MATLAB的代碼設(shè)計中包括如下幾個部分：參數(shù)設(shè)置圖2系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置本段代碼設(shè)置了單小區(qū)、單天線調(diào)度系統(tǒng)的各項參數(shù)：調(diào)度次數(shù)number、調(diào)度用戶數(shù)user_number、調(diào)度時隙數(shù)slot_number;基站覆蓋半徑covering_radius、基站發(fā)射功率transmit_power;路徑損耗公式中的參考距離distance、頻率frequence、路徑損耗指數(shù)pass_loss_exponent；計算噪聲方差中的玻爾茲曼常數(shù)Boltzman_constant、溫度temperature、帶寬bandwidth;第一次調(diào)度的累積平均速率first_rate。分配內(nèi)存空間：圖3系統(tǒng)分配內(nèi)存空間本段代碼為單小區(qū)、單天線調(diào)度系統(tǒng)的各項參數(shù)分配相應(yīng)的內(nèi)存空間：用戶半徑user_radius、用戶角度user_angel、x軸坐標(biāo)x_coordinate、y軸坐標(biāo)y_coordinate；路徑損耗path_loss、衰落fading、轉(zhuǎn)化后的功率power、脈沖響應(yīng)impulse_response；信號功率signal_power、信噪比signal_noise_ratio、信道容量channal_capacity；累積平均速率cumulative_average_rate、累積速率cumulative_rate；最大載干比算法數(shù)據(jù)速率maximum_CI_data_rate；輪詢算法數(shù)據(jù)速率round_robin_data_rate；比例公平算法數(shù)據(jù)速率proportional_fairness_data_rate；最大載干比算法總數(shù)據(jù)速率maximum_CI_total_data_rate、輪詢算法總數(shù)據(jù)速率round_robin_total_data_rate、比例公平算法總數(shù)據(jù)速率proportional_fairness_total_data_rate。用戶在基站周圍的分布情況模型圖4用戶撒點分布在基站周圍通過MATLAB系統(tǒng)自帶的rand函數(shù)進行隨機數(shù)撒點，計算出極坐標(biāo)系上20個用戶距離基站的長度和角度，并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的直角坐標(biāo)，定義每個用戶的位置。圖5繪制極坐標(biāo)系下的用戶分布圖通過上面的代碼可以將用戶分布在基站周圍的情況建立在極坐標(biāo)系上，結(jié)果圖如下：圖6基站周圍用戶的分布情況（極坐標(biāo)）當(dāng)然，也可以用如下代碼畫出直角坐標(biāo)系下的用戶分布情況，由于直角坐標(biāo)系下沒有圓形邊界自動生成，所以需要畫一個圓的邊框，這樣方便看清整個分布情況。圖7繪制直角坐標(biāo)系下的用戶分布圖通過上面的代碼可以將用戶分布在基站周圍的情況建立在直角坐標(biāo)系上，結(jié)果圖如下：圖8基站周圍用戶的分布情況（直角坐標(biāo)）建立信道模型在信道傳輸首先需要考慮路徑損耗；圖9路徑損耗由于加入了大尺度衰落的環(huán)境，則還需要加入陰影衰落和多徑衰落。陰影衰落是產(chǎn)生了一個對數(shù)正態(tài)分布的隨機數(shù)，這個隨機數(shù)以0為均值，以1為方差。這里最需要注意的是，路徑損耗和陰影衰落計算出來的數(shù)值單位是dB，所以在做多徑衰落以前，要先將它們的和從dB轉(zhuǎn)化到以W為單位的功率，才能進行下面的計算；圖10路徑損耗與陰影衰落的轉(zhuǎn)換接著，多徑效應(yīng)做的是瑞利衰落，定義了一個randn函數(shù)，它是以0為均值、以0.5為方差的數(shù)；圖11信道的脈沖響應(yīng)發(fā)射信號功率取23dBm，轉(zhuǎn)化為功率后是0.2W，再通過公式計算出接收信號的功率；圖12接收信號功率輸出噪聲功率則是用randn函數(shù)產(chǎn)生均值為0，方差為σ2的隨機數(shù)，由于此時產(chǎn)生的噪聲功率是虛數(shù)，不便于后面的理論分析和數(shù)值計算，此時采用加絕對值的方法，去除虛數(shù)域的值；圖13輸出噪聲功率接著計算出信噪比，然后，用香農(nóng)公式計算出每個用戶的最大數(shù)據(jù)速率。圖14信道容量三、MATLAB仿真的調(diào)度算法實現(xiàn)建立了以上的數(shù)據(jù)庫，我們即可模擬仿真最大載干比算法、輪詢算法和比例公平算法。1）最大載干比算法的算法思想是在每一時隙，針對所有待調(diào)度用戶，調(diào)度器會按照信噪比的大小由大到小依次排序，接著，基站會優(yōu)先選擇信噪比最高的那個用戶進行調(diào)度，這樣保證系統(tǒng)總是能夠調(diào)度到吞吐量最好的用戶，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的最大化，使得資源利用率最高。圖15最大載干比算法思想是否是否調(diào)度開始計算每個用戶在當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)速率將用戶按信噪比由大到小排序，信噪比最大的用戶被調(diào)度判斷用戶是否被調(diào)度更新到下一時隙更新到下一時隙該用戶加上本次調(diào)度的數(shù)據(jù)速率計算若干時隙每個用戶的總的數(shù)據(jù)速率調(diào)度結(jié)束圖16最大載干比算法流程圖2）輪詢算法的算法思想就是按照一定的順序依次調(diào)度每個用戶，當(dāng)每個用戶都被調(diào)度一次后，再重復(fù)第一次調(diào)度的順序繼續(xù)調(diào)度每個用戶，直至若干時隙調(diào)度完為止。圖17輪詢算法思想是否調(diào)度是否調(diào)度開始計算每個用戶在當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)速率將用戶按順序輪流調(diào)度判斷用戶是否被調(diào)度更新到下一時隙更新到下一時隙該用戶加上本次調(diào)度的數(shù)據(jù)速率計算若干時隙每個用戶的總的數(shù)據(jù)速率調(diào)度結(jié)束圖18輪詢算法流程圖3）比例公平算法的核心思想是在選擇用戶進行調(diào)度時考慮每個用戶的數(shù)速率和累積平均速率的比值，這樣，定義這個比值來達到兼顧系統(tǒng)性能和每個據(jù)用戶正常體驗的目的，該算法給小區(qū)中每個用戶都分配了優(yōu)先級，在任意時隙，系統(tǒng)只調(diào)度優(yōu)先級最大的用戶。 圖19比例公平算法思想否調(diào)度開始否調(diào)度開始計算每個用戶在當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)速率計算每個用戶過去的累積分布速率將每個用戶數(shù)據(jù)速率和累積分布速率代入公式計算出優(yōu)先級將用戶按優(yōu)先級由大到小排序，優(yōu)先級最大的用戶被調(diào)度判斷用戶是否被調(diào)度計算每個用戶過去的累積平均速率是計算若干時隙每個用戶的總的數(shù)據(jù)速率更新到下一時隙該用戶加上本次調(diào)度的數(shù)據(jù)速率更新到下一時隙調(diào)度結(jié)束圖20比例公平算法流程圖然后對20個用戶做一次1000個時隙的調(diào)度，將三種調(diào)度算法的這些用戶吞吐量統(tǒng)計出來：圖21三種算法每個用戶的吞吐量統(tǒng)計最后計算出三種算法的平均吞吐量，進行對比分析：圖22三種算法所有用戶的平均吞吐量統(tǒng)計根據(jù)上面統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)，可以畫出三種算法的每個用戶的吞吐量直方圖和用戶的平均吞吐量柱狀圖，進行對比分析：圖23繪制三種算法的每個用戶的吞吐量直方圖和用戶的平均吞吐量柱狀圖此外，還可以繪制出三種算法的CDF曲線，能夠看清三種算法的曲線走勢，進一步對比分析：圖24繪制三種算法的CDF曲線四、仿真運行結(jié)果及分析圖25最大載干比算法每個用戶的吞吐量直方圖圖26輪詢算法每個用戶的吞吐量直方圖圖27比例公平算法每個用戶的吞吐量直方圖圖28三種算法用戶的平均吞吐量柱狀圖對比由上圖我們可以看到，比例公平算法每個用戶資源的分配情況剛好介于最大載干比算法那種非常不平均地分配與輪詢算法那種非常均勻地分配之間，并且從統(tǒng)計三種算法用戶的平均吞吐量看，最大載干比算法的平均吞吐量最高，比例公平算法的平均吞吐量次之，而輪詢算法的平均吞吐量最低，因此強有力地驗證了比例公平算法的確是平衡了其他兩種算法的優(yōu)缺點而研究出的算法。圖29最大載干比算法CDF曲線圖30輪詢算法CDF曲線圖31比例公平算法CDF曲線圖32三種算法CDF曲線對比通過對比三種算法的CDF曲線可以發(fā)現(xiàn)，最大載干比算法的CDF曲線的初始值不為坐標(biāo)原點，原因則是最大載干比算法優(yōu)先調(diào)度數(shù)據(jù)速率最大的用戶，在任何時隙，某些用戶因數(shù)據(jù)速率太低而始終無法被調(diào)度，從而在剛開始就存在吞吐量等于0的用戶，隨著吞吐量的提高，曲線逐漸上升，代表少部分信道質(zhì)量一般并且被調(diào)度次數(shù)少的用戶，最后當(dāng)吞吐量達到約為3.2*1011b/s時，概率才上升到1代表那些信道質(zhì)量最好的用戶被經(jīng)常調(diào)度；輪詢算法中每個用戶都被調(diào)度，則CDF曲線的初始值從坐標(biāo)原點開始，直到吞吐量上升至約為4.9*1010b/s時開始上升，隨著吞吐量的增加，曲線趨勢迅速上升，直至吞吐量約為7.4*1010b/s上升到最高點，它是最早達到概率為1的算法，代表用戶被分配的資源相對平均且總的吞吐量最低；比例公平算法也是每個用戶都被調(diào)度，所以CDF曲線的初始值也從坐標(biāo)原點開始，可以看到，吞吐量從3.9