毕业设计（论文）-基于MATLAB的LTE系统调度算法研究.doc

编编 号号 本本科科生生毕毕业业设设计计（ 论论文文 ） 题目：题目： 基于 matlab 的 lte 系统 调度算法研究 物联网工程 学院 通信工程专业 学 号 0702080201 学生姓名 指导教师 ii 二一二年六月 摘要 i 摘摘 要要 随着互联网应用的发展，现有的 3g 网络已经不能满足人们日益增长的需要。无线通 信系统呈现出移动化、宽带化和 ip 化的发展趋势，在此形势下，国际电联(itu)提出了更 高的要求imt-advanced，也就是我们说的 4g 技术。全球主流的运营商都选择了 lte 作为未来的网络演进方向，lte 已经成为未来最主要的 4g 标准。lte 的正式名称是 long term evolution，即 3gpp 长期演进项目，ofdm 是其核心技术。ofdm 以其良好的 抗多径干扰能力和高频谱利用率成为未来宽带无线接入系统的首选物理层技术。ofdm 是一种多载波调制技术，基于 ofdm 调制的发射信号，会有一种分集效应，即每个用户 在不同载波上的衰落情况是独立的，而且不同用户在同一载波上的衰落情况也是不同的。 这样当一个用户在某个载波上经历深衰落时，其他用户在这个载波上的衰落情况可能是 良好的，使得我们可以根据实际状况来动态地分配资源，使频谱的使用效率更高，这也 是本文讲 lte 资源调度的基础所在。 本文首先概述了 lte 的研究背景；接着介绍了 lte 的系统结构，包括接入网体系结 构和空中接口协议结构；然后介绍了 lte 的系统特点，主要包含两部分，即 lte 的关键 技术和主要特征。在论述调度算法中，首先阐述了三种经典的调度算法：轮循算法 (rr,round robin)、最大载干比算法(max c/i，maximum carrier of interference)和比例公 平算法(pf，proportional fair)，重点论述了 lte 采用的保证 qos 的调度算法。并基于以 上分析论述，提出了一种改进的比例公平调度算法 m-pf。m-pf 的优点在于考虑了用户 的需求速率，使用动态变化的权重因子，提高了系统满意率。本文在 matlab 仿真平台 上对 rr、max c/i、pf 调度算法的用户平均吞吐量进行了仿真比较，得出了有意义的结 论。最后重点对改进的比例公平调度算法 m-pf 的仿真结果和性能提升进行了分析。 关键词：关键词：lte；ofdm 技术；调度；qos abstract ii abstract with the development of all kinds of interact application, 3g networks cant satisfy customers increasing needs any more. nowadays the global communication industry displays the traits of mobility, broadband and ipbased architecture. in this situation, itu (intemational telecommunications union) has placed a higher demandimt-advanced, which called 4g technology. most of the operators world wide have chose lte as their evolution tendency of future networks, lte has became the winner standard of 4g. lte is short for long term evolution, which is based on ofdm physical layer technology. ofdm is a multi-carrier modulation technology, when the signals based on ofdm transmit through wireless channel, there will be diversity effect, which means that different sub-carriers of one user may exhibit different fading condition and different users may undergo different loss for one special sub- carrier. so when some users andergo deep fading on a sub-carrier, the other users condition may be good, then we can allocate resource according to the wireless environment dynamically so that it can boost the frequency efficiency. this is also the significance of the research on resource scheduling in lte system. this paper first summarizes the research background of lte; and then introduced the lte system structure, including the access network architecture and air interface protocol architecture; then introduced the characteristic of lte system, which comprises two parts, namely, the key technologies of lte and main feature. in this method, first elaborated the three classical scheduling algorithm: round robin algorithm (rr, round robin), the maximum carrier of interference algorithm (max c/i, maximum carrier of interference) and proportional fair algorithm (pf, proportional fair), focuses on the lte by guaranteed qos scheduling algorithm. based on above analysis, this paper proposes a modified proportional fair scheduling algorithm m-pf. the advantage of the m-pf is considered the user demand rate, using the dynamic weight factor, improve the system satisfaction rate. in this paper on the matlab platform of rr, max c/i, pf scheduling algorithm are simulated and compared in users average throughput, draws a conclusion. finally focus on the new modified proportional fair scheduling algorithm m-pf simulation results and performance are analysed. keywords: lte; ofdm; scheduling; qos 目录 i i 目目 录录 第 1 章 绪论.1 1.1 lte 研究背景1 1.2 lte 系统结构1 1.2.1 接入网体系架构1 1.2.2 lte 空中接口协议结构2 1.3 lte 特点4 1.3.1 lte 的关键技术4 1.3.2 lte 的主要特征5 第 2 章 lte 调度模块.7 2.1 lte 的调度器7 2.1.1 调度器在 lte 协议中的位置及作用.7 2.1.2 enb 侧调度器的工作模式8 2.2 lte 中调度资源的划分9 2.3 lte 采用的调度方式9 2.3.1 动态调度9 2.3.2 半动态调度10 2.3.3 持续调度10 第 3 章 lte 系统调度算法研究.12 3.1 调度算法面临的主要问题.12 3.2 分组调度算法的评价标准.13 3.2.1 吞吐量和时延13 3.2.2 服务质量和公平性13 3.3 分组调度简介.14 3.3.1 分组调度基本含义14 3.3.2 分组调度主要目标14 3.3.3 分组调度算法14 3.4 lte 中常见的几种分组调度算法15 3.4.1 轮循调度算法15 3.4.2 最大载干比调度算法17 3.4.3 比例公平调度算法18 3.4.4 三种主要分组调度算法的简单比较19 3.5 改进的比例公平调度算法 m-pf.20 第 4 章 lte 系统调度算法的 matlab 仿真23 目录 ii 4.1 matlab 仿真平台简介23 4.2 仿真模型.23 4.2.1 小区模型23 4.2.2 ue 终端模型24 4.2.3 无线信道模型24 4.2.4 天线模型25 4.3 仿真结果及分析.25 4.3.1 仿真参数设定25 4.3.2 三种经典调度算法仿真结果及分析26 4.3.3 m-pf 仿真结果及分析28 第 5 章 结论与展望.30 5.1 结论30 5.2 不足之处及未来展望30 参考文献.32 致 谢.34 附录： 缩略语.35 基于 matlab 的 lte 系统调度算法研究 1 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 lte 研究背景研究背景 目前，基于 wcdma 无线接入技术的 3g 移动通信技术已逐渐成熟，正在世界范围 内被广泛推广应用。为了进一步对 3g 技术进行发展，3gpp 首先引入了高速下行分组接 入(hsdpa，high speed downlink packet access)和增强型上行链路这两种具有很强竞争力 的 3g 增强技术。遗憾的是，虽然这些技术能够大幅度提高上下行速率，但是它是以牺 牲小区吞吐率为代价的，而且由于成本过高， 难以大规模应用。为了实现降低成本和提 高性能的目标，3gpp 在众多国内外大型运营商的提倡下于 2004 年将 utran 的长期演进 ( lte，long term evolution )计划正式批准立项。并在 2006 年 6 月完成可行性报告， 2007 年 6 月完成主要规范，2009 年推出商用产品。如今，大多数移动通信设备厂商都已 有了自己的 lte 样机，并能提供更高速率的上下行速率和更短的时延。 3gpp 长期演进项目是关于 utra 和 utran 改进的项目，是对包括核心网在内的 全网的技术演进。其话音业务部分将由 voip 来实现。lte 主要有两个部分组成，无线接 口和无线网络结构部分。和以前相比，只有分组域，而没有了电路域。lte 是近两年来 3gpp 启动的最大的新技术研发项目。系统可以实现上行 50mb/s 和下行 l00mb/s 的峰值 速率1，支持高达 350km/h 的移动速率，并改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量 和降低了系统延迟2，系统频谱效率及用户吞吐量是 3gpp release6 hsxpa (包括 hsdpa、hsupa 和 hspa 演进 )的 24 倍。 随着新兴的无线接入方案如 wi-fi、wimax 的产生，3g 的无线接入技术面临巨大压 力。虽然 3g 接入技术在移动性和 qos 方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利 用率和传输时延等能力方面明显落后。市场的迫切需要推动了 3g 无线接入技术的发展。 这对 3gpp 在未来十年进一步发展 3g 有着相当重要意义。为了实现进一步的技术进步， 3gpp 公布了 e-utran( evolved-utran, evolved universal terrestrial radio access network )方案，其目标是对无线接入技术进行改进，使其能够达到或超过现有的有线接 入技术的性能，并且实现降低成本的目标。需要强调的是，无线接入网( ran, radio access network )技术的发展对于现有 3g 网络的改善有着非常重要的意义。 1.2 lte 系统结构系统结构 1.2.1 接入网体系架构接入网体系架构 lte 采用由 nodeb 节点构成的单层结构，与传统的 3gpp 接入网相比，lte 中没有 rnc (radio network controller)节点。名义上 lte 是对 3g 的演进，但事实上，它对 3g 的整个体系架构作了革命性变革，逐步趋近于典型的 ip 宽带网结构3。总体上说这是一 种扁平化的设计思想，这种结构于多方面有利：简化网络和减小延迟；减少网络层次； 降低处理复杂度；提升网络性能；减低网络成本；增强网络扩展灵活性和降低网络管理 复杂度 lte 的架构4如图 1-1 所示，也叫演进型 utran 结构。因为和原来的 utran 相比少了 rnc 节点，所以 enb 节点不仅需要完成原来 nodeb 的功能，还需要完成 rnc 承担的大部分功能，包括物理层、mac (media access control)层、rrc (radio resource 江南大学学士学位论文 2 control)、调度、接入控制、承载控制、接入移动性管理和 rrm (radio resource management)等。nodeb 之间采用网格(mesh)方式直接互连，这也是对原有 utran 结构 的重大修改。enb 基站之间通过 x2 接口相互连接，enb 基站通过 s1 接口与 epc (evolved packet core network)相连，其中通过 s1-mme 接口与 mme(mobility management entity，移动性管理实体)连接，通过 s1-u 接口与 sae (system architecture evolution，系 统架构演进)网关相连。 图 1-1 e-utran 总体架构 1.2.2 lte 空中接口协议结构空中接口协议结构 图 1-2 是 sae/lte5的各网络节点的功能划分示意图。从图 1.2 可以清楚地看到，由 于没有了 rnc (radio network controller)，空中接口协议的物理层、mac 层、rlc (radio link control)和 rrc 功能都由 enb 进行管理和控制，也包括完成基站之间的切换。 由于少了一层节点，使得 mac 层处理与物理层处理之间的时延缩短了，用户层的数据传 送和无线资源的控制变得更加迅捷，这对于采用混合自动重传请求技术(harq)的纠错方 案而言至关重要。 基于 matlab 的 lte 系统调度算法研究 3 3 enb mme nas(非接入层)安全 性 空闲状态移动性管理 sae（系统架构演 进）承载控制 e-utranepc internet 服服务务网网关关 移动性锚点 物理层phy 小区间rrm 无线承载控制 连接移动性控制 无线接纳控制 enb的测量配置与提供 动态资源分配 （调度器） 无线资源控制rrc 包数据汇聚协议pdcp 无线链路控制rlc 媒体接入控制mac 图 1-2 接入网与核心网之间的功能划分 lte 各个模块的主要功能如下： 1enb 基站的主要功能： 1) 无线资源管理功能，如无线承载控制、无线准入控制、连接移动性控制以及上/下 行链路资源的动态分配与调度； 2) ip 头压缩和用户数据流的加密； 3) 为用户选择 mme； 4) 将用户面数据路由到 sae gateway (s-gw)； 5) 调度和传输 mme 寻呼消息； 6) 调度和传输广播消息； 7) 测量和测量报告的配置。 2mme 的主要功能： 1) 将寻呼消息按照一定的原则发向各个 enb； 2) 安全控制（鉴权认证、信令完整性保护和数据加密） ； 3) 用户空闲状态的移动性管理； 4) sae 承载控制。 江南大学学士学位论文 4 3服务网关(sae 网关)的主要功能 1) 终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包； 2) 支持由于 ue (user equipment，用户设备)移动性产生的用户平面切换。 1.3 lte 特点特点 1.3.1 lte 的关键技术的关键技术 lte 不仅通过简化结构来优化其性能，还利用以下几个关键技术来实现其优异性能2。 1传输技术与多址技术 lte 用 ofdma 技术替代了 cdma 技术，更具体地讲，下行传输采用 ofdma 技术， 而上行传输则采用单载波频分多址(sc-fdma)技术。这两种频分技术都采用快速傅立叶 变换(fft)技术，将分配的带宽划分为较小的单位，实现用户间的带宽共享。采用 sc- fdma 易于降低手机功耗，大多数公司支持采用“频域”方法来生成上行 sc-fdma 信 号。相比于多载波传输技术，单载波频分多址可以有效地降低待发射信号的 papr (peak- to-average power ratio，峰均比)。 从计算复杂度的角度来讲，频分技术相对于码分技术而言，更容易根据带宽的要求 进行扩展，例如更高带宽的 cdma 系统比 ofdma 系统需要更强的计算能力。此外，通 过使用不同大小的 fft，lte 能支持 1.25 mhz、1.6mhz、2.5 mhz、5 mhz、10 mhz、15 mhz 以及 20 mhz 等多种带宽分配的要求。 2多天线技术 mimo 技术是 lte 最为核心的技术之一，是提高传输速率的主要手段，lte 系统将 会设计适用于宏小区、微小区和热点等各种环境的 mimo 技术。lte 已确定 mimo 天线 个数的基本配置是下行 2 (2 根发射天线)2 (2 根接收天线)、上行 12，同时也在考虑 44 的高阶天线配置。当然，具体的 mimo 技术尚未确定，目前考虑的方法包括空分复 用(sdm)、空分多址(sdma)、预编码、自适应和智能天线等。下行单用户 mimo 天线的 基本配置，是指 ue 有两个发射天线，在基站有两个接收天线。上行通常是 22 的虚拟 mimo，两个 ue 各自有一个发射天线，并共享相同的时频域资源。 3调制与编码 lte 下行主要采用 qpsk、16qam、64qam 三种调制方式，上行则主要采用位移 bpsk、qpsk、8psk 和 16qam 四种方式。至于信道编码，lte 主要考虑 turbo 码，但 并不是唯一的，如果能获得明显的增益，也会考虑采用其他的编码方式，例如 ldpc 码。 4. 混合自动请求重传技术 为了克服无线移动通信信道时变和多径衰落对信号传输的影响，可以采用基于前向 纠错(fec)和自动请求重传(arq)等差错控制方法，来降低系统的误码率以确保服务质量。 虽然 fec 方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；arq 在误码率 不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜提供实时服务，为了克服两者 的缺点，将这两种方法结合就产生了混合自动请求重传(harq)技术。 基于 matlab 的 lte 系统调度算法研究 5 5 5. 链路自适应技术 链路自适应的核心技术就是自适应调制编码(amc, adaptive modulation and coding)， 其基本原理就是根据当前无线信道的变化情况，快速动态地确定当前的链路速率和调制 方式，实现最大限度的用户数据传输，改进系统容量，提高系统利用率。在使用 amc 时， 信道环境发生变化时并不是像以往那样改变终端的发射功率，而是随信道环境变化改变 调制和编码的方式，即调制编码方案(mcs, modulation and coding scheme)，以使得在不 同的载干比区间信道达到最大的吞吐量。这里的信道质量由终端进行周期测量和报告。 靠近基站的用户，拥有高质量的信道条件，高阶 mcs(如 64qam, r=3/4 的 turbo 码)在 载干比高时具有较高的吞吐量，但是在载干比低时，由于误码率的增加使吞吐量迅速下 降；相反，处于小区边界的用户，信道衰落严重或存在严重干扰和噪声，低阶 mcs(如 qpsk,r=1/2 的 turbo 码)虽然在载干比高时吞吐量较低，但是载干比低时由于具有较低 的误码率，避免了数据的重传，吞吐量仍要高于高阶 mcs，因此随信道环境选择适当的 调制编码方式可以得到此信道环境下最大的吞吐量。amc 调制编码技术具有以下的特点： amc 技术随信道环境变化而改变数据传输的速率，不能保证数据固定的速率和 延时，因此不适用于需要固定数据率和延时的电路交换业务，比如可视电话业务；仅适 用于对数据率和延时不敏感的分组交换业务，比如网页浏览业务。 amc 技术发射功率保持恒定，仅随快衰落变化改变调制编码方案，从而避免了 快速功率控制技术存在的“噪声提升”效应，克服了一个用户对其它用户干扰的变化问 题，可以降低网络的干扰余量，从而提高了系统的吞吐量。 6. 干扰协调技术 由于 ofdma 和 sc-fdma 技术都能够提供颗粒度可分的无线物理资源块，因此可 以通过对空时频无线物理资源块的划分及分配，资源块发射功率的控制和干扰抵消，补 偿多小区干扰，提高用户在小区边缘的信息传输速率和频率复用因子，lte 中主要的多 小区干扰补偿技术有：多小区干扰随机化技术、多小区干扰抵消技术和多小区干扰协调 技术。干扰协调的缺点是可用于小区边缘的频率资源有限，限制了小区边缘的峰值速率 和系统容量。干扰消除即在接收机采用多用户检测，消除相邻小区的干扰。在难以使用 干扰消除和干扰协调的时候，还可以采用干扰随机化技术，也就是将小区间的干扰随机 化为白噪声，因此又称为干扰白化。目前 lte 采用小区加扰来实现干扰随机化，这种方 法可以取得最基本的小区间干扰抑制效果。 1.3.2 lte 的主要特征的主要特征 lte 主要有以下特性6： 1) 支持不同的带宽。支持 1.25 mhz、1.6 mhz、2.5 mhz、5 mhz、10 mhz、15 mhz 和 20 mhz 的带宽设置，从技术上保证 3gpp lte 系统可以使用第 3 代移动通信系 统的频谱。 2) 提高频谱效率和峰值数据速率。频谱效率达到 3gpp release6 的 24 倍，下行峰 值速率要求为 100 mb/s，上行峰值速率要求为 50 mb/s。3g lte 系统在频谱利用率方面 江南大学学士学位论文 6 的技术优势，主要是通过多天线技术、自适应调制与编码(amc)和基于信道质量的频率选 择性调度来实现的。 3) 提高小区边缘用户的吞吐率，改善用户在小区边缘的体验，增强 3gpp lte 系统 的覆盖性能，主要是通过频分多址和小区间干扰协调技术(icic, inter-cell interference coordination)来实现。 4) 降低无线网络时延。用户面内部单向传输时延低于 10ms，控制面小于 100ms，控 制面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于 50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小 于 100ms，以增强对实时业务的支持。 5) 以分组域业务为主要目标，取消电路交换，采用基于全分组的分组交换，语音业 务通过 ip 语音(voip)来实现，从而提高系统频谱利用率。 6) 支持与现有 3gpp 系统和非 3gpp 系统的互操作。 7) 支持增强型的广播和多播业务，进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满 足广播业务、多播业务和单播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、媒体接入控制 层的信道结构和高层的无线资源管理实现。 8) 降低建网成本，实现从 3gpp release6 的低成本演进。 9) 实现合理的终端复杂度、成本和耗电。 10) 支持增强的 ims (ip 多媒体子系统)和核心网。 11) 追求后向兼容，并仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡。 12) 针对低速移动优化系统，同时支持高速移动。 基于 matlab 的 lte 系统调度算法研究 7 7 第第 2 章章 lte 调度模块调度模块 2.1 lte 的调度器的调度器 2.1.1 调度器在调度器在 lte 协议中的位置及作用协议中的位置及作用 lte 的协议栈分为用户面和数据面，lte 的用户面数据的协议栈如图 2-1 所示，数 据经过 pdcp (packet data convergence protocol )层、rlc 层、mac 层和物理层完成头压 缩、加密、调度、arq/harq 等功能。 ue pdcp plc mac phy enb pdcp plc mac phy sae gateway 图 2-1 用户面协议栈 控制面数据的协议栈如图 2-2 所示，其中 rlc 和 mac 层的功能与用户面 rlc/mac 层的相同；rrc 层完成如广播、寻呼、rrc 连接管理、无线承载控制、移动性管理、ue 测量上报等功能；非接入层完成如 sae 承载管理、鉴权、lte_idle 的移动性管理、在 lte _idel 状态下的寻呼、安全性管理等功能。 ue rrc rlc nas mac phy enb rrc rlc mac phy mme nas 图 2-2 控制面协议栈 调度器是实现快速分组调度技术的功能实体，它是lte系统enb侧mac层的核心功能， 对系统性能有重大影响，决定哪些用户得到调度，以及这些用户的时频资源、调制编码 方案(mcs)、mimo等，它分为上行调度器和下行调度器，分别负责给上行共享传输信道 ul-sch和下行共享传输信道dl-sch分配物理层资源。物理层资源主要包括物理资源块 (prb)和调制编码方案(mcs)，多天线情况下还包括天线选择方案。调度器在lte协议中 的位置，以及它和harq、amc等关键技术的实现关系如图2-3所示。其功能是判决在什 么时间分配给哪些用户什么样的无线资源(如频率、时间调制编码方案和天线等)来进行通 信。这种判决是以最大化系统吞吐量为目标，以保证用户间的公平性为前提，以确保不 同业务流服务质量要求为基础的。3gpp release5以前的版本一般将无线分组调度功能放 在rnc上进行，借鉴了计算机网络的做法8。但对无线网络有其自身的特点(或者说qos要 求)，如信道的快速时变特性，将调度器放在rnc侧就不能很好地、自适应地、迅速地反 映当前时变信道的传输信息，从而无法进行快速的链路自适应和快速调度，所以在lte系 江南大学学士学位论文 8 统中把调度器放置在基站侧进行控制，这样调度器可以及时地根据信道情况和衰落特性 自适应改变调制方式或其他传输参数，同时减少用户设备(ue)的内存要求和系统的传输 延迟。 12n 调度器rrcharq rlc队列 rlc amc 资源块 调度器 天线映 射 物物理理层层 mac层层 . 数数据据包包 图 2-3 调度器在 lte 协议中的位置 调度器进行调度需要知道以下信息： 1) 可用时频资源(含可用 prb、小区负载、功率、干扰协调等信息) 2) 用户的 qos 参数(各个业务的类别、优先级、gbr/mbr/pbr/ambr 等) 3) buffer status (区分不同优先级组) 4) 空口质量(如不同频带的 cqi/cpi 等) 5) ue 能力(例如 hom 能力、mimo 能力、内存大小、处理能力等) 6) harq 信息 (如 harq 重传信息、persistent scheduling 等) 调度器的输出： 1) 调度用户的上下行时频资源分配 2) 调度用户的上下行 mcs/mimo 信息 3) 调度用户的 harq 参数 2.1.2 enb 侧调度器的工作模式侧调度器的工作模式 1上下行调度流程 如前所述，为了提高系统容量，调度应基于信道条件。因此，调度器在调度前还必 颁知道信道状况。上行信道状况是由基站直接测量 ue 的导频信号而得到的，而下行信道 则是由 ue 测量基站发出的导频信号，并在下一时刻通过上行信道以测量报告的形式反馈 给基站。下行调度如图 2-4 左图所示，由基站下行调度器根据缓存数据量、用户的 qos 要求、公平性，以及反馈上来的信道测量报告做出调度决定，基站把调度结果通过层 1/ 层 2 控制信令指定的调制编码方案、天线选择方案接收下行数据。调度到的用户在调度 信令中指定的资源块 rb(resource block)，以及指定的调制编码方案、天线选择方案接收 基于 matlab 的 lte 系统调度算法研究 9 9 下行数据。上行调度则如图 2-4 右图所示，由用户发送调度请求(缓存报告)，基站上行调 度器根据缓存报告和直接测量到的信道状况，做出调度结果，通过调度准许(grant)信令发 给相关的 ue，ue 在调度准许信令中指定的资源块 rb，以及指定的调制编码方案、天线 选择方案发送上行数据。 图 2-4 调度流程图 2.2 lte 中调度资源的划分中调度资源的划分 调度器每隔 tti 调度一次，每次 tti 为 lms，每个 tti 又分为 2 个 slot(一个 slot 为 05ms)。而一次调度命令有效时间可以持续多个 tti。调度时的最小无线资源单位为资 源块(rb)，一个资源块 rb 是由 12 个子载波和 7 个 ofdm 符号(0.5ms)组成的一个时频块， 其中前 2 个 ofdm 符号传控制信令，后面 5 个符号传数据9。资源块 rb 如图 2-5 所示。 图 2-5 资源块示意图 2.3 lte 采用的调度方式采用的调度方式 2.3.1 动态调度动态调度 本文将动态调度设计为 lte 系统的默认调度方式，动态调度时，用户在每个调度时 刻都需监听层 l/层 2 控制信道并按照收到的调度信令进行工作。这种调度方案和其他非实 江南大学学士学位论文 10 时业务的调度方法相同，根据信道条件进行动态调度。在下行方向，enb 根据缓冲区数 据量，信道条件等进行资源分配。在上行方向，当 ue 有上行数据发送时，首先发送上行 资源请求消息，enb 根据收到的请求消息，通过上行资源分配消息分配资源。这种方案 比较简单，资源利用率较高。动态调度的优点可以根据信道条件对 mcs 的一些参数进行 自适应的调整，而要实现自适应调整，调度请求和资源分配信息需要的比特数也会比较 多，因此会造成很大的信令开销。动态调度可充分提高频率分集和多用户分集增益，十 分适合数据类业务，缺点是层 l/层 2 信令开销比较大。 2.3.2 半动态调度半动态调度 这种方法仍旧是一种动态调度方法，和全动态调度不同的是，通过 rrc 消息预配置 资源表来降低资源分配消息的开销。并可以通过分组的方式进一步降低开销。举例说明 预配置资源表，如表 2-1，即预先绑定好资源块 rb 与调制编码方式、多天线方式的关系， 从而达到减少信令开销的目的。例如，事先设定，选择了资源块 rbl，就一定使用 16qam 1/3，而资源块 rb2 上就一定使用 qpsk 1/2。这样，当传送调度结果时，就不用 再传送调制编码方式从而节省了信令开销。为了进一步减少开销，半动态调度把 voip 用 户进行分组，事先规定只能用哪些资源块 rb，这样资源指示或用户标识就能在一个相对 较小的子集量进行编码，从而减少信令开销。 表2-1 预配置资源表 资源索引资源 r1上行；调制方式：16qam；码率：1/3 r2下行；调制方式：qpsk；码率：1/2 rk上行；调制方式：64qam；码率：1/3 当 ue voip 无线承载建立时，此 ue 即被分配到一个组的一个固定位置。调度时通 过这个组的 id (identity)进行调度。资源分配信息通过资源索引指示，通过预配置的资源 表可查到资源位置、调制方式、编码速率等信息，大大降低每个 ue 需要的资源分配信息 的比特数。该调度方式在本文的调度模块总体设计中未采用。 2.3.3 持续调度持续调度 对于 voip 业务，论文采取持续调度为 voip 业务的调度方式，持续调度时，用户通 过层 3 的控制信令预先分配好了资源，用户在分配有效期内不再监听层 1/层 2 控制信道 而是直接发送/接收数据。持续调度的分配有效期较长，通常持续多个 tti。持续调度可 大幅减少层 l/层 2 信令开销，但调度增益较低，持续调度主要是针对周期小包传输的业务， 减少 l1/l2 控制信令的丌销，系统为 volp 业务分配固定的资源，此资源分配在 voip 通 话期一直有效。 持续调度应用于 voip 业务取决于其特点，voip 业务的特点是：业务到达时间间隔为 20ms 左右，业务载荷为 40 字节左右，即包的到达间隔和包的大小基本上是固定的。如果 针对 voip 业务的这些小包采用动态调度方法，信令负荷会很大。在 lte 系统中要达到一 定的 voip 用户容量，需要减少开销。因此，提出了持续调度的方法，即为 voip 业务周 基于 matlab 的 lte 系统调度算法研究 1111 期性的持续分配资源。如何利用 voip 业务的特点进行有效的调度，保证 qos，最大程度 的减少信令开销， 是需要研究的问题。 voip 业务存在三个状态：瞬态、激活期和静默期。瞬态发生在会话刚开始时，包头 没有进行头压缩，因此这个状态的包比较大，包大小为 97byte。激活期的包为进行了头压 缩的语音业务的数据，包大小为 3549byte。在静默期没有语音数据传输，只有由于背景 噪声产生的 sid (silence descriptor)包，包大小为 1024byte。包到达间隔是固定的，在瞬 态/激活期时为 20ms，静默期为 160ms。从业务模型可以看出，voip 业务具有包比较小， 包的大小比较固定，到达间隔比较固定的特点。voip 业务的调度方案应当充分利用这些 特点，优化系统性能。由于瞬态包只发生在会话开始以及会话过程中出错导致头信息丢 失的情况，在 voip 业务调度方案的分析中，只按照激活期、静默期两个状态进行分析。 enb 侧由 rrc 层分配固定资源，配置周期，通过 rrc 消息通知 ue 激活期的资源分 配情况和周期，并由调度器通过控制信令来通知 ue 激活/撤销持续调度。当 voip 业务从 静默期转换到激活期时需要分配资源，当其从激活期转换到静默期时需要撤销资源。在 下行，状态转换时，通过资源分配消息指示分配给 ue 的资源。在上行，状态转换时， enb 根据资源请求消息给 ue 持续分配资源。针对 voip 业务的特点，调度请求可以只采 用 1 个 bit，指示将要进入的状态，例如 1 代表进入激活期，enb 按照激活期的资源分配 间隔(20ms)进行资源分配；0 代表进入静默期，enb 按照静默期的资源分配间隔(160ms) 进行资源分配。用户在分配有效期内不再监听层 1/层 2 控制信道而是直接发送/接收数据。 持续调度会给 voip 提供了一种类似电路交换的资源分配方式。 持续调度具有两条明显的优点：节省信令开销和简单。由于不再需要每个调度时刻 都传送信道质量报告、下行调度调度信令、缓存容量报告和上行调度准许，相比于动态 调度，持续调度大大节省了信令开销。除去极少量的 ack/nack 信令，持续调度所需的 层 1/层 2 信令基本为零。另外，由于类似于电路交换，所以其算法复杂度比起动态调度 所用的各种分组调度算法要简单很多。 持续调度也存在没有多用户分集和频率分集增益、资源利用率不高等缺点。很显然， 由于事先定好了调制编码方式和资源块 rb，所以持续调度不能获得链路自适应技术和信 道相关快速调度技术所带来的好处，因此少了多用户分集和频率分集增益。另外，即使 没有数据包到达，事先分配好的资源也不能给别的用户使用，带来了资源的浪费，使得 资源利用率不高。 江南大学学士学位论文 12 第第 3 章章 lte 系统调度算法研究系统调度算法研究 3.1 调度算法面临的主要问题调度算法面临的主要问题 1) 无线链路易变性 无线信道极易发生错误同时也极易受到干扰、衰落和阴影的影响，这使得无限链路 的容量具有极高的时变性。在发生严重的突发错误期间，无线链路性能可能太差以致没 有任何数据分组能够成功传输。无线链路容量除了与时间相关，还和位置相关。在某一 时刻，一个基站能同时与多个移动用户通信。由于物理位置不同，一些移动用户可以与 基站进行无错误通信，而其他用户可能根本无法通信。这就是所谓的位置相关错误。此 外，用户的移动性增加了传输链路的易变性。这样的链路变化要求调度算法具备某种动 态机制，从而处理与时间相关和位置相关的变化。 2) 公平性要求1011 无线网络的公平性问题十分复杂，可能会发生这样的情况，依据特定的服务规则或 独立于链路状态的公平性规则，一个数据分组被调度到无限链路上进行传输，而该链路 在此时处于错误状态。如果分组被传输，将被损坏并浪费传输资源。在这种情况下，合 理的选择是推迟这个分组的传输直到链路从错误状态恢复。因此，受影响的业务流暂时 丢失了其对于传输带宽的占用份额。为确保公平性，链路恢复后应对这个业务流的损失 进行补偿。但是决定如何进行补偿并不是一个简单的工作。公平的定义和目的在无线环 境下显得更加含糊不清。公平性的力度是另一个影响调度策略的因素，例如，短期公平 性和长期公平性。无线调度公平性的确切含义取决于服务模型、业务模型和信道特性等。 3) qos 保证 宽带无线网络将对各种具有不同 qos 需求的业务类型提供服务，因此必须支持 qos 区分和保证。为达到这个目标，应将相应的 qos 支持机制集成到调度算法中。无线调度 的 qos 支持由业务模型决定。对于差分业务类型的业务，至少优先级调度服务应当在调 度算法中得到实现。 4) 数据吞吐量和信道利用率 无线网络最珍贵的资源是带宽。一种高效的无线调度算法应致力于使错误链路上的 无效传输最小化，同时使有效服务传输和无线信道利用率最大化。 5) 功率限制和约束 蜂窝结构的无线网络中的调度算法一般在基站中进行，而基站的电力供给十分充足， 因此计算分组服务顺序所需的电能不需要过多考虑。然而，移动台的电源是受限的。一 个好的调度算法应使得与调度相关的控制信令数目最少，这些信息可能包含移动台队列 状态、分组到达时间和信道状态。例如，一个需要用每一个上行链路分组到达时间来计 算队列次序的调度算法是不好的，移动台向基站传输到达时间信息将需要大量的电能。 同样，调度算法也不应该太复杂，以使其能够高速执行，对具有严格定时要求的多媒体 业务进行实时调度。 基于 matlab 的 lte 系统调度算法研究 1313 3.2 分组调度算法的评价标准分组调度算法的评价标准 由于网络中存在资源和策略方面的限制，如网络带宽资源、服务器速率以及控制策 略是否合理等，吞吐量、分组延迟和丢弃率等服务质量要求很难同时得到满足。而且， 有时候这些目标是相互矛盾的，比如要求过高吞吐量可能导致分组延迟的大幅度增加。 因而任何一种实际网络的 qos 控制策略都只能对多个服务质量要求进行折中。在设计分 组调度的时候，主要考虑的几个参数是吞吐量、延迟、以及公平性。 3.2.1 吞吐量和时延吞吐量和时延 评价分组调度的有效性通常从考虑网络的两个基本参数吞吐量和延迟开始，显然， 调度的目的是希望有尽可能大的吞吐量和尽可能小的延迟。尽管从表面上看，增加吞吐 量意味着降低时延，但事实并非如此。对于分组调度而言，增加吞吐量就是要允许尽可 能多的分组进入网络，使所有的链路利用率趋近 100%。这样做就需要尽量避免链路空闲， 因为空闲的链路会降低吞吐量。然而问题在于，随着网络中分组数目的增加，每个等待 队列的长度也会增加，而队列变长也就意味着队末分组等待时间的增加，即分组延迟的 增大。为了描述吞吐量和延迟之间的关系，参考文献12提出了一个利用吞吐量和延迟来 评价分组调度有效性的公式，这个公式称为网络能力(power)公式 式(3-1) 10( delay throughput power 这个公式的理论基础是 m/m/1 网络模型，即分组到达和服务的时间分布都是“马尔 科夫”的，单一的队列，并且假设队列长度是无限的，但在多队列 m/m/1 模型下并不能 很好地评价资源分配的有效性。推广到多队列系统中的 power 公式的一种形式如下 式(3-2) 10( 1 )( )( ii i d t d throughput power 其中 i 代表服务类，表示系统总的平均到达率，表示平均排队延迟。d 则系统总的平均延迟为 式(3-3) iid d 1 3.2.2 服务质量和公平性服务质量和公平性 未来的网络将提供多种不同类型的业务，而不同业务类型的业务所需要的服务质量 也不相同。在参考文献13中提出了一种比例区分服务模型(pds)来保证业务的服务质量， 它是按照网络管理者给定的区分参数按比例分配网络资源，从而使不同类别的业务流得 到不同的服务性能，且它们之间的服务性能和区分参数对应成恒定的比例。 用表示业务类 i 的性能量值，代表服务质量区分参数，则 i q i c 式(3-4),.2 , 1,(nji c c q q j i j i 若是考虑采用延迟作为比例公平的性能参数来衡量服务质量，则长期公平由(3-5)式 保证，短期公平由(3-6)式保证。 江南大学学士学位论文 14 式(3-5) j j i i d d f 式(3-6) j j i i ttd ttd f ),( ),( 其中代表服务类 i 的分组平均延迟。是用户要求的延迟区分参数，这个参数可 i d i 以看作是对应队列的权重。 3.3 分组调度简介分组调度简介 3.3.1 分组调度基本含义分组调度基本含义 无线通信系统的资源受限，如何利用有限的系统资源满足日益增长的用户需求，已 经成为移动通信设备制造商和运营商亟需解决的问题。如果没有有效的无线资源管理策 略，再先进的传输技术，再宽的带宽也会因调度处理不合适而不能充分发挥其优势。分 组调度就是针对不同