（无线电物理专业论文）基于用户公平性的ofdma业务分集资源调度算法.pdf

摘要 基于用户公平性的o f d m a 业务分集资源调度算法 专业：无线电物理 硕士生：郑吉妮 指导教师：秦家银教授 摘要 正交频分多址技术( o f d m a ) 凭借其高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能 力，已成为下一代移动通信( 4 g ) 的关键技术之一。随着通信技术的飞速发展， 人们对高速数据传输和宽带多媒体业务提出了新的要求，未来移动通信系统需要 满足多个用户同时并行传输多种业务的需求。由于业务分集技术具有在m a c 层对用户的业务进行区分，并将其按指定的b e r 发送，最后才在接收端将属于 同一个用户的所有业务汇聚起来的特点，使得它能够很好的满足用户对多业务传 输的需求。此外，在多用户系统中，用户的公平性保证能力也是评价系统性能的 一项重要指标，如何在提高系统容量的同时又保证用户的公平性是众多学者研究 的热点。 因此，本文在此基础上提出了一种改进的基于用户公平性的0 f d m a 业务分集 资源调度算法。此算法主要基于跨层结构设计思想，结合m a c 层中不同业务类型 的q o s 要求和物理层的信道状态信息来进行自适应资源调度。算法的主要内容包 括以下两个部分： ( 1 ) m a c 层的分组调度算法； ( 2 ) 物理层的自适应资源分配算法。 其中，m a c 层的分组调度算法主要根据每个用户对应业务的待传数据量、业 务在实际传输过程中所允许的最大传输时延，以及分组数据包在缓存中的等待时 间等参量，对分配单元块进行优先级排序，以满足用户不同的传输需求和业务不 同的q o s 要求。物理层的自适应资源分配算法主要通过对用户的待传数据量进行 比例常数设置，然后进行相应的子载波分配、功率分配和比特加载，从而保证用 巾山大学硕士学位论文 户实际传输数据时的公平性。 最后，本文通过对处于不同传输条件下的系统进行仿真来验证本文改进算法 的有效性。仿真结果表明，采用本文算法的系统比未采用业务分集方案的系统在 容量上有明显的提高；同时，本文算法相对于基于容量最大化的业务分集算法在 保证用户公平性方面上有着明显的优势。 关键词：o f d m a 系统，业务分集，用户公平性，q o s ，功率分配。 l i a b s t r a c t r e s o u r c ea o c a t i o na l g o r i t hmi no f d m a 1 1 r a f 6 c - d i v e r s i 够s y s t e mb a s e do nf a i r n e s s m a j o r ： r a d i op h y s i c n a m e ： j 谳z h e n g s u p e r v i s o r ： p r o 凳s s o rj i a y i nq i i l a b s t r a c t t 1 1 a 1 1 l ( st ot h eh i 曲s p e c t r a le 伍c i e n c ya n dt h ee x c e l l e n ta b i l i t ya g a i n s tm u l t i - p a t h f a d i l l o m l o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o f d m a ) h a sb e c o m eo n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e si i lt h ef o u n hg e n e r a t i o no fm o b i l ec o 伽n u n i c a t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c l u l o l o g i e s ，p e o p l e1 1 a v eg r e a td e s i i e 南r h i 曲- s p e e d d a t at r a n s m i s s i o n sa n db r o a d b a n dm u n i n l e d i as e r v i c e s m o b i l e c o m m u l l i c a t i o n si i lt h e 血t u r es h o u l dm e e tt h ed e m a n dt h a tm u l t i p l eu s e r sc o u l d t 啪s m “r e s p e c t i v em u l t i p l et r a 舔c ss h u h a n e o u s l y t h e t r a m c d i v e r s i t yt e c h n o l o g y d i s t i n g u i s hd i f 梵r e n ts e r v i c e so fo n eu s e ri nt h em r a cl a y e r ，t h e ns e n dm e s s a g e s a c c o r d i n gt ot h e i rp r e d e f i n e db e rr e q u i r m e n t s ，a n df m a l l yc o l l e c tt h ei s o l a t e d s e r v i c e s t h a tb e l o n gt ot h es a m eu s e ri 1 1t h er e c e i v e r s o “c a nm e e tt h eu s e r s r e q u i r e m e n t so ft r a i l s m i t t i l l gm u l t i p l es e r v i c e ss i m u l t a n e o u s l y i na d d i t i o l l ，e n s u r i n g t h e白i m e s sb e t 、v e e nd i f f e r e n tu s e r si sa n i n l p o n a n t m a m f b s t a t i o no fs y s t e m p e r 如r m a n c ei 1 1m u h i u s e rs y s t e m s h o wt o e n s u r et h ef a i r n e s sw h i l ei m p r o v i n g s y s t e mc a p a c i t yi sah o ts p o tal o to f s c h o l a r sh a v es t u d i e d t h e r e f o r e ，t l l i st h e s i sp r o p o s e san e wr e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o na l g o r “h i l l ，w h i c hc o u l d e n s u r et h ef a i r n e s si 1 1t h eo f d m at r a 衔c - d i v e r s i t ys y s t e m t h i sa l g o r i t h mi sm a i l l l y b a s e do nt h ec r o s s 一埘e rd e s i g n i tt a l ( e s 硫oc o n s i d e r a t i o nb o t ht h ed i 毹r e n tq o s r e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n t s e r v i c e smt h em a cl a y e ra n dt h ec h a n n e ls t a t u s i 1 1 南r m a t i o ni nt h ep h y s i c a l l a y e r ，a n dh e n c em a k e sa d a p t i v er e s o u r c es c h e d u l i n g t h e n i 中山大学硕士学位论文 p r o p o s e da l g o r i t l l i t li i l c l u d e st h ef o l l o w i l l gt w op a n s ： ( 1 ) ap a c k e ts c h e d u l m ga l g o r i t h mi 1 1t h em a cl a y e r ； ( 2 ) a 1 1a d 印t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ni 1 1t h ep h y s i c a l l a y e r f i r s t l y ，t h ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r “i m lw i l ls o nt h ea l l o c a t i o nu n i t si nt h em a c l a y e rm a i n j ya c c o d i n gt ot h ea m o u n to fau s e r ss e r v j c e s ，t h em a x i m u ma l l o w a b l e t r a n s m i s s i o n d e l a y so fc o o r e s p o n d i n gs e r v i c e sd u r i n gt h et r a l l s m i s s i o l l ，a 1 1 dt h e w a i t i l l gt i m eo fd a t ap a c k e t si i lt h ec a c h e a sar e s u l t “c a i lm e e td i f f e r e n tt r a n s p o n n e e d so fu s e r sa n dd i f f e r e n tq o sr e q u 沁m e n t so fs e r v i c e s s e c o n d l y ，as e to f p r o p o r t i o n a lf a i r n e s sc o n s t r a i n t si si m p o s e dm t h ep h y s i c a ll a y e rt oa s s u r et h a te a c h u s e rc a na c h i e v ear e q u 的dd a t ar a t e ，a si nas y s t e mw i t hq u a l i t yo fs e r v i c eg u a r a n t e e s ， a n dt h e nm a k e st h ec o 盯e s p o n d i n gs u b c a r r i e ra l l o c a t i o n ，t h ep o w e rd i s t r i b u t i o na l l dt h e b i ta l l o c a t i o nf o re n s u r i l l gt h ef a i r n e s so fd i 虢r e n tu s e r s f i n a l l y ，自o mt h es i m u l a t i o nr e s u h so ft h eo f d m as y s t e mu n d e rd i 归盹r e n t t r a l l s r n j s s i o nc o n d “i o r l s ，w ec a ns e et h a to u ri l 】1 p r o v e ds y s t e mh a sah i g h e rc a p a c “y t h a nt h eo n en o ta p p l y i l l gt h et r a 蕊c d i v e r s i t ys c h e m e b e s i d e s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t 蛔 h a sa na d v a n t a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo fe n s u m gf a i r n e s sc o m p a r e dw i t ht h eo n et h a t b a s e do nt h eh i g h e s tc a p a c i t y k e yw o r d s ：o f d m as y s t e m ，t r a 街c - d i v e r s i t y ，f a i m e s s ，q o s ，p o 、v e ra l l o c a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：绋当帕 日期力刁年，月对同 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：孙吉抛 同期： 知叼年j 月对日 导师签名：京未没 日期： 为刁年j 月灯日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 移动通信的发展概况 纵观无线通信的发展史，我们可以发现，早在1 9 4 8 年，c e s 1 1 a 姗o n 提出的 信道容量理论便成为了现代数字通信和信息理论的基础。到7 0 年代，美国贝尔 实验室率先提出蜂窝的概念，解决了频率复用的问题，使无线通信的商用化逐渐 成为可能。到8 0 年代，大规模集成电路技术及计算机技术的突飞发展，使得长 期难以解决的移动通信终端小型化问题得到了初步的解决，这给移动通信的发展 打下了基础。 为了满足同益增长的用户需求，美国提出了基于小区制的第一个蜂窝通信系 统a m p s 系统。它主要建立在频率复用技术的基础上，使系统拥有更大的容量 和更好的语音质量。a m p s 系统在北美取得了巨大的成功，成为了移动通信发展 史上的罩程碑，它有力地刺激了全世界蜂窝移动通信的研究和发展。随后，欧洲 各国和日本也丌发了自己的蜂窝移动通信网络。其中，具有代表性的是欧洲的 t a c s 、北欧的n m t 和日本的n t t 系统等。由于这些系统采用的都是基于频分 多址( f d m a ) 的模拟制式，因此统称为第一代模拟移动通信系统【l 】。 随着长时间的实际应用和技术的不断发展，第一代模拟系统的许多问题逐渐 暴露出来，例如所支持的业务( 主要是语音) 单一、频谱效率太低、保密性差等。 特别是在欧洲，它无法解决跨国家的漫游问题，因为每一个国家都有一个自己的 标准和体制。于是，随着超大规模集成电路和计算机技术的发展，以及语音数字 处理技术的日益成熟，欧洲各国终于在2 0 实际9 0 年代初提出了第二代移动通信 系统技术方案g s m 系统。g s m 系统主要为时分多址( t d m a ) 的数字移动通 信系统，它的基本原则包括：a 、每载波8 个时隙、2 0 0 0 k h z 的载波带宽、慢跳 巾山大学硕十学位论文 频；b 、增强的全速率( e f r ) 语音编码器；c 、自适应多速率( a m r ) 的编解码 器；d 、1 4 4 k b “s 数据业务；e 、高速电路交换数据( h s c s d ) ；f 、通用分组无 线业务( g p r s ) 1 1 1 。与欧洲相比，美国在第二代数字蜂窝移动系统方面的起步 要迟一些。1 9 8 8 年，美国制定了基于t d m a 技术的i s 5 4 i s 1 3 6 标准。l s 一1 3 6 是一种模拟数字双模标准，可以兼容a m p s 。总的来说，这些第二代移动通信 系统可以提供语音业务及低速数据业务，可以基本满足人们信息交流的需要。 为了将来能够在全球化标准竞赛中取得领先地位，世界上很多国家、公司及 标准化组织纷纷提出了自己的第三代移动通信标准。截至1 9 9 8 年6 月3 0 日，i t u ( 国际电信联盟) 共收到十六项建议。在这些建议中有后来被广泛应用于实际系 统的三种典型主流技术：欧洲的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。其中， w c d m a 最初主要由爱立信、诺基亚供公司为代表的欧洲通信厂商提出，它主 要采用带宽5 m h z 的宽带c d m a 技术，上、下行快速功率控制，基站间可异步 操作；c d m a 2 0 0 0 是在l s 9 5 系统的基础上由高通、朗讯、摩托罗拉和北电等公 司一起提出的，它的技术选择和设计最大限度地考虑和i s 9 5 系统的后向兼容， 很多基本参数和特性都是相同的，并在无线接口采用了增强技术；而t d s c d m a 技术主要是由我国大唐电信集团在国家主管部门的支持下，通过多年的研究而提 出的我国第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准。它综合了t d d 和 c d m a 的所有技术优势，具有灵活的空中接口，并采用了智能天线、联合检测 等先进技术【l l 。 由于3 g 系统的核心网结构还没有完全脱离第二代移动通信的核心网结构， 第三代移动通信仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统的过渡阶段。因此，通信 业内人士普遍认为，当前的第三代移动通信方案实际只能是第二代移动通信方案 的改进，算不上是真正意义上的宽带接入网络。所以人们已经把越来越多的目光 投向三代以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统中，使其可以容纳庞大的用户数目， 改善现有的通信质量，以及达到高速率数据传输要求。在被称为信息时代的今天， 人们对无线个人通信的要求与日俱增，从而使得无线通信成为全球通信行业的主 要发展焦点之一。同时，由于互联网的盛行促进了无线用户对高速数据传输的要 求。未来移动通信的业务将呈现多样化、多速率和高突发性的趋势，要求系统有 较高的用户容量和业务吞吐量。为了满足这样的业务需求，提高无线网络的业务 2 第一章绪论 承载能力，从目前无线网络的研究现状来看，其可能的主要方式可分为两类：一 种是空中接口物理层无线链路性能的改善；另一种是把无线网络看成一个整体， 应用现代的无线资源管理技术，使用简单的收发信机，以优化分配有限的无线资 源来提高网络的整体容量。作为b e y o n d3 g 系统中主要候选技术之一的正交多路 频分复用( o f d m ) 技术由于使用多个正交的子载波，能够有效的克服多径衰落 的影响和灵活的进行子载波资源的分配，使得这些问题的解决成为了可能。而 o f d m a ( 正交频分多址接入) 将o f d m 技术和频分多址接入技术相结合，它除 了具有o f d m 系统的优点外，还具有灵活的资源调度能力，因此成为了未来无 线通信系统的候选多址接入技术方案之一。此外，另一种候选技术m i m o 技 术，它能够将传统通信系统性能中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能 有利的增强因素，有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务 传输速率，使得能够在不增加信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量 级。除此之外，无线链路增强技术，智能天线技术，多用户检测技术，软件无线 电技术以及基于全i p 的核心网也都是b e y o n d3 g 向4 g 过渡所要研究与采用的 相关关键技术【lj 。 1 1 2 国内外的研究现状 下一代无线移动通信系统需要提供高速多媒体业务，数据的高速传输将导致 频率选择性衰落和符号问干扰( 1 s i ) ，因此适用于宽带数据业务的传输技术引起 了广泛的关注。目前，由于o f d m 技术具有抗频率选择性衰落和抗多址干扰的 性能，已成为宽带无线通信的首选方案。一方面，采用o f d m 技术的无线通信 系统中，无线资源可以在时域和频域内灵活分配，这就给无线分组调度算法的设 计提供了极大的灵活性；另一方面，由于无线信道的时变性和无线资源的稀缺性， 如何灵活的利用有限的无线资源来满足不同用户的需求是无线宽带传输技术研 究的关键。因此，资源分配方式的优劣将直接影响系统的总体性能。 在文献【2 】中，k i v a n c 根据用户的需求和接收端反馈回来的信道消息，提出 了一种提高系统容量的自适应资源算法。算法中介绍了几种经典的子载波分配方 案，包括b a b s 算法、r c g 算法和a c g 算法。虽然这些算法在提高系统性能方 中山大学硕士学位论文 面有着一定的贡献，但是由于其研究都是基于物理层的，没有考虑业务的q o s ， 用户队列的等待数据量，数据包的传输时延等这些上层因素，因而在资源平面上 只能体现用户之间的差别而不能反映业务对子载波分配的影响，无法直接应用于 包传输的无线系统。目前，应用于多用户o f d m 系统中的基于跨层设计的调度 算法已不少，其中文献【3 】提出了一种联合物理层和m a c 层的分组调度算法。此 算法相对于单层设计方案的文献来说能够很好的改善系统的性能。但是此算法的 研究前提是只有当小区内所有移动用户均具有相同且较高的接收信噪比时，在丢 包率和时延等方面相对于仪在单层考虑的调度算法才有较好的性能表现。而实际 系统中，由于用户的移动性，无线信道的不稳定性以及其他用户的干扰等一些不 可避免的因素存在，使得各个用户的接收信噪比往往是随时间动态变化的，这就 要求系统必须能够克服信噪比的变化提供给用户相对稳定的、可以接受的q o s ， 而文献 3 】中算法对高接收信噪比的依赖性导致其实用性不强。在文献 4 】中j e o n g 提出了另外一种跨层优化的调度算法，即在m a c 层采用分组调度器根据业务的 q o s 要求和用户的发送数据量对用户的优先级别进行确定，然后在物理层进行资 源分配。这种结合了m a c 层和物理层进行综合调度的算法，提高了系统的频谱 利用率。但其研究的前提跟目前其他的跨层设计方案相同，都是假设一部分用户 用于传输i 玎( 实时) 业务，另一部分用户用于传输n r t ( 非实时) 业务。也就 是说，每个用户只传输一种业务类型。这种用户单一业务的应用，在资源平面 上仅仅是将用户之间的差别体现为业务之间的差别。而未来移动通信系统要求每 个用户需要同时承载许多不同类型的业务，这就需要在发送端m a c 层首先对每 一用户的业务进行区分，综合考虑其q o s 要求，然后在物理层分配子载波，经 过信道传输后，最终在接收端将属于同一个用户的业务汇聚起来，这种资源分配 方案称为“业务分集”。文献【5 】中，g u a n 首先提出了业务分集的概念，并提出了 一种基于拉格朗日的最优化算法，通过寻找最优参数来提高系统的总容量。但是 由于该算法的计算复杂度较高，且在进行资源分配时只考虑了物理层的资源分 配，并没有考虑到m a c 层业务的o o s 要求，缺乏实际应用性。同时，算法是以 最大化系统容量为目标，在保障用户公平性方面有着明显的不足。因此，本文将 在文献【5 的基础上提出一种新的基于用户公平性的o f d m a 业务分集算法。 4 第一章绪论 1 2w i m a x 网络技术 1 2 1w 蹦a x 概念解析 w i m a x 全称为w 研l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波 互联接入，它的另一个名字是8 0 2 1 6 。w i m a x 技术不仅在北美、欧洲迅猛发展， 而且这股热浪已经推进到亚洲。w m a x 又称为8 0 2 1 6 无线城域网，是又一种为 企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。因在数据通信领域的高 覆盖范围( 可以覆盖2 5 3 0 英里的范围) ，使w i m a x 在最近一段时间备受业界关 注1 6 1 。 事实上，w i m a x 是一项新兴的宽带无线接入技术，它不仅能提供面向互联 网的高速连接，数据传输距离最远可达5 0 k m ，同时还具有q o s 保障、传输速率 高、业务丰富多样化等优点。w i m a x 具备这么多种优良的特性，主要得益于正 交频分复用( o f d m ) 和多天线技术( m i m o ) 两种关键技术的应用。随着技术 标准的发展，w i m a x 将逐步实现宽带业务的移动化，而当前的3 g 则将实现移 动业务的宽带化，这两种网络的融合程度将会越来越高。 通常认为，i e e e8 0 2 1 6 工作组是i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 空中接口规范的制定 者，而w i m a x 论坛则是技术和产业链的推动者。目前w i m a x 几乎成为了 l e e e 8 0 2 1 6w i m a x 技术的代名词，其空中接口规范涵盖了i e e e8 0 2 1 6 d e 标准。 如今w i m a x 已经成为3 g 标准中l m t - 2 0 0 0 家族的一名正式成员，与w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 以及我国的t d s c d m a 并列，成为全球第四大3 g 标准。当前i e e e 8 0 2 1 6 标准化工作中最受瞩目的是8 0 2 1 6 e 标准的进展情况。它支持移动性，并 把m l m o 技术与o f d m a 技术结合使用，大大推动了移动w i m a x 发展【6 l 【7 1 。 1 2 2w i m a x 技术特点 1 ) 链路层技术 由于t c p i p 协议对信道的传输质量有着较高的要求。无线宽带接入技术面 对日益增长的i p 数据业务，必须适应t c p i p 协议对信道传输质量的要求。同时， 5 中山大学硕士学位论文 无线信道的衰落现象在w i m a x 技术的应用条件下( 室外远距离) 非常明显，且 t c p i p 协议在质量不稳定的无线信道上运用时，其效率出现十分低下的现象。 w i m a x 技术在链路层加入了a r q 机制，减少到达网络层的信息差错，大大提高 了系统的业务吞吐量。此外，w i m a x 采用天线阵、天线极化方式等天线分集技 术能够很好的应对无线信道的衰落。这些措施都极大的提高了w i m a x 的无线数 据传输性能【1 1 。 2 ) q o s 性能 q o s 的英文全称为”q u a l i t yo fs e r v i c e ”，中文名为”服务质量”。q o s 是网络的 一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥 塞时，q o s 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。 w i m a x 可以向用户提供具有q o s 性能的多种业务，如：数据、视频、话音( v o i p ) 业务。如果对业务进行等级划分，则w i m a x 可以提供三种等级的服务：c b r ( c o n - s t a n tb i tr a t e ，固定带宽) 、c i r ( c o m m i t t e dr a t e ，承诺带宽) 、b e ( b e s t e 娲r t ，尽力而为) 。其中，c b r 的优先级最高，任何情况下网络操作者与服务提 供商以高优先级、高速率及低延时为用户提供服务，保证用户订购的带宽。c i r 的优先级次之，网络操作者以约定的速率来提供，但速率超过规定的峰值时，优 先级会降低，还可以根据设备带宽资源情况向用户提供更多的传输带宽。b e 则 具有更低的优先级，这种服务类似于传统i p 网络的尽力而为的服务，网络不提 供优先级与速率的保证。在系统满足其他用户较高优先级业务的条件下，尽力为 用户提供传输带宽【6 】。 3 ) 工作频段 整体来说，m 。例8 0 2 1 6 网络可以使用的频带包括3 部分：具备许可证 的1 0 “6 g h z ，1 1 g h z 以下频段以及免牌照的l l g h z 以下频段( 主要是5 6 h z ) 。 其中l o “6 g h z 频段提供的传输环境适合使用短波进行视距传输，1 1 g h z 以下的 频段由于波长的增大不必要进行视距传输。因此，8 0 2 1 6 所使用的频谱将比以往 其它任何无线技术更丰富，具有以下特点： 对于已知的干扰，窄的信道带宽有利于避开干扰。； 当信息带宽需求不大时，窄的信道带宽有利于节省频谱资源； 灵活的带宽调整能力，有利于运营商或用户协调频谱资源【l 】。 6 第一章绪论 1 2 3w l m a x 发展优势 w i m a x 之所以能够成为新的研究焦点，是因为它具备着以往技术所没有的 许多优势。如： 第一，w i m a x 能够实现更远的传输距离。w i m a x 所能实现的5 0 公里的无线 信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3 g 发射塔的l o 倍， 只要少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩 大。 第二，w i m a x 能够提供更高速的宽带接入。据悉，w i m a x 所能提供的最高 接入速度是7 0 m ，这个速度是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍。 第三，w i m a x 能够提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城 域网技术，它可以将w i f i 热点连接到互联网，也可作为d s l 等有线接入方式 的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。w i m a x 可为5 0 公里线性区域内提供 服务，用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。 第四，w i m a x 能够提供多媒体通信服务。由于w i m a ) 【较之w i f i 具有更 好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务【1 1 【6 l 。 1 3 无线网络的跨层设计 1 3 1 跨层设计思想 传统的开放系统互连( o s i ) 分层网络设计思想己为通信系统服务多年。然 而，日益演进的无线网络正在挑战这种设计哲学。由于将来的无线网络不仅需要 支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量( q o s ) 要求，同时还需要支持 网络拓扑结构的变化。因此，如何将分散在网络各个予层的特性参数协调融合， 以提升整体网络的性能，是网络设计所应面对的新问题。在无线网络领域，除了 需要研究各网络、各层性能的优化，同时，各层之间的互相协调配合对网络性能 的影响也是需要研究的对象。因此，在设计网络时，各网络功能( 即o s i 的各层) 必须统一考虑。由于不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处，因此，模糊 7 中山大学硕士学位论文 层间界限的设计方案已被提出，它试图跨过层间功能进行优化，如图1 1 所示【1 0 1 。 图卜l 跨层设计的思想【1 0 1 虽然，传统的网络设计也包含一些自适应能力，如利用自适应信号处理、调 整信道参数、更新路由表、改变流量负载等，但这些调整更新与网络层次是孤立 的。由于无线网络设计的o s l 分层模型中最高和最低层次有不同方法解决固定基 站无限制接入位置问题，且未来无线网络设计应考虑网络跨层间的相互作用。因 此，在新一代多媒体网络优化设计时，不仅需要静态优化跨层设计，还应考虑动 态优化跨层自适应。使得网络可以在功能和自适应之间通过信息交换来满足网络 负载、信道环境和q o s 可变的要求。 常用的错误检测机制_ a r q ( a u t o m a t i ci 沁q u e s t 南rr e p e t “i o n ) 和f e c ( f o n ，a r de h o rc o r r e c t i o n ) ，可以使媒体在信道中传输时根据需要激活链路层自 适应q o s 。其中，a r q 主要负责让接收端请求重传丢失或损坏的数据包，f e c 传输原始数据有一些冗余，允许接收端重建丢失或损坏的数据包。在跨层设计的 传输结构中，无线网络层的资源控制由链路控制层的媒体接入控制( m a c ) 和 物理层协商来决定合适的模式。m a c 层与物理层之间结合错误检测机制进行资 源控制的模式如图1 2 所示。其中，每种业务对应一个独立的传输信道，对即将 出现的业务请求，相应的配置需要根据业务的特性进行处理。同时，可根据延迟 计算得出物理层合适的交织长度和数据链路层合适的重传计数，根据容错需求选 择物理层合适的编码模式，然后在每个逻辑链路上选择正确的比特率、传输功耗、 传输调度方式来使得系统流量最大化( 最大流量定义为整个激活的链路上的平均 数据率的和) 【1 0 1 。 8 第一章绪论 图1 2 跨层设计实现模块结构框图【1 0 1 1 3 2 跨层设计的优点 ( 1 ) 灵活的自适应接入 无线网络的跨层设计可以在每一层内针对每种可能的资源，或者在多层之间 根据不同层相互作用的需求快速地进行适配，以求更好地满足不同信道条件中， 特别是无线环境内系统对更高数据传输率的需求。同时，它还能够实现可用的调 制编码方案与可用链路质量之间的匹配，为衡量网络整体最佳性能提供判据。 并且，它通过与信道状况相适应，进行相应地选择调制和编码方案，大大改善了 o f d m 等高速物理层技术的性能。此外，自适应除了可以体现在频率利用( 智 能频率利用) 、物理层( 调制和编码以及多址接入方案) 、m a c 和链路层( 例如 选择专用信道与共享信道动态分配的程度) 、网络和传输层，还可以体现在应用 层和业务层【1 。 ( 2 ) 业务与应用的适配 虽然传统网络具有一定的适应能力，例如许多通信系统使用信号处理方法来 适应信道环境的变化，通过动态调整路由表来适应业务负载的变化，但是这样的 调整是隔绝在特定层中的。真正的优化应该不仅要使用跨层设计，还需要网络有 跨层适应性。跨层适应性将允许所有网络模块在不同功能之间传送信息并适应彼 此，以便满足q o s 需求变化、网络负载变化和信道条件变化的要求。因此，不 难看出，跨层网络设计要求网络各层需要静态优化，而适应性则要求网络能够实 现跨层动态优化【1 1 1 。 9 中山大学硕士学位论文 ( 3 ) 可多层次联合优化 在无线移动环境中，t c p 层分组的丢失不单是由于网络的拥塞引起的，还有 可能是由于无线链路的高差错率造成的。尤其是链路特性较差时，若使用自动重 发请求反而会增加网络的负担。跨层设计使物理层可以与无线网络的其他层次联 合优化，很巧妙的解决上述问题。基于无线通信与有线传输特性的差距，我们只 要突破传统开放系统互联( o s i ) 体系结构各层之问的独立性，通过在物理层、 数据链路层和传输层之间传递控制信息进行联合优化，就可以极大的提高整体性 能。甚至可以实现在宏小区范围内提供2 m b p s 5 m b p s 的传输速率，在微小区以 及室内环境中提供1 0 m b p s 以上的传输速率【1 1 】。 1 4 主要工作与结构安排 随着移动通信技术的发展，未来通信系统要求每个用户同时承载多种不同类 型的业务，并在信道上实现并行传输，也叫业务分集。这个新的研究课题将 给学者提供广大的研究空间。因此，本文提出了一种适用于多用户o f d m a 系统 下行链路的调度算法。算法主要在跨层设计的结构基础上，结合业务分集技术， 以提高系统容量和保证用户公平性为出发点，结合了m a c 层用户的q o s 要求， 包括用户的待传数据量、数据包队列状态信息等以及物理层的信道状态信息和功 率约束等，进行自适应资源的调度。算法的主要内容包括两个部分： ( 1 )m a c 层的分组调度算法； ( 2 )物理层的自适应资源分配算法。 调度过程首先在m a c 层根据各个用户队列中的包数量和队首数据包等待时 延来动态调整各用户分组业务的优先级，然后在物理层采用自适应分配策略对无 线资源进行合理的利用，以提高频谱效率。后续的仿真结果表明，本文所提算法 和文献5 所提算法相比，更能保证用户的公平性，满足不同用户的数据传输要求 以及不同业务的q o s 要求；同时也证明了采用本文业务分集方案的系统相对于 未采用业务分集的系统在系统容量上依然有优势，保持着业务分集能产生分集增 益的特性。 本论文共分七章，各章内容安排如下： l o 第一章绪论 第一章简要的讲述了本论文的选题背景，包括当前无线通信技术的发展概况 和相关研究的现状，并重点介绍了m m a x 网络和无线网络的跨层设计，最后对 本文后续章节的安排进行了介绍。 第二章主要介绍了o f d m 系统的基本原理、参数选择以及主要特征，并对 o f d m 多址技术和m i m o o f d m 进行了详细介绍。 第三章简要介绍了o f d m a 的系统结构和传统的o f d m a 资源调度方案， 重点介绍了文献【5 】的基于业务分集的0 f d m a 资源调度算法和文献【1 2 的基于 用户公平性的最大化系统容量算法，为后续本文算法提供理论依据。 第四章详细介绍了基于用户公平性的o f d m a 业务分集资源调度算法，包括 系统模型、参数定义、m a c 层的分组调度算法和物理层的自适应资源分配方案， 并对系统的相关性能指标进行了定义。 第五章对本文所提算法进行仿真与性能分析。在上面理论推导的基础上将本 文算法与文献【5 】的算法在用户公平性性能上进行比较，并将本文算法与文献【1 2 】 的算法在系统容量性能上进行比较，最后分析总结本文算法的优点与不足之处。 第六章对论文的全部工作进行总结，包括对本文算法的概括和性能特点的总 结。同时提出了论文的后续可扩展研究方向。 1 5 本章小结 下一代无线移动通信系统需要提供高速多媒体业务，而数据的高速传输将导 致频率选择性衰落和符号间干扰( i s i ) ，因此适用于宽带数据业务的传输技术便 引起了广泛的关注。目前，由于o f d m 技术具有抗频率选择性衰落和抗多址干扰 的优点，使它成为了宽带无线通信的首选方案。一方面，在采用o f d m 技术的无 线通信系统中，无线资源可以在时域和频域内灵活分配，这就给无线分组调度算 法的设计提供了极大的灵活性；另一方面，由于无线信道的时变性和无线资源的 稀缺性，如何灵活有效的利用有限的无线资源来满足不同用户的需求是无线宽带 传输技术研究的关键。同时，如果能在每一层内针对每种可能的资源，以及在多 层之间进行快速的适配，将能更好地满足不同信道条件中，特别是无线环境内用 户对更高数据传输率的要求。这说明只要有效的利用跨层设计思想来对资源进行 中山大学硕十学位论文 自适应配置就可以极大的提高系统的总体性能。因此，本文将在跨层设计基础上 结合业务分集技术提出一种改进的资源调度算法。 1 2 第二章0 f d m 系统及其相关技术 第二章o f d m 系统及其相关技术 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是指在频域内将给定的信道分成许多正交的子信道，在每个子信道上 使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。这种多载波调制技术， 同时也是无线环境下的高速传输技术。虽然在宽带条件下，无线信道的频率响 应曲线往往是非平坦的，但o f d m 的工作原理使得尽管信道在频域上是非平坦 的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信 道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干带宽，因此可以大大的消除 载波间的干扰。同时，o f d m 技术把高速数据流分散到多个子载波上传输，从而 使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，因而对时延扩展 有较强的抵抗力，降低了符号间干扰的影响。此外，由于o f d m 还允许子载波频 谱混叠，是一种高效的调制方式。正如图2 1 所示，o f d m 系统把输入的比特流 经过串并变换分裂成众多并行序列，每个并行序列被调制到相应的子载波上， 经过i f f t 变换得到时域样点，插入循环前缀，再经过数模变换和滤波后被发射 到空中。接收端则对经过信道衰落的接收信号进行相反的处理。下文将对系统 中的相关技术进行详细的介绍i ”l 。 琶。j jj ；心q 磷矗 j 警 旧行e 嗣f t 或 刘变换一行问隔 奄护； 数模变换 0l l i t 玎 斗 j ( f ) 多径传播 矗( 巧f ) l zr _ _ _ _ _ _ _ 。1 m j 。 。束删 旧行眭夏_ ! 到串囊羹行卜 去除保护j 儿) 出” 问隔 ! 模数变换 图2 1o f d m 系统模型1 1 5 】 1 3 中山大学硕士学位论文 技术l ：串并变换 传统的数据传输形式是串行数据流，符号被连续传输，同一时刻每个数据符 号的频谱可占据整个可利用的带宽。而在并行数据传输系统中，许多符号被同时 传输，可减少那些在串行系统中会出现的问题。 在o f 工) m 系统中，由于每个传输符号速率的大小大约在几十b i t 幽到几十 k b i t s 之问，所以必须将输入的串行比特流转换成为可以传输的o f d m 符号。且 调制模式可以自适应调节，因此每个子载波的调制模式是变化的，每个子载波的 可传输比特数也是变化的，进而可以知道串并变换需要分配给每个子载波数据段 的长度也是不同的。最后，在系统接收端执行相反的过程，将各个子载波上传输 的数据转换回原始的串行数据。 技术2 ：子载波调制 一个o f d m 符号内包括多个经过正交幅度调制( q a m ) 或者相移键控( p s k ) 的子载波。如果用n 表示子载波的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，谚 ( i _ 0 ，l ，n