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分组数据的无线资源管理研究 摘要 与传统基于功率控制和资源固定分配的电路交换网络无线资源 管理机制不同，分组数据的无线资源管理架构中采用了基于速率控制 的链路自适应技术、快速分组调度以及拥塞控制等功能。这些改进的 本质是为了更好地为具有非连续传输特性的无线分组数据提供承载 以保障其服务质量q o s 要求，并在结合这些业务特性基础上尽可能 提高具有有限频谱的无线资源的利用率。 本论文的工作主要集中于无线分组业务特性分析、实时与非实时 业务承载网络负载和容量峰值吞吐量分析、基于速率控制无线链路 自适应技术、分组调度及资源配置等四个方面内容的研究： 1 、论文首先对移动通信分组数据的业务特性进行了分析，特别 侧重研究了其与有线网络分组数据业务特性的差别，从理论上研究了 移动通信网络中不同类型分组数据的业务源数学模型及其特征参数 的设定问题，并通过软件仿真进行了验证； 2 、针对话音业务、实时多业务和非实时分组数据业务承载网络 的负载进行了理论推导和定义，并以此为基础研究了各类系统的容量 和极限吞吐量，以高速下行分组接入h s d p a 为例讨论了分组网络的 流量拥塞控制问题； 3 、速率自适应技术是无线分组网络无线传输技术的核心，无线 分组网络无线资源管理机制与传统基于功率控制传统无线资源管理 的本质区别所在。本文针对自适应调制与编码a m c 、混合自动重传 请求h a r q 结合的速率控制链路自适应技术进行了理论分析和研究。 以时分高速下行分组接入t d h s d p a 系统为例，阐述了智能天线等 技术给链路自适应技术的挑战：无线链路质量波动问题，并结合理论 分析提出两套解决方案：主动重传延时方案和重传时可变m c s 方案。 软件仿真结果显示，两种方案都带来了较大的系统性能增益，提高了 数据传输的稳定性。论文还针对速率控制链路自适应技术中信道质量 反馈问题进行了研究，提出了套自适应反馈机制，仿真显示该方案 在满足及时、准确的链路质量反馈需求基础上减小了上行资源利用， 从而降低了匕行链路的多址干扰。 4 、研究了基于无线资源共享的分组调度算法，提出厂一啼中基于 混合分组数据q o s 保障( 具体为传输时延和保障比特速率) 的分组 调度算法( t g b p s ) ，从理论分析和仿真验证两方面进行了研究，并 侧重研究了码分调度下无线分组数据网络资源配置问题，特别各类无 线资源单元的协调分配问题。 关键词：无线分组无线资源管理速率自适应分组调度 j ! 塞! ! ! ! ! ! 堡垒鲎堡：! 堡苎 墨三! ! ：塑叁 i n v e s t i g a t i o n0 nr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t f o rw i r e l e s sp ：a c k e t - b a s e dt r a 脚c a b s t r a c t r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tf o rm o b i l ep a c k e t - b a s e dt r a f i c ，d i s t i n c t t ot h a tb a s e do nt h ed o w e rc o n t r o la n dn l es t a t i cr e s o u i ea l l o c a t i o nf b r c o n v e n t i o n a lc i r c u i t s w i i c h e ds e i c e s ，l h a ta d o p t sr a t e c o n t r 0 1 b a s e dl i n k a d 印t a t i o nm e c h a n i s ma n df a s tp a c k e s c h e d u l i n ga sw e l la sc o n g e s t i o n c o n t r o ls c h e m e t h ea i mo ft h e s ee v o l u t i o n si st os i m p l i f ya n do p i i m i z e t h eu t i l i z a t i o no fl i m i t e d 豫d i or e s o u r c ea n dt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo f s e r v i c e so ft h es e r v e dp a c k e t - b a s e dt r a f f i ca c c o r d i n gt oi t sp r o p e n i e s t h ec o n t e n t si nt h i sp a p e rc o v e rt h ei n v e s t i g a t i o no fi n o b i ei p b a s e d t f a 蚯cc h a r a c t e r i s t i c ，t h el o a dd e f i n i t i o nf o rt h en e t w o r kb e a r e f i n gm o b i l e r e a l t i m ea n dn o n r e a l 一i m es e r v i c e s ，t h ea n a l y s i so fs y s t e mc a p a c 主yf o r s p e e c hn e l w o r k sa n dp e a l 【t h r o u g h p u tf o rp a c k e tn e 啊o r k s ，r a t e c o n t r o l b a s e dj i n ka d a p f a i o ns c h e m e ，f a s tp a c k e ts c h e d u j j n ga sw e na sr e s o u r c e a 1 1 0 c a t i o nu n d e rc o d es c h e d u l i n g ，a n ds oo n f i r s t i y ，t h ep r o p e r t i e so fp a c k e t b a s e dt r a f f i ci nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa r ea n a l y z e dm e o r e t i c a l l y ，e s p e c i a l l yt oh i g h l i 曲tt h e s e d i 饪音r e n c e sb e t w e e np a c k e t b a s e dt r a 衢c sa p p l i c a t e di nf i x e dn e t w o f ka n d m o b i l e n e t w o rk t h ei s s u e so ft r a f ! c i cs o u r c em o d e l l i n ga l l dc o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e rs e t 虹n ga f es u d i e df o fp a c k e fs e i c e sw i hd i f ：f b f e n q o sd a s s ， a n dt h e nt h e s et r 棚cs o u r c em o d e l sa r es i m u l a t e db y p r o g r a m m i n g s e c o n d j y ，t h es y s t e ml o a df o rs p e e c h ，h y b r i dr e a i t i m es e r v i c e sa n d n o n r e a l t i m es e f v i c e sa r ed e d u c e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dt h e nb a s e d o nt h a tt h en e t w o r kc a p a c i c ya n dp e a kt h r o u g h p u fa r ei n v e s t i g a t e d 1 h e i n t e r f e r e n c ed i s t r i b u t i o nc h a r a c i e r i s t i ci nt d d c d m a w i t hs m a r ta n t e n n a i ss t u d i e da sas t f e s s 铀dt h ei s s u eo f1 0 a dc o n t r o la n dc o n 叠e s t i o nc o n t r o l i nh s d p an e t w o r ka r ea l s or e s e a r c h e d t h i r d l y ；r a t e c o n t r o l b a s e dr a d i ol i n ka d a p t a t i o ni sc h ek e yo fr a d i o t r a n s m i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 i e si nw i r e l e s sp a c k e tn e t w o r k ，t h eb a s i cd i f 陀r e n c e b e t w e e nr r mi np a c l ( e tn e t w o r k sa n dt h a t i nc i r c u i t s w i t c h e dn e t w o r k t h ec o m b i n a t i o no fa d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ，h y b r i da u t o 北京邮电大学博士论义英文摘要 m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ( h a r q ) i sr e s e a r c h e d 1 1 a k i n gt d h s d p a a sa ne x a m p l e ，t h ee 好e c to f s m a r ta n t e n n a so nr a d i o1 i n kq u a l i t yv a r i a t i o n i sa n a i y z e d i no r d e rt oh a n d l et h e s ep r o b l e m s ，t w on o v e jl i n ka d a p a t i o n s 0 1 u t i o n s ：d e l a vr e t r a n s m i s s i o na n dm c sr e s e l e c t i o ni nh a r qr e d e l i v e r v a r ep r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt 1 1 a tn o v e ls c h e m e sc a np r o v i d ea n o b v i o u sn e t w o t k - l e v e lp e r f o 如n a n c eg a i n a tt h ee n d ，a st h eb a s i so fl i n k a d a p t a t i o nt e c h n o l o g i e s ，c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ( c q i ) f e e d b a c ki sa l s o t a k e ni m oa c c o u n t an o v e la d a p t i v ef e e d b a c ko fc q i ，a c k ，nac ka n d l 讧i d a m b l eb u r s ti sp r o p o s e d s i m u l a t i o ni n d i c a t o rt h ea d a p t i v es o l u t i o n c a ns a t i s f yr e q u i r e m e n t so ft i m e l ya n de x a c tc h a n n e lq u a l i t ym e a s u r e m e n t ， a tt h es a m et i m er e d u c ec h eu t i l i z a t i o no fu p l i n kr a d i or e s o u f c et od e p r e s s u p l i n km u l t i d l ea c c e s si n t e r f e r e n c e a tt h ee n d ，r e s o u r c e s h a r i n g _ b a s e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa 托 i n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r ，a n da na d v a n c e dq o s - b a s e dp s ：t g b p s ，w h i c h i ss u i ta _ b l et ot h en e 似，o f kw i mh y b r i dp a c k e t m a s e dt r a f f i c 1 m es i m u l a t i o n r e s u l t sv a l i d a t et h ea d v a n t a g eo ft h ep a c k e ts c h e d u l e ro nt h eg u a r a n t e eo f m i n i m u mf r a n s m i s s i o nb i tr a t e ，i np a n i c u l a rf o rt h es t r e a m i n g t h er a d i o r e s o u r c ea l l o c a t i o ni s s u e sc o m b i n i i l gw i t hc o d es c h e d u l i n g ，e s p e c i a l l yt h e n e g o t i a t i o na m o n gr e s o u r c eu n i t ss e t t i n g ，a r ei n v e s t i g a t e d as o l u t i o nf o r t d h s d p ac a s ei sp r o p o s e d k e yw b r d s ：w i r e l e s sp a c k e t - b a s e dt r a f f i c ，i a d i or e s o u i c em a n a g 啪e n t ， r a t e c o n t r o l _ b a s e dl i n ka d a p t a t i o n ，p a c k e ts c h e d u l i n g j ! 皇l 堕皇查兰堕! ：丝壅一! ! j i 墨 图目录 囤2 1 ：典型的业务源模型一1 2 囤2 2 ：仿真器中的业务源实现流程图1 7 图2 3 ：v 0 i p 业务的仿真结果，1 7 圈2 4 ：v i d e 0 业务的仿真结果1 8 盘2 5 ：、 ，、 n 2 i ，业务的仿真结果1 8 图2 6 ：f t p 业务的仿真结果1 9 图3 1 ：r r m 子算法在各通信实体中的分布一2 3 图卜2 ：f d m at d m 彻m a 多址接入方式2 4 图3 3 ：无线资源管理算法之间的关系2 6 图卜4 ：软切换和更软切换工作原理示意图2 8 图卜5 ：接力切换原理与其他两种切换对比示意图2 9 图3 6 ：分组调度控制范围与业务特性之间的关系3 4 图3 7 ：不可控与可控业务之间的謇量分配示意固，3 4 图3 8 ：典型的无线分组调度器架构3 4 图3 9 ：采用全向天线系统内的小区间干扰示意图3 9 图卜1 0 ：采用智能天线通过方位角避免小区间干扰的示意图4 0 图4 1 ：系统负载与其他r r m 子算法的关系4 3 图4 2 ：用户方位角和波束指向与参考角度( 0 。) 的关系5 1 图4 3 ：交叉时隙干扰示意图( 左图为u e 问干扰，右图为b s 间干扰) 6 0 图4 4 ：移动台到两个基站的路损关系示意图6 1 图4 5 ：全向天线下t d s c d m a 干扰分布因子的概率密度函数6 3 图4 6 ：w c d m a 全向天线下干扰分布因子的概率密度函数6 3 图4 7 ：t d s c d m a 三扇区天线下干扰分布因子的概率密度函数6 4 图4 8 ：t d s c d m a 孚向型智能天线下干扰分布因子的概率密度函数6 4 图4 9 ：基于小区的时隙优先级分配方案( 包含上下行时隙) 示意图，6 5 图4 10 ：全向天线下加入s l o wd c a 算法后干扰分布因子的概率密度函数6 5 图4 1 1 ：导向型智能天线下加入s l o w d c a 算法后干扰分布因子的概率密度函数6 5 图4 1 2 ：t d h s d p a 链路级仿真流程示意图6 9 图4 13 ：不同m c s 的t d h s d 只a 系统吞吐量6 9 图4 14 ：几种移动通信系统极限容量比较7 0 固5 1 ：3 g p p 标准化演进趋势及相关技术和指标7 5 图5 4 2 ：多波束天线下不同m c s 选择机制下被选m c s 的p d f 8 l 图5 3 ：导向型天线下不同m c s 选择机制下被选m c s 的p d f 8 1 图5 4 ：不同天线乖不同m c s 选择机制下的误块率b l e r ( 误帧率) 8 2 图5 5 ：不同天线和不同不同m c s 选择机制下的系统吞吐量8 2 图5 6 ：实时测量与长时平滑信干噪比差值的累计密度函数曲线8 4 图5 7 ：m c s 重传与h a r o 结合方案算法流程8 9 图5 8 ：方案一在不同天线下获得的系统剩余b l e r ( 上：全向天线，下：智能天线) 9 1 图5 9 ：方案一在不同天线下获得的小区平均吞吐量( 上：奎向天线，下：智能天线)9 2 图5 一10 ：方案一在不同天线下获得的传输块b l o c k 时延c d f 曲线一9 2 图5 一1 1 ：万案二在不同天线下获得的剩余b l e r 随a 变化曲线9 3 北京邮j u 火学博j 论文煳目录 图5 一1 2 ：方案二在不同天线下获得的系统平均吞吐量随a 变化曲线9 4 圉5 13 ：不同情况下可变m c s 机制带来的b l e r 增益和误码率增益，9 4 图5 一l4 ：不同系统负荷下各算法的平均小区吞吐量9 4 图5 一i 5 ：c o i 霞馈方案的实现流程9 9 图5 16 ：自适应c 0 i 反馈方案的系统剩余b l e r ( 上图采用全向天线，下图采用智能天线) 9 9 图5 一l7 ：自适应c q i 反馈方案的小压吞吐量( 上图采用全向天线，下圉采用智能天线) 1 0 0 图5 18 ：自适应c o i 反馈方案的反馈周期p d f ( 上图采用仝向天线，下图采用智能天线) 1 0 0 图5 19 ：自适应c o j 反馈方案的资；礞利用率( 上图采用全向天线，下目采用智能天线) 1 0 1 图6 l ：典型的无线分组调度器架构1 0 3 图6 2 ：无线分组调度器逻辑架构1 0 4 图6 3 ；d r s 调度示意圈1 0 7 图6 4 ：s c h e d u l e d c d m a 调度示意图，1 0 8 图6 5 ：w i s p e r 调度的上下行帧格式示意霉。1 0 8 图6 6 ：基于t i m e o u t 的p f s 改进算法t g b p s 流程1 1 2 图6 7 ：不同分组调度算法的g b r 保障1 1 5 图6 8 ：不同分组调度算法的有效接收吞吐量v s 提供业务量，1 1 5 圈6 9 ：不同分组调度算法的用户吞吐量的c d f 1 1 6 图6 10 ：调度中确定码数、m c s 方案、传输比特数的流程一1 2 1 圈6 “：码分调度t d d h s d p a 系统重传增加发射功率的示意图1 2 1 图6 1 2 ：码分调度t d d h s d p a 系统重传增加发射功率超过总功率及其解决方案示意图1 2 2 北京邮电人学博小论文 表日录 表2 1 表2 2 表3 1 袁4 1 表4 2 表4 3 袁4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表5 一l 表5 2 轰5 3 表5 4 表s 一5 裹6 1 袁6 2 袁6 3 表目录 典型语音编码技术及特征参数对比1 3 不同业务类型的业务瓣参数分布及特征值1 6 典型移动通信系统的可控无线资源单元及相关多址接八方式2 4 t d d c d m a 系统干扰分布仿真假设6 3 2 0 个码宇( s f 为3 2 ) 下u m t s h s d p a 系统理论峰值速率6 7 1 2 个码字( s f 为1 6 ) 下t d h s d p a 系统理论峰值速率6 8 s f 为1 时t d _ h s d p a 系统理论峰值速率6 8 t d h s d p a 链路级仿真仿真参数6 9 不同m c s 方案的传输性能比较7 0 几种移动通信系统极限容量及相关参数7 0 不同天线下p o 凹c h 乖h s - d s c h 问s i n r 差值的均值7 8 t d - h s d p a 系统a m c 研究的仿真假设7 9 m c s 重传与h a r q 结合方案研究的仿真假设9 0 各类c o i 反馈方案特征对比9 6 信道质量反馈机制研究的仿真假设9 8 t d m a 系统无线调度器组成比较1 0 6 t d m a 系统无线调度器特性对比1 0 7 t g b p s 算法性能评估的仿真假设一1 1 4 北京1 1 【5 t u 火学博l 。论史 声叫 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：气劈阱日期：二丝翌查二丘 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学倪期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可咀公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采辟 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于傈密在一年解密后适用本授权书。非保密论 她黧裂鬻攀： 本人签名：饧么型翌 剔磁氢西希 适用本授权书。 日期：山鲤，：旨 同期：羔! ! 占! 皇! z 北京邮1 u 人学博1 论文 第一誊绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 以g s m ( g l o b l es v s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通信系统) 为主 体的第二代( 2 g ) 移动通信经十余年发展，已在全球范围获得巨大商业成功， 但2 g 网络已无法承载日益增长的客户数量及服务需求，以w c d m a ( w i d e b a n d c 0 d ed i v i s i o nm u l t i d l ea c c e s s 宽带码分多址) 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a ( t i m e d i v i s i o n s v n c h m n i z a t i o n c d m a 时分同步码分多址) 为国际标准的、更高谱效率、 可支撑多业务的第三代( 3 g ) 移动通信应运而生。至今，全球上百个国家和地 区颁发或拍卖了3 g 运营牌照，然而日本、韩国、中国香港等3 g 运营网络并没 带来预期的高收益，主要原因是这些3 g 网络没能提供相对2 g 系统低廉而吸引 入的新业务。业界期待中国等超大移动市场对3 g 开放的同时，把未来移动通信 的命运寄希望于后3 g 演进技术与系统。 3 g 发展背离了最初i t u ( i n t e m a t i o n a lt c l e c o m m u n j c a t j o nu n i 加国际电信联 盟) 统一全球标准的构想，这是由于政治、经济利益等多方面因素造成的，当前， 3 g p p f l l 和3 g p p 2 f 2 】两大标准化组织推动下三大3 g 全球标准健康有序地发展和 演进。但3 g 系统的频谱效率以及对混合业务的支持，尤其是其对分组交换数据 业务的支持上远没达到最初定义。以u m t s ( u n i v e r a lm 曲i l e t e l e c o m m u 珏i c a t i s y s t e m 通用移动通信系统，3 g p p 下包含w c d m a 和t d s c d m a 两标准) 为例， 其r e 】一9 9 和r e l 4 版本可对传统语音业务甚至q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量) 要求较高的电路交换型实时业务提供很好地承载，但对分组交换业务的接入能力 则相形见绌，因此3 g p p 在r e l 5 、r e l 6 及之后版本中提出了h s p a ( h i 曲s p e e d p a c k e ta c c e s s 高速分组接入，包括h s d p a 高速下行分组接入【3 】1 4 】和e i j l 增强 上行链路) 以及3 gl t e ( l o n gt e 册e v o l u t i o n ，3 g 长期演进) 【5 】【6 】以提高空中 接口对分组数据的接入处理能力。以上为无线接入网络的演进，另一方面3 g p p 在r e l 5 版本中引入了基于软交换机制的i m s ( h i t e m e t 口r o t o c o l b a s 司m u l t j m e d i a s u b s y s t 啪，i p 多媒体子系统) 核心网络架构【7 】【8 】的概念以实现移动接入与固定 接入在核心网络层面上的融合，推动传统与g s m 核心网兼容的u m t s 系统架构 向全i p 的方向演进。 由此看来，3 g 无非是一个概念，是广泛成功并迅速壮大的2 g 系统在寻求 技术和市场演进的一个过渡阶段。客户才是移动通信服务的上帝和最终受益者， 聪明的客户不会为概念炒作或一些简单的功能增强而买单，因此移动通信的正途 是要实现移动宽带化、实现价格低廉的分组语音和数据业务、实现近似当前固定 网络的高服务质量才能得到全球客户和运营商的认可，迎来新的广阔生机。 北京邮电大学博，卜论文 第一章绪论 从技术层面来看，3 g 短期演进h s d p a 所需解决的主要问题分为无线接入 网络r a n 的设计和管理( 包括无线网络规划和优化所涉及的诸多问题) 以提高 空中接口能力，以及核心网络c n 的架构设计和融合。本论文研究内容属于前一 问题的一部分，即移动接入网络提供高速分组数据所涉及的无线资源管理策略。 1 2 当前问题与本文创新 当前i c t ( i n f o m a t i o nc o m m u n i c a t i o nt c c h n o l o g y 信息通信技术) 正成为发 展最快的高新技术之一。2 0 世纪末期通信技术与信息、计算机网络技术的交叉 融合带动了全球步入信息化殿堂，人们的工作和日常生活都伴随着信息的获取和 传输。基于i p 分组数据为主要承载业务的下一代( 4 g 第四代) 移动通信规范的 制定工作在l t u 及3 g p p 、3 g p p 2 、0 m a ( o p e nm o b i l e 越l i a i l c e 开放移动联盟) 等标准化组织的协调下快速而有序地进行，但技术层面上所存在的以下问题还有 待进一步研究解决： 业务模式转变。移动通信正经历业务模式由c s ( c i r c u i ts w i t c h e d 电路交换) 语音向p s ( p a c k e ts w i t c h e d 分组交换) 数据的转变，这起源于移动接入网络 本质上只是一种接入手段，移动通信核心网络将与基于i p 架构的有线通信 网络迸行融合。通信即信息的传递和处理，通信网络为信息( 应用层体现为 业务) 传输提供具体的承载方式，二者相辅相成，因此业务模式的转变必然 导引通信技术的革新： 增强q o s 定义。新兴业务层出不穷，价廉物美的服务是获得顾客垂青的关键， 视频电话、在线音乐、移动博采、互联网接入、电子邮件和移动电视等应用 具有不同业务特征。用户体验位于应用层面，只有将高层业务特征差异映射 为无线接入网底层的具体指标，才能对物理层处理与网络层资源需求相匹配 而进行合理配置和优化。3 g p p 对3 g 承载业务按特征和资源需求进行了q o s 分类 9 】，然而随着移动t c p 技术、a d - h o c 网络、w i m a x 网络的引入，需要 对异构或演进网络中q o s 进行更加细致而准确的定义，以保障服务质量并实 现无线资源利用的最优化； 先进的物理层技术。u m t s 架构中w c d m a 、t d s c d m a 到h s p a 甚至3 g 唧以及3 g p p 2 框架中c d m a2 0 0 0 到增强数据e v d o 及其未来演进的基 本目的是实现兼容原协议物理层帧结构的前提下增强空中接口对分组数据 承载能力以提高谱效率。o f d m ( 0 n h 0 9 0 n a lf r e q u e n c vd i v i s i o m u l t i p l e x i n g 正交频分复用) 为后三代或第四代移动通信物理层技术，更灵活地实现链路 自适应技术以提高无线频谱利用率。为了支持更短的传输时延，需要对r a n 架构中各逻辑实体的功能进行重新定义和增强。t d d 模式与h s p a 技术的结 合也有待深入研究： 第一章绪论 多天线技术。a a ( a d a p t i v e a n t e n n a 自适应天线或智能天线) 、m i m o ( m u l t i p l e i i l p u tm u l t i p l e0 u t p u t 多入多出天线) 的应用扩展了系统没计的自由度，结合 空阻j 匹配技术或空时处理技术可对系统干扰大小及分布、小区边缘服务质量 恶化等问题进行优化以提高覆盖、容量、服务质量。多天线技术使空域信息 成为新的可控资源，但同时也将导致无线信道模型发生了本质变化，使无线 资源管理决策变得更为复杂； 接入网层面的r r m ( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 无线资源管理) 。传统r r m 算法采用了无线资源固定分配策略，本质上是对无线链路衰落特征采取避免 和补偿的思想，如功率控制就是将信道状况好的用户功率用于补偿信道差的 用户以寻求平衡。但是分组数据具有很强的突发传输特性且具有q o s 差异， 固定资源分配将造成严重资源浪费，通常分组数据网络r r m 采用与速率自 适应技术相结合的资源调度共享机制f l o 】【1 1 】。后三代系统综合考虑了f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i 咖m u l t i p l e a c c e s s 频分多址) 、1 1 ) m a ( t i m ed j v i s i o nm u l t j a c c e s s 时分多址) 、c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l f ia c c e s s 码分多址) 甚至s d m a ( s p a i a ld i v i s i o nm u l 印i ea c c e s s 空分多址) 的结合，扩展无线资源单元的 同时也增大了r r m 算法设计和实现复杂度。当前和未来研究将主要集中于 多种接入方式共存网络的r r m 机制以支持网间互操作问题【1 2 】f 1 3 】，例如3 g 网络与w i m a x ( w b r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm j c r o w a v ea c c c s s 全球微波接入互 操作性) 网络共存时各业务承载的切换过程中端到端q o s 保障。异构网络中 无线资源管理将成为未来通信系统网络层面丞待解决的核心课题之； s a e ( s v s t e m c l l j t e c t u r ce v o l u l i o n 系统架构演进) 。分组交换数据在新型网 络中的应用1 4 1 促使网络内部局部功能甚至整体架构的改变，特别是基于i p 架构的i m s 核心网络演变，如传输与控制分离、引入软交换协议、固定接入 网络与移动接入网络融合等。当前e v o l v e du n i a n ( u m t s 陆地接入网增强) 以及s 3 0 ( s u d e r 3 g 超三代) 、4 g 等新型网络架构的研究正如火如荼，主要 问题包括分布式核心网络对不同接入方式交互的q o s 保障、减小传输时延并 提高网络鲁棒性和信息安全等等。 结合上述当前移动通信领域技术层面的热点和难点问题，本论文对其中部分 问题在特定条件下进行了理论分析和仿真研究。主要工作和创新如下： 针对分组数据传输突发特性及其在移动网络中应用特性的理论分析基础上， 结合前人理论分析及3 g p p 推荐业务模型【1 5 ，对不同q o s 等级的分组数据 业务源在移动通信系统中的特征参数选取进行了分析和仿真实现( 以v o i p 、 v i d e o 、w w w 和肼p 为例) ，作为后续无线资源管理算法研究中对移动系统 性能评估的基础： 第3 页 北京邮u _ = 学博l 论丘： 第一章绪论 研究以c d m a 为主要接入方式的3 g 系统及其后续演进系统可控无线r u ( r e s o u r c eu n j t 资源单元) 的扩展及其对无线资源分配和调度策略的影响。 理论分析以可控无线资源较为复杂的t d s c d m a 及其演进系统t d h s d p a ( h s d p af o rt d s c d m a ) 系统为例，针对t d d ( t i m ed i v j s i o nd u p l e x 时 分双工) 系统中基于时隙的资源分配与智能天线技术对空间干扰分布及系统 负载的影响进行理论推导和分析，作为后续速率自适应技术和分组调度策略 研究的理论基础； 在速率自适应技术在t d d 模式h s d p a 系统特性分析基础上，结合w c d m a 演进系统h s d p a 对其物理层关键技术a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制与编码) 和h a r q ( h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr c q u e s t 混合自动请 求重传) 的定义，针对智能天线对无线链路质量的提升与基于速率控制的链 路自适应技术结合进行了分析研究，提出了两套适合t d - h s d p a 系统的链路 自适应改进方案。针对智能天线给分组网络带来的无线链路波动问题，提出 了一种自适应链路质量指示c q i 反馈方案( 考虑了智能天线实现所需要的 m i d a m b l e 突发的发送周期问题) ，并通过动态系统级仿真器对其性能进行了 仿真评估； 结合理论分析，提出了一种基于服务质量q o s 的分组调度算法，并通过系统 仿真器对其性能进行了仿真。分析结果表明，该算法在最低速率保障、系统 吞吐量和用户公平性三方面实现了较好的权衡。另外，简单讨论了码分调度 情况下无线资源的分配和优化问题，提出了一种动态优化方案，涉及发射功 率、信道化码、m c s 选择等指标之间的配置和联合优化。 课题研究采取了理论数值分析与仿真验证相结合的研究方法，理论分析研究 过程参考了大量w c d m a 及其h s d p a 系统针对话音和分组数据的无线资源管理 算法研究方面的文献，并对不同目的的仿真采取了不同的实现方式：涉及容量和 覆盖方面的仿真研究采用m e n t o c a r l o 静态仿真方法；而对于涉及无线资源管理 等动态优化算法的研究，则借助基于事件驱动时间推进的0 p n e t 仿真平台，采 用嵌入c 程序实现具体功能的动态仿真方法。 1 3 论文结构 本论文主要阐述面向分组数据的无线资源管理算法方面的研究，具体内容通 过以下几个章节进行展丌，即论文结构安排如下： 第二章首先介绍了移动通信系统中应用业务的发展以及承载业务类型演变 趋势，讨论了分组数据业务自身具有的突发传输特性及其在移动通信系统中体现 出来的应用特征，研究了不同q o s 类型分组数据的业务源模型及相关参数分布 第4 _ ! i j ： 第一节绪论 和设定问题，最后通过仿真实例给出了各类典型业务源产生的分组数据流的更为 直观的表象，为后续研究在业务源方面奠定了基础。 第三章对无线资源管理进行综述，包含r r m 基本概念、意义及其组成架构， 以及各子算法的功能和相互关系。对无线资源单元的概念及其在不同系统中的具 体体现进行了阐述，这是具体系统的无线资源分配方案的关键。本章还将对基于 电路交换业务和基于分组交换数据的无线资源管理机制的差别进行分析，最后着 重分析了智能天线技术对无线资源管理算法的影响。 从第四章开始进入课题的具体算法研究工作，第四章将对单语音业务、混合 实时业务及分组