（控制理论与控制工程专业论文）高速下行链路分组接入中基于qos的调度算法研究.pdf

坠垒篓塞三尘耋蠢耋堡；耋堡篁兰 高速下行链路分组接入中基于0 0 s 的 调度算法研究 摘要 未来几年中数攥业务有望大框增长并哥锈成为3 g 移动蜂窝网中的主导 业务，在3 g 系统中提供数据业务需要通过提高频谱效率以增加无线接入网 的容量并支持高速率业务。在这样的背景下，3 g p p 在r e l 5 版本中提出了高 速下行链路分组接入( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s sh s d p a ) ，旨在增 加下行链路分组业务的峰值速率、提简q o s 并增加频谱效率。 h s d p a 通过一系列叁适应投术豹采瘸大大提高了蠲户积系统的性能， 这螺技术特征包括：传输时间间隔( t t i ) 减小到2 m s ，白适应调制和编码 方法的采用以及物理层采用快速混合a r q 机制，此外，分组调度功能由无 线网络控铡器r n c 处下移到节点b 楚，这样可以更鸯畦及时地舔踪用户信遒 质量的快速变化。h s d p a 可以提供的业务包括：流业务，交互式业务以及 蜚最业务。 本文简单介绍了几种业务的q o s 需求，通信中采用的协议以及业务的 统计特性。非实时业务中w 曲业务有望成为3 g 网络中的关键业务，因而 主要关注了h t t p 协议及其特征。主要研究了h s d p a 中考虑棼时实业务模 型时采用的调度算法，这些鳟法拥有不同的公平度，l - j 时这些调度算法决定 了不同用户可以获得的q o s 。这里对多种澜艘算法进行了仿真分_ 斤，并提 出了具有最小吞吐量保证的比僦公平调度算法，与其他算法相比该算法可以 提供最高的蜂窝容量。 钟对多速率业务模型，提出了6 静基于q o s 绦滠的速率控割调度方 法，并对其性能进行r 分析仿真，结果表明该方法在用户速率保证以及时延 保证上拥有较好的性能。 关键词h s d p a 分组调度；a m ch a r q 。，窒堑薹堡；i ；釜萋：耋堡三兰篓鎏兰 ，黼 a s t u d yo fp a c k e ts c h e d u l i n gl g o r i t h m b a s e do nq o si nh s d p a a b s t r a c t d a t as e r v i c e sa r ea n t i c i p a t e dt oh a v ea g ie n o 勰o n sr a t eo fg r o w t ho v e rt h e n e x ty e a r sa n dw i l ll i k e l yb e c o m et h ed o m i n a t i n gs o u r c eo ft r a f f i cl o a di n3 g m o b i l ec e l l u l a rn e t w o r k s t h ep r o v i s i o no ft h e s ed a t as e r v i c e si n3 gs y s t e m s r e q u i r e ss p e c t r a le f f i c i e n c ys o l u t i o n st oi n c r e a s et h ec a p a c i wo ft h er a d i oa c c e s s n e r o 矗a sw e l la ss u p p o r tf o rh i g hd a t ar a t e s i n 疆i sc o n t e x t 。t h e3 g p pi n t r o d u c e s an e w 悔a t u r ei nt h er e l 5s p e c i f i c a t i o n sd e n o m i n a t e dh i g hs p e e dd o w n t i n k p a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) t h et a r g e to ft h eh s d p a c o n c e p ti st oi n c r e a s et h ep e a k d a t ar a t e s ，i m p r o v et 酶q u a t 秘o fs e r v i c e ，a n de n h a n c et h es p e c t r a le f f i c i n c yf o r d o w n t i n kp a c k e tt r a f f 嚣c 。 t h eh s d p ac o n c e p tu t i l i z e sas e r i e so fa d a p t m i o nt e c h n o l o g i e st o i m p r o v eb o t hu s e ra n ds y s t e mp e r f o f i n a n c e t h ec o n c e d ti n c l u d e sar e d u c t i o no f t h et r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l 骶l t o2 m s ，a na d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n g ( a m c ) s c h e m e ，a n daf a s tp h y s i c a ll a y e rh y b r i da r qm e c h a n i s m ， m o r e o v e r t h ep a c k e ts c h e d u l e rf u n c t i o n a l i t yi sl o c a t e di nt h en o d eb ，w h i c h e n a b l e st ot r a c ki n s t a n l a n e o u sv a r i a t i o n so ft h eu s e r sc h a n n e lq u n i t y 。t h e s e l w i c e st h a tc o u l dp o t e n t i a l l yb ec o n v e y e db yh s d p aa l es t r e a m i n g , i n t e r a c t i v e ， a n d b a c k g m u n ds e r v i c e s ， q o sd e m a n d so ft h ed i f f e r e mt r a f f i cc l a s s e s t h ep r o t o c o l se m p l o y e di n t h e i rc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h es m t i s f i c np r o p e r t i e so ft h et r a f f i ca r ei n v e s t i g a t e d 。 i 鞋氇ec a s eo fn r ts e r v i c e s ，遣e 惑a i ni n t e r e s ti s 濂h t t pa n di t sc h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s ew 曲t r a f f i ci se x p e c t e dt ob eo n eo f t h ek e ys e r v i c e si n3 gn e t w o r k s + t h ei n v e s t i g a t i o nh a ss p e c i a l l yc o n c e n t r a t e do na s s e s s i n gd i f f e r e n tp a c k e t s c h e d u l i n gm e t h o d sw i t hd i f f e r e n td e g r e e so ff a i r n e s sf o rn o nd e l a y s e n s i t i v e s e r v i c e sb e c a u s ei td e t e r m i n e st h eq o sp e r c e i v e d 埝t h eu s e r s 。t 殛r e s u l t sh a v e s h o w nt h a tu n d e rm i n i m u m t h r o u g h p u tg u a r a n t e e s t h ep r o p o r t i o n a lf a i r a l g o r i t h mp r o v i d e st h eh i g h e s tc e l lc a p a c i t yo fa l lt e s t e da l g o r i t h m s w i t ht h i s 鞋一 堕垒鎏耋三蠢兰三兰堡兰兰堡尘三 a l g o r i t h m ，h s d p ap r o v i d e s ac e l l t h r o u g h p u tg a i n o fa r o u n d 15 0 o v e r w c d m af o rab e s te f f o r ts e r v i c e i nt h ec a s eo fm u l t i r a t es e r v i c em o d e l ，aq o sb a s e dr a t e dc o n t r o l s c h e d u l i n gm e t h o di sp r e s e n t e d t h ep e r f o r m a n c e i s a n a l y s e db yc o m p u t e r s i m u l a t i o na n dt h er e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h eu s e rr a t eg u a r a n t e ea n dd e l a y g u a r a n t e eh a v eag o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d sh s d p a ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，a m c ，t t a r q ，l l i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高速下行链路分组接入中基于 q o s 的调度算法研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所瞅得的成果。掘本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的磷究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 高速下行链路分组接入中基于q o s 的调度算法研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 晗尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于傈存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许沦文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 淆在以_ j 二相应方框内打4 ) 作者签 导师签 问期：抑缉月蟛r 矸期：赫辟弓月班同 彳下 t 哈尔滨理工大学= 1 = 学预：l ：学位论文 第一章绪论 当今社会已经步入信息时代，信息技术的发展日新月异，通信技术作为信 息传递的桥梁其发展更是首当其冲，移动通信技术的出现使得通信技术出现了 一次飞跃，使得人类的通信摆脱了时间、地点和对象的束缚，极大的改善了人 类的生活质量，加快了社会发展的进程。目前，以第三代移动通信为代表的移 动通信技术正朝着提供更大带宽多媒体数据业务的方向发展，最终移动通信将 实现个人通信的最终目标在任何时间和地点都能与任何地点的任何对象进 行任何形式的通信。 1 1 无线接入技术的演进 目前通常把2 0 世纪8 0 年代至今出现的商用移动通信技术分为3 代，其中 无线接入技术经历了从模拟到数字，从电路交换到分组交换的发展路径。第一 代通信系统基于以频分复用( f d m a ) 多址技术为基础的模拟移动通信技术， 具有频谱效率低、保密性差的缺点。短短几年内就出现了新呼叫拒绝率增高、 呼叫中断率增高和蜂窝系统干扰增大的压力，但由于模拟蜂窝系统本身的缺 陷，系统的设计容量远远不能满足需求。 第- - 4 4 移动通信系统以g s m 和c d m ao n e ( i s 一9 5 ) 为代表，其中g s m 技术是目前个人通信的一种常见技术，采用的是窄带t d m a 。是根据欧洲标准 而确定的频率范围在9 0 0 m h z 1 8 0 0 m h z 之间的数字移动电话系统。g s m 有 较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利 用率高，接口开放，功能强大等优点。c d m a 接入技术也属于一种比较成熟 的无线通信技术，采用的是扩频( s p r e a ds p e c t r u m ) 技术，c d m a 并不给每一个 通话者分配一个确定的频率，而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱，因 而具有高效的频带利用率和更大的网络容量等优势。第二代移动通信技术的 优点是其使用了数字化的调制与编码方式和时分复用或码分复用的多址技术， 使其抗干扰能力和容量都较第一代得到了较大的提高。第二代技术另一个优点 是其提供了简单的数据业务，比如：短消息( s m s ) 、w a p 上网业务。然而第 二代系统的数据传输能力有限，阻碍了移动通信系统提供需要更大带宽的多媒 体数据业务的发展。 哈尔滨理工大学工学硕： 二学位论文 g s m 技术的改进技术g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和“i s 一 9 5 ”技术的改进技术“i s 一9 5 b ”改善了第二代技术对多媒体数据业务的支 持，一般被称为2 5 代移动通信技术，单个用户最大可以提供1 1 5 2 k b p s 的数 据率，可以提供更丰富的多媒体数据业务，比如：高速w a p 浏览和多媒体短 信( m m s ) 业务。e d g e 接入技术是一种有效提高了g p r s 信道编码效率的 高速移动数据标准，它允许高达3 8 4 k b p s 的数据传输速率。提供了一个从 g p r s 到第三代移动通信的过渡性方案，从而使现有的网络运营商可以最大限 度地利用现有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供 个人多媒体通信业务。 第三代移动通信系统在i t u 中被称为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l e t e l e p h o n y2 0 0 0 ) 其中以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为主流标准， 相对于第二代技术来说极大的提高了频谱的利用率和网络的吞吐量，对多媒体 数据业务的支持也大大超过了第二代技术，单个用户最大可以提供2 m b p s 的 吞吐量。然而第三代移动通信技术依然难以满足用户日益增长的多媒体数据业 务的需求，这就需要进一步的改善网络技术，提供更高的频谱效率和吞吐量。 现有的第三代移动通信技术还存在着较大的改善性能的空间，3 g p p 组织针对 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 标准分别提出了增强技术，w c d m a 标准的增强技术 称为“高速下行链路分组接入( h s d p a ) ”d i - i s i ，c d m a 2 0 0 0 标准的增强技术 被称为“1 x e v - d v ”。h s d p a 和1 x e v - d v 技术分别增强了w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 标准对多媒体数据业务的支持能力，在文献中被称为3 5 代移动通 信技术。h s d p a 技术根据多媒体数据业务对延时不敏感且下行数据流量远远 大于上行数据流量的特点，在r e l 9 9 版基础上增加了一个新的下行信道：高速 下行共享信道( h s d s c h ) ，多媒体数据业务的下行数据将通过这个新增加的 信道传输。h s d s c h 信道中采用了自适应调制编码( a m c ) 、物理层快速混 合重传( f a s th a r q ) 1 3 5 1 。【3 6 】以及快速分组调度( f a s tp a c k e ts c h e d u l e r ) 等新技 术，在采用了这些新技术后，利用一个好的分组调度算法，可以获得高吞吐量 性能和高信道利用率，还可以控制用户公平性，另外对需要服务速率保障的业 务流，也可以通过分组调度来实现对业务流速率的控制，利用这些链路自适应 技术可实现单个用户最大的数据传输率达到1 0 8 m b p s 。 移动通信的发展与h s d p a 在移动通信技术中的地位如图l 一1 所示，图中 纵坐标表示移动通信的分代，横坐标表示这几种技术具有延续发展性，阴影部 分表示h s d p a 技术在移动通信中所处的地位。 哈尔滨理工大学工学硕：l 学位论文 l 燃 l 瑚：v - i ) 0 w 口) m aa 弛n a 【i )n ) - s l d a c , d n u to n e g l m s l i s 9 s b ， c d m ac n - 】e g ：i m n s _ 虻1 馋报蚌崭 多动通孵 幽1 1 通信发展史以及h s d p a 的地位 f i g1 1t h eh i s t o r yo f c o m m u n i c a t i o n sd e v e l o p m e n ta n dt h es t a t u so f h s d p a 1 23 1 3 网络架构及业务 w c d m a 系统作为h s d p a 技术的基石，其网络架构在设计上为了使现有的第二 代移动通信系统能够顺利地向第三代移动通信系统过渡，具有较好的灵活性。 系统的网络结构遵循如下几个原则：( 1 ) 在逻辑上将传送网和信令网分开； ( 2 ) 宏分集完全由接入网控制：( 3 ) 在功能上分为接入网和核心网。图1 2 是w c d m a 系统的无线接入网络( u t r a n ) 结构示意图。u t r a n 由无线网络子系统 ( r n s ) 组成，r n s 通过i u 接口与核心网相连。无线网络子系统r n s 包括无线网 络控制器和一个或多个节点b ( n o d eb ) 。n o d eb 支持f d d 模式、t d d 模式或双 模式，可处理一个或多个小区，并通过i u b 接口与无线网络控制器r n c 相连。 r n c 负责切换控制，提供支持不同n o d eb 间宏分集的组合、分裂的功能。支持 f d d 模式的n o d eb b 含可选的宏分集功能。无线网络控制器r n c 通过i u r 接口相 互连接，i u r 可通过r n c 间的物理连接直接相连或通过合适的传输网相连。 无线网络控制器( r n c ) 是负责控伟i j u t r a n 无线资源的网络元素，在逻辑上 与g s m 系统中的基站控制器( b s c ) 相对应。n o d eb 相当于g s m 系统中的基站， n o d eb 的主要功能是进行空中接口l 1 层的处理，包括信道编码和交织、速率匹 配、扩频等，另外还执行一些基本的无线资源管理操作，例如内环功率控制 等，在引入h s d p a 技术后，还要执行一部分分组调度的功能。 3 g 系统的无线资源管理技术：无线资源管理的问题涉及移动用户与基站之 化 代 化 代 代 粥 * 犯 驯 哈尔滨理工大学工学硕：| 二学位论文 问建立无线链路，包括选择基站、信道分配、上行和下行发信功率控制等等， 这些操作统称为资源分配算法( r a a ，r e s o u r c ea 1 l o c a t i o na l g o r i t h m ) 。无 线资源管理的核心问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。其 基本出发点是在网内话务量分布不均匀，且信道的状态因信号衰落和干扰而起 伏变化的状况下，设法灵活地分配和及时调整可用资源。无线资源管理技术主 要包括信道资源分配、软切换策略、功率控制、接入控制、负载控制和分组调 度等，本文后续研究重点主要放在分组调度上。 图1 2w c d m a 系统的无线接入网络( u t r a n ) 结构示意图 f i g 1 _ 2u t r a n o fw c d m as y s t e m 1 3 无线系统分组调度概述 在传统的有线传输系统中，从交换的角度来说，主要包括两种网络，一种 是电路交换网，一种是分组交换网。分组调度算法正是应分组交换网的需要而 逐步发展起来的一个研究领域。分组调度算法也称为队列调度算法，它运行在 网络节点中发生冲突需要排队调度等待之处，按照一定的服务规则对交换节点 的不同输入业务流分别进行调度和服务，使所有的输入业务流能按预定的方式 共享交换节点的输出链路带宽。 哈尔滨理工大学工学硕：l 学位论文 幽1 3 调度模型 f i g 1 3t h es c h e d u l i n gm o d e l 上图描述了无线分组调度的基本模型：不同输入业务流随机到达网络节 点，由队列管理实体按照一定的排队规则分别进入相应队列等待调度，调度器 可以获得分组传输结果和信道质量等环境信息，网络管理者可以配置调度器的 目标参数，调度器根据当前系统的各种信息，将频率、时隙、信道码和功率等 无线信道资源分配给系统中的分组队列。调度算法就是调度器根据当前的队列 状况、环境信息和目标参数，将各种信道资源分配给数据队列所遵循的一定规 则。 在无线分组网络中，分组调度的作用和有线网络中相同，但由于无线信道 不同于有线信道的一些性质，使得无线分组调度具有一些不同于有线分组调度 的特点。在有线网络中，信道质量稳定，链路总带宽基本保持不变，而在无线 网络中，无线信道是时变信道，信道质量和链路带宽随用户位置、速率、地理 状况等因素的不同而随机变化，在这种情况下，无线分组出错的可能性增大， 甚至在某段时间内无法传输，这就需要对有线网络中的调度算法作出一些改进 才可适用于无线网络；另外，在有线网络中，分组调度器所分配的资源比较单 一，通常是分配时隙资源，而在无线网络中，尤其是3 g 网络中的h s d p a 技术， 分组调度器所需考虑的分配资源可能是多方面的，如频率、时隙、信道码以及 发送功率等。 1 4 频谱效率与q o s 之间的折衷 h s d p a 中引入的增强技术可以提高w c d m a 的系统性能，不但可以提供频谱效 宁守 哈尔滨理工大学工学硕二l 学位论文 率增益，而且可以支持更高的数据率。系统可以采用多种方式灵活地利用这种 潜在的好处：系统可以仅仅工作在较高的负荷状态下，从而获得尽可能大的频 谱效率增益，这样可以在不提高用户q o s 的前提下，使得传输的每个比特数据 费用较低；系统也可以在维持恒定频谱效率的情况下，增加终端用户的平均吞 吐量：当然也可以采用在两者之间折衷的方式，折衷时取决于许多因素诸如数 据速率需求和整体的业务量。这样h s d p a 可以满足不同场合的需求提供多种服 务：在普通区域，w c d m a 提供的数据速率足以满足更多用户的需求；在热点地 区，l i s d p a 的高峰值数据率可以满足商务用户的需求。 平均用户吞吐量 圈1 4h s d p a 和w c d m a 中频谱效率v s 平均用户吞吐量 f i g 1 4 t h es p e c t r u me f f i c i e n c ya n d t h e a v e r a g e u s e r t h r o u g h p u t i n h s d p aa n d w c d m a 1 5 目标及评估方法 文献中 8 9 h s d p a 的系统级性能和网络容量增益已经有了大量研究，不过 这些研究都只考虑了尽力而为业务，没有考虑q o s 概念。为了能够满足无线通 信市场的不断发展，与其他技术相比( e d g e 或w c d m a ) h s d p a 技术不仅仅是只考 虑尽力而为业务，同时要满足3 g 移动数据业务o o s 的需求。数据业务具有在时 延抖动，保证比特率等方面的最d , q o s 需求，以保证终端用户一定的服务质 频谱效率 哈尔滨理工火学工学硕：l 学位论文 量。在为数据业务提供更高服务质量时，可以通过减小网络吞吐量的方式实 现。在为端用户提供的q o s 和可用网络吞吐量之间有一个折衷关系，因而o o s 概 念是i g d p a 技术中的一个关键因素。本文的主要研究目标是h s d p a 的系统级性 能，在为端用户提供的q o s 年i j 可用网络吞吐量之间的折衷关系上开展研究。 研究重点主要放在分组调度器的设计上，因为它是h s d p a 设计的中心实 体。掌管着蜂窝中的可用无线资源在不同用户之间的分配，对h s d p a 系统性 能有着直接影响。同时，它还决定着终端用户的性能，具体地说就是蜂窝中不 同用户的服务质量。设计一种合适的分组调度算法既可以优化系统容量又可以 保证端用户性能的平衡算法，提高已有业务的q o s 保证并减小数据传输的代 价。评估方法主要采用了仿真的方法，利用o p n e t 仿真软件良好的设计架 构，对所提出的调度算法性能给出了仿真结果和分析。 1 6 本文所完成的只要工作 本文主要研究工作如下： 1h s d p a 系统高速共享信道中的分组调度方法，包括不区分业务服务等级的单 业务类型分组调度：最大载干比调度和轮询调度等： 2区分业务服务等级的多业务类型分组调度：基于o o s 的速率控制调度。 3以上所作工作均给出了实验数据和结果，验证了本分方法的有效性和可行 性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 简述 第二章w c d m a 的演进版：h s d p a 架构 3 g 系统的增强技术：在传统的移动通信系统中，上行链路和下行链路的频 带是事先规定的而且容量大致相当，这是因为过去的移动通信系统承担的大多 为话音业务，上下行链路的业务量大致是相等的。而在第三代移动通信系统 中，由于业务种类的扩展，上下行链路的业务量将会有很大的差异，下行链路 的业务量将普遍大于上行链路的业务量。要提高系统的下行数据业务能力，不 仅需要使用更灵活的空中接口，而且还要使用更加合理的无线资源管理方案， 爿能使网络的下行业务能力得到有效提高。为达到这一目的，3 g p p 矛 1 3 g p p 2 在 空中接口的改进方面提出使用自适应调制编码( a m c ) 、混合自动重传 ( h a r q ) 、多输入多输出( m i m o ) 等几种技术，在无线资源管理方面提出使用 快速小区选择( f c s ) 方案和快速分组调度技术。这几种技术在有些文献中被 称为3 j g 技术，在w c d m a 中被称为h s d p a 技术，在c d m a 2 0 0 0 中被称为1 x e v d v 技 术。由摩托罗拉，诺基亚等公司提出的w c d m a 高速下行链路分组接入( h s d p a ) 技术针对不同用户高速数据业务的要求，采用了链路自适应技术，可实现高达 1 0 8 m b p s 的下行高速数据传输。采用h s d p a 技术，能提供完整的i m t 一2 0 0 0 所要 求的多媒体业务，而且还支持第二代的平滑过渡，具有适合多种业务速率，动 态分配带宽和易于同有线宽带综合业务数字网接口的优点，可以更好地满足第 三代移动用户对多媒体业务的需求。 h s d p a 技术应用于下行高速共享信道，而共享信道具有动态分配信道的特 点，即所有的用户以时分方式或码分方式共享无线信道资源，这样分组调度在 这里就具有极其重要的作用。分组调度功能可以在每一个传输时隙选择一个或 几个用户的分组数据，决定分配信道码的个数、扩展因子以及发射功率等参 数，实现无线资源在不同用户之间灵活高效的分配。因而设计一个好的分组调 度算法，不仅可以获得高吞吐量性能和高信道利用率，还可以控制用户公平 性，另外对需要服务速率保障的业务流，也可以通过分组调度来实现对业务流 速率的控制。 哈尔滨理工大学工学硕：l 学位论文 2 2h s d p a 概念描述 在h s d p a 中没有采用w c d m a 技术中的闭环功控和可变扩频因子。 w c d m a 中，当接收到的信号级衰减时，快速功控通过增加传输功率稳定接收 到的信号质量( e s n 0 ) 。这会带来传输功率的多个峰值并导致功率提升，这样 会减小总的网络容量。然而，可以忍受时延的业务可以在信道条件好时得到服 务，避免在信号衰落周期内无效的传输。功率控制要求节点b 传输功率拥有一 定的裕度( h e a d r o o m ) 以应对变化。不采用功率控制可以避免前面提到的功率 提升以及蜂窝传输功率裕度，由于不再采用功率控制，h s d p a 需要其他的链 路自适应机制以便根据连续变化得信道条件调整传输信号参数。a m c 就是这 样一种技术，调制和编码速率根据瞬时信道质量变化，而不调整功率。链路自 适应过程中也可采用多w a l s h 码，通过这两者组合在h s d p a 中实现链路自适 应，可变扩频因子不再被采用因为它是根据平均传播条件而作的长期调整。由 于未采用闭环功控，一个t t i 的信道质量变化必须被最小化，这里是通过减小 t t i 到2 m s 来实现的。为了获得最新的信道质量信息以便允许链路自适应和分 组调度实体跟踪用户瞬时无线条件，掌管h s d s c h 信道的m a c 功能体被从 r n c 移到了n o d eb 处。快速信道质量信息允许分组调度器只有在用户信道条 件好时给他提供服务，这种快速分组调度和时间共享特性使得多用户选择分集 可以实现，带来较大的蜂窝吞吐量增益。与r e l 9 9 相比调度器移到n o d eb 是 一个主要的结构改变。 h s d p a 中包含h s d p a e ? 不包 的新技术 产。嗯苍”4 l 含的技术 ，磊乱 1 6 磊於l 厂磊蠢 _ 莲鍪銎盛沙 ! 竺 器9 厂a 7 厂= = 、 、 磊裔 图2 1h s d p a 中采用的新技术 f i g 2 1t h en e wt e c h n o l o g ya d o p t e di nh s d p a 哈尔滨理： 大学工学硕：i 二学位论文 2 3 h s d p a 架构 h s d p a 协议结构：h s d p a 系统是9 9 年版w c d m a 技术基础上的改进和扩充，其 目的是提高逻辑下行共享信道的吞吐量，因此应该尽最大可能保持其协议结构 与9 9 年版w c d m a 向下兼容，因此h s d p a 系统中m a c 层以上的协议应该保持不变。 在无线接入网端n o d e b 中，h s d p a 系统新增加了_ 个控制h s d p a 下行共享信道m a c 层的协议栈，h s d p a 的自适应调制编码技术、混合重传和数据包调度协议都在 这个m a c 层实现。因为h s d p a 的下行共享信道被称为h s d s c h 信道，所以这层m a c 协议被称为m a c h s d s c h ，简称m a c - h s 。采用h s d p a 技术以后，应该考虑与 r e e a s e 9 9 网络的兼容性，因此实现h s d p a 的功能时应尽可能的保留r e l e a s e 9 9 功能层。又由于h s d p a 目的在于对专用逻辑信道的传输，因此将m a c 以上的层次 与r e l e a s e 9 9 保持一致是符合逻辑的。另外，如果使m a c 层具有与r e l e a s e 9 9 5 b 似的功能层，那么传输信道类型的指配和切换将很容易实现。因此，h s d p a 技 术的实现，采取如下图所示的协议结构。 u ul u b l u r r l cr l c m a c dm a c d i 、i a c - h s m a c 1 1 sh s d s c hh s 。d s c h f pf p l 2l 2 p i t 、p l | h l il i u en o d ebr n c 图2 2h s d p a 无线接口协议结构 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo fw i r e l e s si n t e r f a c ep r o t o c o li nh s d p a 与r e l e a s e 9 9 保持一致之处：m a c d 仍然置于s r n c 中，所控制的传输信道 为d c h ；m a c c s h 置于c r n c 中，所控制的传输信道包括r e l e a s e 9 9 中定义的 公共信道和共享信道。与r e l e a s e 9 9 不同之处：定义了一个新的m a c 层功能实 体m a c h s ，用于实现h s d p a 中的分组调度功能。m a c h s 置于n o d eb 层次 哈尔滨理工大学工学硕：| 二学位论文 中，所控制的传输信道即为h s d s c h 。之所以将m a c h s 实体置于n o d eb 中， 是为了减小信道信息反馈延迟和调度处理事件所带来的性能下降。因为 h s d p a 中的a m c 需要及时地获得物理信道的当前载干比，以选择最佳的调制 编码方式，所获得载干比越接近下一帧传输时的实际载干比，系统性能就越 好；另外，h a r q 过程也要求当需要重传分组时，应尽快重传与合并解码，这 样一方面可提高合并解码的性能，另一方面可降低用户设备的复杂性。 在不采用h s d p a 技术的r e l e a s e 9 9w c d m a 系统中，由于采用快速功率控 制技术保障每一条物理信道的载干比始终维持在一个相对稳定的值附近摆动， 并且采用固定的调制编码方式，因此每一条指配好信道码和目标载干比的物理 信道都具有相对固定的传输速率。分组调度也就不需要考虑信道速率的变化对 服务质量和系统吞吐量所带来的影响。而采用h s d p a 技术后，h s d s c h 使用 a m c 和多码技术代替快速功率控制，以应对无线信道的衰落特性，这样在 p d s c h 上可能每一帧的传输速率都在变化，使得对h s d s c h 信道的调度需要 获得信道的即时状态信息，再结合逻辑链路所需要的服务质量，并兼顾系统吞 吐量的提高，来综合考虑调度的方案。在h s d p a 中，将对h s d s c h 信道的分 组调度功能置于n o d eb 端，使得调度器可以以一个无线帧长度为调度周期进行 快速调度，并且在调度过程中可以利用每个服务u e 的即时载干比值。这样的快 速调度不仅能够充分利用信道所提供的信息，而且能够及时地对信道变化做出 反应，因此这样的快速调度是高效的。 m a c h s 存储空中接口上待传输的用户数据，这对n o d e b 的最小缓存能力 有一定的限制。数据队列移到n o d e b 处需要流控机制( h s d s c h 帧协议) 旨 在保持缓冲区处于一个高利用率的状态。h s d s c hf p 协议处理从服务r n c 到控制r n c 的数据传输以及控制r n c 到n o d e b 之间的数据传输。这种流控 设计是很重要的，因为它与分组调度器一起调整用户可业务，而这种调整必须 满足用户的q o s 属性。( 例如流媒体承载的保证比特率或传输时延或者是交互 业务用户的业务处理优先级和分配优先级) 。此外，h s d s c h 不支持软切换， 因为多蜂窝传输的同步问题很复杂。 2 4h s d p a 信道结构 h s d p a 信道结构：w c d m a 中有一个传输信道非常适合下行突发分组业 务：下行共享信道，下行共享信道提供公共的码资源，多个用户可以以时分复 用的方式共享。它可以提高突发分组业务的容量，与为每个用户分配一个 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 d c h 相比，共享资源减小了潜在的信道码缺乏问题。h s d s c h 可以看作是 d s c h 的演进版，h s d s c h 被映射到物理信道集合( 即信道码) 称为h s p d s c h s ( h i g hs p e e dp h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) ，该物理信道由所有 h s d p a 用户通过时分复用方式所共享。h s p d s c h 信道的扩频因子固定为 1 6 ，m a c - h s 可以使用一个或几个码，最多利用1 5 个码。此外，调度器在一个 t t i 可以采用码分复用的方式将h s p d s c h s 分配给不同的用户。本文暂不考 虑码复用。 时阻 札 奏f 图2 3 h s d p a 信道结构 f i g 2 3t h ec h a n n e ls t r u c t u r ei nh s d p a h s d p a 信道结构：h s s c c h 携带如下信息 1 u ei dm a s ：用来标识下一个t t i 要被服务的用户： 2 传输格式相关信息( t r a n s p o r tf o r m a tr e l a t e di n f o r m a t i o n ) ：指定信道 码集合和调制方式。实际的编码速率由传输块大小和其他传输格式参 数得出。 3 h y b r i da r q 相关信息：诸如下一个传输是一个新的分组还是重传分 组，是否应该被组合，相关的a r q 过程以及冗余版本信息。 4 该控制信息只应用在下一t t i 要服务的u e 上，因而该信令信道是一 共享信道。 上行高速专用物理控制信道( h s d p c c h ) 携带上行链路必要的控制信 息，即：a r q 应答和信道质量指示报告。为了帮助h s d p c c h 进行功率控制 每个用户拥有一个相关的专用物理信道d p c h 。 哈尔滨理工大学工学硕：l ：学位论文 2 5a m c 和多码传输 a m c 和多码传输：h s d p a 利用其它的链路自适应技术来代替功率控制和 可变扩频因子，为了应对u e 侧e s n 0 的动态范围，h s d p a 根据信道条件调整 调制方式编码速率和信道码数。除q p s k 外，h s d p a 采纳1 6 q a m 调制以增 加处于良好信道条件下用户的峰值数据速率，高阶调制的引入带来了接收机的 复杂性，接收机需要估计接收符号的相对振幅，而在q p s k 中只需检测信号的 相位。除了a m c ，多码传输可以被用来作为链路自适应的手段，如果用户享 有良好信道条件，n o d e b 可以通过传输多个并行码来实现高峰值吞吐量。采用 多码传输a m c 的总动态范围可以增加1 0 l o g ( 1 5 ) = 1 2 d b ，a m c 和多码传输结合 总的链路自适应动态范围为3 0 d b 。w c d m a 的可变扩频因子的动态范围是 2 0 d b ，这样h s d p a 有1 0 d b 的增益。 表2 1 不同调制编码组合下的峰值比特率 t a b l e21t h ep e a kb i tr a t ei nd i f f b r e n tm o d u l a t i o nc o d ec o m b i n a t i o n s m c s 调制方式编码速率比特厂r t i峰值速率1 个码 11 4 2 4 0 1 2 0 k b p s 2 q p s k l 24 8 0 2 4 0 k b p s 33 47 2 0 3 6 0 k b p s 41 29 6 0 4 8 0 k b p s 5 1 6 q a m 3 41 4 4 0 7 2 0 k b p s 2 6 链路自适应 链路自适应技术是指随信道环境的变化而自动的调节发射机的参数以克服 信道随时间变化的效应从而获得最佳通信效果的技术。由于调节发射功率实现 较为简单，第2 代和第3 代移动通信技术采用功率控制技术作为链路自适应技 术，原理是在信道条件好时减小节点b 的发射功率，信道条件差时加大节点b 的发射功率，保持用户接收到信号功率为接收机接收该业务所需要最小功率。 因此，在不同的信道条件下节点b 可以用最小的发射功率使终端用户得到恒定 的传输速率和固定的延时，保证用户的服务质量。然而功率控制技术存在“远 近效应”以及“噪声提升”效应两个不可克服的缺点，因此h s d p a 中采用调 节通信的调制方式、编码方式和重传次数方法来适应时变信道。节点b 处的链 哈尔滨理工大学工学硕二i ：学位论文 路自适应功能负责根据瞬时无线信道状况调整调制编码格式以及码的数量。 2 7 快速混合a r q 混合重传是一种隐含的链路自适应技术，因为自适应调制编码技术中系统 使用用户端测量的载干比显式的选择适当的调制编码方式，而混合重传仅仅通 过接收端的反馈信令来决定是否重传，虽然没有直接根据载干比，但是间接的 根据了接收端的信道质量调节了重传的次数，改变了平均的传输速率。混合重 传中接收端对接收到的重传包按照一定方式进行合并后再进行解码，从而得到 额外的时间分集增益。 2 83 g 系统中的分组交换业务 不同的业务性质不同，所要求的业务质量q o s 也不同。数据业务的q