（通信与信息系统专业论文）无线数据通信系统中多用户机会调度的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 机会通信作为一种对无线通信系统设计具有革命性意义的概念正在受到越来越多的 关注。论文主要基于机会通信模型，探讨了机会波束成形多输入单输出( m i s o ) 系统中的机 会调度算法，针对目前机会调度算法虽对吞吐量和公平性已经进行了大量的研究，但对用 户的服务质量( q o s ) 保证考虑不多，本文提出了一个保证用户q o s 要求的机会公平调度的 新方案。 在机会波束成形m i s o 系统中，由于机会波束成形技术通过随机改变天线的功率分配 和相位引入了信道的全波动性，于是信道条件差的用户也有可能“经历”好的信道，于是 使用机会波束成形技术在一定程度上引入了用户间的公平性。所以在本文讨论的机会调度 算法中，更为关注的是系统吞吐量的提高。鉴于最大载干 = l ( m a xc a ) 调度算法虽能极大地 提高系统吞吐量，但并没有考虑到用户的服务质量( q o s ) 要求，于是论文提出了一个m a xc i 调度算法的改进算法，在提高系统吞吐量的同时保证用户的q o s 要求。m a xc i 的改进算 法( m m a x ) 是一种“记忆”饥饿状态的m a xc i 调度算法，饥饿避免机制是通过“记忆 用户接收服务的状态情况来进行，算法仅对出现饥饿现象的用户采取特殊的调度，从而把 调度信道质量较差的用户对系统吞吐量提高的影响降到最低。数值仿真结果表明，改进算 法m m a x 以系统吞吐量稍有损失的代价，满足了特定用户q o s 的要求。 南京邮电大学硕- 上研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o ni sr e c e i v i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na sac o n c e p tt h a th a s r e c e n t l y r e v o l u t i o n i z e dt h ew a ye n g i n e e r st h i n ka b o u tw i r e l e s ss y s t e md e s i g n m o s t o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e np r e s e n t e d ，m o r ec o n c e r n e dw i t ht h r o u g h p u ta n d f a i r n e s sa m o n gu s e r st h a nq u a l i t yo fs e r v i c e s ( q o s ) t h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h eo p p o r t u n i s t i c s c h e d u l i n gi no p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gm u l t i p l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ( m i s o ) s y s t e m sb a s e d o no p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o nm o d e l s i no p p o r t u n i s t i cb e a r n f o r m i n gm i s o s y s t e m s ，t h o s ew h oa r eu n d e rp o o rc h a n n e lc o n d i t i o n s h a v et h ea b i l i t yt oe x p e r i e n c eg o o dc h a n n e l ，d u et ot h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi n d u c e sf u l l c h a n n e lf l u c t u a t i o n sb yv a r y i n gt h ep o w e ra l l o c a t i o na n dp h a s es h i f t so ft r a n s m i ta n t e n n a s r a n d o m l y s o ，t oac e r t a i ne x t e n t , o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi n d u c e sf a i r n e s sa m o n gu s e r s c o n s e q u e n t l y , t h i sp a p e ri sm o r ec o n c e r n e dw i t ht h es y s t e mt h r o u g h p u t t h em a x i m u mc a r t i e r t oi n t e r f e r e n c e ( m a xc i ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h mc a l ly i e l dt h eh i g hs y s t e mt h r o u g h p u tb u tn o t c o n s i d e r i n gq o s t h i sp a p e rp r o p o s e sam o d i f i e dm a xc i ( m m a x ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d o nm a xc i t h ep r o p o s e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h ma d o p t s ah u n g r y a v o i d a n c em e c h a n i s mt o r e m e m b e rt h er e c e i v e ds e r v i c es t a t u sf o re a c hu s e r , t h u si m p r o v i n gs y s t e mt h r o u 曲p u ta sw e l la s s a t i s f y i n gu s e r sq o s o n l yt h o s eu s e r sw h oa r eh u n g r ye n o u g hc a r lr e c e i v es p e c i a ls c h e d u l i n g ， s ot h ee f f e c to nt h es y s t e mt h r o u g h p u tb yt h eu s e r sw h oe x p e r i e n c eb a dc h a n n e l sc a l lb e a l l e v i a t e d f r o mt h en u m e r i cs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep r o p o s e ds c h e d u l i n gs c h e m es a t i s f i e ss p e c i a l u s e r sq o sr e q u i r e m e n t sa tt h ep r i c eo fm i n o rs y s t e mt h r o u g h p u t ，c o m p a r e dw i t hm a xc ia n d o t h e rt r a d i t i o n a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m s i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文缩略语 英文缩略语 a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m )高级移动通信系统系统 a w g n ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 加性高斯白噪声 b 3 g ( b e y o n d3g e n e r a t i o n )超三代 c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s )码分多址 c i f - q ( c h a n n e l c o n d i t i o ni n d e p e n d e n tp a c k e tf a i rq u e u e i n g ) 信道状态独立的分组公平调 度算法 d b f ( d i g i t a lb e a m f o r m i n g ) 数字波束成形 d b l a s t ( d i a g o n a lb e l ll a b sl a y e rs p a c et i m e )对角贝尔实验室分层空时算法 f d m a ( 行e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 频分多址 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 ) 通用分组无线业务 g s m ( g l o b a ls y s t e m sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s )全球移动通信系统 i s l ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e )符号间干扰 i t u ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n )国际电信联盟 i w f q ( i d e a l i z e dw i r e l e s sf a i rq u e u e i n g ) 理想公平调度算法 l m d s ( i o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ) 本地多点分配业务 l t f s ( i o n gt i m ef a r es e r v e r ) 长时公平服务器 m a x c i ( m a x i m u r nc a r r i e rt oi n t e r f e r e n c e )最大载干比算法 m b w a ( m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s )移动宽带无线接入 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t )多输入多输出 m i s o ( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 多输入单输出 m - m a x ( m o d i f i e d - m a xc a )m a xc i 的改进算法 m m d s ( m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ) 无线宽带多通道多点分配业务 n m t ( n o r d i em o b i l et e l e p h o n e )北欧移动电话系统 p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r )个人数字蜂窝系统 p f s ( p r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g )正比公平调度 r r ( r o u n dr o b i n )轮循算法 s b f a ( s e r v e rb a s e df a i ra p p r o a c h )基于服务器的公平策略 南京邮电入学硕士研究生学位论文 英文缩略语 s n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o )信噪比 s l s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 单输入单输出 s t f q ( s t a r t t i m ef a i rq u e u e i n g ) 启动时公平队列 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e s )服务质量 t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 全接入通信系统 t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s )时分多址 t d s d m a ( t i m e - d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a )时分同步码分多址 v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e rs p a c et i m e ) 垂直贝尔实验室分层空时算法 u w b ( u l t r a d i e d b a n d )超宽带 w c d m a ( w i d e - b a n dc d m a )宽带码分多址 w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u e i n g )加权公平排队 w r s ( w i r e l e s sf a i rs e r v i c e )无线公平服务 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k )无线局域网 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 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的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名： 签叠日期：童堂三 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：盛趣 导师签 - j j _ _ - j _ ；| _ - _ _ _ 一 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：无线数据与移动计算网络 作者：2 0 0 5 级研究生林静指导教师塞苤直 题目：无线数据通信系统中多用户机会调度的研究 英文题目：s t u d y o fm u l t i u s e r o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g i n w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n s 主题词：机会调度机会波束成形最大载干比服务质量 k e y w o r d s ： o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g m a xc i q u a l i t yo fs e r v i c e 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 无线通信系统发展状况 第一章绪论 准确地说，无线通信是什么? 这是一个复杂的话题，存在许多的方式可以把这个问题 分解到不同层面上，包括不同的应用、不同的通信系统或是不同的覆盖区域 1 】。无线应用 包括话音、互联网接入、网页浏览、寻呼及短信、甩户信息服务、文件传送、视频电话会 议、娱乐、传感器网络以及分布式控制系统。无线通信系统包括蜂窝电话系统、无线局域 网、广域无线数据网、卫星通信网以及无线自组织网络。无线覆盖区域包括室内、校园、 城市、地区及全球。 无线通信是当今通信领域中最为活跃的研究热点之一。无线通信，相对有线通信具有 巨大的便利性和低廉的建设成本，是实现“任何人( w h o e v e 0 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时 间( w h e n e v e r ) 可以同任何对方( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 通信 的重要保证，一直 是通信领域的研究热点。无线通信系统大致分两类：一类为移动通信系统，主要解决大范 围的连接，在各种环境下的连接性是首先考虑的，其次才是数据速率；另一类为无线宽带 接入系统，作为有线系统的替代，用于特定环境下的高速数据传输。 我们讲的移动通信系统，一般指蜂窝移动通信系统，该系统大致经历了以下几个发展 阶段： 第一代简称为1 g ，起源于2 0 世纪8 0 年代，提供频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，f d m a ) 的模拟语音通信，它仅能提供9 6 k b i t s 通信带宽，典型代表为美国的高级移 动通信系统系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a m p s ) 、北欧移动电话系统( n o r d i cm o b i l e t e l e p h o n e ，n m t ) 、英国的全接入通信系统( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，t a c s ) 等。该 系统发展到9 0 年代初，面临用户容量不够的困境。 第二代简称为2 g ，起源于2 0 世纪9 0 年代初，开始致力于提升用户容量，这个阶段开 始显现数字通信相对模拟通信的优越性，是数字语音传输的重大变革时期。典型代表有欧 洲基于时分多址( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 的全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e m s f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，o s m ) 、美国高通公司基于码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 a c c e s s ，c d m a ) 的i s 9 5 系统和日本的个人数字蜂窝系统( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r , p d c ) 等。 第三代简称为3 g ，起源于2 0 世纪9 0 年代末，致力解决第一第二代系统仅能提供话音 和低速率数据业务、用户容量不足和频谱利用率低的缺点。通过美国高通和欧洲爱立信等 公司的推动，基于码分多址的技术成为标准【2 】，主要有三个代表：美国的c d m a 2 0 0 0 、欧 洲和日本的宽带码分多址( w i d e b a n dc d m a ，w c d m a ) 及中国自主提出的时分同步码分多 址( t i m e d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ，t d - s d m a ) 。 为实现从2 g 到3 g 的平稳过渡，保护现有的2 g 投资，中间还出现了2 5 代技术，如 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 用于减小从g s m 向w c d m a 过渡的 成本，其最大的贡献是把分组交换引入了原先基于电路交换的g s m 系统；而c d m a 2 0 0 0 1 x 用于基于i s 9 5 的窄带c d m a 系统向宽带c d m a 系统演进。 几代蜂窝移动通信系统的简单比较见表1 1 。 表1 - i 蜂窝移动通信系统比较 3 代以后及第4 第1 代系统第2 代系统第3 代系统 代系统 数字语音、低速高速数据、多更高数据速率、 业务模拟语音 数据媒体多媒体、全i p c d m a 结合c d m a ， 多址方式f d m ac d m a ，t d m a t d m ao f d m a 主要频段8 0 0 m h z 8 0 0 + 19 0 0 m h z2 g h z2 g h z + 5 g h z g s m ，i s - 9 5 ， w c d m a ， 单一的融合标 代表 a m p s ，t a c sc d m a 2 0 0 0 ， p h s 准 t d s c d m a 数据速率1 9 k b p s 14 4 k b p s 2 m b p s1 0 0 m b p s 核心网 p s t np s t n 分组网分组网 目前全球无线移动通信技术正呈现出移动化、宽带化和i p 化的发展趋势。进入2 1 世 纪，包括中国在内的世界各国在推动第三代移动通信产业化的同时，已把研究重点转入新 一代宽带无线移动通信技术研究，力求在2 0 1 5 年左右，使无线移动通信系统性能和应用 产生新的飞跃。 我们常将面向十年后应用的新一代宽带无线移动通信称之为第四代移动通信( 4 g ) ，国际 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一苹绪论 电联( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 称之为后三代移动通信( b e y o n d i m t - 2 0 0 0 ，b 3 g ) 。b 3 g 4 g 是第三代移动通信和宽带无线接入共同走向未来的新一代无线移 动通信。2 0 0 0 年，i t u rw p 8 f 工作组正式启动了b 3 g 课题研究，开始起草“i m t - 2 0 0 0 未来发展及超i m t - 2 0 0 0 的远景框架及总目标 的建议。到2 0 0 2 年，经过多次讨论，i t u 对未来移动通信系统的发展目标和时间表达成基本共识。b 3 g 4 g 的目标是：汇集蜂窝、 固定无线接入、游牧、无线区域网络等接入系统，结合全i p 网络，在高速和低速移动环境 下分别为用户提供峰值速率达1 0 0 m b s 及1 g b s 的无线传输能力，并实现蜂窝系统、区域 性无线网络、广播、电视卫星通信的无缝衔接，使人类实现“任何人在任何时间、任何地 点与其他任何人实现任何方式的通信”。2 0 0 5 年1 0 月1 2 日到1 9 日在芬兰赫尔辛基召开的 i t u rw p 8 f 地1 7 次会议上定义了新一代移动通信( b 3 g 4 g ) 的统一名称“i m t - a d v a n c e ”。 为适应未来发展的需要，新一代移动通信系统必须能够支持数据速率为1 0 0 m b s 以上 的全i p 高速分组数据传输、支持高的终端移动性、支持高的传输质量、提供高的频谱利用 率和功率效率、并能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速率等方 面大动态范围的变化。而为满足这些技术需求，未来移动通信系统必将在网络结构、系统 理论及关键技术等方面具有全新的面貌： ( 1 ) 在网络结构方面，将采用全i p 、分布式、自组织和多层的无线广带个人通信新体制 和新模式，以对抗高频段点播传播特性的挑战，并适应未来移动通信以数据业务为主的需 求。 ( 2 ) 在空中接口与无线网络形态方面，由于更高频段( 如3 一6 g h z ) 的采用，将采用分布 式的接入方式，多天线技术具有至关重要的作用，而多天线环境下多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 无线通信系统的理论将突破传统的无线通信系统理论，成为未 来移动与无线通信系统理论的核心。 ( 3 ) 在传输体制方面，传统的单载波时分多址和码分多址技术难以直接推广到广带传输， 必须采用多载波并行传输体制，而高度灵活的多载波传输方案的设计是新一代移动通信系 统设计的关键之一。 ( 4 ) 在链路技术方面，单一的技术难以满足日趋复杂的移动通信环境，高效的自适应链 路技术与环境自适应技术则是新一代移动通信的另一类关键技术。 ( 5 ) 在天线与射频技术方面，将采用新型的多天线和阵列天线技术以及宽带高线性射频 技术，将涉及复杂的电磁学理论问题。 再来看一下宽带无线接入系统的发展。与移动通信系统从解决广泛的移动性入手然后 向高速宽带发展不同，宽带无线接入系统一开始就侧重于解决高速的无线数据传输，对移 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 动性和覆盖范围的支持有限。按照作用范围和支持的移动性不同，宽带无线接入系统可以 大致分为以下几类： 1 ) 室内无线：包括无线局域网( w i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k ，w l a n ) ( 8 0 2 1 1 a b g n ) 、超 宽带( u l t r a d i e d b a n d ，u w b ) 、蓝牙b l u e t o o t h 等。 2 ) 室外固定无线：包括无线广域网中的8 0 2 1 6 a d 、固定无线宽带多通道多点分配业 务( m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ，m m d s ) 、本地多点分配业务( 1 0 c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ，l m d s ) 等。 3 ) 室外移动无线：包括无线广域网中的8 0 2 1 6 e 、移动宽带无线接入( m o b i l eb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s ，m b w a ) 等。 对几种宽带无线接入系统的主要参数比较见表1 2 。 表1 2 几种常见的宽带无线接入技术比较 w i f iw - i m 匕w i m a xw i m l 议m b w a 8 0 2 1 l x8 0 2 1 6 a8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e8 0 2 2 0 1 0 m h z 带1 0 m h z 带5 m h z 带宽 1 2 5 m h z 带 10 8 - 3 2 0 m b 数据速率 宽最高宽最高最高宽至少 p s ( 1 l n ) 5 0 m b p s5 0 m b p s1 5 m b p s1 m b p s 2 4 g h z - i - 主要频段 1 1 g h z2 “6 g h z 小尺度衰落( s m a l l s c a l ef a d i n g ) ：它是由发射机与接收机之间的多条信号路径的相长干 扰和相消干扰造成的，当空间尺度与载波波长相当时，会出现小尺度衰落，因此j 小 尺度衰落与频率相关。 信道质量 图2 - 1 信道质量随多种时间尺度而变化 8 时阃 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关理论与技术 2 1 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据 速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为： ：呈：k 上 z d 7 ( 2 一1 ) 其中只表示本地平均发射信号功率，e r 表示接收功率，d 是发射机与接收机之间的距离。 对于典型环境来说，路径损耗指数y 一般在2 - - 4 中选择。由此可以得到平均的信噪比( s i g n a l t on o i s er a t i o ，s n r ) 为： ：pi：旦一1snr k = 二上 只d 7n o b ( 2 2 ) 其中n o 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的常数。如 果为保证可靠接收，要求田衄趴，其中肌表示信噪比门限，则路径损耗会为比特 速率带来限制： b 婴 a n o s n r o ( 2 3 ) 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： 。 d 文靠) l ， 仁4 ， 可见，如果不受其它特殊的技术，数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限 制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通 2 1 2 无线信道f t c j , j , 尺度衰落 多径衰落 无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、 反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因此各条路径中发射 波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使 信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化， 就会产生衰落。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二覃相关理论与技术 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的扩展到其它符号当中，造成 符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。为了避免产生i s i ，应该使符号宽度远远大于无线 信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。 在频域内，与时延扩展相关的重要概念是相干带宽，实际应用中通常用最大时延扩展 的倒数来定义相干带宽，即 ( 衄) ，上 。 ( 2 - 5 ) 其中m a x 表示最大时延扩展。 从频域角度来看，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信号中不同 的频率成分，无线传输信道会呈现不同的