（通信与信息系统专业论文）基于voip业务的lte无线资源分配算法研究.pdf

中文摘要 摘要：随着无线通信技术的不断升级和移动用户数量及数据业务流量的急剧增长， 在目前的移动通信领域中越来越呈现出业务多样化和普遍化的趋势，同时用户对 运营商所提供通信服务的速率、服务质量提出了更高的要求。然而，运营商却面 临可支配的频谱资源逐渐匮乏，现有频谱利用率偏低等问题。因此，在技术和市 场等因素的驱动下，以l t e 为代表的通信系统不断进行网络架构和无线接口技术 等多方面的革新，而如何增加系统容量和数据传输速率、提高频谱利用率和服务 q o s 水平成为目前移动通信领域研究的重点和热点问题。 无线分组调度算法能够根据系统可用的无线资源、实时信道状态，业务o o s 需求等因素进行用户选择和数据传输，确保资源有效利用，是无线资源管理的重 要内容，同时分组调度算法的设计和优化在解决上述问题过程中具有关键作用。 因此，本文主要针对无线资源分配算法进行了研究和仿真分析。 首先，本文对l t e 系统演进目标、网络结构和关键技术进行了介绍和分析， 同时总结了移动通信系统演进过程中无线资源管理的内容和特点。 其次，分析了现阶段分组调度算法所面临的新的问题和挑战，介绍了算法系 能评价重要指标，并在此基础上，对现有的分组调度算法进行了深入研究，包括 算法调度策略、优劣点、实现流程等内容。通过前期对现有算法的实现和仿真， 对几种常见算法的特性进行了比较和总结。 再次，在对现有算法性能研究的基础上，通过引入效用函数思想和优化频谱 使用效率函数，本文提出了基于紧急度和频谱效率函数的分组调度算法。同时， 对所提算法进行了多方面的性能仿真和比较。 最后，总结全文工作的成果与不足，为今后分组调度算法的改进和完善指明 了研究方向。 关键词：l t e ；下行链路；分组调度算法； 分类号：t n 9 2 9 5 e 立童适厶堂亟堂位途塞 垦墨! j a bs t r a c t a b s t r a c t ：、聃t hm ed e v e l o p m e n to ft 1 1 ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya l l d r a p i d 伊o w t ho ft h em o b i l eu s e r s ，d i v e r s i f i c a t i o na l l dg e n e m l i z a t i o ni nm o b i l es e r v i c e s h a v eb e c o m et h em o s to b v i o u st r e n di nt h e p r e s e n t m o b i l ec o m m u c a t i o n f i e l d m e a n w h i l e ，t h eu s e r s r e q u e s t so fh i 曲d a t ar a t ea i l ds e r v e - q u a l i t yp r o v i d e db y c o m m u n i c a t i o no p e r a t o r sa r eb e c o m i n gm o r eu 唱e n tt h a l lb e f o r e h o w e v e r ，t h ea v a i l a b l e r a d i or e s o u r c ei sr u i u l i n gs h o r ta n dm es p e c 仃a le 伍c i e n c yi sl o w e rt h a i le x p e c t e d 1 1 1 e r e f o r e ，d r i v i n gb yt h et e c l l i l o l o g ya n dm 矾，e tf a c t o r s ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss u c h a sl t ec o n t i n u o u s l yi m p r 0 v e sm en e m o r ka r c l l i t e c t u r ea 1 1 dr a d i oi n t e r f a c et e c l l i l o l o g y i nt h i sb a c k g r o u n d ，i n c r e a s i n gt h ep e a l ( d a t ar a t e ，i m p r o v i n gt h eq u a l i 够o fs e r v i c e sa n d e i l l l a l l c e i n g t h es p e c 仃a 1e 伍c i e n c yh a v eb e c o m em er e s e a r c hf o c u so ft h ep r e s e n t c o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o d m m su s et h ea v a i l a b l er a i i i or e s o u r c e ，c u r r e n t c h 籼e ls t a t u sa i l dq o sr e q u i r a n e n t se t c t os e l e c tu s e r s a sa j li n d i s p e n s a b l ep a no f r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，m ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fw i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o d m m s h a v ea k e y m l ei ns o l v i n gt h ea b o v i n gp r o b l e m s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d yt h e s c h e d u l i n ga l g o r i t l l m sw i t hs i m u l a t i o na j l a l y s i s f i r s to fa l l ，t h eo b j e c t i v eo fl t es y s t e i l le v o l u t i o n ，n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea 1 1 dk e y t e c h l l e q u e sa r ei n 们d u c e da j l da 1 1 a l y s e d ，t h e s u m m 撕e sb a s e do nt h ec o n t e n ta n d c h a r a c t e r so fr a d i or e s o u r c em a i l a g e i l l e n ta r em a d ei nt h ef o l l o w i n gp a n s e c o n d l y ；a i l a l y s i si sm a d ea b o u tt l l ec h a l l e n g e sf a c e db ym ec u 玎e n ts c h e d u l i n g a l g o r i t h n l s，t h e n t h em a i np e o 蛐a i l c ee v a l u a t i o nm e t r i c so ft h ea l g o r i t h m sa r e i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ei n - d 印ls t u d yo fc u l l r e n ta l g o r i t l l l i l s ，i n c l u d i n gs c h e d u l i n g s t r a t e g y ，a d v 乏u l t a g e sa i l dd i s a d v a l l t a g e s，o p e r a t i o n p r o c e s s ，a sw e ua sp 刊f b m a j l c e s i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rc o m p a r e d a 1 1 ds u n 姗撕z e dm ec 1 1 a r a c t o r so ft h ec u n i e n t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t l l i r d l y ，o nt h eb a s i so fc u 玎e n ta l g o r i t l n l s ，t h eu 玛e n c ya j l de m c i e n c yb a s e d a l g o n t h mi sp r e s e n t e db yi n 仃o d u c i n gt h eu l t i l i t y 如n c t i o na n dm o d i f i e de m c i e n c y 胁c t i o n ，w i t hm a s s i v es i m u l a t i o nw o r k t h ep a p e ra l s oc o m p a r e st h ep e r f o m l a t l c ew i t h c e n a i na l g o r i t h m sa i l dm a l ( e ss o m ec o n c l u s i o n s f i n a l ly ，t h ew h o l ep a p e ri ss u n h n a r i z e d ，a n di n a d e q u a n c yo ft h es t u d yi sp o i n t e d o u t m e a i l w h i l e ，：h er e l a t e di s s u e sf o rt h e 缸t 1 1 e rs t u d ya r ea l s op r e s e n t e db yt h ee n do f l v abstr ac t t h ep a p e r k e y w o r d s ： l t e ；d o w n l i n k ；s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ； c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 v 致谢 首先，感谢我的导师李兴华老师，本论文的工作是在李老师的悉心指导下完 成的，李兴华老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 在此衷心感谢李兴华老师对我的关心和指导。 感谢荆涛老师给予我的指导。在攻读硕士学位期间，荆老师提供了很多实践 机会，并悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予我很 大的关心和帮助，在此向荆涛老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，霍炎老师在专业知识的学习和研究工作中给 予了重要而细致的帮助，并对我的科研工作和论文提出了许多宝贵和意见，在此 向霍炎老师表达我的感激之情。霍炎老师深厚的理论功底、认真严谨的科研态度， 使我受益匪浅。 其次，李海旭等同学对我论文中的研究工作给予了大力支持和热情帮助，在 此向他们表达我的感激之情。 最后，在此也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 引言 1 1研究背景 随着第三代( 3 g ) 移动通信系统在技术和市场上取得巨大的成功，前期的技 术驱动使得通信业务的种类和质量都发生了翻天覆地的变化。3 g 移动通信系统不 仅满足了人们对更高移动速度条件下的高质量语音业务的需求，同时还为用户提 供i n t e n l e t 网络服务和在线音频和视频等无线数据业务，数据业务的发展大大促进 了人们对移动通信的兴趣和投入，尤其在经历了第一代模拟蜂窝移动通信系统， 第二代以g s m c d m a 为代表的数字蜂窝移动通信系统到第三代h s d p “w c d m a 宽带移动通信系统在短短几十年间的变革与发展，通信技术不断进步更是支撑了 人们对移动通信领域的空前热情，以及早日实现通信终极目标“5 w ”，即“任何 人( w h o e v e r ) 在任何地方( ，h e r e v e r ) 和任何时间( w r h e n e v e r ) 给任何人( w | h o m e v e r ) 的任何信息( w h a t e v e r ) 的传送和接受”的夙愿。但是，目前的3 g 移动通信系统 标准仅仅支持高速移动环境中6 4 k b i t s 和静止状态下2 m b i t s 的无线传输速率，相 对于不断升级和跳跃式发展的数据业务需求而言，3 g 系统还远远不能满足人们对 无线通信的要求。 通信行业科研和工程人员通过持续的研究和开发，最终提出了3 g 系统的演进 技术l t e ( l o n gt e 彻e v o l u t i o n ) ，而在无线网络领域相关技术人员则提出了全球 微波接入互操作( w i m a x ，w b r l d w i d ei n t e m 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 ) 。这 些的先进的无线通信系统均以正交频分复用( o f d m ，o n h 0 9 0 n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 为基础，同时引入多输入多输出( m i m o ，m u l t ii n p u tm u l t i o u t p u t ) 等新型的无线传输技术，以两者共同作为技术框架的核心，大大地提高了 通信系统无线传输速率，同时成为通信系统向4 g 过渡的关键。 以o f d m 和m i m o 技术为核心的l t e 系统被成为3 9 g 系统，可以在更高的 带宽上实现更快的数据传输，同时又降低了系统时延，简化了通信网络结构，可 以真正实现高速无线通信，与3 g 通信系统相比，l t e 在物理层传输技术、射频载 波频带、媒体接入控制层技术以及跨层自适应技术，通信网络架构等多个方面都 发生了革命性的变化。 为了获得更高的无线传输速率，采用更宽的无线传输带宽是一个必然的选择。 尤其通信运营商面临着无线频谱资源资源匮乏，未来分配到的频率越来越分散等 问题，在超宽带系统中如何采用新的技术和方法提高系统容量和无线频谱利用率， 成为一个亟需解决的问题。 为了实现提高系统吞吐量和无线资源利用率的目标，除了使用o f d m 、m i m o 等先进的无线传输技术之外，如何设计和实现更加合理和先进的无线资源管理方 式和方法成为研究人员日益关注的重点。无线资源管理出现在早期的蜂窝移动通 信系统中，随着用户数量和通信业务量的急剧增长，无线资源管理的作用和功能 也得到不断地增强，成为除了先进的空中接口技术之外，提高无线通信系统容量 和频谱利用效率的重要途径。 为了给用户提供更高的数据传输速率，给网络提供更好的覆盖和更大的容量， 以h s d m c d m a 为代表的3 g 从投入应用开始就在不断完善和强化，3 g p p 不 断针对3 g 的演进提出相应的技术方案，与此同时，以i e e e8 0 2 1 6 e ( 、m m a ) 【) 为 代表的宽带无线接入技术实现了更高的数据速率同时加强了对移动性方面的支 持，该技术的提出对原有的3 g 移动通信系统形成了巨大的竞争压力，为了继续 3 g 系统的演进同时也为了能够对抗w i m a x 的竞争，3 g p p 于2 0 0 4 年1 2 月的t s g 凡埘抛6 会议上，通过了“演进的接入技术( e u t r a ) 和接入网络( u t r a n ) ” 的研究项目，从而正式开始了l t e 的相关研究工作。l t e 项目的提出不仅为运营 商和用户不断增长的需求提供了更好的支持，同时也确保了在未来1 0 年到更长的 时间内通用移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns v s t e m ) 的竞争力。 3 g p pl t e 长期演进的主要目标包括：提高用户数据速率、降低时延、改善系 统容量以及实现更好的覆盖，同时降低运营商的成本。尤其是下行链路平均用户 吞吐量增加到h s d p a ( h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 的三到四倍，即 1 0 0 m b p s 。同时，在上行链路增加到h s u p a ( h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) 的 两到三倍，即5 0 m b p s 。为了达到上述目标，长期演进内容包括了空中接口和核 心网演进两大部分，其中关注无线接口技术和网络结构的部分被成为l t e 项目， 而侧重于核心网的功能和结构，关于整体系统结构演进的部分被称为s a e ( s v s t e m a r c h i t e c 觚- ee v o l u t i o n ) 项目。关于l t e 系统演进的3 g p p 协议版本r e l a e s e8 于 2 0 0 8 年1 2 月通过并成为l t e 标准的基础版本，为首批l t e 系统商用产品提供了 重要基础，l t e 协议规范框架完善，在r e l e a s e8 版本基础上增加了部分改进内容 并最终形成了2 0 0 9 年r e l e a s e9 版本并成为l t e 的增强版本，主要增加了支持多 流b e a m f o m i n g 、e m b m s 、s o n 、h o m ee n o d e b 等新功能。 l t er e l e a s e8 中的关键特性包括【2 j ： 最大程度地提高频谱效率 下行链路采用o f d m 以有效对抗多径干扰；使用m i m o 技术实现多层传输或 多流传输以提高峰值数据速率。 上行链路采用d f t s o f d m ( 离散傅里叶变换扩展o f d m ) 对抗高峰均功率 j 竖塞窒垣 太堂亟堂僮途塞里l直 比。 显著减小的时延 缩短了启动时间，减小了转发时延，采用更短的1 v r i ( t r a i l s m i s s i o nt i m e i m e m a l ) ，简化了r r c ( r a d i or e s o u r c ec o n t m l ，无线资源控制) 处理过程和状态。 支持可变的系统带宽 l t e 支持1 4 m h z 、3 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 简化的协议体系结构 简化的系统架构 采用e n o d e b 作为连接核心网和用户移动台之间唯一的节点 减少了r a n ( r a d i o a c c e s s n e 觚o r k ，无线接入网) 接口数量 能够实现与早期3 g p p 版本之间的兼容的互联 能够与c d m a 2 0 0 0 等实现互联 具有f d d 和t d d 两种模式 能够实现有效的多播广播 支持自组网s o n ( s e l f - o r g a l l i s i n go p e r a t i o n ) 操作 l t er e l e a s e8 的主要参数如表1 1 所示： 表卜1l t er 8 主要参数列表 t a b l e l ll 咂r 8m a j o rp a r a m t e r s 上行链路接入方式 d f t s o f d m 下行链路接入方式o f d m a 系统支持带宽 1 4 m h z 、3 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、15 m h z 和2 0 m h z 最小t t i 时长 1 m s 子载波带宽 1 5 k h z 循环前缀长度 ( 短) 4 7 p s( 长) l6 7 p s 调制方式q p s k 、16 q a m 、6 4 q a m 上行和下行均支持多用户m i m o 空分复用每个用户上行链路为单层传输 每个用户下行链路最多支持4 层 1 2l 1 e 系统网络结构 不同于3 g 网络架构的多层设计，l t e 采用了包括核心网( e v 0 1 v e dp a c k e t c o r e ，e p c ) 、基站( e n o d e b ) 和用户设备( u e ) 3 部分组成的扁平化的网络结构【2 1 。 其中，e p c 负责核心网部分，e p c 中的移动性管理实体m m e ( m o b i l i t ym a n a g e m e n t e n t i t y ) 负责信令信息的处理，系统结构演进网关s a eg a t e w a y 负责数据部分的处 理，由基站e n o d e b 为主体构成的e u t 黜负责接入网部分的功能。接入网部分 仅包含e n o d e b 不再包含i c 。e n o d e b 与e p c 之间通过s l 接口相连，e n o d e b 之间则通过x 2 接口相连，e n o d e b 与u e 通过u u 接口相连。 l t e 系统网络结构组成如图1 1 所示： 图1 1l t e 系统网络结构图 f i g1 - lu es y s t 锄n e 他r o r ks 缸1 l c t u r e 图1 1 可知，s 1 接口位于e n o d e b 和m m e s g w 之问，将s a e l t e 演进系统 划分为无线接入网e u t r a n 和核心网e p c 两个部分。为了实现承载和控制分离， s 1 接口又分为用户平面和控制平面，其中用户平面接口s 1 u 进行e n o d e b 和s g w 间的连接，负责用户平面控制信息和相关用户数据的传送，控制平面接口s 1 m m e 实现e n o d e b 和m m e 间的连接，负责完成s 1 接口的无线承载控制等功能。s 1 接 4 核 心 网 接 么 网 口用户平面的协议栈采用面向非连接的u d p ，在u d p i p 基础上通过g t p u 协议 进行两个网元之间用户面p d u 不可靠传输。s l 接口控制面协议采用s c t p ，提供 应用层消息的可靠传输。 x 2 接口位于e n o d e b 之间，将原来3 g 系统网络结构中单独的r n c 去除，简 化了网络结构，将基站之间进行连接和对户，形成m e s h 型网络，保证用户在网络 实现无缝切换。x 2 接口同样也分为用户平面和控制平面。x 2 用户平面接口x 2 u 在e n o d e b 之间的i p 传输层上，采用面向非连接的u d p 协议提供用户p d u 的不 可靠传输。x 2 控制面接口x 2 c 也采用s c t p 协议，实现信令的可靠传输。 u e 系统中采用的扁平化的系统结构赋予基站更多的功能，使基站更加智 能化。3 g 通信系统中关于结构的定义采用等级制，与无线有关功能都集中在无线 网络控制器中，而在l t e 系统中，则将无线功能完全集中在基站侧，这样就可以 通过减少系统结构中存在的节点而减少系统时延，并使l t e 能够采用快速分组调 度。同时e n o d e b 之间的底层全部采用i p 传输，便于支持用户终端在整个网络中 的良好的移动性能，保证用户在同一网络内和不同类型网络之间的无缝切换。采 用全i p 网络的网络模型如图l 一2 所示： 图l 一2 全i p 网络结构模型 f i gl - 2a l l n e 附o r kn e t 、阳r k i n ga r c h i t e c t i l r e l t e 网络结构中相关的功能模块包括：r r m ，u e ，网络q o s 协商，位置管理， 寻呼，空闲和激活状态移动性管理，不同接入技术间的移动性，安全和加密，报 头压缩，上层自动请求重发，i p 地址分配，漫游，多媒体广播与组播，基站e n o d e b 在控制层面负责r r m 的各个子模块，同时包含负载均衡和分组调度，在用户平面 上无线资源控制r r c ，无线链路控制r l c ，多媒体接入控制m a c 和物理层也都 限制在e n o d e b 中。 具体的接入网和核心网功能模块划分如图1 3 所示： e u t r a n a g w 控制平面 一s a e 承载控制 一移动管理实体 a g w 用户层面 _ 一 p d c p i i e p c 图1 3e u t r a n 与e p c 功能划分 f i gl - 31 1 u n c t i o nm o d u l e so fu t r a na n de p c 参考图1 3 内容，e n o d e b 提供如下功能1 3 】： ( 1 ) 空中接口的功能，包括物理层、媒体接入控制层、无线链路控制和无线资源 控制。 ( 2 ) 无线资源管理相关功能，包括无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、 6 量峦窒适厶 堂亟 堂位途塞三l 直 上下行动态资源分配和调度等。 ( 3 ) 对e n o d e b 的测量与测量报告的配置。 ( 4 ) 用户数据流的加密和i p 报头压缩。 ( 5 ) 连接的移动性控制和对空中接口的接纳控制。 ( 6 ) 对用户附着的m m e 进行选择。 ( 7 ) 对m m e 发送的寻呼消息进行调度和传输。 ( 8 ) 对系统广播消息进行调度和传输。 接入网关a g w 分为移动管理实体m m e 和用户平面实体两个部分。其中m m e 负责如下功能： ( 1 ) 将寻呼消息按照规则分发到e n o d e b 。 ( 2 ) 鉴权认证、信令完整性保护、数据加密。 ( 3 ) 空闲状态的移动性管理。 ( 4 ) 系统结构演进s a e 承载控制。 ( 5 ) 非接入层信令的加密及完整性保护。 而p d c p 的功能是：负责非接入子层信令的加密和完成性保护等。 1 3l t e 系统关键技术 作为面向未来的无线高速数据传输解决方案，l t e 不仅在频谱上进行了扩展， 还在提高频谱效率方面做了大量改进，这些改进包括在物理层采用的多项关键技 术：o f d m 、m i m o 、a m c 、h a r q 等。 ( 1 )o f d m 正交频分复用( o f d m ) 技术【4 】是一种可以在频率选择性信道上实现高速数据传 输的高效方法。相对于属于单载波传输的扩频通信，o f d m 则属于多载波传输的 特殊形式。在o f d m 系统中，数据被复用在许多窄带子载波上，这可以通过基于 快速傅里叶变换的高效数字信号处理实现。相邻的o f d m 符号间会插入一个循环 前缀( c p ) ，在多径信道中，如果信号的最大延迟扩展小于c p 的间隔，o f d m 符 号间干扰( i s i ) 就可以被消除。当一个发射信号经过宽带无线信道时，信号能量 在多径传输过程中衰减严重，同时会引入严重的多径干扰，而o f d m 技术则可以 有效地抵抗多径干扰的影响，同时利用宽带信道的频率选择性效应得到频率分集， 提高了频谱利用率。 子载 ，波映 i f f t 、 射 飞。 图l _ 4o f d m 调制的信号处理过程 f i g1 _ 4f h m ec h a r to fo f d ms i g n a lp r o c e s s i l l g ( 2 ) m 蹦0 m i m o 广义上指在发射端和接收端同时采用多天线，这样可以获得多分集增 益而增加接收端的载干比，也可以通过利用空间信道的相关性实现空分复用【1 1 。 m i m o 是h s p a 演迸新增加的主要特征之一。引入m i m o 主要是为了通过多流传 输提高给定信道下数据峰值速率。 m i m o 可以在不增加带宽或者总发送功率耗损的情况下大幅地增加系统的吞 吐量和传送距离。m i m o 的主要设计思想是：利用无线传输环境的某些特性，通 过并行地发射多个数据流来获得较高的数据速率，同时通过提升数据速率来提高终 端用户吞吐量，并最终在一定程度上提高系统吞吐量和改善通信质量。 三种的典型的m i m o 技术分别是：空间分集、空间复用和波束成形。空分复 用采用多天线配置，在发射端，将高速数据流分割为若干低速率的数据流，并通 过不同的发射天线在相同的频段上发射，当发射端和接受端的天线阵列之间构成 的空间域子信道差别足够大，使得在不同发射天线上发送的信号能够在空间维度 相互区分，这样在接收端就能够在不需要增加额外的频率资源和时间资源的条件 下，接收并行的子数据流。空间分集是指：通过在发射端和接收端的多天线发送 相同内容的信息，可以增强传输的质量。波束成形是指：通过多天线，将需要发 送的信号集中在指向用户的波束上，从而减少其他用户的干扰。空间分集和空间 复用利用的是通过采用大间距的天线阵列实现的信道的弱相关性，波束成形利用 的是通过采用小间距的天线阵列实现的空间信道的强相关性带来的相长或者相消 干涉。空间复用用于信道条件好的情况以提高容量，而空问分集和波束成形用于 低信噪比条件下改善传输速率。 ( 3 )a m c 蜂窝移动通信系统中，无线传输信道是存在多径效应的时变信道，为了降低 传输过程中存在的衰耗对信号接收质量的影响，需要在发送端改变传输参数，以 更好的适应多变的信道传输条件。自适应调制和编码( a m c ) 技术就是根据用户 终端和e n o d e b 提供的信息得到信道条件的变化，从而动态地选择调制和编码的 方式( m o d u l a t i o na 1 1 dc o d i n gs c h e m e ，m c s ) ，变化的周期为一个t t i 。在l t e 通 信系统中，一个用户的所有频带都采用相同的m c s ，从而可以减少c q i 反馈的数 据量，减小信令开销并降低系统复杂度。 a m c 通过下行c q i 的测量和上行反馈，动态地改变调制方式和信道编码速率 来调整传输速率，对离基站较近，信道条件较好的用户，会被分配高阶调制方式 和较高的编码速率，而在离基站较远，信道条件不好的用户，由于需要更多的冗 余信息来保证接收端能够正确的解调信号，更多的冗余信息会降低编码速率，因 此会被分配低阶的调制方式和较低的编码速率。 ( 4 ) h a r q 混合自动重传请求( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q 吡e s t ) 结合了前向纠错( f o 刑a r d e n o rc o l l r e c t i o n ，f e c ) 和a r q ，是一种在高速无线通信过程中进行传输差错控制的 技术。f e c 编码技术通过在传输码中加入冗余信息在接收端通过特定的解码方 式可以自动纠正误码，降低传输过程中的误码率。 根据h a r q 中编码数据包在接收端的处理方式将h a r q 分为三类：第一类 h a r q ，在传统a r q 上使用f e c ，接收端发现接受的数据包出错即直接丢弃并向 发送端发送重传请求，这种方式信令开销小，实现简单。第二类h a r q 中，出现 错误的数据包不被丢弃，而是与重传的数据包合并，具有更强的纠错能力。第三 类h a r q 方式又被称为部分冗余h a r q ，结合了前两类h a r q 的优势，接收的错 误数据包不被丢弃，同时重传的数据包可以自译码，无需合并。 1 4l t e 系统无线资源管理概述 无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a i l a g e n l e i l t ，r r m ) 的目的是在有线带宽的 条件下，为网络中的用户终端灵活分配和动态调整传输参数和可以无线资源，最 大程度的保证业务的q o s ，提高无线频谱利用率，同时减小系统信令负担，降低 网络拥塞。 无线资源管理包括以下几个方面：( 1 ) 接纳控制及负载控制，以避免系统的 拥塞和不稳定；( 2 ) 信道分配及功率控制，以最大化系统资源的利用效率；( 3 ) 切换控制，以提供移动性支持；( 4 ) 系统状态监控以保证系统正常运行。对于 以l t e 为代表的下一代无线通信系统，需要支持更高的带宽，全面支持分组数据 9 业务，更高的用户移动速度，更短的传输时延等，这些性能指标的提升，要求l t e 系统中无线资源管理技术对以下几点进行改进和提高： 面向集成和融合不同接入技术的综合无线接入网络的资源管理 对传输层和更高层的有效支持 对增强型端到端o o s 的支持 面向新型无线接口的资源管理 现代无线通信系统的资源可以分为以下四类： ( 1 ) 时间：包括接入时隙、业务时隙、保护时间间隔、导频信号等，利用时间 资源的目的是根据信道状态信息调整源数据与冗余数据的比例，从而最大 限度地保证信源数据的正确传输，针对系统传输的可靠性。 ( 2 ) 频率：包括信号带宽、保护频段、子载波信号速率和调频码字等。利用频 率资源的目的是保证系统传输可靠性的基础上，提高信息传输的效率，针 对系统传输的有效性。 ( 3 )空间：包括天线的极化方向、方位角、天线数目和空间位置等。利用空间 资源的目的也是为了提高系统的性能和容量。 ( 4 ) 功率：主要包括信号的功率、能量。蜂窝移动通信系统中，上行链路功率 分配应当在保证正常工作的前提下，将系统链路间干扰降低至最小；下行 链路在保证链路间干扰最小的前提下，将基站的发射总功率降低至最小。 无线资源分配研究的主要对象即为上述的四种资源。在无线通信系统中进行 资源分配的目的就是在所管辖范围内的无线资源进行集中式或者分布式管理，达 到整体或者局部资源最优使用和最大化系统容量的目标。具体到l t e 系统，无线 资源的分配和管理主要由基站侧的r r m 各个功能模块来实现。 蜂窝移动通信系统中无线资源管理技术的发展的几个重要阶段的特点如下： ( 1 ) 模拟通信中在单一的电路交换业务基础上进行简单的频谱规划。( 2 ) 以g s m 为代表的2 g 移动通信中，电路交换业务部分仍然以频谱规划为主，g p r s 系统出 现之后，移动通信系统开始提供分组数据业务，同时g p r s 系统引入了时隙概念， 而c d m a 系统中引入了码字和功率资源，新的无线资源的引入为无线资源管理提 供更加丰富的内容。与此同时，移动通信开始进入发展的黄金时期，移动用户数 量急剧增加，尤其以g s m 系统的成功为标志，移动通信业务需求不断增长，而频 谱资源的消耗也逐渐加剧，这些因素都导致移动通信系统中无线资源管理的重要 性越来越突出。g p r s 通信系统的出现是无线资源管理的里程碑，但2 5 g 移动通 信系统仍然属于窄带通信系统，而分组数据业务在整个通信系统中的比重还较低， 仅仅是电路交换语音业务的补充，所以其无线资源管理功能仍然相对简单。( 3 ) 3 g 移动通信系统采用5 m h z 载波间隔，是真正意义上的宽带蜂系统，高速率和可 1 0 变速率的多媒体业务也开始出现，虽然传统的语音业务仍然是主体业务，但是数 据业务重要性日益凸显，逐渐成为通信业务的重要组成。除了业务多样化，3 g 物 理层技术中c d m a 技术的应用，使得无线资源的要素包括了频率、码字、功率等 内容，另外对t d s c d m a 系统，还增加了时隙，无线资源内容更加丰富。由此， 无线资源管理变得更加复杂，除了传统的无线频谱资源规划和分配之外，还包括 了功率控制、速率控制、多用户调度、切换呼叫控制、拥塞控制等。在3 g 系统中 有代表性的w c d m a 中，无线资源管理的内容包括：接纳控制和负载控制，以避 免系统的拥塞和不稳定；信道分配和功率分配，以最大化系统资源利用率；切换 控制以提供对移动性的支持；系统状态监控，以保证系统正常运行；此外r r m 还 包括了码字管理和a m r 语音模式控制等内容。这些无线资源管理技术按照应用对 象可以分为两类：面向连接的r l 洲和面向小区的r i 洲，其中面向连接的r i 洲主 要采用信道配置、功率控制、切换控制等算法确保连接的q o s ，并使该连接占用 的无线资源最少化；面向小区的删则主要采用码字资源管理，负载控制等算法 在确保该小区稳定的前提下，接入更多的用户，以提高整个系统的吞吐量。( 4 ) l 1 色系统的无线资源管理由于系统本身需要支持更高的带宽( 2 0 m h z ) ，同时l t e 系统已经没有电路交换，而全部采用分组交换，因此需要全面的支持分组数据业 务，同时l t e 系统支持高达1 0 0 m b p s 的下行数据传输速率，更高的用户移动速度、 更短的传输时延等，因此无线资源管理的难度更大。 l t e 系统采用了0 f d m s c f d m a 与m i m o 为核心的多种无线接口技术， 这些先进技术的应用使得无线管理的内容更加丰富，使用无线资源管理的手段和 方法也更加灵活。 以o f d m 为代表的多载波技术可以和时分复用、码分复用、空分复用相结合， 这些多维度的无线资源的出现使得l t e 系统可以根据用户的信道状态信息，灵活 配置，进行最佳的资源分配，而s c f d m a 虽然是单载波频分复用，但是在原理 上仍然具有多载波系统的特点，可以利用多用户分集进行调度，提高系统容量。 另外，m i m 0 技术的引入，增加了系统容量的同时并没有增加带宽，另外，在l t e 上行所采用的虚拟m i m o 系统，增加了无线资源管理的内容和复杂度。 针对l t e 系统，无线资源管理面临以下几个关键问题和挑战： 无线资源管理需要处理更加复杂的网络环境，包括多种无线接入技术前提下的 异构网络之间的切换等。 无线资源管理需要增强对传输层和更高层、对增强型端到端的q o s 的支持。 无线资源要素内容更加丰富，需要处理的无线接口资源的复杂度增加。 无线资源管理中的分组调度技术是针对用户多种类型分组业务传输q o s 需求 进行多种无线信道资源灵活和动态分配，最大程度提高移动通信系统无线信道利 用率的重要方法。 无线分组调度的目标是针对网络中进行通信的用户，在满足对阻塞率、掉话 率和相关业务q o s 需求的基础上上优化小区容量。分组调度属于基站中r r m 核 心功能之一，负责在多个用户争用有限带宽资源的情况下，利用一定的机制确定 服务次序，对用户进行优先级排队，从而实现无线资源的有效利用。3 g p p 中对实 际应用中采用的分组调度算法并没有具体指定，这就给分组调度算法的研究留下 了很大的空间和自由度。完成分组调度功能的实体主要是位于e n o d e b 中的分组调 度器，如图2 4 所示为分组调度器的基本原理结构。调度器首先根据信道状态监视 预测模块收集到的信道状态信息和当前用户队列状况，根据分组调度算法所确定 的调度准则，计算出用户相应调度因子的优先级，然后将争用资源的用户根据其 优先级排队并分配无线资源，最后将用户信息通过发射机进行处理和发送。 缓存区长度 e = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 3 缓存区l 缓存区2 缓存区3 缓存区k e = = = = = = = = 队列长度 图1 - s 分组调度器原理结构图 f i gl 5p a c k e ts c h e d u l e rs t r u c t u r e 分组调度器需要根据3 g p p 定义的参数灵活可调。l 种常见的分组调度策略包 括：( 1 ) 基于吞吐量公平，调度系统中吞吐量最低的用户，使用户的平均吞吐量 相等；( 2 ) 基于资源公平或者调度时问公平，按照轮淘方式调度用户，确保用户 获得的物理资源相同或者平均调度时问相等；( 3 ) 基于吞吐量最大化或者信道质 白舻白舻 白帅 白胪 ：止!坌堑 厶 堂 亟l：羔互 迨 塞型一直 血 最人化，州度系统巾具有最高数据传输速率的片j ，? - 或者最优信噪比的用户进行 调度，优化小区容量；( 4 ) 基于资源的比例公平，根据实时吞吐量比值或者倍道 质量比值进行用户资源分配，实现近似平均的资源配置，同时优化小区容量。 在l t e 中空中接口物理资源分配的单位是r b ( r e s o u r c eb l o c k ) ，实际的无线 分组调度就是通过对r b 的分配来实现的。r b 的结构如图1 6 所示： 1 2 个子载波 - jl i豳 脚的捌吉号 、 - _ 口瑚的导频信号 波 兰 o o 瑚的删言号 - 卜 磁蝌频信号 1r 1 5 本文内容与结构安排 本文针对l t e 系统协议体系的演进和发展做了阐述，同时也对无线资源管理 的内容和作用进行了说明和分析。在l t e 系统平台上，针对无线资源管理中的分 组调度算法进行了对比和研究，在原有算法的基础上，针对当前无线通信系统中 存在的新的特点，提出了一种新的基于调度紧急度函数和资源利用效率函数的无 线分组调度算法，并对所提算法进行了系统性能的仿真和分析。全文共分五章， 具体章节结构安排如下： 第一章引言，介绍了l t e 系统演进的过程和主要性能参数，l t e 系统网络架 构，同时还介绍了l t e 中实现提高频谱利用率的关键技术以及无线资源管理的重 要内容。 第二章主要分析了分组调度算法在当前面临的问题和挑战，介绍了算法性能 评价的关键指标，并对现有算法的原理、优劣点等进行了重点研究，最后根据仿 真数据总结了各个算法的特性。 第三章提出了基于紧急度和频谱使用效率函数的分组调度算法，并重点分析 了优先级计算式中的各个调度参数的原理和作用，同时给出了算法实现的具体流 程。 第四章则针对所提算法进行了多方面的仿真和比较，包