（通信与信息系统专业论文）无线网络中机会调度算法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 由于信道的衰落和阴影效应的存在，无线网络的信道状态是时变的。在某个给 定时间，不同的移动用户经历的信道状态是不同的。因此当许多不同用户独立衰落 时，肯定会有一些用户经历比较好的信道状态，如果只允许这类用户进行数据传输， 就可以最大限度的利用共享的信道资源并且最大化系统吞吐量。这种调度机制被称 为“机会主义”。如果所有用户的服务要求是机动的，这种调度机制就可以获得更高 的频谱效率。为了在实际系统中实现机会调度，需要考虑下面的问题：公平性和用 户的服务要求。如果只允许靠近基站的用户进行数据传输，这样虽然获得了高吞吐 量，但是却是以牺牲别的用户为代价的。一个好的调度策略不仅仅要考虑长期的平 均吞吐量，还要考虑实际系统的用户不同的服务约束。本文研究了一种将r r 算法 和m c s 算法、p f s 算法结合的方案，即o r r ，n o r r 算法。并通过仿真证明了： 与r r 算法只能获得高公平性和m c s 算法只能获得较高的频谱效率相比，这种算法 能同时获得相对较高的频谱效率和公平性，因此是一种比较好的折衷方案。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t i nw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h ec h a n n e lc o n d i t i o n sa r et i m e - v a r y i n gd u et ot h ef a d i n ga n d s h a d o w i n g d i f f e r e n tw i r e l e s su s e r se x p e r i e n c ed i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n sa tag i v e n t i m e w h e nt h e r ea r em a n yu s e r sw h i c hf a d ei n d e p e n d e n t l y , a ta n ym o r et i m et h e r ei sa h i g hp r o b a b i l i t yt h a ts o m eo ft h eu s e r sw i l lh a v eas t r o n gc h a n n e l b ya l l o w i n go n l yt h o s e u s e r st ot r a n s m i t ，t h es h a r e dc h a n n e lr e s o u r c ei su s e di nt h em o s te f f i c i e n tm a n n e ra n dt h e t o t a l s y s t e mt h r o u g h p u t i sm a x i m i z e d s u c h s c h e d u l i n g m e c h a n i s m sa r ec a l l e d o p p o r t u n i s t i c i ft h es e r v i c er e q u i r e m e n to fa l lt h eu s e r sa r ef l e x i b l e ，s u c ho p p o r t u n i s t i c s c h e d u l i n gm e c h a n i s mc a nr e s u l ti nh i g h e rs p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，a n di n c r e a s e ds y s t e m t h r o u g h p u t i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ei d e ao fo p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n gi nar e a ls y s t e m ， t w oi s s u e sn e e dt ob ea d d r e s s e d ：f a i m e s sa n du s e r s s e r v i c er e q u i r e m e n t 。a l l o w i n go n l y u s e r sc l o s et ot h eb a s es t a t i o nt ot r a n s m i tm a yr e s u l ti nv e r yh i g ht h r o u g h p u t ，b u ts a c r i f i c e t h et r a n s m i s s i o no fo t h e ru s e r s a l s o ，as c h e d u l i n gs t r a t e g ys h o u l dn o tb ec o n c e r n e do n l y w i t hm a x i m i z i n gl o n g - t e r ma v e r a g et h r o u g h p u t sb e c a u s e ，i np r a c t i c e ，a p p l i c a t i o n sm a y h a v ed i f f e r e n tu t i l i t i e sa n ds e r v i c ec o n s t r a i n t s i nt h i sa r t i c l e ，w ep r o p o s e dan e w s c h e d u l i n ga l g o r i t h mw h i c hc a nb ec a l l e do p p o r t u n i s t i cr o u n dr o b i ns c h e d u l i n g s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a t ，c o m p a r e dw i t hp r e v i o u ss c h e d u l i n gt e c h n i q u e ss u c ha s r o u n dr o b i ns c h e d u l i n go rm a xc n r s c h e d u l i n g ，o u ra l g o r i t h mw a sa b l et oo b t a i nb o t h h i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n df a i m e s s ，w h i c hp r o v e dt h a tt h i sn e ws c h e d u l i n gt e c h n i q u e c o u l db eac o m p r o m i s eb e t w e e ns p e c t r a le f f i c i e n c ya n df a i r n e s s i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 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： 亟【壅 日期： 丛1 2 11 ：乡一 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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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：粒导师签名： 日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 9 8 9 年，a d e m e r s 等人最早将无线网络中区域性和突发错误特性考虑进调度 算法，提出了依靠链路状态的分组调度算法( c h a n n ds t a t ed e p e n d e n tp a c k e t s c h e d u l i n g ，c s d p s ) 【1 1 。1 9 9 7 年，l u 和b h a r g h a v a 等人提出了蜂窝结构无线网络中 的理想公平调度算法( i d e m i z e dw i r e l e s sf m rq u e u e i n g ，i w f q ) 【2 1 。在其论文中，作 者指出无线链路突发错误会导致在有线网络发展起来的调度算法在无线环境中应用 时的失效。因为有些处于积压状态的业务流( 设为f 1 ) 即使根据w f q t 3 】等算法的调 度结果获得了发送机会也会出于链路失效而将发送机会转让给其他的业务流( 设为 亿) ，从而导致公平性无法保证。为了保证公平性，就需要对发生链路突发错误的业 务流在其恢复正常传输时对之进行补偿。i w f q 中的补偿模型是隐含的，算法保持 了服务的顺序标记，可以记录滞后流滞后的服务量。这样，滞后流一旦检测到链路 恢复正常，就会马上启动发送过程，并将滞后的业务量弥补过来。 然而i w f q 的补偿过程并不科学，会引起所谓的隔离性问题。因为对f 1 的补偿 可能会影响到对于正常业务流的正常服务。为了解决隔离性问题，s t i o i c a 等人提出 了独立于链路状况的分组公平排队( 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 t f a i r q u e u e i n g ，c i f q ) o l , 该算法的补偿模型比i w f q 更加合理，能够使得补偿行为更 加平滑，从而提高了算法对业务流之间调度的隔离度。他们在算法中提出了超前服 务( l e a d ) 和滞后服务( l a g ) 的概念。以始终正常的业务流( 设为f 3 ) 为参照，n 和亿可以分别称作滞后流和超前流。算法规定补偿行为只能在超前流和滞后流之间 进行，而不能影响正常流所得到的服务。 1 9 9 8 年，er a m a n m h a n 等人提出的基于服务的公平方式( s e r v e rb a s e df m r a p p r o a c h ，s b f a ) 【5 】调度算法从另外的角度提供了对差错流的补偿机制。在s b f a 中，系统预留了一部分信道带宽用作补偿，而不是在滞后流和超前流之间交换时隙 来实现补偿。算法维护了一个虚拟流，称作长时公平服务器( l o n gt i m ef a i rs e r v e r ， l t f s ) 来提供补偿并根据业务流的权值为之分配用作补偿的预留带宽。如果为某个 流分配了时隙但是由于链路错误无法进行发送，则l t f s 就将该时隙在l t f s 的队列 中缓存起来，而系统最终会将l t f s 与其他j 下常业务流一同分配带宽进行调度。在 s b f a 中没有超前服务的概念。滞后业务流得到补偿的顺序依据其时隙在l t f s 中的 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 顺序而定。算法维护了业务流之间的长时公平性，但是对业务流不提供短时的公平 性保证，也没有最坏情况下的时延界。针对研f q 的缺点和在无线网络上传输时延 敏感型业务的需求，l u 和b h a r g h a v a 等人又提出一种新的无线公平服务( w i r e l e s sf a i r s e r v i c e ，w f s ) 算法【2 1 。w f s 将理想公平、信道状态及补偿与惩罚相结合，实现了 时延和带宽的解耦，同时实现了长期公平性和短期公平性的保证，此外，w f s 算法 具有较好的隔离性，实现了超前服务量的良好降级性能。 这些研究开创了无线调度算法的研究局面，但是对于无线环境的考虑仅仅局限 于突发错误链路的影响，相对简单。1 9 9 9 年c a s i m i r o 等人研究了自适应调制系统的 分组调度问题，考察了r o u n d r o b i n 和最大载干比( m a xc a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，m a xc i ) 这两种简单的调度算法下系统吞吐量的变化【6 】。在2 0 0 0 年，q u a l c o m m 公司的j a l a l i 等人在对h d r 系统中提到了他们针对h d r 系统所设计的比例公平调度算法 ( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ，p f ) 【7 1 。值得一提的是，这些算法虽然比较简单，但是将无 线调度的目标从公平性、时延等传统性能需求扩展到了对无线资源进行优化的新视 角，开拓了调度算法的一个新的研究领域。 1 2 无线网络中的无线电资源 无线网络的一个重要挑战是根据移动用户的需求最大程度地利用无线资源，无线 网络中可用的无线资源是随着时间变化的，但是一些既定特性会一直对无线资源有约 束作用。这三个主要特性是系统的架构、可用的频谱资源和系统接入技术。下面将分 小节简要介绍无线网络的这三个主要特性。 1 2 1 网络架构 无线网络的架构不外乎是蜂窝网络架构或者a d h o c 网络架构【8 1 。蜂窝系统是基于 静止的基站的，这些基站的作用是为移动用户提供服务，通常认为这是一种集中式网 络架构，因为这种类型的网络中绝大多数活动是通过基站、基站控制器、交换机来管 理的。 与蜂窝系统不同的是，在a d h o c 网络中，所有的节点都是由移动主机组成的。 这种网络架构通常被称为分布式网络架构，因为每个移动用户各自管理自己的行为。 基站的位置、每个基站或者移动终端的天线数量和类型、设备的复杂度、以及可用的 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 传输功率都是网络架构的过程中要集中考虑的重要因素。 1 2 2 频谱资源 频谱资源也是无线网络中很重要的资源，无线网络总的吞吐量随着可用频谱资源 的增加而增加。大多数国家对不同系统的频谱资源都做了规范，这就是说，每个网络 运营商在各自分享的频谱资源上部署无线网络，另外还有一些未经许可的可以自由使 用的频谱资源。 1 2 3 接入技术 接入技术是为了让多个用户可以分享同一个物理信道，接入技术的设计过程就是 充分利用网络架构和可用频谱资源，即提高频谱利用率。接入技术一般是基于时分复 用( t d m ) ，频分复用( f d m ) ，码分复用( c d m ) 【8 】【9 】的，接下来，我们就介绍几 种常见的多址接入技术： f d m a 是应用最早的一种多址技术，它将传输频带划分为若干个较窄且互不重叠 的子频带，不同用户信号被分配到不同的频带里，通过带通滤波器隔离不同频率间的 干扰，从而实现多址通信。f d m a 需要满足的条件是： f 厂；x t ( 厂) 玛( 厂) d 厂= 呈： ：兰；( z ，歹= 1 ，2 ，) ( 1 1 ) 在数字蜂窝通信系统中，采用f d m a 制式的优点是技术比较成熟和易于与模拟系统 兼容，缺点是每个f d m a 子频带每次只能承载一路业务信息，在信道空闲是也不能 被其他用户共享，频谱利用率较低，系统容量较小，且系统中同时存在多个频率的信 号，容易形成互调干扰。 t d m a 方式是在给定频带的最高数据传送速率的条件下，把传递时间划分为若 干时隙，用户的收发各使用一个指定的时隙，系统通过定时选择信道来限制邻近信道 的干扰，这样一个频率就可被多个信号通过占用不同的时隙来实现同频复用。t d m a 需要满足的条件是： f 丁；x t c 亡) 巧c 亡，d c = o ： ；兰乡；c e ，= 1 ，2 ， c 1 2 ， t d m a 系统中的各用户仅在所分配的时隙工作，可以共享频带资源，因此频谱利用 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 率高，系统容量较大。它的缺点是由于发射速率较高，为了消除码间干扰的影响而需 要采用自适应均衡，此外用于同步控制等的系统开销也相对较大。 c d m a 方式是用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机编码信号或其他扩频码 调制所需传送的信号，使原信号的带宽被拓宽，再经载波调制后发送出去。c d m a 需要满足的条件是： ，x t ( d 而( c ) d r - 呈： ；兰劣( f ，歹= 1 ，2 ，) ( 1 - 3 ) 接收端使用完全相同的扩频码序列，同步后与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信 号解扩为原始数据信息。不同用户使用不同的码序列，它们使用相同频带，接收机虽 然能接收到，但是不能解出，这样可以实现互不干扰的多址通信，c d m a 技术在蜂 窝移动通信系统中的运用将大大提高系统的容量，增强系统的性能。图1 1 给出了上 述3 种主要接入技术的示意图。 时间时间时间码字 f d m at d m ac d m a 图1 1 三种主要接入技术比较图 1 3 无线资源管理的主要内容 系统架构，频谱资源和接入技术是影响无线网络的重要特性，但是，由于网络中 每个移动用户的信道质量都是随时间不断变化的，所以网络的效率也是时变的。再加 上无线网络中的移动用户数量也是不断变化的，每个用户在网络内传输和接收数据也 是随着不断变化的应用程序变化的。无线资源管理与无线网络的这些不断变化的特性 是紧密相关的，所以，我们可以把无线资源管理定义为根据不同用户和不同应用来利 用、分配和控制无线资源的实时过程【1 m 2 1 。 在大多数无线网络中，无线资源管理系统主要解决以下三个问题： 根据不断变化的无线链接的特性调整传输方案 根据瞬时信道质量和q o s 要求为移动用户调度无线资源 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 控制网络中新的用户的准入，根据可用无线资源控n d , 区间的切换过程 准入控制与 自适应传输机会调度 切换 图1 2 无线资源管理系统框图 图1 2 演示的是一个无线资源管理系统中三个组成部分的相互关系，图中箭头表 示系统中信息的流向。除了系统内的信息流动，三个部分中的任意一个部分都与网络 中的移动用户之间交换信息。根据信道条件对编码、调制和功率进行调整的过程通常 被称作自适应传输或链路自适应。调度算法和准入控制算法一般都集中在基站或基站 控制器中，这就意味着这二部分必须从移动用户那里收集信道状态信息( c s i ) 和用 户对q o s 要求的信息。 1 3 1 自适应传输 在过去的几年中自适应传输技术得到了快速的发展，这些新技术在现代无线网络 和标准中得到了实现【1 3 】【14 1 ，大多数无线网络应用的是数字调制方式，即幅度、频率 和载频相位随着要传输的调制符号而变化，在自适应传输的过程中根据移动用户的信 道质量来调整调制星座图，另外，还可以根据信道质量选择不同的编码方法和传输功 率，还可以动态地给信道质量最好的用户分配载波频率。 在一个集中式的系统中，从基站到移动用户的传输信道被称作下行链路，从移动 用户到基站的传输信道被称作上行链路。因为传输方案的调整依据是下行链路各个用 户的信道质量，因此基站要对最新的信道状态信息( c s d 进行估计。如果我们假设 相邻时隙之间的信道质量会发生很大的变化，那为了实现自适应传输，就必须在每个 时隙对c s i 进行估计。论文中我们假设信道质量的测量是基于载波噪声比的( c n r ) ， 载波噪声比的定义如下： d y = 斋 ( 1 4 ) = 一 il 一斗l n 洲七p l 、j、 式中p r d b m 代表的是接收信号的功率，n o d b m h z 代表的是噪声功率谱密度，研h z 】 代表的是接收信号的带宽，p f d b m 代表的是接收到的与小区内干扰s u d , 区间干扰相 关联的信号功率。 如果一个网络在上行链路和下行链路应用的是基于t d m 的传输，并且上行链 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 路和下行链路用不同的载波频率，c s i 就必须在基站和移动用户之间互相发送，基 站根据接收到的c s i 调整下行链路的传输，同时移动用户根据接收到的c s i 调整上 行链路的传输。如果一个网络以t d d 作为接入技术，一个用户的上行信道和下行信 道之间的互惠性就可以得到利用，这意味着一个用户在上行链路和下行链路的信道 质量是一样的，在这样的网络中，可以通过在上行链路发送引导符号来对下行链路 进行估计，反之亦可。 1 3 2 机会调度 无线网络中的调度过程可以定义如下：即在当前选择哪个用户发送和接收信息， 以达到增加吞吐量或者q o s 的目的f 1 5 1 。举例来说，q o s 通常具体是指功率消耗，缓 冲区溢出或延时。在分时隙的系统中，一个用户不需要在每个时隙都被调度，因为 c d m ，f d m 和波束成型技术使得在同一时间段可以和更多用户进行通信，整个调度 过程是由调度器来完成的。在现实的网络中，调度器就是一个算法，整个调度过程 集中在蜂窝网中的基站完成，在现代无线标准中通常称这样的调度过程为机会调度， 也就是说信道质量比较好的移动用户会优先传输和接收数据。通过赋予那些信道质 量最好的用户优先级，可以达到增加系统频谱效率和提高q o s 的目的。这是用户间 存在多用户分集的结果【l6 1 。但是信道是随着时间慢慢变化的，一个用户前后二次被 调度的时间可能很长，这样有些用户就可能长时间不能传输和接收数据，为了防止 这种情况发生，我们在设计调度算法的过程，要考虑的就不仅仅是信道的状况，还 要考虑用户对q o s 的要求。 在无线网络中为了获得更好的系统频谱效率，可以利用除了多用户分集以外的 其他类型的分集，无线网络中分集的出现主要是因为由于不同的网络技术、不同的 基站、不同的移动用户、不同的频率、不同的编码方法和不同的天线而产生的不同 信道质量变化，我们可以通过把用户分配给信号质量最好的基站和网络来同时利用 这些不同类型的分集，把频率和时隙调度给那些信号质量较好的用户，通过不同天 线上的接收信号的结合提高频谱效率。 前面已经提到实现机会调度所需要的大多数信息可以从编码、调制和功率的调 整过程中获得，移动用户的下行信道和上行信道的c s i 可以从基站获得，如果假设 每个时隙所有用户的c s i 都可以获得的话，基站就可以根据这些信息以时隙为单位 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 进行调度。调度方案确定以后，必须同时执行下行链路和上行链路的传输，下行链 路的传输是通过基站执行的，而上行链路的传输是通过每个移动用户执行的。下面 的图1 3 可以比较直观的看出机会调度的大概过程。 图l 。3 机会调度示意图 1 3 3 准入控制和切换 调度算法的主要目的通常是获得高吞吐量，并且达到用户在网络中传输和接收 数据的q o s 要求。相对于有限的频谱资源，如果运行过多的应用程序，上述任务就 不可能实现。因此，网络中运行的应用程序数量必须有一定的限制，以保证系统中 用户的q o s 不会降低太多。无线资源管理系统中的准入控制算法的目标就是要限制 网络中新用户的进入【1 7 1 。准入控制和调度算法的性能是紧密联系在一起的。如果在 一个相对较长的时间范围内调度算法的性能很好，网络就会有空闲的空间，这时准 入控制算法就允许新的用户进入网络。如果调度算法已经很难满足当前系统中已有 的应用程序对q o s 的要求，准入控制算法就不会允许新应用的进入。 切换技术是指移动用户终端在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站 覆盖区内或者脱离一个移动交换中心( m s c ) 的服务区进入另外一个m s c 服务区 内，以维持移动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高蜂窝移动通信系统的容 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 量。切换管理主要是以网络信息信号质量的好坏、用户的移动速度等信息作为参考 来判断是否应执行切换操作。如果一个移动用户遭遇了坏的信道质量，可能一定区 域内另一个基站可以提供更好的信道质量。因此，移动用户就会测量周围所有基站 的载频信号的强度，以决定是否通过切换提高无线传输质量。切换过程可以由移动 用户自己来管理，也可以集中在网络设施中完成，集中式切换控制的优势是切换过 程可以和无线资源管理系统中的其他部分紧密整合在一起。 1 4 论文安排 本论文的内容安排如下： 第一章首先介绍无线调度算法的发展状况，并介绍了无线资源管理系统的主要 内容，最后给出了论文的总体结构安排。 第二章、第三章主要介绍了一些重要的背景理论。第二章介绍了无线信道的基 本特性和几种信道衰落模型。第三章引出了多用户分集的概念并对调度进行了概要 叙述，接着介绍了几种常见的调度算法，并且提出了把轮询调度( r o u n dr o b i n ) 算 法和比例公平调度( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g ) 算法以及最大载噪比调度算法 ( m a xc n rs c h e d u l i n g ) 结合的方案。 第四章是对几种算法的性能分析和仿真，其中衡量算法性能的三种指标是频谱 效率、时隙公平和吞吐量公平。通过计算机仿真最终得出结论：m c s 算法和r r 算 法只能获得高频谱效率和高公平性中的一个，p f s 算法和o r r 、n o r r 算法能同时 获得相对较高的频谱效率和公平性。 第五章总结全文的主要工作，并对无线调度的未来研究进行了展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线衰落信道 第二章无线衰落信道 2 1 无线信道的特点 在无线传输过程中，电磁波一般是经过反射、衍射和散射的传播路径到达接收 机的。在接收机端观察到的信号是经过不同传输路径到达的所有信号的叠加，每个 电波不仅幅度衰减和相位偏移不同，而且到达的时间也不同，因此在接收机处接收 到的信号呈现出移动通信所特有的衰落特性。 信号的强度随距离不断变化即产生了衰落，根据强度变化的快慢，可以将衰落 分为慢衰落和快衰落两种【1 8 】。 2 1 1 慢衰落 接收信号的强度随距离呈缓慢变化，称为慢衰落。变化的原因主要有两个方面： 一是地区位置的改变；二是气象条件的变化。后一原因引起的变化较小，通常可被 忽略。电波在传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，手机通过不同的阴影 区会引起中值变化，因此这种衰落也叫阴影衰落。 慢衰落信号变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、变化速率、障碍物和移动 台移动速度。慢衰落信号强度近似服从对数正态分布： 1 p o ) = 去e - f l u 叫) 2 伽2 ( 2 1 ) 、，z 7 r 式中口为信号幅度“的均值。当移动用户和基站之间的距离为d 时，传播路径损 耗和慢衰落可以联合表示为： e 2 ( d ，f ) = d n l 0 t 6( 2 2 ) 式中礼表示路径损耗因子，f 表示由于慢衰落产生的对数( d b ) 损耗，服从零均 值和标准偏差盯( 一般为8 d b ) 的对数正态分布。式( 2 2 ) 用d b 表示变为： l ( d b ) = l o l g d + ( 2 3 ) 2 1 2 快衰落 接收信号的强度出现快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落，也称小区 间瞬时值变动。统计表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包络起伏近似 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线衰落信道 于瑞利( r a y l e i g h ) 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落。快衰落的衰落幅度变化与 地形地物有关，可达1 0 d b 3 0 d b ，衰落速度与移动台速度有关。例如：车速4 0 k m h ， 电波频率8 0 0 m h z 时，衰落速度达每秒3 0 - - 4 0 次。在没有直达路径的情况下( 当多 径数较多时，各路径信号幅度差异很小) ，快衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布；在存 有直达路径的情况下( 在各路径信号当中有一径信号强度明显高于其他各径) ，快衰 落服从莱斯( r i c e ) 分布。 产生快衰落的原因有两个：多径效应和多普勒频移。 1 ) 多径效应 由移动体周围的局部散射体引起的多径传播效应称为多径效应，表现为快衰落。 发射端的信号到达接收端的路径并非一条，由于经历不同的传播损耗和衰落，各径 信号均不相同。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变 动而衰落，幅度的变化反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散的损耗。从时域 角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同，即如果从基站发送 一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。这 种由于多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展的时 间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来衡量。时延扩展将引起 码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 2 ) 多普勒频移 在多径条件下，由移动体的运动速度和方向引起信号频谱展宽的现象称为多普 勒效应。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示： u 厶- - - 了c o s t z( 2 4 ) 几 式中倪是入射电波与移动台运动方向的夹角，u 是移动台运动速度，a 是波长。上 式中，v a 与入射角无关，是尼的最大值，厶= o a 称为最大多普勒频移。 快衰落可分为以下三类：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。 所谓选择性，是指在不同的时间、不同的频率和不同的空间，其衰落特性是不同的。 在实际的移动通信环境中，三类选择性衰落都存在，它们形成的原因是由于多径传 播。选择性衰落按产生的条件可划分为以下三类： 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的发射而形成的干扰信号，其 特点是在信号频域上产生多普勒频移而引起时间选择性衰落； l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线衰落信道 第二类多径干扰：由远处山丘或者高大建筑物反射而形成的干扰信号，其特 点是信号在时域和空间角度上产生了弥散，从而引起相对应的频率选择性衰 落和空间选择性衰落； 第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信 号，其特点是严重影响到到达天线的信号入射角分布，从而因此空间选择性 衰落。 综合以上叙述，快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生的。随着移动台的移 动，快衰落是信号强度瞬时值的快速变动，而慢衰落是信号中值的缓慢变动，这二 者构成了移动通信接收信号不稳定的因素，可能会对信号产生相应的影响。所以， 对于无线信道的衰落对信号的不利影响需要采取相关的措施加以降低或消除，而对 于有利影响则要采取措施加以利用。 2 2 信道衰落模型 下面我们将简单介绍一下现今流行的几种信道衰落模型，主要是指多径信道的 包络统计特性。一般而言，接收信号的包络根据不同的无线环境服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布和莱斯( r i c e ) 分布。另外，还有一种具有参数m 的n a k a g a m i m 分布，参数 r n 取不同的值时对应的分布也不相同，因此更具有广泛性【19 1 。 2 2 1r a y l e i g h 分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量 是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下： l ( t ) = ya 8 ( t q ) p 施 ( 2 5 ) j 一 = l 其中l 代表到达的多径数，a f 代表第f 条路径的信号幅度，l - l 代表第2 条路径相对 第一条路径( r = 0 ) 的时延，咖。代表第f 条路径的信号相位。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线衰落信道 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 、 l|。 | | | 1 00 5 1 1 5 22 53 3 5 4 r o 图2 1 瑞利分布的概率分布密度 假设发射机和接收机之间没有直射波路径；有大量的反射波存在，且到达接收 机天线的方向角是随机分布的( o 一2 兀均匀分布) ；各个反射波的幅度和相位都是统 计独立的，则到达接收机的信号包络r 服从瑞利分布： 时) = 主e 印( 一嘉) ( r 0 ) ( 2 - 6 ) 仃2 为r 的方差。瑞利分布的概率密度函数如图2 - 1 。 2 2 2r i c e 分布 当接收信号中有视距传播( l o s ) 的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分 量，同时还有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时的接收 信号幅度r 就呈莱斯分布。 附) = 言唧( r 2 2 + 盯2 a 2 厂、r 万a ) o j r 0 ) ( 2 - 7 ) 其中盯2 为7 _ 的方差，a 是主信号的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛尔 分布常用参数来描述，k = 豪，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线衰落信道 表不： k=10幻az(2-8) k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a 一0 ，k 一- o o d b 时，接收信号中没有主 导分量，此时混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在 使得接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱 斯分布将向高斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数如图2 2 。 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条 路径就是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强， 信号的衰落也服从莱斯分布。 0 1 0 、k 2o 瑞利分布 l i f | k = 0 g ，l 一 k = 2 k ： ：8 k = 1 8 ，一、。 一l + - 7 ，： | 、 f 7j x | ，、 i n ? 0 ) ( 2 - 9 ) 烈= 可而f 唧l 一刮扩刈j u 叫j 其中m = 笔舄，是n a k a g a m i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q = e ( r 2 ) ； r ( m ) = j t m - x p 一d c 是g a m m a 函数。n a k a g a m i - m 概率密度函数见图2 3 。 1 6 1 4 1 2 1 菩0 8 o 6 o 4 0 2 o 一z j j 3 _ = 4 扩m 2 3 八虹m 2 2 番 砖辩专怍。 心乒怍妒 闵 ，2 。7。| 7 嘴 助怂蕊 0 0 511 522 533 54 r 图2 - 3 净l ，n a k a g a m i - m 分币采劢分研阴概翠分币苗，殳 对于功率s = r 2 2 的概率密度函数，则有 如) = ( m 篙p 印( 一书( 2 - 1 0 ) 式中，蚕= e ( s ) = a 2 ，为信号的平均功率。 当m = l 时，有 时，= 百2 7 p 印( 一句 = 知( 一 = ie 印i 一了| ( 2 1 1 ) 则n a k a g a m i m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布可以用m ( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关 系来确定近似，即 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线衰落信道 仇= 样( 2 - 1 2 )仇= 面万t 当m 较大时，n a k a g a m i - m 分布接近高斯分布。 2 3 本章小结 电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波， 再加之移动台本身的移动性，使得移动台与基站间的无线信道呈现多种衰落特性。 本章简单介绍了无线信道的特点以及几种衰落模型，包络瑞利分布、莱斯分布和 n a k a g a m i m 分布。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章多用户分集及机会调度 第三章多用户分集及机会调度 无线信道最基本的一个特征是信号多径产生的衰落。对付信道衰落的一个重要 的方法是采用分集技术。这些分集的基本思想是在发送端和接收端之间创建独立的 信号传输路径。这些分集技术都是应用在点到点的链路之间。在一个多用户的系统 中，从m a c 层的角度出发，就会出现另外一个分集现象：多用户分集。当一个系 统中存在多个用户，并且这些用户的信道衰落情况是相互独立的时候，那么就会出 现几乎在任何时刻都会有一个用户其信道增益处于峰值时期，如果每次都调度其信 道情况最好的那个用户，系统的整体吞吐量将会增加，这就是多用户分集带来的增 益。 3 1 多用户分集 传统的无线通信系统设计技术的着眼点是“点对点”通信，并且是面向对时延 要求严格的语音通信，所以其目标是使信道尽可能恒定，接近加性高斯白噪声( a w g n ) 信道。由于未来无线通信是面向数据的，信息论研究结果表明，如果发射端和接收 端均知道信道的状态信息，利用时间域上的注水策略( 即信道较好时刻分配较多功 率，信道较差时分配较少功率甚至不分配功率) ，可提高衰落信道的容量乜们乜副，但只 有在低信噪比条件下，衰落信道容量才高于a w g n 信道容量。然而，如果我们的观点 从传统的“点对点”通信转向多用户系统的“点对多点 通信，情况将发生很大的 变化。这就使我们的研究指向了另外一种分集技术多用户分集降2 利。 下面我们从无线通信系统下行链路的一个简单例子开始。假定有一个基站发射 端，k 个用户接收端，其中基站只有1 根发射天线，则基带时隙块衰落信道模型为： y c ( 亡) = h k ( t ) x k ( t ) + o k ( t ) ， k = 1 , 2 一，k ( 3 1 ) 其中，z ( 亡) 是时隙t 时的传输符号向量，y k ( t ) 是时隙t 时用户七的接收符号向量， 九_ i c ( t ) 是时隙t 时发射端到用户接收端k 的衰落信道增益，舢_ i c ( 亡) ) t 满足独立同分布的， 是零均值对称高斯随机向量，满足c n ( o ，仃2 ，) 。这是一个快衰落模型，在抽样时隙上 信道保持不变。这个模型事先假定了带宽足够窄，这样信道响应在整个带宽上是平 坦的。我们假定传输功率在所有的时刻都固定为p ，并且在基站的的功率限制范围内。 如果我们假定发射端和接收端能够完全追踪信道的衰落过程研_ i c ( c ) ) ，那么就可 以把下行信道看成是一组平行的高斯信道，每个信道对应于一个衰落状态。这个信 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章多用户分集及机会调度 道的总容量由传输给所有用户的长期平均数据速率的最大可能和决定，通过一个简 单的t d m a 策略就可以实现：在每个衰落状态，基站都传输给信道最强的用户【2 2 1 。 2 2 2 1 8 n 工 墓1 6 口 删 程似 珀 1 2 1 o 8 一一一a w g n 信道 瑞利衰落信道r ， | | 024681 01 21 41 6 用户数 图3 - 1 瑞利衰落和a w g n 信道的总容量，平均s n r = 0 d b 图3 1 画出了下行信道的总容量( 总的b s h z ) 随用户数变化的函数图，用户数 服从独立瑞利分布，平均接收s n r 为0d b 。可以发现系统的总容量随用户数的增 加而增加。相比而言，非衰落信道( 每个用户有一个固定的a w g n ，s n r = 0d b ) 的总容量则是一个常量，与用户数无关。使人感到奇怪地是，当用户数达到一定值 时，衰落信道的总容量开始大于非衰落信道的总容量，这就是多用户分集：当系统 中有多个用户，其信道状态变化相互独立时，任何时刻都存在一个用户，其信道s n r 要比平均值大很多。多用户分集增益来自于各用户信道条件的差异，衰落的动态范 围越大，多用户分集增益也越大。此外，多用户分集也和其他分集一样，性能的改 善程度随独立信道数的增加而增加，它在有大量用户的系统中最为有效。因此，如 果在所有的时隙使得基站都与信道最强的用户进行传输，就可以提高整个系统的频 谱效率，其值要比一个平均s n r 相同的非衰落信道大很多。 获得多用户分集的系统有如下要求： 每个用户都要通过一个下行导频信号追踪各自信道的s n r ，然后将瞬时信道 信息及时无误地反馈给基站。 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章多用户分集及机会调度 基站根据瞬时信道信息对用户进行调度，并对数据进行相应地调节。 这些特性在现有的许多3 g 系统中已经存在了，如i s 8 5 6 2 5 1 1 2 6 1 。 多用户分集也受到某些因素的限制，图3 2 对其进行了深入地研究，考虑系统 i s 8 5 6 在环境固定和移动两种情况下的总吞吐量与用户数之间的函数关系曲线。在 这两种情况下，总吞吐量都随用户数逐渐增大，但是在环境移动时尤其明显。而在 信道衰落情况下，环境移动时信道变化的范围和速率都要比环境固定时快。这就是 说：环境移动情况下信道波动的峰值可能更高，而峰值决定了调度算法的性能。因 此，在环境固定情况下，多用户分集增益会受到更大地限制。 移动环境 用占i 。rj a 凹庀a 7 i 一平均时间调度 ；f ，一 。 一，一。，一 一。一 f 一，一。 ，一。一， | 。，j ， l ?l 051 01 52 02 53 03 5 用户数 图3 2 环境固定和移动f 的多用户分集增益 与传统的观念不同，多用户分集是尽量挖掘无线信道衰落的波动性，这种挖掘 是通过机会调度来实现的。机会调度就是当一个用户的信道增益到达其峰值的时候 才调度它，一个两用户系统的机会调度如图3 3 所示，可以看出系统传输数据时等 效的s n r 为m a x s n r l ，s n r 2 。当一个系统中用户数目越多，那么数据都是在每个 用户信道增益达到最大时才传输的概率就最大，因为不同用户的信道衰落波动是独 立的。