（通信与信息系统专业论文）ofdma动态资源分配算法研究.pdf

中文摘要 摘要：正交频分复用多址( o m l o g o n a lf r e q u e n c y - d i v j s i o nm u l t i p l e x i n g a c c e s s ， o f d m ) 技术凭借其抗符号间干扰、抗频率选择性衰落以及频谱利用率高等优点， 已被l t e ( l o n gt e n i le v o l u t i o n ) 系统采用并作为下行链路中的核心技术。最近几 年来，随着l t e 系统的高速发展，更加多样化和复杂化的移动通信业务层出不穷， 从单一的语音业务发展到简单的短信息低速数据业务，再发展到目前可选性丰富 的多媒体业务，对于现行的o f d m a 资源分配算法提出了新的挑战，它要求我们 不但能保证资源的高利用率和用户间的公平性，同时也要照顾各种业务的q o s ( q u a l 时o fs e r v i c e ) 。为了满足业务需求，本文重点研究了基于0 f d m a 系统的 资源分配算法。 论文首先介绍了正交频分复用技术( o m l o g o n a lf f e q u e n c y - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) ，阐述了o f d m 和o f d m a 技术和l t e 系统的关系，对l t e 网络架构进行了说明，为后文的l t e 系统级仿真平台的搭建提供了理论基础。结 合无线通信系统的特性分析了无线资源管理技术重要性以及分组调度技术在无线 资源管理中的关键性。通过对无线通信系统中分组调度技术中的资源划分、调度 器及调度流程、调度方式选择等方面的深入分析，说明了资源调度算法的在分组 调度中的重要作用。 接着了介绍资源分组调度算法性能的评价标准，对几种经典分组调度算法进行 了仿真实现，按照评价标准对仿真结果做出了比较分析，得出了几个经典算法的 调度性能和适用范围。 最后在分析常用混合业务调度算法调度原理后，引入了效用函数的约束分析体 制，通过对业务效用函数的最大效用模型的建立和约束分析，提出了一种以保证 用户o o s 为目的的实时和非实时混合业务的调度算法，该算法能够更好的保证混 合业务调度中实时业务的时延特性，较之前的常用算法更好的保证了实时业务和 非实时业务之间的调度公平性，并通过算法在l t e 系统级仿真平台里的仿真结果 验证了算法的性能，考察了算法的优势不足以及适用环境。 关键词：o f d m a 系统；效用函数：混合业务：分组调度；l t e 分类号：t n 9 1 5 j 量立交适态堂亟主堂僮途塞旦墨! 丛g ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i mi t sl o wi s i ，趾t i 一舶q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga 1 1 dl l i 曲s p e c 仃a l e m c i e n c ya d v 觚t a g 胬，o r t l l o g o n a l f 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 a c c e s s ， ( o f d m a ) t e c h n o l o 鲥h 鹤b e e n c h o s e na sm ec o r et e c l l l l o l o g yi nl t e d o w i l l i l l l 【s y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，w i 也n l e 印i dd e v e l o p m e n to fl t es y s t 锄，am o r ed i v e r s ea 1 1 dc o m p l e x m o b i l ec o m m 硼i 础。潞b u s i n e s sc o m eo u to n ea r e ra 1 1 0 m e r t h ed e v e l o p m e n t 舶m v o i c es e i c e st oas i i l g l es m so fl o w - s p e e dd a t as e r v i c e s 觚dt ob en o wo p t i o n a l m u l t i m e d i as e r v i c 嚣1 1 l ec u 盯e n to f d m ar e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i l l np r e s e n t e dn e w c h a l l e n g e s i tr e q u 硫st l l a tw en o to n l ye n s u r eh i 曲r e s o u r c eu t i l i z a t i o na n df a i m e s s 姗o n gu s e r s ，b u ta l s ot a ：k ec a r eo fb u s i n e s sq u a l i t yo fs e r v i c e i i lr e s p o n s et ob u s i n e s s n e e d s ， t h i s p a p e rf - o c i l s e s o nt h es y s t e mb a s e do no f d m ar e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o n a l g o r i t l l i l l i h e p a p e rf i r s t l yd e s c r i b e s t h eo i t h o g o n a l 6 e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，d e s 嘶b e st l l eo f d ma n do f d m at e c l l l l o l o 百e sa 1 1 dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n l t es y s t e m sa n dn e t 、o r ka r c h i t e c t l l r eo fl t e s y s t e i l l p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r l el 1 甚s y s t 锄l e v e ls i m u l a t i o np l a t f o mb u i l d i n gl a t e r c o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sc o i l l m u i l i c a t i o ns y s t e m sa i l a l y s i sa 1 1 dt h e i i n p o r t a i l c eo fr a d i o r e s o u r c e m a n a g e m e n tt e 蛳q u e si nw i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n gm a i l a g 锄e n to f 嘶t i c f l lr e s o u r c e s t h r o u 曲 m ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t 锄i nt h er e s o u r c e p a c k e t s c h e d u l i n g t e c h n 0 1 0 9 yd i v i s i o n ，s c h e d u l e ra n ds c h e d u l i n gp r o c e s s ，s c h e d u l i n go 埘o n sa 1 1 do m e r i n - d e p t ha n a l y s i so fm e r e s o u r c es c h e d u l i n gi np a c k e ts c h e d u l i n gi m p o r t a n tr o l e t h e nm ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t b l np e r f o m l a l l c eo nf e s o u r c ee v a l u a t i o nc r i t 嘶a ， 黟o u p i n go fs e v e r a lc l a s s i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t l l i n s t oa c h i e v et h es i m u l a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si na c c o r d a l l c ew i me v a l u a t i o nc r i t 甜at om a l 【ea c o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fs e v e r a la l g o r i m m s ，o b t a i n e ds e v e r a lc l a s s i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa n dp e r f o m a n c e s c o p e o f a p p l i c a t i o n a r e rt h em i x t u 】陀l l s e di nt h eb u s i n e s so fs c h e d u l i n gp r i n c i p l ei sa i l a l y z e d ，m e u t i l i t y 如n c t i o no fm ec o n s t r a i ma j l a l y s i ss y s t e mi si 加的d u c e d ，t h r o u 曲m eu t i l i t y f u n c t i o no ft h em o s te 仃b c t i v em o d e la n a l y s i sa n dm a t h 锄a t i c a ld e r i v a t i o n ，p r e s e n t sa q o sg u a f a n t e ef o rt l l ep l l 印o s eo fr e a l - t i m es e i c ea i l dn o n r e a l t i m es e r v i c em i x e d s e r v i c es c h e d u l i n ga l g o 酬 l i i l ，a j l di nm el t es y s t 锄1 e v ds i m u l a t i o np l a t f o 珊t h r o u 曲 t l l es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t e l ep e r f o h n a l l c eo f 廿l ea 1 9 0 r i t l l m ，t 1 1 ed l g o r i t h me x 锄i i l e s m ea d v 锄t a g e sa 1 1 d l ed i s a d v a n t a g e so fs u i t a b l ee n v i r o n m e n t k e y w o l m s ：o r 吐l o g o n a lf r c q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s ss y s t e m ；u t i l i t ) ， f u i l c t i o n ；m i x e ds e n r i c e ；p a c k e ts c h o d u l i n g ；l t e c l a s s n o ：t n 9 1 5 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉心指导下完成的，孙强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来孙老 师对我的关心和指导。 孙强教授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 了我很大的关心和帮助，在此向孙老师表示衷心的谢意。 孙强教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，黄乐天、王东、亢嘉豪、尚雁秋等同学对我 论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和女朋友，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 10 f d m 技术概述 o f d m 技术于2 0 世纪6 0 年代中期被r w c h a i l g 提出。其重叠的子信道频谱 使其频谱利用率得到提高。但是当时只能通过模拟电路实现，系统复杂度较高， 导致成本难以降低，其应用受到了限制。1 9 7 1 年s b w b i n s t e i n 和p m e b e n 提出 用离散傅里叶变换( d f t ) 技术实现多载波传输，数字电路可以轻松实现信号的正 交调制，从而使得多载波传输的能够得到广泛应用。8 0 年代p e l e d 和r u i z 提出在 o f d m 系统中加上循环前缀可以消除o f d m 符号间干扰。与此同时，l j c i m i n i 研究了将o f d m 技术应用于移动通信系统中存在的问题和解决办法【i j 。 o f d m 技术是一种多载波传输技术，既可以将其看作是一种调制技术，也可 看作是一种复用技术。其思想是在有效的带宽内，将传输信道分成多个相互正交 的子载波，对每个子载波使用不同的频率进行调制，从而将高速传输的数据流分 解为多个并行的低速数据流进行传输。o f d m 系统基本模型如图卜1 所示。 图卜l0 f d m 系统基本模型 f i gl lb a s i cm o d e lo f o f d ms y s t e m 由于o f d m 系统中子信道的信号带宽小于信道的相关带宽，近似平坦衰落信 道，这样就可以消除信道波形问的干扰，从而达到降低多径衰落影响的目的。o f d m 系统中子载波之间相互正交，子载波间的频谱可以相互重叠，提高了频谱利用率。 在o f d m 符号之间插入保护间隔( 大于无线信道的最大时延扩展) 可以最大限度 地降低多径所造成的符号间干扰( i n t e rs y i 】曲o li n t e 疵r e n c e ，i s i ) ，一般采用循环前 缀( c v c l i cp r e f i x ，c p ) 作为保护间隔。 在o f d m 技术上发展出来的正交频分多址( o r l o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c o e 鼹，o f d m a ) 技术，依靠多用户自适应进行资源调度，凭借信道状态 的回馈，可以为每个用户选择对其信道状况较好的子载波，大幅提高信道的有效 增益，可以更好地满足每个用户对不同通信业务的要求。鉴于其技术上的优势， o f d m a 多址方式，已经被l t e 系统的下行链路采用作为其多址方式。本文对 o f d m a 资源分配算法的研究主要基于l t e 系统中，所以下文首先要介绍下下一代 移动通信系统。 1 2o f d m l t e 系统研究 1 2 1l t e 系统及其演进目标 1 9 世纪9 0 年代，意大利人马可尼进行了第一次无线通信实验，也开启了移动 通信百多年的发展之路，从只有少数人负担得起的蜂窝系统到如今覆盖超过全球 一半人口的全球移动通信系统，移动通信系统共经历了三代发展演进，从第一代 模拟移动通信系统( f i r s tg e n e r a t i o n ，l g ) 到第二代数字移动通信系统( s e c o n d g e n e r a t i o n ，2 g ) 再到第三代多媒体移动通信系统( n i r dg e n e r a t i o n ，3 g ) ，现今正向 着后三代或者第四代宽带移动通信系统( b e v o n d3 g 4 g ) 演进。 第一代移动通信系统的主要特征就是模拟式蜂窝网，从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代的初投入使用。系统以模拟技术和频分多址( 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 ) 技术作为主要技术，限于带宽不足，系统无法实现长途漫游中的 移动通信。当时投入运营的第一代移动通信系统主要具有设备体积太大，语音质 量查，断话串话频繁，各个系统之间难以相互兼容，无法自动提供漫游服务等缺 点。 2 0 世纪8 0 年期间出现的数字通信推动了基于数字技术的第二代移动通信系统 的产生与发展。第二代移动通信系统以数字的码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 技术和时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 技术为 其主要技术，能够提供语音业务和支持一些低速数据业务。由于语音中采用了数 字技术，大幅提高了语音质量和保密性，低速数据业务还发展出了短信息业务 ( s m s ) 。但是第二代移动通信也始终在标准上达成统一，不同的制式和标准使得 用户仍然无法全球漫游，只可以在相同制式下才可以漫游。 19 8 5 年国际电信联盟( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m n n 血c a t i o nu n i o n ，i t u ) 正式提出 了第三代多媒体移动通信系统，为了支持现在和未来的服务，第三代移动通信技 术标准化工作组决定以制订一个通用的网络架构为工作的主要目标。3 g 技术标准 主要包括欧洲提出的宽带码分多址( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 2 w c d m a ) 技术、中国提出的时分同步码分多址( t i m ed m s i o n - s ) ，i l c h r o n o u sc o d e d i 、，i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d s c d m a ) 技术、美国提出的c d m a 2 0 0 0 技术和电气 与电子工程师协会( h l s t i t u t e “e l e c t r i c a la 1 1 de l e c 仰i l i c se n g i i l e e r s ，i e e e ) 的8 0 2 16 e 这4 大标准。第三代多媒体移动通信系统可以提供5 m h z 以上的传输带宽，最低 传输速率为3 8 4 k b p s ，最高能够达到2 m b p s ，同时能够适应语音业务和高速数据业 务需要，它具有支持高速率的数据传输和宽带多媒体服务等特点，不过第三代多 媒体移动通信系统仍是尚未完成标准统一和基于地面的移动通信系统。 下一代移动通信系统的是以为用户提供宽带移动多媒体服务为目标的，以求 满足3 g 通信系统未能达到的在覆盖范围、通信质量、成本上满足的高速率数据业 务同高分辨率多媒体服务所需。几大标准化组织一边针对现有3 g 标准继续进行发 展和完善，一边也在积极地推进b 3 g 4 g 标准化的工作。3 g p p 的w c d m a 、 t d s c d m a 分别发展成为f d d l t e 和t d d l t e ，第三代合作伙伴计划2 ( t h e 3 r d g e n 耐i o np a n n e r s l l i pp r o j e c t2 ，3 g p p 2 ) 的c d n l a 2 0 0 0 发展成为超移动宽带 ( u l t r am o b i l eb r o a d b a l l d ，u m b ) ，i e e e 提出的移动全球微波接入互操作( w b r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ，w i m a x ) 也发展成为一项准4 g 技术。 3 g p p 引入了高速下行分组接入( h i 曲s p e e dd o 涮i i l kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 和高速上行分组接入( h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s u p a ) 这两种增强型 u m t s 技术以延续3 g 技术的发展，可惜的是，尽管上下行速率有了极大的提高， 但是以小区吞吐量却受到了较大影响，并且因为成本原因也很难推广应用。反观 另外一边，w i m a x 技术的标准化进程却始终以高速在发展。 面对w i m a x 技术快速发展产生的竞争，也为了能够降低成本、改进性能指 标以更好的服务于新生业务。2 0 0 4 年，3 g p p 开启了3 g 系统的长期演进( l o n g t e me v o l u t i o n ，l t e ) 的研究。跟过去仅是对基于3 g 系统的技术更新有所不同的 是，l t e 引进了革命性的技术，其标志就是以o f d m 的多址方式替代了3 g 时期 码分多址的空中接口技术，同时引进了多输入输出( m u l t i 螂u tm u l t io u t p u t ， m i m o ) 技术也是一大技术进步。采用o f d m 和m i m o 两种技术为核心技术的l t e 系统被叫做3 9 g 系统，让用户享用更高的带宽得到更高速的数据传输，与此同时 系统时延也得到了降低，对通信网结构进行了简化，使无线高速通信得到真正的 实现。比起3 g 系统来，l t e 系统在物理层传输、射频载波频带、媒体接入控制层 以及跨层自适应技术、网络架构等多个方面都进行了革命性的改进。作为将向4 g 系统演进的工作基础的l t e 系统，为了达到i t u 对4 g 系统的演进目标不断在进 行技术增强，并最终将作为3 g p p 的4 g 候选提案向i t u 提交。 l t e 系统当前的演进目标列举如下心1 ： 1 保证3 g p p 在移动通信领域的标准和技术上的优势； 2 对3 g 系统与4 g 系统之间的存在着巨大技术差距进行填补； 3 期望能够继续利用现在分配给3 g 系统的频谱，保证其频谱资源上的优势； 4 克服了3 g 系统上专利太过于密集的问题。 在0 4 年1 2 月雅典的大会上，3 g p p 制定了l t e 系统项目研究的总体目标是高 速率、低延迟和基于全分组数据包优化的无线接入技术。 为了能够达到以上目标，3 g p pu m t s 将长期演迸项目划分成核心网演进和空 中接口演进两部分。而跟无线接口技术和网络架构相关的部分被划分为l t e 项目， 偏重于核心网功能结构、整体系统结构演进的部分被称为s a e ( s y s t 锄a r c h i t e c t u r e e v o l u t i o n ) 项目。3 g p p 技术规范版本r 8 在2 0 0 8 年1 2 月正式通过并作为l t e 系 统标准的基础版本，是首批l t e 系统商用产品开发的重要基础。2 0 0 9 年发布的r 9 版本对r 8 版本进行了部分改进，成为了增强版本l t e 系统标准的。 1 2 2l t e 系统网络架构 l t e 系统针对u m t s 系统的革新内容包括对其陆地无线接入网( u m t s t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，u t r a n ) 部分和陆地无线接口( u m t st e r r e s t r i a l r a d i oa c c e s s ，u t r a ) 部分的演进。 1 l t e 系统无线接入网体系结构 u t r a n 系统总体架构如图1 2 所示1 。3 g 系统网络由基站( n o d eb ，n b ) 、 无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n 仃0 1 l e r ，i 斟c ) 、g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ，通用无线分组业务) 服务支持节点( s e i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，s g s n ) 和网关g p r s 支持节点( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，g g s n ) 组成。基站负责给 用户端( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 提供接入点并对用户设备的无线接入进行控制，同 时要控制与管理网络流量；无线网络控制器主要的职责是对整体管理基站，负责 的内容有无线资源管理，维护和运行相关网络功能和无线资源控制( r a d i or e s o u r c e c o n t r o l ，r r c ) ，控制与管理本地移动用户以及接入情况等；g p r s 服务支持节点 负责控制与管理分组交换数据流，并在基站与网关g p r s 支持节点之间完成接收 和发送分组数据的任务；网关g p r s 支持节点负责核心网的链接，是本地网和外 部分组交换网络之间的网关，基于i p 协议的骨干网相负责将g p r s 服务支持节点 与网关g p r s 支持节点之间连接起来。 4 飞 ) j 臼 。 3 g 系统将与空中接口相关的功能放在r n c 中实现，这就造成资源分配和相 关业务同信道不能相互适配，而其较为复杂的协议结构也容易对系统的优化造成 负面影响。介于最后所有的业务都将在分组域内实现传输，u t r a n 的网络已无法 保证不同分组业务尤其是实时性要求较高业务的服务质量，l t e 系统对现有的网 络架构进行了较大的调整n 1 。 演进后的e u t r a n ( e v o l v e d u t r a n ) 系统总体架构如图1 3 所示吲。 连，e n b 由s 1 接口跟核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 相连。s 1 接口的用户面终止 在服务网关( s e r v i n gg a t e w a y ，s g w ) ，s 1 接口的控制面终止在移动性管理实体 ( m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t 时，m m e ) 。e n b 与u e 通过u u 接口相连。 囝囝；。 。61 6 ” ”= | ；! ；：! 嘉篓 。 惑一。：三一惑 _ 。 嚣一| 、 ，一， 闷 ；u t l t e 系统中的e n b 不但有3 g 系统中n b 的基本功能，同时还具有了原系统 中r n c 的大部分功能，如物理层( 包括h a r q ) 、m a c 层( 包括a r q ) 、r r c 、 调度、无线接纳控制、无线承载控制、移动性管理和小区间无线资源管理等功能， 是无线资源调度的主要功能模块。小m 相互之间通过网格( m e s h ) 方式相连，利 用p 进行传输，有力于保持u e 的移动性，支持无缝切换。 l 1 e 系统中应用的“扁平化”网络结构能够很大幅度地降低系统复杂度，同 时也能减少系统内部对应的交互操作，必然能够导致系统时延较大程度的降低。 换个角度来说，l t e 系统网络架构已经逐步趋近于典型的i p 宽带网络结构。 2 l t e 系统空中接口协议结构 e u t r a n 和e p c 的功能划分如图卜4 所示哺1 。 图卜4e - u t r a n 和e p c 的功能划分 f i g1 4f u n c t i o nm o d u l e so fu t ra na n de p c 通过e n b 实现的重要功能为：无线资源管理功能；用户数据流的i p 头压缩和 加密；当终端附着时选择m m e ；路由用户平面数据到s g w ；调度和传输来自 m m e 的寻呼信息；调度和传输来自m m e 或q & m 的广播信息；对移动性和调度 的测量和测量报告进行配置h 1 。 通过m m e 实现的主要功能为：n a s 信令的加密和完整性保护；i d l e 模式下 u e 的可达性；跟踪区域的列表管理( u e 的i d l e 模式和a c t i v e 模式) ；p g w 和s g w 的选择；m m e 的选择；m m e 变更导致的切换；承载控制，包括专用承 载建立等。 s g w 实现的主要功能有：对e n b 之间的切换进行本地移动定位；在e u t r a n 的i d l e 模式下，缓冲下行链路分组，初始化网络；在运营商之问交换用户和o o s 类别标识( q o sc l a s si d e m i f i e r ，q c i ) 的相关计费信息；在上行链路和下行链路进 行传输级的分组标识；u e 、p d n 和q c i 的上下行计费信息等。 p g w ( p u b l i cd a t an e t 、o r kg a t e w a y ，p d n 网关) 实现的主要功能有：用户 6 的包过滤：u e 的i p 地址分配；传输级的下行包标记；上下行服务级计费、门控 和速率控制；基于总体最大比特速率( a g g r e g a t em a ) 【i m u mb i tr a t e ，a m b r ) 的 下行速率控制等。 l t e 系统的用户平面协议栈如图1 5 所示。 u e e n o d eb ； 亟 h 汇亘i | ! 堕一一恃剥 ! 堕j ： r 、l _ ； m a c 仁韵 m a c j i = ：， 二= l 一! 竖一件书一! 坚 j j 图1 5e u t r a 用户平面协议栈 f i gl 5u s e rp l a np r o t o c o ls t a c ko fe u t r a 用户平面协议包括分组数据汇聚协议( p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ， p d c p ) 子层、无线链路控制( r a d i ol i i l i ( c o n 仃0 1 ，r l c ) 子层、介质访问控制( m e d i u m a c c e s sc o n 仃o l ，m a c ) 子层和物理层p h y ，它们在网络侧终止在e n b ，分别实现 头压缩、加密、自动重传请求( a r q ) 和混合自动重传请求( h a r q ) 功能。 l t e 系统的控制平面协议栈如图卜6 所示。 、； e n o d eb ! 婴 n a s艇= 一二。 一= ! 一二_ ) n a s 图1 6e - u t r a 控制平面协议栈 f i g1 6c o n 仃o lp l a np r o t o c o ls t a c ko fe u t r a 图中包含非接入层( n o n - a c c e s ss t r a t i l 珈，n a s ) 协议只是为了说明它是u e e p c 通信的一部分。p d c p 子层提供加密和完整性保护功能，r l c 和m a c 子层在控制 平面中提供的功能与其在用户平面中相同，i 汛c 提供广播、寻呼、r r c 连接管理、 无线承载控制、移动性、u e 测量上报和控制等功能陋1 。 1 3 本论文的结构安排 本文对o f d m a 系统的资源调度算法进行了研究，对分组调度技术相关的系 统结构、关键技术、调度信令、资源划分做出了详细的介绍和分析，并通过对经 典算法的调度机制，算法特性以及可拓展层面的研究和分析，提出了一种基于效 用函数约束分析机制的实时非实时混合业务的分组调度算法，并以两种常用混合 业务调度算法作为仿真比较，对新提出的算法进行了性能验证。 第一章为引言部分，主要介绍了o f d m 技术，l t e 演进目标和网络架构。 第二章介绍了无线通信系统的资源管理技术，阐述了无线资源管理的重要性， 并以此引出无线资源管理中的关键技术无线分组调度技术。详细介绍了无线分组 技术的发展，并结合无线通信的特性系统研究了o f d m 分组调度技术，以及其在 l t e 系统里的应用。最后详细描述了l t e 系统中分组调度技术相关的资源划分， 对l t e 系统里的调度器及调度流程、调度方式选择等方面作了深入分析。 第三章详细介绍了算法性能评估的标准，系统的研究了几种经典算法的调度准 则，并按照以上的评估标准对算法进行了仿真实现。最后，通过仿真结果对经典 算法的性能特性进行了分析。 第四章我们对适用于混合业务调度的m l w d f p f 算法和e x p p f 算法的调度 思想进行了分析。然后引入了调度算法中的效用函数约束分析机制，并通过采用 该约束机制分析求解效用函数最大化模型，通过数学推导的方式得到了完整的调 度优先级因子计算方法以及调度机制。最后在l t e 系统级仿真平台上对提出的算 法进行了仿真，并通过与前面介绍的两种算法的仿真结果相比较，对新提出算法 性能进行了详细的分析，并得出结论。 第五章我们对全文的研究做出了总结，对本文提出的算法提出了修改方向，对 未来的工作做出了展望。 1 4 本章小结 本章是全文的起始章节，我们首先初步认识了o f d m 技术，然后说明了l t e 系统的演进和体系结构，为下文研究o f d m 资源调度技术在l t e 系统里的应用做 了铺垫，最后对全文的结构进行了介绍。 2 无线资源管理技术 2 1 无线资源管理发展概述 随着现代社会信息量的增大，移动通信的业务范围越来越广泛，与此同时人们 对移动业务的要求也日渐严格，由此产生的矛盾日渐突出，除了不断的更新物理 层技术以改善无线传输的有效性和可靠性以外，无线通信系统及其资源的管理的 重要性也日益凸显。如何对无线资源进行更有效的管理和使用来满足用户日益增 长的业务需求己然成为了无线通信系统研究中的一个热点，现在无线通信系统的 资源是多种多样的，主要包括能量资源，空间资源，频率资源和时间资源。 无线资源管理( r a d i or e s o u f c em a l l a g e m e n t ，r r m ) 是对整个空中接口资源进 行运作，调度，控制等操作的集合。其目标是在有限的无线资源条件下，提高系 统有效性与可靠性，满足网络内不同用户对各种业务服务质量的要求，并最大化 无线资源利用率。其基本出发点是在网络业务分布不均匀、信道状态因信道衰落 和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整系统中的可用资源，保证用户 业务性能要求、最大限度地提高系统吞吐量和无线频谱利用率。其中心是解决三 个问题：第一，选取哪个无线接入点与无线终端建立连接；第二，分配哪个系统 内的信道给用户；第三，发送多大的发射功率进行数据传输。为了解决以上的问 题，无线资源管理提出了一系列无线资源分配的技术，包括：信道分配，功率控 制，接纳控制，切换控制，分组调度以及负载控制等技术p j 。 干扰检澳信童状态小区负荷无线资源约寒 干扰检漫信道状态小区负茸石驾豹立务类垩 图2 1 无线资源管理图 f i g2 - lr a d i or e s o u r c em a l l a g e i i l e n t 无线资源管理结构如图2 1 ，在无线资源管理的基本模型中，对无线资源的估 9 计和业务q o s 需求的判断都是通过资源估计器完成的，它是资源管理中的关键模 块，负责整个无线资源管理算法的流程。当有用户请求业务时，接入与选择控制 判断是否接入该请求。若是单纯的电路交换业务的话，一经接纳后直接通过功率 控制就可以直接发送出去；如果是分组交换类业务的话，则需要在为其选择服务 基站和接入信道，再通过一个按照业务优先级排队的队列机制和一个时分资源调 度机制后，再经过速率和功率的控制，分配与调度后输出。其中排队机制是根据 业务的优先级不同将其调入不同的队列，经历排队，存储和等待的过程后加以调 度。时分调度机制是根据排队机制所得的队列等级，信道状况，业务的q o s 要求， 干扰监测，小区负荷监测等利用不同的算法对业务进行调度。而速率功率控制调 度器则负责发送功率的分配和发送速率的限定。 无线资源管理现在已经成为无线通信系统非常关键的一部分，其管理的优劣 性对用户的服务质量和整个系统的性能表现都有很大影响。移动通信中长期以来 一直有两个问题，一是电磁波传播中在不同的环境中传播，其所受到的影响不同。 若在自由空间里，则电磁波功率将以传播距离的平方成反比衰减；若在典型的城 市环境里，则电磁波功率将按照传输距离的四次方衰减；如果同时加入山脉，各 种高度不同的建筑物，不同速度移动的物体，则还要考虑到他们所引起的反射， 折射，散射和绕射，则其所带来的变化和影响更加明显。另一个问题是无线频谱 资源的不足，并且随着无线通信的发展而越来越不足，限制了单台设备能够同时 支撑的用户信道数量和信道容量。除了以上这两个问题，随着业务的增加，我们 也面临越来越多的新问题【j0 | 。 第一，用户跨越较大空间的移动，移动过程中将不断变化和网络间的接入点， 这对于网络追踪到用户并发起各种操作和系统通信覆盖范围都提出了新的考验。 这两个问题实际上可以归结成移动性管理和移动通信系统系能的问题。 第二，用户和系统之间的通信线路是随机分配得到的，但是用户位置不同， 通信线路状态不一，业务强度也不同，各用户终端之问就对无线资源产生了业务 竞争，尤其是分组数据业务之间。这个问题可以归结成无线资源调度的问题。 其实以上的问题都可以归结到无线资源管理的范畴。以发展的眼光来看，在 早期设计的移动通信系统中，我们一般是通过将功率发射机安装的更高，采用更 大的功率来实现较大范围的覆盖，但是由于覆盖范围大，相同频带又无法复用， 使得频带利用率很低。于是产生了蜂窝的概念，使得可以在固定的区域和频带内 复用无线资源。而现在，随着一些多层的蜂窝结构如微小区，宏小区等的产生， 移动通信的网络结构和控制也越来越复杂，相应的我们就需要更高效和更灵活的 移动性管理和无线资源调度机制，这些要求都在呼唤更合理的无线资源管理机制。 另外，未来无线通信业务的发达也直接带来了未来无线资源的如下两方面的拓 展，一是资源的构成在传统的无线资源上又增加了移动用户的接入权限，激活时 间，信道编码方式，功率的发射等异构资源；二是一维变量不足以表征未来异构 无线资源的协同变化，我们需要二维或者多维变量来反映这一变化。 综上所述，对无线资源管理，资源分组调度和分配问题进行研究，不仅有独 特学术价值，而且对实际的移动通信系统性能改善也有着积极意义，已经成为全 球通信领域的热点问题之一。 2 2 无线分组调度技术 无线分组调度( p a c k e ts c h e d u l e ，p s ) 技术是动态无线资源分配技术中的一种， 它是无线资源管理中最重要的内容之一。分组调度技术的功能是在多个用户之间 竞争有限无线资源的情况下，根据用户不同类型分组业务的q o s 需求等机制确定 服务优先级别，给用户做出优先级排队，从而可以使无线资源得到灵活动态分配， 最大限度地提高移动通信系统无线资源的利用率。 对分组调度技术的研究源于有线网络，随着无线通信系统的飞速发展，资源 管理问题成了无线通信技术中的热点问题，而分组调度技术也逐渐成为无线网络 资源管理的核心内容。1 9 8 9 年，a d e m e r s 等人在文献中正式提出了基于无线网络 信道状态的分组调度算法，开启了通信界对分组调度算法研究持续的关注。1 9 9 7 年，s o n 卧兀jl u 等人对有线网络中的加权公平队列( w e i 曲t e df a i rq u e u i n g ，w f q ) 调度算法做出改进，提出了基于蜂窝网结构无线网络的理想公平调度算法。这一 阶段无线网络分组调度算法的研究局限于对无线传输链路突发性错误解决方案的 探究。1 9 9 9 年c a s i i i l i r o 等人在对轮询( r o u n dr o b i n ，i 汛) 调度算法和最大载干 比( m a x i m u mc a r r i e r i n t e 疵r e n c e ，m a xc i ) 调度算法进行了比较，考察了自适应 调制系统吞吐量的变化。高通公司的a j a l a l i 等人在2 0 0 0 年发表的文献中提出了 基于h d r 系统的比例公平( p r o p o r t i o n a lf a i m e s s ，p f ) 调度算法。随之而来的这 些分组调度算法虽然也是相对比较简单，但是它们的目光没有仅仅局限于吞吐量、 公平性、时延等传统的性能需求的扩展，而是逐步地将焦点转向优化无线网络资 源这一新内容，为分组调度技术开拓了新的研究领域。 下一代无线移动通信系统的主要特征是存在大量实时性要求不高的分组数据 业务，由于不同用户不同业务的速率要求不尽相同，而且需要保证用户业务之间 的公平性和o o s 需求，因此在无线资源管理模块中必须要有合适的分组调度算法。 分组调度算法是用来判决数据分组传输的顺序以及其数据传输速率的，通过 改进无线分组调度技术可以提高移动通信系统频率分集增益、时间分集增益和多 用户分集增益。 设计移动通