（通信与信息系统专业论文）cdma2000+1xevdv系统中的上行多业务调度算法研究.pdf

摘要 摘要 随着3 g 系统中上行链路业务类型的多样化，c d m a 上行多业务调度问题已经引起 了研究领域的广泛关注。本论文以c d m a 2 0 0 0l x e v - d v 系统为背景，对c d m a 上行多 业务调度算法进行了研究和仿真。全文的主要工作如下： ( 1 ) 对c d m a 上行调度问题的数学模型进行了详细的研究，在建立c d m a 上行调 度基本模型的基础上，分析了正交因子、导频信道以及离散速率集等因素对调度模型的 影响。 ( 2 ) 介绍了在o p n e t 仿真软件下设计的基于c d m a 2 0 0 0l x e v - d vr e l e a s ed 协议和 e d m a 2 0 0 0e v a l u a t i o nm e t h o d o l o g y 方案的上行调度仿真平台。该平台对系统中的业务生 成、信道衰落、导频功率控制、自适应调制编码、h a r q 重传以及各物理信道的工作方 式进行了仿真。 ( 3 ) 针对调度系统中吞吐量、公平性和q o s 这三个优化目标的折中问题，给出了一 种设计调度算法的基本原则。遵循该原则，设计了一种保证速率公平性的非实时业务调 度算法和一种保证延时公平性的实时业务调度算法。在此基础上，针对c d m a 上行多 业务系统提出了一种采用资源动态预留的调度算法，利用资源调整因子对各业务分配的 资源进行动态的调整，从而提高了系统资源的利用率。 ( 4 ) 对多载波c d m a 系统的传输方案进行了研究，根据已有的m c c d m a 子载波 功率分配迭代算法，提出了一种基于q o s 的m c - c d m a 上行调度的改进算法，在系统 资源不足和资源充足这两种情况下，分别采用不同的方案对资源分配进行优化。 关键词：c d m a 2 0 0 0l x e v - d v ，c d m a 上行调度，非实时业务，实时业务，离散速率 集，服务公平指数，动态资源预留，m c c d m a ，子载波功率分配 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed i v e r s i f i c a t i o no fu p l i n ks e r v i c et y p e si n3 gs y s t e m s ，t h ep r o b l e mo fc d m a u p l i n ks c h e d u l i n gf o rm u l t i p l es e r v i c e sa r eg a i n i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt h es t u d ya n ds i m u l a t i o no fc d m au p l i n ks c h e d u l i n ga l g o r t h m sf o rm u l t i p l e s e r v i c e si nc d m a 2 1 0 0 0l x e v - d v t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc d m au p l i n ks c h e d u l i n gp r o b l e m h a sb e e nd i s c u s s e di n d e t a i l o nt h eb a s i so ff u n d a m e n t a lm o d e l ，t h ee f f e c t so fs o m ef a c t o r ss u c ha so r t h o g o n a l i t y f a c t o r , p i l o tc h a n n e la n dd i s c r e t er a t es e th a v eb e e na n a l y z e d ， ( 2 ) t h eu p l i n ks c h e d u l i n gs i m u l a t i o np l a t f o r md e s i g e n di no p n e t s i m u l a t i o ns o f t w a r e b a s e do nt h ep r o t o c o l so fc d r u a 2 0 0 0l x e v - d vr e l e a s eda n dc d m a 2 0 0 0e v a l u a t i o n m e t h o d o l o g yi si n t r o d u c e d i nt h i sp l a t f o r m ，t r a f f l cg e n e r a t i o n ，c h a n n e lf a d i n g ，p i l o tp o w e r c o n t r o l ，a d a p a t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e ，h a r qr e t r a n s m i s s i o na n d t h ei n t e r a c t i o n o f p h y s i c a lc h a n n e l sh a v eb e e ns i m u l a t e d ( 3 ) a i m 迦a tt h et r a d e o f fp r o b l e mo ft h r o u g h p u t , f a i r n e s sa n dq o si ns c h e d u l i n g s y s t e m s ，af u n d a m e n t a lp r i n c i p l eh a sb e e np r o p o s e df o rd e s i g n i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m s f o l l o w i n gt h i sp r i n c i p l e ，b o t han o n - r e a l t i m es e r v i c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mt oe n s u r er a t e f a i r n e s sa n dar e a l t i m es e r v i c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mt og u a r a n t e ed e l a yf a i r e n e s sh a v eb e e n p r o p o s e d i na d d i t i o n , as c h e d u l i n ga l g o r i t h mw i t hd y n a m i c a lr e s o u r c er e s e r v a t i o nf o rc d m a u p l i n km u t i p l es e r v i c e ss y s t e m sh a sb e e np r e s e n t e d , w h i c hu s e sr e s o u r c ea d j u s t m e n tf a c t o rt o d y n a m i c a l l ya d j l a s tt h er e s o u r c e sa l l o c a t e dt od i f f e r e n ts e r v i c e ss oa st oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yo fs y s t e mr e s o u r c e s ( 4 ) t h et r a n s m i s s i o ns c h e m e so fm u l t i c a r r i e rc d m as y s t e m s h a v eb e e ns t u d i e d ，o nt h e b a s i so fap r e v i o u si t e r a t i v ea l g o r i t h mf o rm c c d m as u b c a r t i e rp o w e ra l l o c a t i o n ，a m o d i f i e dm c c d m a u p l i n ks c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nq o sh a sb e e np r e s e n t e d f o rt h e t w oc a s e so fi n s u f f i c i e n tr e s o u r c e sa n ds u f f i c i e n tr e s o n r c e si nt h es y s t e m ，t h em o d i f i e d a l g o r i t h mu s e st w od i f f e r e n ts c h e m e st oo p t i m i z er e s o u r c ea l l o c a t i o nr e s p e c t i v e l y 摘要 k e yw o r d s ：c d m a 2 0 0 0l x e v - d v , c d m au p l i n ks c h e d u l i n g ，n o n - r e a l - t i m es e r v i c e ， r e a l - t i m es e r v i c e 。d i s c r e t er a t e t ，s e r v i c ef a i r n e s si n d e x ，d y n a m i c a lr e s o t l l c er e s e r v a t i o n , m c c d m a ，s u b - c a r r i e rp o w e ra l l o c a t i o n 插图目录 图1 1 图1 2 图3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 插图目录 无线分组调度模型示意图 c d m a 2 0 0 0 系列标准的演进过程 上行调度算法资源分配示意图 ：! ! ； c d m a 2 0 0 0l x e v - d vr e l e a s ed 的简化协议分层模型( 移动台侧) r p d c h c f 协议实体的工作过程 。2 0 。3 3 c d m a 2 0 0 01 x e v - d vr e l e a s ed 上行调度仿真平台设计框图3 4 3 圈1 9 小区网络结构 v i d e o 业务流模型。 基站接收天线的主瓣方向 基站接收天线方向图 非实时业务调度算法流程图 。3 5 3 8 。3 9 3 9 4 7 a r t h 不同取值下的改进算法与经典算法的吞吐量性能比较( r t h = 0 ) 4 8 不同取值下的改进算法与经典算法的吞吐量性能比较( a r t h = 2 m b p s ) 4 8 改进算法的a r 累积分布函数曲线( 地= o ，= 3 0 ) 4 9 三种经典算法的a r 累积分布函数曲线( = 3 0 ) 用户离散速率的概率分布( = 1 0 , r t h = 1 0 k b p s ) 丢包率统计示意图 实时业务调度算法流程图 d t h 不同取值下的改进算法与经典算法的吞吐量性能比较 5 0 5 0 5 2 5 3 5 4 d t h 不同取值下的改进算法与经典算法的用户丢包率性能比较。5 5 改进算法的a d 累积分布函数曲线( = 1 5 ) 三种经典算法的a d 累积分布函数曲线( = 1 5 ) 业务缓存内包个数的分布概率( = 1 5 ) 。 多业务调度算法流程图 5 6 5 6 5 7 6 1 犀。i 。不同取值下语音业务负载厶。h 的变化情况( ，。岫= 1 0 ) 6 2 风i d 。不同取值下视频业务负载厶棚。的变化情况( 喇。= 5 ) 5 2 东南大学硕士学位论文 图5 1 7 风o i c e 不同取值下语音用户丢包率的累积分布曲线( v o i 。= 1 0 ) 6 3 图5 1 8 风| d e o 不n 取值下视频用户丢包率的累积分布曲线( 肌i d e o = 5 ) 6 3 图5 1 9 风。沁不同取值下语音用户的负载三。，。的累积分布曲线( g v o ，c e = 1 0 ) 6 4 图5 2 0 风i d e o 不同取值下视频用户的负载厶| d 。的累积分布曲线( ，| d e 0 = 5 ) 6 4 图5 2 1 。和。i d 。不同取值下系统的负载资源分配( d a 。= 1 0 ) 6 5 图5 2 2 。i 。和n 。i d e o 不同取值下系统的吞吐量( n d a t 。= 1 0 ) 6 5 图6 1m c c d m a 的数据发送框图6 7 图6 2m c d s c d m a 的数据发送框图6 8 图6 3m t - c d m a 的数据发送框图6 8 图6 4m c c d m a 上行用户的数据发送框图6 9 图6 5 模型( i ) 的调度算法流程图7 4 图6 6 模型( i i ) 的调度算法流程图7 5 图6 7 各用户发射功率的收敛情况( n = 1 0 ，m = 1 2 d b ) 7 6 图6 8 各用户接收s i n r 的收敛情况( n = 1 0 ，m = 1 2 d b ) 7 6 图6 9 请求速率不同取值下的系统吞吐量( = 1 2 d b ，p m 。= 2 0 ) 7 7 图6 1 0 目标信干比m 不同取值下的系统吞吐量( = 2 ，p m 。= 2 0 ) 7 7 图6 1 1 最大发射功率。不同取值下的的系统吞吐量( = 1 2 d b ，v i = 2 ) 7 8 x 表格目录 表2 1 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表格目录 各上行调度模型的比较。 3 g p p 定义的q o s 级别。 仿真平台的参数配置 f t p 上传业务模型参数 1 2 2 k b p s 速率的v o i p 业务模型参数 6 4 k b p s 速率的v i d e o 业务模型参数 移动模型的相关参数 多径信道模型参数 ：1 6 3 6 4 0 4 l 缩略语 3 g 3 g p p 3 g p p 2 a b r a c k a m c a g q b 3 g b e r b l e r b s b t s c b r c d m a e d m a 2 0 0 0 f - a c k c h f c p c c h f e r f g c h f r c c h g p s h o l m a c m c c d m a m c d s 缩略语 3 t hg e n e r a t i o n t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e e l t h i r dg e n e r a t i o np a r m e r s l l i pp r o j e c t2 a v a i l a b l eb i tr a t e a c k n o w l e d g e m e n t a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b e y o n d3 t hg e m e r a t i o n b i te r r o rr a t e b l o c ke r r o rr a t e b a s es t a t i o n b a s et r a n s c e i v e rs y s t e m c o r k s t a n tb i tr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 f o r w a r d a c k n o w l e g ec h a n n e l f o r w a r dc o m m o np o w e rc o n t r o lc h a n n e l f r a m ee r r o rr a t e f o r w a r do r a n tc h a n n e l f o r w a r dr a t ec o n t r o lc h a n n e l g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g h e a do f l i n e m e d i u ma c c e s sc o n l r o l m u l t i - c a r r i e rc d m a 第三代移动通信系统 第三移动通信伙伴计划 第三移动通信伙伴计划2 可获得比特速率 正确接收应答 自适应调制编码 自动重传请求 后三代移动通信系统 误比特率 误块率 基站 基站收发器 恒定比特速率 码分多址接入 码分多址接入2 0 0 0 版 前向应答信道 前向公共功率控制信道 误帧率 前向授权信道 前向速率控制信道 通用处理机共享 队列头部 媒体接入控制 多载波c d m a m u l t i - c a r r i e rd i r e c ts p r e a dc d m a多载波直扩c d m a 东南大学硕士学位论文 c d m a m t - c d m a m c s m s n a k 0 f d m p l p q o s r o t r p d c c h r p d c h r p d c h c f r - p i c h r r e q c h r 阳嗵 r - s p i c h s 限 t p r v b r m u l t i - t o n ec d m a m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e m o b i l es t a t i o n u n a c k n o w l e d g e d o r t h o g o n a lf r 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 p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y q u a l i t yo f s e r v i c e r i s eo v e rn l e r m a l r e v e r s ep a c k e td a t ac o n t r o lc h a n n e l r e v e r s ep a c k e td a t ac h a n n e l r e v e r s ep a c k e td a t ac h a n n e lc o n 舡0 1 f u n c t i o n r e v e r s ep i l o tc h a r m e l r e v e r s er e q u e s tc h a n n e l r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r e v e r s es e c o n d a r yp i l o tc h a n n e l s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c er a t i o t r 擅i c - t o p i l o tr a t i o 、碰a b l eb i tr a t e 多音c d m a 调制编码方案 移动台 错误接收应答 正交频分复用 丢包率 服务质量 热噪声提升量 反向分组数据控制信道 反向分组数据信道 反向分组数据信道控制 功能 反向导频信道 反向请求信道 无线资源管理 反向第二导频信道 信号干扰能量比 业务导频功率比 可变比特速率 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， 也不包含为获得东南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。 签名查垫焦 日期2 坚2 二! 皇3 关于学位论文使用授权的说明 东南大学，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阕，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) 授权东南大学研究生院办理。 签名 第1 章绪论 第1 章绪论 随着信息交流需求的增长，移动用户对各种上行通信业务的需求量越来越大。在 c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 的增强型版本中，都考虑了对上行高速数据传输的支持。上行链 路的调度算法，对提高上行多业务通信系统的服务质量和保证资源分配的公平性起到了 关键的作用。因此，研究c d m a 系统中的多业务上行调度算法具有重要的意义。 本章首先对无线分组调度算法进行概述，然后介绍c d m a 上行调度系统的主要特 点以及e d m a 2 0 0 0i x e v - d v 系统采用的上行链路增强技术，最后简要介绍一下本文的主 要工作和内容安排。 1 1 无线分组调度概述 调度是一个与时间次序有关的概念，调度算法希望解决的是在多个用户争用有限资 源时，如何确定服务次序的问题。调度的要素有：被调度对象、调度者、调度资源、调 度目标、调度规划、调度代价和调度结果。在无线通信系统的调度中，被调度对象一般 是移动台，调度者是基站，调度资源有频率、时隙、码字或功率等；调度目标可能有多 个如系统容量最大化，服务质量满意度或公平性最好等，不同的调度目标对应不同的调 度规划；调度规划就是调度算法，调度代价一般是指为了获得预定的调度目的，牺牲了 某个性能指标或者增加了算法的复杂度；调度结果就是指每个被调度对象获得的调度资 源。通常，为了达到预定的调度目标，往往需要在调度代价和调度目标之间做出一定的 折中，因此调度也往往转化为特定的优化问题【4 s l 。 分组调度算法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 法也称队列调度算法，它运行在网络节点中需排队等待调度之处，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。 根据不同的服务规则，分组调度算法可以分为以下几种：先到先服务、循环调度、 处理机共享、优先级服务、随机服务等。根据调度算法的调度目标，也可分为基于时延 和基于速率这两类。根据通信网络环境，。又可分为无线环境下的分组调度和有线环境下 东南大学硕士学位论文 的分组调度。根据调度算法的工作状态，又可以分为工作保持( w o r k i n gc o n s e r v i n g ) 和非工作保持( n o n w o r k i n gc o n s e r v i n g ) 。实际上，对于某一特定的调度算法，根据不 同的分类标准，它可能属于多个不同的类，所以并没有一种统一的分类标准。根据调度 算法的服务规则、调度目标及其发展趋势，同时为了能更清晰地说明各类算法之间的区 别，我们可以把目前已出现的队列调度算法大致分为如下五类：基于轮循的调度算法、 基于优先级的调度、基于通用处理机共享( g p s ，g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g ) 的算法、 基于时延的调度算法、基于服务曲线( s e r v i c ec u r v e ) 的算法等。 在无线分组网络中，分组调度的作用和有线网络中相同。但是，无线网络同有线网 络相比具有很大的特殊性，最重要的三点就是带宽的有限性、信道的位置依赖性以及突 发和高的信道误码特性。为了充分地利用带宽，当由于误码或其它原因造成某一正在传 递数据的连接暂时中断时，系统应该将该信道临时分配给别的连接。为了实现公平性， 在暂时中断服务的连接恢复正常以后，获得额外服务的连接就应当作出补偿。因此基于 有线网络的分组调度算法不能直接应用于无线网络。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，尤其是在3 g 及b 3 g 网络中，分组调度器所需考虑的分配资源有频率、时隙、w a l s h 码及发射功率等。 图1 1 为无线分组调度模型示意图。在无线分组调度模型中，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排队进入相应的队列等待调度，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、w a l s h 码和功率等无线资源分 配给系统中的分组队列。分组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。 用户队列无线倍道 用户，二二二 黝 用户2 二二二二圈 i 用户，二二二工团 信道容t 口；且 - e 1 图1 1 无线分组调度模型示意图 2 第1 章绪论 1 2c d m a 上行调度简介 目前，对下行调度问题的研究已经较为成熟，然而对于上行调度的研究还存在许多 有待解决的问题。c d m a 上行调度的主要问题是在多址干扰下用户的速率和功率资源的 分配问题，上行链路调度的特点概括起来主要有如下几个方面： 1 移动台的功率限制 为了避免手机对人体产生过强的辐射，节省手机电池的耗电量，系统应该严格控制 手机的发射功率。此外，在上行系统中，每个移动台都会发送上行导频信号以便于基站 进行功率控制和信道估计，因此可用于业务信道进行数据传输的发射功率则更少。所以， 上行链路相对于下行链路在传输功率方面受到较大的限制。 2 移动台的业务状态报告 在下行系统中，基站自身了解每个业务流的业务信息，如业务类型和缓存的数据量； 而在上行系统中，由于基站无法确知各用户的业务流到达情况，因此移动台需要向基站 发送上行业务状态报告，以便于基站对系统内的资源进行集中式的调度。考虑到信令延 时和信令开销，业务状态报告的实时性和准确度必然受到一定的限制，而这些限制将会 对基站的调度决策产生影响。 3 多用户同时接受服务 下行调度系统一般采用的是时分调度的方式，经典的下行调度算法主要解决的是用 户的服务次序问题，如轮询算法( r o u n d r o b i n ) ，最大载干比算法( m a x c i ) 和正比公 平算法( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ) 而在上行调度系统中，一个时隙可以有多个用户同时传 输数据，不同用户之间通过码分的方式进行复用，因此系统在一个调度周期内要选择多 个用户，这比下行调度的情况要复杂得多。 4 用户之间的相互干扰 由于c d m a 系统是白干扰系统，当多个用户同时传输数据时，用户信号之间会相 互产生干扰，选择哪些用户接受服务就必须充分考虑它们的信道状况。此外，由于用户 数据的传输可采用自适应调制编码技术，不同的调制编码方案对信干比的要求又有所不 同，因此用户之间干扰状况就更为复杂了。 3 东南大学硕士学位论文 5 基站侧的r o t 限制 对于上行调度系统来说，一个时隙可容纳多个用户同时传输，而同时接受服务的最 大用户个数则主要取决于基站的热噪声提升量( r i s eo v e rt h e r m a l ，r o t ) 。r o t 定义 为基站侧的总接收功率电平与热噪声电平的比值1 5 0 】。由于系统的热噪声电平可以看作常 量，因此噪声提升量与基站的接收功率相对应，该值实际上反映了基站的负载状况。通 常系统的r o t 值不能超过7 d b 。随着同时传输数据的用户数的增加，r o t 值也相应的 增加，因此实际同时服务的用户数上限是r o t 不超过给定门限值的最大用户数。 鉴于c d m a 上行调度系统有诸多自身的特点，因此许多传统的调度算法对该系统 并不适用。解决c d m a 上行调度问题的主要思路，就是综合考虑各用户的信道状况信 息和业务状态信息，在控制上行用户之间干扰水平和系统负载的前提下，对各用户的速 率分配和功率分配进行自适应联合优化，从而使系统达到最佳的性能。 1 3c d m a 2 0 0 0l x e v - d v 上行链路增强技术简介 经过1 0 多年发展，c d m a 标准已经经历了多个技术阶段，其中，i s 9 5 a 和i s 9 5 b 为同一系列标准，总称为i s 9 5 。i s 9 5 b 是i s 9 5 a 的进一步发展。一般认为，它们均属 于第二代移动通信技术标准。c d m a 2 0 0 0 是i s 9 5 标准向第三代技术演进的方案，由3 g p p 2 负责制定和发布。c d m a 标准的后向兼容性是其重要优势之一，从i s 9 5 到c d m a 2 0 0 0l x 、 c d m a 2 0 0 0l x e v - d o 及c d m a 2 0 0 0l xe v - d v 都是后向兼容的，只要部署了c d m a 网络， 就可以较低的代价向下一代平滑演进。图1 2 是c d m a 2 0 0 0 系列标准的演进过程。 在一系列标准中，c d r n a 2 0 0 0l x 是指采用1 2 5 m h z 单载波的c d m a 2 0 0 0 系统，它在 核心网部分引入了分组交换，可支持移动i p 业务。目前，c d m a 2 0 0 0l xr e l e a s e0 版本技 术已经非常成熟，在全球多个国家和地区成功商用。c d m a 2 0 0 0 还定义了c d m a 2 0 0 03 x 多载波模式，它与c d m a 2 0 0 0l x 的主要区别是，前向信道采用3 载波方式，而c d m a 2 0 0 0 l x 用单载波方式。从技术和商用成熟度考虑，运营商对c d m a 2 0 0 0l x e v 更感兴趣。 c d m a 2 0 0 0i x e v 是在e d r n a 2 0 0 0l x 基础上演进的提高速率的增强体制。它从2 0 0 0 年开始分为两个方向发展：一个称为l xe v - d o 技术，主要是对数据业务进行了增强， 即在网络容量( 固定带宽，每个小区容纳的用户数) 和业务级别( 提供给每个用户的平 均数据吞吐量) 方面进行了优化。该技术有助于提升无线数据业务的发展空间，已经在 韩国、美国和日本等国家有了规模商用。另一个叫做i x e v - d v 技术，它对数据业务和 4 第1 章绪论 语音业务同时进行了增强，集c d m a 2 0 0 0l x 和c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 两者之优势，可 在1 2 5 m h z 带宽内，同时提供语音业务和高达3 1 m b i t s 的分组数据速率。l x e v - d v 空 中接口标准分为两个版本：r e l e a s ec 和r e l e a s ed 。r e l e a s ec 主要改进和增强了 c d m a 2 0 0 0l x 的前向链路，前向峰值速率达到3 1 m b i t s 。r e l e a s ed 在r e l e a s ec 的基础 上改进和增强了反向链路，反向峰值速率达到1 8 m b i t $ 。 曰命日吟日b 曰命国 语音9 6 k b l h i g 膏1 1 5 2 k b l “ 高容量语音2 4 m b 艄教据 1 5 3 k b p l 分组数据独立载波 后向蘸容 图1 2c d m a 2 0 0 0 系列标准的演进过程 高语音和数据窖量 前向峰值速率3i m p s 反向峰值速率1 s m b p s c d m a 2 0 0 0l x e v - d vr e l e a s ed 的上行链路增强技术的主要特点有： ( 1 ) 兼容c d m a 2 0 0 0 ，支持多种业务组合。同时使用了时分复用( t d m ) 和码分复 用( c d m ) ，根据所支持的业务性质使用不同的资源分配方法，可通过多个业务信道的 组合，支持不同q o s 要求的多种业务。 ( 2 ) 对反向信道进行了增强。增加了新的反向分组数据信道( r p d c h ) 和相应的 控制信道、链路质量指示信道等，采用高阶调制( 1 6 q a m 8 p s k ) ，峰值速率提高到 1 8 m b i t s 。 ( 3 ) 自适应调制编码( a m c ) 。通过发送反馈来估计信道条件，并使调制和编码方 式在系统限制范围内与信道条件相适应。 ( 4 ) h y b r i da r q 。h a r q 结合了纠错编码和a r q 技术，有效地增加无线链路的数 据吞吐量，减小重传的时延。物理层的h a r q 技术和a m c 的结合，可以使数据传输更 适应无线链路的变化，从而改善数据链路的性能。 ( 5 ) 反向链路控制方式更灵活，采用更快的调度和速率控制。支持公共速率控制、 专用速率控制等不同的调度模式，并且由m a c 层向基站传输用户的相关信息和请求， 使得反向链路从申请业务到发送数据的调整时延减小，保证了系统的q o s 性能和对时延 敏感型业务的支持能力。 5 东南大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作和内容安排 本论文以c d m a 2 0 0 0l x e v - d v 系统为背景，对c d m a 上行多业务调度算法进行了 研究，考虑调度系统中吞吐量、公平性和q o s 的折中问题，分别对非实时业务系统、实 时业务系统以及多业务混合的系统提出了改进算法，此外对多载波c d m a 的上行调度 算法也进行了研究。论文各章节的安排如下： 第二章对c d m a 上行调度问题的数学模型进行了详细的研究，在基本的c d m a 上 行调度模型的基础上，分析了正交因子、导频信道以及离散速率集等因素对模型的影响， 建立了更为符合实际系统的c d m a 上行调度模型。 第三章首先分析下行时分调度与上行码分调度的区别和联系，然后根据吞吐量、公 平性以及服务质量( q o s ) 这三个优化目标，对已有的无线调度算法进行了归纳。针对 公平性优化目标，介绍了公平性准则、公平性指标以及无线公平调度算法；针对q o s 优化目标，介绍了q o s 的性能指标、q o s 的业务级别以及保证q o s 的无线调度算法。 第四章介绍了在o p n e t 仿真软件下设计的c d m a 2 0 0 0l x e v - d vr e l e a s ed 上行调度 仿真平台，该平台对上行通信中的业务生成、信道衰落、导频功率控制、自适应调制编 码、h a r q 重传以及各物理信道的工作方式进行了仿真。 第五章针对调度系统中吞吐量、公平性和q o s 这三个优化目标的折中问题，给出了 一种设计调度算法的基本原则。在遵循该原则的基础上，基于服务公平指数的公平性指 标，设计了一种保证速率公平性的非实时业务调度算法和一种保证延时公平性的实时业 务调度算法。最后，针对c d m a 上行多业务系统提出了一种资源动态预留的调度算法， 采用资源调整因子对各业务分配的资源进行动态的调整，从而提高了系统资源的利用 率。在算法仿真中，将改进算法与经典算法的性能进行了比较。 第六章首先介绍三种典型的多载波c d m a 传输方案，然后对m c c d m a 上行通信 系统的数学模型进行研究，基于前人提出的m c c d m a 子载波功率分配的迭代算法， 提出了一种新的基于q o s 的m c c d m a 上行调度算法，在系统资源不足和资源充足这 两种情况下，分别采用不同的方案对资源调度进行优化。最后，对该算法进行了仿真。 第七章对全文进行总结。 6 第2 章c d m a 上行调度问题的数学模型 第2 章c d m a 上行调度问题的数学模型 本章将对c d m a 上行调度问题的数学模型进行详细的阐述。首先对最基本的理想 模型进行研究，然后逐步将模型进行推广，分析实际系统中的正交因子、导频信道以及 离散速率集等各种因素对模型的影响，从而建立更适用于实际通信系统的c d m a 上行 调度模型。 2 1 基本模型 考察单小区的c d m a 上行链路系统，小区内的用户数目为。，为邻小区用户信 号对本小区的干扰功率，矿为本小区的背景噪声功率。 设用户i 的最大发射功率为或，用户i 的总链路增益( 包括路径损耗、阴影衰落、 快衰落以及天线增益) 为玑，最大接收功率为芦，显然有瓦= 或吼。我们假设用户的 总路径损耗吼可以估测，又由于用户的最大发射功率箴是已知的( 取决于移动台的设 备参数) ，因此用户的最大接收功率i 对于系统来说是已知量。 设用户i 的实际接收功率为只，用户f 在基站侧的码片信干比( s i r ) 为。由于邻 小区用户和本小区内的其它用户都会对用户f 产生干扰，因此用户的s i r 可表示为 m 2 耍汀- i 而江h ( z 1 ) # z i 1 功率指数的定义 功率指数是上行调度系统中的一个重要参数，在【1 】【2 】【3 】等文献中都对其进行了详 细的研究，它实际上体现了系统对各用户分配资源的份额。当用户的功率指数确定后， 系统也就能相应确定用户的接收功率和用户的传输速率，因此用户功率指数的分配问题 是实现上行链路功率和速率联合调度的关键所在。 定义用户珀q 功率指数为 垒可l( 2 2 ) 弓+ 盯z jj 。 7 东南大学硕士学位论文 在( 2 2 ) 式中，羔l b + ，+ 盯为基站侧的总接收功率，因此功率指数反映了用户f 在 基站侧的接收功率只在总接收功率中所占的比例。显然，根据( 2 1 ) 式和( 2 2 ) 式，用户的 功率指数和用户的信干比之间有如下关系 2 寿 ( 2 3 ) 下面分析如何用功率指数来表示用户的接收功率和用户的数据速率。 首先，我们对用户的接收功率和功率指数的关系进行分析。根据( 2 2 ) 式，在已知 n 1 ，啦，q 的前提下，求解如下线性方程组 可以解得 1 一m一啦 一0 l o 1 一a 2 一0 2 一a n a n1 d n 县 恳 ： 昂 = ( ，+ 盯) a l 砚 ： a n 只：坐挚，忙1 j ， ( 2 5 ) 1 一叼 j = l 可见，功率指数的分配方案直接对应于系统内各用户接收功率的控制方案。确定各用户 的接收功率只后，系统再根据估测的各用户的链路增益g f ，就可以计算出各用户所需使 用的发射功率砰，从而实现对用户的功率控制。 其次，我们分析用户的数据速率和功率指数的关系。设用户t 的数据速率为冠，用 户的码片速率为w ，则用户f 的扩频增益为尾，因此用户i 的比特信干比为 吼= 孙疆w 丽可l i e 去 ) j 在系统给定误比特率( b e r ) 的前提下，根据物理层曲线可以确定比特信干比，因 此数据速率和功率指数的关系如下 耻南。去【0 8 ( 2 7 ) 第2 章c d m a 上行调度问题的数学模型 2 模型的约束条件 在定义了功率指数后，我们考虑上行调度系统的约束条件。 首先，由于每个用户存在接收功率上限，需满足限制条件置，将( 2 5 ) 式代入 该条件可得 妻q + 三去三啦1 i ：1 ， ( 2 8 ) 对于该约束条件，我们考虑如下几种特殊情况： 1 所有用户的信道质