（通信与信息系统专业论文）lteltea系统下行qos的分组调度算法研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着移动通信技术的发展以及无线多媒体业务不断： 也推陈出新，下一代移动通信网络 在支持更高的传输速率的基础上，能够满足不同业务的q o s 要求并且容纳更多的用户，一 直以来是人们的追求。有效的无线分组调度算法正是实现这一目标的关键。本文正是以 l t e l t e a d v a n c e d 系统下行链路为背景，基于q o $ 的分组调度算法的研究。 论文首先对l t e l t e a d v a n c e d 移动通信系统给予简要的介绍，然后对无线通信系统 中的分组调度进行了归纳，最后分别针对l t e 和l t e a d v a n c e d 系统下行链路中的分组调 度进行探讨。本文的主要研究1 二作和成果可以概括为以下两点： 第一，针对实时业务和非实时混合业务提出了基二fl t e 系统下行链路的两种分组调度 算法，m a c 层的队列状态信息与物理层的信道状态信息在算法设计中给予了综合考虑。 首先，本文基于l t e 系统下行链路，针对实时业务给出：广一种改进的调度算法，赋予每个 用户不同调度优先级，实时用户的q o s 要求得到较好的满足。然后，对于实时和非实时混 合业务情况下，在算法设计中加入了时延调整因子、信道质量方差、有效传输速率等参数。 使得实时业务用户的时延需求与非实时业务用户的传输速率都得到保证，用户公平性性能 也有了明显的提升。 第二，基于l t e a d v a n c e d 系统引入中继通信的特点，提出一种可以根据信道质量和 包时延动态调整传输速率以增加系统的吞吐量，通过对数据包业务的分类和速率限制及信 道状态的综合考虑，对用户和中继结点进行合理调度来更好满足用户的q o s 需求的分组调 度算法。由于中继站点自身有很强的处理能力，包括具有部分的基站判决能力，能通过辅 助基站对移动终端做出相应判决来减轻对基站的负担，配合基站进行资源优化分配，来提 高资源利用率和数据传输速度，提升系统性能。 关键词：l t e l t e a d v a n c e ，正交频分多址，中继，服务质量，分组调度 南京邮电大学硕士研究生学位论文abs仃act 一一一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g i e sa n d a p p l i c a t i o ns e r v i c e sa r es w i t c h i n 2t o m u l t i m e d i a o r i e n t e dd a t ac o m m u n i c a t i o n sf r o mv o i c e o r i e n t e do n e s ，t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss u p p o s e dt op r o v i d eb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c ea n d s a t i s f ym o r e u s e r s b a s e do nh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e a se f f e c t i v ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sc r i t i c a lt oa c h i e v e t h i sg o a l ，t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so no f f e r i n gb e t t e rp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，w h i c hw i l l p r o v i d eq o sg u a r a n t e e s ，f o rd o w n l i n ko fl t e l t e - a d v a n c e ds y s t e m l t e l t e a d v a n c e ds y s t e m ，i n c l u d i n gd o w n l i n ka n d u p l i n k ，a r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h e b e g i n n i n go ft h i st h e s i s a n dt h e nac o n c l u s i o nf o rt h ec u r r e n t p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mw a s d r a w n t h el a s tb u tn o tt h el e a s t ，t h ed i s c u s s i o na b o u tp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o rd o w l l l i n k o fl t ea n dl t e a d v a n c e ds y s t e ma r er e f e r r e dd i s t i n c t l y f h em a j o rc o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i s a r ea sf 0 1 1 0 w s ： f i r s t ，f o rt h ed o w n l i n ko fl t es y s t e m ，i no r d e rt og u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n t so f u s e r s ， t w oc r o s s - l a y e rp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m sa r ep r o p o s e dw h ic ht a k e sc h a n n e la n dq u e u es t a t e i n f o r m a t i o ni n t oa c c o u n t t h ef i r s ta l g o r i t h m ， w h i c ha i m sa tt h er e a l - t i m es e r v i c es c e n a r i o ，t h e s c h e d u l i n gp r i o r i t yf o re a c hu s e ri sd i s t i n c tb a s e do nt h ec h m n e lc o n d i t i o n sa n dd e l a yc o n s t r a i n t t h eg i v e ne o sr e q u i r e m e n t sc a nb eg u a r a n t e e dw i t ht h i sk i n do fa l g o r i t h mw h i c h c a nb e a p p r o v e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h es e c o n da l g o r i t h mb a s e do nt h ef i r s to n ea n df o rt h e m u l t i c l a s ss e r v i c e s ，i m p o r t st h ec h a n n e lq u a l i t yv a r i a n c e ，t h ed e l a ya d j u s ti n d i c a t o ra n dt h e e f f e c t i v et r a n s m i s s i o nr a t e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r e s e n tt h a tt h es y s t e mt h r o u g h p u ti si n c r e a s e da n d f a i r n e s si si m p r o v e dw i t h r e s p e c tt ot h ea c h i e v e dd a t ar a t ep e ru s e r s e c o n d l y ，a sr e l a yf u n c t i o ni si m p o r t e df o rl t e - a s y s t e m ，i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m t h r o u g h p u t ，ac e n t r a l i z e dp a c k e ts c h e d u l i n gs c h e m eb ya 由u s t i n gt r a n s m i s s i o nr a t e sd y n a m i c a l l y i nr e s p o n s et ot h ev a r i a t i o no fc h a n n e l q u a l i t ya n dp a c k e td e l a yi sp r o p o s e d t h e nd e m o n s t r a t e t h a tl h ep r o p o s e ds c h e m ec a nu t i l i z et h ec a p a c i t yo fn e t w o r k 1 1 1 0 r ee f f i c i e n t l y a n da c h i e v e p r o p o r t i o n a lf a i r n e s sa n dt r a f f i cb a l a n c et ou s e r sb ys i m u l a t i o n k e yw o r d ：l t e l t e a d v a n c e ，o f d m a ，r e l a y ，q o s ，p a c k e ：ts c h e d u l i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 图1 1 本论文组织结构图6 图2 1 双工模式8 图2 - 2o f d m 系统框图9 图2 3l t e 基本帧结构11 图2 4t y p e 2 帧结构1 1 图2 53 g p pr 6 和3 g p pl t e 的网络拓扑结构1 2 图2 - 6e u t r a n 各网络节点功能划分图1 3 图2 7 融合后的l t e a d v a n c e d 的帧结构16 图2 - 8 频谱整合( s p e c t r u ma g g r e g a t i o n ) 操作1 7 图2 - 9 分布式天线系统，18 图2 1 0l t e l t e a 系统下行链路2 0 图2 1 1o f d m a 系统时频二维资源结构图2 1 图3 1 无线通信中的调度器模型2 4 图4 1b s 端调度器构架图3 2 图4 2 系统吞吐量比较图3 6 图4 3 平均分组时延比较图3 7 图4 4 用户公平性指数比较图3 8 图4 5 数据包存续时间示意图3 9 图4 6 实时业务用户平均分组时延性能比较图4 1 图4 7 非实时业务用户吞吐量性能比较图4 2 图4 8 系统吞吐量性能比较图4 3 图4 - 9 用户公平性指数比较图4 4 图5 1l t e a 系统网络拓扑图一4 5 图5 2 中继节点在小区中的放置4 6 图5 3 小区卷绕模型4 7 图5 4 系统吞吐量5 2 图5 5 实时业务丢包率的几种算法比较5 3 图5 - 6 混合业务时实时业务的丢包率5 4 图5 7 平均包时延5 5 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 一一 表3 1 算法性能比较3 0 表4 一l 信道状态应用举例 表4 2s n r 和传输速率对应关系表 表5 - 1 系统仿真参数“ 3 5 0 3 3 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景与研究意义 第1 章绪论 “任何人可以在任何时间、任何地点进行任何方式的通信”这个目标是人类一直以 来的不懈追求，也是无线通信技术发展的目标和方向。 从1 9 4 8 年香农建立信息论开始，到现在的短短几十年间，无线通信技术在人类社会 的各个方面得到了广泛而深入的应用并且起到了不可磨灭的作用。与此同时，在人类需要 量及无线通信技术进步的推动下，无线网络的研究也得到了飞速的发展，经历了若干阶段 的重大飞跃。建立在蜂窝概念的以模拟技术和频分多址为特征的第一代模拟移动通信系统 已经退出了市场，以数字技术和时分多址为特征的第二二代移动通信系统( 2 g ) 及其升级系 统正在全球移动通信领域发挥着中流砥柱的作用。如今，基于宽带码分多址技术并且致力 于解决全球多媒体移动通信的第三代移动通信系统( 3 g ) 已经在全球范围内开始得到大规模 商用。然而，就在朝着目标步步逼近的时候，人们意识到现在的无线通信技术还是没有办 法满足自身对无线多媒体业务需求近于“贪婪”的要求，其中对于无线多媒体的相关问题 将在本章下一节详细给予说明。如此，下一代移动通信系统( 即b 3 g 4 g ) 【1 1 2 应运而生， 己成为全球相关通信研究机构的热门研究主题和方向。b 3 g 4 g 通信系统将能够提供宽带 无线接入，全球无缝漫游和无处不在的语音、数据业务。对于b 3 g 4 g 通信系统，人们在 一定程度上已经达成了共识： b 3 g 4 g 系统将要提供更高的频谱效率和为用户提供高可靠性的数据和语音服务； b 3 g 4 g 系统将要有效支持全范围的多速率业务，以满足不同用户对于服务质量( q o s ) 的不同要求； b 3 g 4 g 系统应该能融合现有的多种无线接入技术，如3 g 系统、无线局域网、b l u e t o o t h 等，使用户终端在不同的无线网络问透明切换； 在无线通信系统中，频谱资源永远是有限的，因此，研究对于有限频谱资源的最大化 合理利用总是有着积极而又重要的意义，而无线资源管理技术承担的就是这样的责任。无 线资源管理技术包含的内容是很广泛的，其中功率控制、切换管理、分组调度、信道分配、 接纳控制、负载控制等，都起着重要的作用。而分组调度更是系统性能的最关键的个环 节。一个有效的分组调度算法可以在很大程度上提高其效率。目的，人们已经对不同无线 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章 绪论 通信系统的调度算法的研究给予重视，但是关于调度算法的成熟程度却因系统的复杂程度 不一也显得有些参差不齐。对于多天线环境、多小区环境、复杂链路环境，尤其是多种技 术融合的异构网络环境下，分组调度的研究还很不成熟。这正是本文展开研究l t e l t e a 系统中下行分组调度机制的选题依据所在。 大量的实时性和非实时性的分组数据业务的同时存在是禾来无线通信网络的主要特 征之一。由于一个基站内所有用户的速率总和，往往会超过基站拥有的频带所能传输的信 道容量。因此，在基站内设置一个分组调度器就显得十分必要，根据用户不同q o s 需求， 分配资源给不同的用户【3 5 。最近调度技术也开始与其它技术；相结合，比如功率控制、呼叫 接纳控制等【6 - 8 。然而，由于无线链路低传输速率与高差错率以及用户的移动性等特点，网 络各层之间需要进行有效的信息交互才能综合保证系统的整体性能。在此种背景下，基于 跨层的资源管理机制，就成为了无线宽带网络的重点研究方向之一。因此，研究宽带无线 网络中的基于跨层机制的分组调度在提高系统资源利用率，提升系统频谱效率方面具有重 要的理论意义和实践价值川。 1 2 无线多媒体业务介绍 1 乙1无线多媒体业务分类 按照时延要求来划分，可以将全球无线通信系统业务分成四大类 1 3 1 ： 会话式业务：这类要求端到端延迟和抖动小，是一类典型的实时业务。视频会议、 电话、i p 电话、等均是此类业务的范畴。 流媒体业务：这一类业务也属于实时业务，数据流单向传输，对延迟要求较宽松。 有视频点播、网络实况广播等属于此类业务。 交互式业务：典型代表是w e b 浏览，这类业务的特点是请求一响应模式，对延迟 几乎没有要求。 背景业务：典型业务如e m a i l ，或者后台的f t p 下载等都属于这类业务，通常对 传输延迟没有限制。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章 绪论 1 。2 2 q o s 性能分析 q o s 是用户对服务性能要求的反应，网络性能的优劣可以在一定意义上通过网络对服 务质量的满足程度来判断。所谓服务质量是指服务性能的聚集效应，它决定用户对特定服 务的满意程度1 3 。如果网络只用于特定的无时延和带宽要求的系统，并不需要q o s 保证， 但是对关键应用和多媒体应用，服务质量保证就十分必要。当网络负载过重时，要能确保 重要业务的服务质量要求，同时保证网络的高效运行。 q o s 是多方面因素的综合反映，它涉及到应用程序、用户终端、网络、服务器各部分。 它包括多方面的内容，如传输延迟、抖动、丢包率、带宽要求等1 钔。每种业务都对q o s 有特定的要求，有些可能对其中的某些指标要求高一些，有些则可能对另外一些指标要求 高些。衡量q o s 的技术指标主要包括以下几个： 1 可用带宽 可用带宽是指指网络的两个节点之问特定应用业务流的平均速率，主要衡量用户从网 络取得业务数据的能力。所有的实时业务对带宽都有一定的要求，如对于视频业务，当可 用带宽低于视频源的编码速率时，图像质量就无法保证。 2 时延 在无线网络中，时延通常包括四个部分【1 4 ：处理时延、排队时延、传输时延、和传播 时延。处理时延是指分组到达一个节点的输入端与该分组到达该节点的输出端之间的时 延。若节点的传输队列在节点的输出端，则排队时延指分组进入传输队列到该分组实际进 入传输的时延。若等待队列在节点的输入端，则排队时延是指分组进入等待队列到分组进 入节点进行处理的时延。传输时延是指发送节点在传输链路上开始发送分组的第一个比特 到发送完该分组的最后一个比特所需要的时间。传播时延：是指发送节点在传输链路上发送 第一个比特的时刻到该比特到达目的节点的时延。 3 抖动 抖动是指由于各种时延的变化导致网络中数据分组到：送速率的变化，也可以认为是对 信道时延变动的度量值。它主要由以下几个因素引起：分组的排队时延、可变的分组大小、 中问链路等。补偿抖动的常用方法是在接收端设备( 手机、掌上电脑等) 上进行缓冲处理， 虽然这与减小时延的目标相悖，但对于消除抖动带来的影响是必要的。 4 丢包 无线网络中主要有三个原因会导致丢包： 飞 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第l 章 绪论 载波监听多点接入( c s m a ) 域中流量过大，有冲突的包就会被丢弃； 时延变化过大，因为包到达缓冲器过晚或过早都会被丢弃； 当等待队列满时到达的数据包会被丢弃。 5 误包率 误包率是指在网络传输过程中报文出现错误的百分比。误包率对一些加密类的数据业 务影响尤为严重。 针对不同的业务类别，服务质量的保证策略主要有以下三种： 尽力而为型服务( b e s t e f f o r ts e r v i c e ) ：仅保证基本的连通性，不提供发送流量、 发送速率和顺序方面的保证。适用于优先级最低或没有q o s 要求的k 务。 区分型服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) ：从统计意义上实现业务的优先级服务，不能 提供确定的时延和带宽保证。系统资源利用率较高，即处理快速、平均带宽较大、 平均丢包率较低。适用于同类业务之间按优先级分配带宽。 保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：提供确定的参数化q o s 保证，可以保证带宽、 限制延迟、无丢包。该服务通过分组网络中的q o s ! 工具资源预留协议( r s v p ) 实现，适用于高q o s 要求的业务，或提供最低性能保证。 q o s 保证的具体实现涉及到多个层而。在网络层，q o s ：要求涉及到网络延迟和阻塞等 问题，其解决方案包括流量调节及拥塞控制机制等。在路由器上可以通过路由选择机制、 中继网络、合作通信等技术实现。对于移动网络，用于减少移动过程中连接中断概率的切 换技术，也是网络层实现无缝切换保障用户q o s 要求的关键。在链路层，可以通过呼叫接 纳控制、调度算法、合理的信道及带宽分配实现。在物理层，可以和m a c 层相结合，选 择合理的功率分配策略和调制编码方式。m a c 层分组调度机制的选择可以兼顾物理层功 率分配和速率分配方案，有效地分配系统资源，在满足业务q o s 要求的前提下提高系统的 吞吐量。而在物理层，为保障q o s 而引入的复杂的调制、编码方式、先进的天线技术等， 会在很大程度上增加系统的复杂性，且由于信道容量的限制，系统性能的增值空间不大。 因此，m a c 层的合理调度机制可以更加有效地满足用户的q o s 要求。 1 。3 研究思路与总体方案 在针对无线实时业务分组调度算法中；尽管m l w d f 和e x p 算法对分组等待时f a j , u 用户信道条件两方面都有所考虑，但因其并未将用户信道条件的重要性发挥f 世来结果对 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 实时用户分组传输时延性能的提升作用非常有限。有必要研究出能够充分利用信道信息， 以进一步提高实时用户q o s 的新的无线分组调度算法。而针对无线混合的实时非实时业 务分组调度算法中目前尚不存在一种较好的算法能够在实现资源公平分配的前提下，提高 不同类型用户的q o s ，有待于对此情况下的分组调度算法进行更合理的设计。 本论文中针对l t e 下行链路系统的分组调度算法的研究正是围绕以上两个问题展开 的。分别就具有小尺度服务时间保证的非实时调度算法、具有加权服务时间公平性的实时 调度算法以及混合的实时非实时调度算法进行了研究。针对不同的用户业务场景，在l t e 系统下行中提出两种基于用户q o s 保证的跨层分组调度算法： 在第一种算法的设计中除了考虑m a c 层的队列状态信息和物理层的信道状态信息 外，加入指数时延准则和s g c n f 准则； 对于第二种算法的设计，又考虑有效传输速率、信道质量方差和自适应时延调节因子 等参数。 通过指数时延准则，在用户时延很小的时刻可以让出机会给其他珏以获得高吞吐量的 用户服务以提高系统整体的吞吐量，而当时延很接近其最大时延限制时，其调度优先级因 子成指数级提高以满足其时延要求：通过s g c n f 准则或信道质量方差因子，避免了衰落 比较大的用户很少被服务到的缺点，一方面提高了同一时刻调度的用户数量，另一方面也 充分挖掘了多用户分集增益，提升了系统吞吐量。另外通过这些参数的设置，还在一定程 度上改善了用户服务的公平性问题。最终通过计算机仿真实验，同已有的算法比较，验证 上面的分析结果。 在l t e a 系统下行中，针对l t e a d v a n c e d 网络引入中继的特点提出一种分组调度算 法，其可以根据信道质量和包时延动态调整传输速率以增加系统的吞吐量，通过对数据包 业务的分类和速率限制及信道状态的综合考虑，对用户和中继结点进行合理调度来更好满 足用户的q o s 需求。由于中继站点自身有很强的处理能力，包括具有部分的基站判决能力， 能通过辅助基站对移动终端做出相应判决来减轻对基站的负担，配合基站进行资源优化分 配，来提高资源利用率和数据传输速度，提升系统性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章 绪论 1 4 论文结构组织 本文针对l t e 系统t q ? f 口l t e a 系统下行无线资源管理技术中的分组调度进行了研 究，提出了一些新的算法，或在已有算法和方案的基础上进行了改进，并给出了详细阐述 和实验仿真结果，验证了所提算法的有效性。论文各章的内容安排如下： 第一章首先介绍本论文研究背景、q o s 性能分析介绍并随后给出本文针对l t e l t e a 系统下行链路所要提出算法的总体方案。 第二章主要介绍了l t e l t e a 系统的基本特征及在系统中所采用的关键技术，在此 章的最后一节，将会给出关于l t e l t e a 系统下行链路的特色总结，为本文调度算法的 研究平台给予充分的了解。 第三章介绍了几种典型的无线分组调度算法，并对各个算法的性能特性进行分析，并 在本章最后一节中对l t e l t e a 系统下行链路分组调度算法进行了初步讨论。 第四章首先给出了基于l t e 系统下行链路的两类改进型算法设计，并对经典算法和改 进算法进行仿真，并对仿真结果进行分析比较。 第五章基于l t e a 系统的中继链路特性，提出一种分组调度算法，然后进行仿真，并 最终对仿真结果进行分析比较。 第六章对论文工作进行总结，并给出了对未来研究工作的展望。 本文对无线通信中的分组调度算法进行了有意义的探索和改进，对该领域的研究工作 具j 阿一定的参考价值。论文的主要研究内容构架如图表1 1 所示。 囊一! 图1 - 1 本论文组织结构图 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章l t e l t e a d v a n c e d 系统概述 第2 章l t e l t e a d v a n e e d 系统概述 2 13 gl t e 系统概述 近年来，在传统蜂窝移动通信技术快速发展的同时，有些宽带无线接入技术( 如 w i m a x 技术) 也开始提供部分的移动功能，力图抢占移动通信市场。在这种背景下，移 动通信业界提出了新的市场需求，要求进一步改进3 g 技7 | 之，提供更强大的数据业务能力， 以便为移动用户提供更好的服务。因此，3 g p p 相应启动了3 g 技术长期演进( l t e - l o n g t e r me v o l u t i o n ) 的研究工作【1 5 】，以保持3 g 技术的竞争力和在移动通信领域的领导地位。 2 1 1l t e 性能特征 3 g p pl t e 的总体特征是：更高的数据传输速率、更低的时延、改进的系统容量和覆 譬 盖范围，以及较低的成本和向下兼容的能力 1 6 】。l t e 作为3 g 的下一代演进技术，主要性 能特征包括以下几个方面： ( 1 ) 通信速率的提高，f 行峰值速率达到1 0 0 m b i t s ，上行达到5 0 m b i t s 。 ( 2 、提高了频谱效率，下行链路为5 b i t s h z ( 3 4 倍于r 6h s d p a ) ：上行链路为 2 5 b i t s h z ( 2 3 倍于r 6h s u p a ) 。 蹦 ( 3 ) 支持增强的i m s ( i p 多媒体子系统，i pm u l t i m e d i a ，s u b s y s t e m ) 和核心网。 ( 4 ) 通过c s ( 电路交换，c i r c u i ts w i t c h i n g ) 域的业务在p s ( 分组交换，p a c k e ts w i t c h i n g ) 域的实现，保证v o l p ( 网络电话，v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 类业务的实现。 ( 5 ) 系统部署灵活，能够支持1 2 5m h z 、1 6m h z 、2 5m h z 、5m h z 、1 0m h z 、1 5m h z 和2 0m h z 的带宽设置，保证将来在系统部署上的灵活性。， ( 6 ) 降低无线网络时延，子帧长度为0 5 m s 和0 6 7 5 m s ，解决向下兼容的问题并降低了 网络时延，时延可达用户面延迟 5 m s ，控制面延迟 1 0 0 m s 。 ( 7 ) 在保持目前基站位置不变的情况下增加了小区边界比特速率。如增强型多媒体广播 和组播业务( m b m s ，m u l t i m e d i ab r o a d c a s t m u l t i c a s ts e r v i c e ) 在小区边界可提供l b i t s h z 的数据速率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章l t e l t e a d v a n c e d 系统概述 ( 8 ) 支持f d d ( 频分双工，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 、t d d ( 时分双工，t i m e d i v i s i o n d u p l e x ) 和混合f d d t d d _ , o p e c ，由图表2 1 ( a ) 、( c ) 和( b ) 可见；尽可能支持简单的邻频 共存 f 7 】等。 f d do n l yc o m b i n e df d d t d d t d do n l y 一一一 j 一一、。一l 一一一i 一 ，+ 一一一。厂 一一f 一1 一 ”曲吐、l 一一l l t 血 二j 一爱二：i 二- i h i g h e s td a t ar a t e sf o rg i v e n b a n d w i d t ha n dp e a kp o w e r ( a ) f d d 模式 2 1 2l t e 系统关键技术 r e d u c e du e c o m p l e x i t y ( b ) 霹d d 和t d d 混合模式 图2 - i 双工模式 u n p a i r e ds p e c t r u m ( ( ，) t d d 模式 3 g p pl t e 系统中的关键技术主要可以体现在物理层传输技术和网络结构特点两方 面。 2 1 2 1 物理层技术 基本传输技术和多址技术 传输技术和多址技术是无线通信技术的基础。l t e 中传输技术采用能够有效克服多径 衰落，提高传输效率的正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术1 1 8 之1 1 ，其原理是将高速信息数据编码后分配到并行的n 个相互正交的子载波上，每个 载波上的调制速率很低( 1 n ) ，调制符号的持续f q g n 远大于信道的时间扩散，从而能够在具 有较大失真和突发性脉冲二f 扰坏境下对传输的数字信号提供有效的保护。o f d m 系统对多 径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽，则产生频率选择性衰落。o f d m 的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样，由部分衰落或二二扰而遭到破 坏的数据，可以通过频率分量增强的部分的接收数据得以恢复，即实现频率分集。 o f d m 克服了f d m a 和t d m a 的大多数问题f 2 2 】。o f d m 把可用信道分成了许多个窄 带信号。每个子信道的载波都保持f 交，由于他们的频谱有1 2 重叠，既不需要像f d m a 那样多余的开销，也不存在t d m a 那样的多用户之间的切换丌销。过去的多载波系统，整 个带宽被分成n 个子信道，子信道之问没有交叠，为了降低子信道之i j 的干： 尤，。、4 。4 4 - 与频 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章l t e l t e a d v a n c e d 系统概述 带之间采用了保护间隔，因而使得频谱利用率降低，为了克服这种频带浪费，o f d m 采用 了n 个交叠的子信道，每个予信道的波特率是1 t ，子信道的间隔也是1 t ，这时各个子 载波之间是正交的。因而在接收端无需将频谱分离即可接收，可以证明这种正交的子载波 调制可以用i f f t 来实现。需要指出的是o f d m 既是一种调制技术，也是一种复用技术。 图表2 2 给出了o f d m 的系统框图，在系统中调制解调是使用f f t 和i f f t 来实现的。 縻嘲| | 瓣避撼黼髑髑 浔融麟麓飘黼羼 縻鍪篡薹藕荔i l 蕤l 麟翳藤| | 图2 - 2 0 f d m 系统框图 对于多址技术，3 g p p 在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 系统的多址技术，即下行正交频分 多址接入( o f d m a ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和上行单载波频分多 址接入( s c f d m a ，s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 2 3 。o f d m a 中一 个传输符号包括m 个正交的子载波，实际传输中，这m 个正交的子载波是以并行方式进 行传输的，真正体现了多载波的概念。对于s c f d m a 。，也使用m 个不同的正交子载波， 但这些子载波在传输中是以串行方式进行的。正是基于这种方式，传输过程中才降低了信 号波形幅度大的波动，避免带外辐射，降低了p a p r ( ：峰平功率比) 。 根据l t e 系统的上下行传输方式的特点，无论是下行o f d m a 还是上行s c f d m a ， 都保证了使用不同频谱资源用户问的正交性。l t e 系统频域资源的分配是以正交子载波组 r b ( r e s o u r c eb l o c k ) 为基本单位的，一个r b 由2 5 个相互正交的子载波组成，由于可采 用不同的映射方式，子载波可以来自整个频带，也可以取自部分连续的了载波。 编码调制技术 3 g p pl t ee 行调制方式主要采用位移b p s k ( ，2 一s h i f tb p s k ) ，q p s k 和1 6 q a m 。 下行主要采用q p s k ，16 q a m 和6 4 q a m 。 在信道编码方面，l t e 采用t u r b o 码。t u r b o 码采用i r 一种并行级联的结构，将卷积 码和随机交织器巧妙地结合在一起，实现了随机编码的思想，译码采用软输入软输出 ( s i s o ) 迭带译码算法，每个分量译码器都有3 种不同类型的软输入：信息比特、校验信 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章l t e l t e a d v a n c e d 系统概述 息、先验信息。各分量译码器之间插入交织器，构成迭代译码结构，使得译码器的输出比 特逼近最大似然。 m i m o 技术 l t e 系统采用可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的m i m o 技术。基本的m i m o 模型是下行2 2 ，上行1 2 天线阵列，同时也j 下在考虑更多的天线配置( 如4 4 ) 。目 前，正在考虑的方法包括空间复用( s m ) 、空间多址( s d m a ) 、预编码( p r e c o d i n g ) 、 自适应波束形成( a d a p t i v eb e a m f o r m i n g ) 、智能天线以及开环分集( 主要用于控制信令 的传输，如空时分组码( s t b c ) 等。 h a r q 技术 同高速下行分组接入和高速上行分组接入( h s d p a h s u p a ) 一样，3 g p pl t e 也使 用自适应调制编码( a m c ) 和h a r q 技术；来进行速率控制和有效利用信道时变特性。 l t e 下行采用异步自适应h a r q ，e n o d e b 在物理下行控制信道( p d c c h ) 上指示h a r q 的流程数和当前发送是新的还是重传，终端在e n o d e b 发送子帧后的第4 个子帧上返回确 认( a c k ) 或者否认( n a k ) 指示，该指示用物理上行控制信道( p u c c h ) 或物理上行 共享信道( p u s c h ) 承载，由于是异步h a r q ，每一次重传都需要e n o d e b 用p d c c h 进 行凋度。 上行则采用同步h a r q ，它有两种模式：普通模式和子帧捆绑模式，它们的区别是： 普通模式是对单个子帧操作，子帧捆绑模式每次对4 个连续的上行子帧进行捆绑操作，这 是为了提高承载基于i p 的语音( v o l p ) 业务时的性能；两种模式所支持的h a r q 流程数 也是小一样的，普通模式对应的流程数为8 ，子帧捆绑模式的流程数为4 。终端根据e n o d e b 在下行p d c c h 上的新数据指示( n d i ) 比特或物理h a r q 指示信道( p h i c h ) 来判断是 否需要重传，如果需要重传，终端将会在固定数目子帧后重传。 帧结构 l t e 在数据传输延迟方面的要求很高( 单向延迟 5 m s ) ，这一指标要求l t e 系统必 须：采用很小的最小交织长度。l t e 中规定了两种子帧长度，其中基本的子帧长度为o 5 m s ， 同时考虑与t d s c d m a 系统的兼容性时，采用0 6 7 5 m s 子帧长度的t y p e 2 型无线帧结构。 图表2 - 3 为l t e 的基本帧结构，适用于f d d 和t d d 两种模式。基本帧长1 0 i l l s ， 一 共分为2 0 个0 51 1 1 s 子帧，两个子帧组成一个1m st t i 。f d d 模式下，2 0 个子帧分别同时 用于卜行和下行；t d d 模式下，上下行比例可以配置( # 0 5 子帧用于下行) 。 南京鄙电大学坝士研冗生学位论文第2 章l t e l t e a d v a n c e d 系统概述 图表2 4 为t y p e 2 型无线帧结构，t y p e 2 帧分成2 个5 m s 的无线子帧( h a l f f r a m e ) ， 每个子帧分为7 个时隙( 时隙0 到时隙6 ) 。这种设计的目的就是为了和t d du t r a 系统兼 容。同步和保护周期插在时隙0 和时隙1 之间，包括下行导频时隙( d w p t s ) 、保护间隔和 上行导频时隙( u p p t s ) 。所有时隙都包含一个小的空闲周期，可用于上下行切换时的保护。 时隙0 和d w p t s 一般用于下行传输，而时隙1 和u p p t s 用于上行传输。 ：!l!：i：ij：-：!i!：旦 s l o t 。一 s u b - f r a m e 一o n br a d i of r a m e = 10 m s + 图2 - 3l t e 基本帧结构 0 l i er a d i of r a m e = 10m s _ 一一卜 0 n eh a l ff r a m e = 5m - 一1m s +一、 d w p t sg p u p p t s d w p t sg pu p p t s 图2 - 4t y p e 2 帧结构 l t e 中子载波宽度选定为1 5 k h z ，这是一个相对适中的值，兼顾了系统效率