（通信与信息系统专业论文）ltea系统载波聚合下的调度算法研究.pdf

中文摘要 摘要 在l t e 到l t e a d v a n c e d 系统的演进过程中，更宽频谱的需求将会成为影响演 进的最重要因素之一，如何有效利用频域上分散的频谱资源，通过资源整合以获 得更高的系统带宽，是必须解决的问题，为此3 g p p 提出了载波聚合技术。目前， 在l t e a d v a n c e d 系统载波聚合情况下的资源调度算法是研究重点。 本文主要研究载波聚合情况下的资源调度算法。文中首先对l t e 资源调度理 论做了详细地介绍，讨论了与调度相关的信令，对l t e 中的经典调度算法进行了 细致地阐述。然后针对载波聚合下的资源调度，论文提出了提高边缘用户吞吐量 和用户间公平性的调度算法、基于边缘用户业务量动态调整调度算法和l t e a 用 户和l t er e l 8 用户共存情况下的改进p f 算法。 本文对于非相邻载波聚合场景，针对现有算法中边缘用户体验差的缺点，从 提高边缘用户吞吐量和用户间的公平性的角度出发，提出了下行边缘用户优先p f 调度算法。仿真表明该算法可以较好地提高边缘用户的吞吐量和用户间的公平性， 并且可以通过控制a 的大小来调节边缘用户吞吐量和用户间的公平性。在研究边 缘用户优先比例公平算法的基础上，针对用户的业务量非均匀分布的情况，根据 边缘用户的业务量比例b 动态地调整c e p p f p f 算法和p f a 算法。通过仿真可以 看出在b 较小时，使用c e p p f p f 算法，牺牲了整个小区的吞吐量，换来了边缘用 户的吞吐量和用户问的公平性提高；在比例b 较大时，使用p f a 算法小区吞吐量 和用户问的公平性比使用c e p p f p f 算法和p f 算法时都要高。 文章对于相邻载波聚合场景，结合载波聚合情况下资源调度时l t e a 用户和 l t er e l 8 用户共存的情况，针对p f 调度算法的缺陷，即当一个用户的信道质量 突然变差，并长时间处在这种环境中时，使用p f 算法可能会导致用户在较长一段 时间内无法得到服务，提出了改进的m p f 算法。仿真表明，m p f 算法对吞吐量和 用户间公平性进行了折中，m p f 调度算法相对p f 算法调度增益都是大于1 的，所 以m p f 调度算法是优于p f 调度算法的。 关键字：l t e a d v a n c e d 系统，载波聚合，比例公平算法，系统吞吐量，公平性 一薹鎏奎堂堡主堂垡笙塞 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed i s c u s s i o no fl t e - a d v a n c e di n3g p pm e e t i n g ，t h e o p t i o n s o ft h e r e q u i r e m e n ta n dt e c h n o l o g ye v o l u t i o nb e c o m em o r ea n dm o r em a t u r e i nt h ep r o c e s so f t h ee v o l u t i o nf r o ml t et ol t e - a d v a n c e d t h er e q u i r e m e n to fw i d e rb a n d w i d t hi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a t a f f e c tt h ee v o l u t i o n s o3 g p pp r o p o s e dc a r d e r a g g r e g a t i o nt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nl t e - as y s t e mw i t hc a r d e r a g g r e g a t i o ni st h er e s e a r c hf o c u s t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h es c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nl t e as y s t e mw i t h c a r d e ra g g r e g a t i o n a tf i r s t ，t h i s p a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h es c h e d u l i n gt h e o r yi n l t e s y s t e m ，d i s c u s s e st h es i g n a l i n g sr e l a t e dw i t hs c h e d u l i n ga n de x p o u n d st h ec l a s s i c a l s c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nl t es y s t e m a n dt h e ni na l l u s i o nt ot h er e s o u r c es c h e d u l i n g 、析t 1 1c a r d e ra g g r e g a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e sas c h e d u l i n ga l g o r i t h mt oi m p r o v et h ec e l l e d g eu s e r st h r o u g h p u ta n df a i m e s sb e t w e e na l lu s e r s ，ad y n a m i ca d j u s t m e n ts c h e d u l i n g a l g o r i t h mb a s e do nc e l le d g eu s e r st r a f f i ca n dam o d i f i e dp fa l g o r i t h mw i t hb o t hl t e a u s e ra n dl t er e l - 8u s e ri nc e l ls y s t e m f o rt h en o n - c o n t i g u o u sc a r t i e ra g g r e g a t i o ns c e n e ，i na l l u s i o nt ot h ed i s a d v a n t a g eo f p o o re x p e r i e n c eo ft h ec e l le d g eu s e r sw i t he x i s t i n ga l g o r i t h ma n di no r d e rt oi m p r o v e t h ec e l le d g eu s e r st h r o u g h p u ta n df a i m e s sb e t w e e na l lu s e r s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac e l l e d g eu s e rp r i o rp r o p o r t i o n a l f a i ra l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i s a l g o r i t h mc a nf a i r l yi m p r o v et h ec e l le d g eu s e r st h r o u g h p u ta n df a i m e s sb e t w e e na l l u s e r s i na d d i t i o n ，i tc a na d j u s tt h ec e l le d g eu s e r st h r o u g h p u ta n df a i m e s sb e t w e e na l l u s e r st h r o u g hc o n t r o l l i n gt h es i z eo fa b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ec e l le d g eu s e rp r i o r p r o p o r t i o n a lf a i ra l g o r i t h m ，i na l l u s i o nt ot h es i t u a t i o no fu s e rt r a f f i cn o n u n i f o r m d i s t r i b u t i o n ，i td y n a m i c a l l ya d j u s t sc e p p f p fa l g o r i t h ma n dp f - aa l g o r i t h ma c c o r d i n g t ot h ec e l le d g eu s e rt r a f f i cp r o p o r t i o nb t h r o u g ht h es i m u l a t i o nw ec a ns e et h a tw h e nb i ss m a l l ，t h a tu s i n gc e p p f p fa l g o r i t h ms a c r i f i c e st h es y s t e mt h r o u g h p u tb u ti m p r o v e s t h ec e l le d g eu s e r st h r o u g h p u ta n df a i r n e s sb e t w e e na l l u s e r s ；w h e nbi sl a r g e ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h ec e l le d g eu s e r st h r o u g h p u ta n df a i r n e s sb e t w e e na l lu s e r sw h e nu s i n g p f - aa l g o r i t h mi sb e r e rt h a nw h e nu s i n gt h ec e p p f p fa l g o r i t h ma n dp fa l g o r i t h m f o rt h ec o n t i g u o u sc a r d e ra g g r e g a t i o ns c e n e c o m b i n e dw i t ht h ec a s eo fr e s o u r c e s s c h e d u l i n gu n d e rc a r d e ra g g r e g a t i o n 、i t hb o t hl t e - au s e ra n dl t er e l 8u s e ri nc e l l s y s t e ma n di na l l u s i o nt ot h ed e f e c to fp fs c h e d u l i n ga l g o r i t h m - - w h e nau s e rc h a n n e l i i i 重庆大学硕士学位论文 q u a l i t ys u d d e n l yb e c o m e sp o o ra n ds t a y si nt h ec o n d i t i o nl o n gt i m e ，u s i n gt h ep f a l g o r i t h mm a yl e a dt ot h eu s e rc a n tg e ts e r v i c ei nar e l a t i v e l yl o n gp e r i o do ft i m e ，t h i s p a p e rp r o p o s e st h em p fa l g o r i t h m s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em p fa l g o r i t h md o e s g o o dc o m p r 。o m i s i n gb e t w e e ns y s t e mt h r o u g h p u ta n df a i r n e s sb e t w e e nu s e r s t h e s c h e d u l i n gg a i no fm p fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mr e l a t i v et op fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi s l a r g e rt h a n11 ，s om p fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sb e t t e rt h a np fs c h e d u l i n ga l g o r i t h m k e y w o r d s ：l t e - a d v a n c e ds y s t e m ，c a r r i e ra g g r e g a t i o n ，p r o p o r t i o n a lf a i ra l g o r i t h m ， s y s t e mt h r o u g h p u t ，f a i r n e s s i v 1 绪论 1 绪论 1 1l t e a d v a n c e d 系统的研究背景 随着移动通信技术的不断发展，移动用户数量逐年递增，对移动业务的需求 也日益提高。多媒体业务相对于语音业务增长更为迅速，并且逐步成为主要的业 务需求。第三代移动通信系统已不能完全满足用户的需求，因此，3 g p p 致力于研 究3 g p pl t e ( 1 0 n gt e r me v o l u t i o n ) 作为3 g 系统的演进。 作为3 g 演进型系统的代表l t e 是3 g 之后的一次阶段性变革，以o f d m 技 术为基础的全新理念和系统设计大幅度地提高了系统的通信能力，满足了人们对 未来移动通信的需求。l t e 基于分组交换的技术不仅能在保证业务q o s ，而且能 提高系统资源的利用率。在正常的小区环境中，2 0 m h z 系统的每个扇区可支持5 0 0 个v o l p 用户的容量。l t e 的系统设计框架与3 g 系统有明显的区别，主要是包括 多址技术、空中接口设计和网络架构。这更接近人们对下一代移动通信系统的展 望，l t e 虽然被称为“3 g 演进型系统”，但是更被看作是移动通信向下一代发展的 一个起点。 i t u r 已于2 0 0 8 年1 月向全球发出了征集i m t - a d v a n c e d 技术的通函，征集 i m t - a d v a n c e d 的技术提案，由此在i t u 的范畴内开始了对i m t - a d v a n c e d 技术的 国际标准化过程。3 g p pl t e 作为当前最受关注的宽带移动通信标准，其向 i m t - a d v a n c e d 阶段进一步演进是毋庸置疑的。在这样的背景下，2 0 0 8 年3 月，3 g p p 通过了关于l t e a d v a n c e d ( 简称l t e a ) 的研究项目，对l t e 系统进行进一步的技 术提高，以达到并超过i t u 对i m t - a d v a n c e d 的技术要求为目标，实现l t e 后向 兼容的l t e a d v a n c e d 系统作为向i t u 提交的i m t - a d v a n c e d 候选技术。 l t e a d v a n c e d 是l t e 的进一步演进，支持与l t e 的前后向兼容性发展。为 了提供更高的数据速率，支持更多的用户业务和新的服务，l t e a d v a n c e d 在频点、 带宽、峰值速率及兼容性等方面都有新的需求【l 】。 1 2l t e a d v a n c e d 系统的需求 i m t - a d v a n c e d 对未来的4 g 系统在通信速率、带宽和用户体验等方面提出了较 高的要求。统计表明，将来8 0 9 0 的业务可能将发生在室内和热点游牧场景， 室内、低速移动、热点区域将成为移动互联网时代更重要的应用场景。因此，保 证在这些场景下的用户体验是未来4 g 通信的主要目标之一。从技术上来讲，l t e 已经可以作为满足i m t - a d v a n c e d 需求的技术基础和核心，但是从某些指标上来讲， l t e 还稍微较弱一点。因此只需要在l t e 基础上进行扩充、增强、完善，l t e 就可 重庆大学硕士学位论文 以顺利的升级到4 g ，而不需要去改变l t e 标准的核心。而l t e a d v a n c e d 的定位就 是在l t e 基础上的平滑演进，并且后向兼容l t e 标准。经过一系列的讨论， l t e a d v a n c e d 需求已经基本确定【2 j 。 1 2 1 “平滑演进”与“强兼容要求 基于这样一种定位，l t e a d v a n c e d 系统应自然地支持原l t e 的全部功能，并 支持与l t e 的前后向兼容性，即l t e 的终端可以接入未来的l t e a d v a n c e d 系统， l t e a d v a n c e d 终端也可以接入l t e 系统。如果这一需求得到严格的执行，势必要 求l t e a d w m c e d 和l t e 在现有的部署场景下公用一个技术平台，只是在某些l t e 没：有充分考虑的新场景中采用一些更优化的技术。如果确实发现了可以显著提高 l t e a d v a n c , e d 系统性能的先进技术，上述“强兼容”要求也是有可能放松的。 1 2 2 针对室内和热点游牧场景进行优化 随着业：界对移动互联网发展趋势的理解逐步加深，人们也在反思宽带移动通 信的主要应用场景到底是什么。用户的使用习惯似乎表明，对宽带多媒体业务的 需求主要来自于室内，有统计表明，未来8 0 - - - 9 0 的系统吞吐量将发生在室内和 热点游牧场：景，室内、低速、热点可能将成为移动互联网时代更重要的应用场景。 因此，传统蜂窝技术“重室外、轻室内”，“重蜂窝组网、轻孤立热点 ，“重 移动切换、轻固定游牧”的观念可能有修改的必要。因此，l t e a d v a n c e d 的工作 重点应该放在对室内场景进行优化。 1 2 ，3 有效支持新频段和大带宽应用 l t e a d v a n c e d 系统的潜在部署频段包括：4 5 0 m h z 4 7 0 m h z 、 6 9 8 m h z 一8 6 2 m h z 、7 9 0 m h z - 8 6 2 m h z 、2 3 g h z 2 4 g h z 、3 4 g h z 4 2 g h z 、 4 4 g h z 4 9 9 g h z 等。可以看到，除了2 3 g h z 、2 4 g h z 位于传统蜂窝系统常用的频 段外，新的频段成高、低分化的趋势。尤其是大量的潜在频段集中在3 4 g h z 以上 的较高频段。高频段在覆盖范围、穿透建筑物的能力和移动性能方面明显不如低 频段，因此只适合提供不连续覆盖、支持低速移动。但实际上，未来宽带移动互 联网业务也很可能是不均匀分布的。绝大部分容量需求将集中在面积只占一小部 分的室内和热点区域，这为高频段的应用提供了可能。可以构建多频段协作的层 叠无线接入网，“质差量足 的高频段用来专门覆盖室内和热点区域内的低速移 动用户，将二长部分系统容量都吸引到高频段中，从而将“质优量少 的低频段资 源节省下来覆盖室外广大区域以及高速移动用户。低频段部署可以看作高频段部 署的“衬底川，负责填补高频段的覆盖“空洞”。多个频段紧密协作、优势互补， 则可以有效地满足i m t a d v a n c e d 在高容量和广覆盖方面的双重需求。在此基础上， 则可以进一步部署室内基站、中继( r e l a y ) 站和分布式天线站点来扩展高频段的覆 盖范围，从而进一步将系统负载吸引到高频段，减轻低频段的负担，使其能够更 2 1 绪论 有效提供高质量连续覆盖，支持高速移动。在系统带宽方面，l t e a d v a n c e d 提出 了和i m t a d v a n c e d 相同的要求，即支持最大1 0 0 m h z 的带宽。由于如此宽的连续频 谱很难找到，因此l t e a d v a n c e d 提出了对频谱整合的需求，这项技术可以将多个 离散的频谱联合在一起使用，我们将在下一章中详细介绍。 1 2 4 峰值速率大幅提升和频谱效率有限改进 由于考虑了远远超过l t e 系统的带宽，即使系统的频谱效率不变，也可以获得 高很多的峰值速率。目前l t e a d v a n c e d 考虑的峰值速率( 下行4 x 4 天线，上行2 x 4 天线) 为下行1 g b p s ，上行5 0 0 m b p s 。以l t e 的峰值频谱效率，只要简单扩充系统 带宽即可实现。但过高的峰值速率对于终端有限的芯片处理能力和缓存容量而言， 实际上是无法实现的。如果考虑更高天线阶数，如下行8 x 8 天线，上行4 x 8 天线， 则l t e a d v a n c e d 的峰值频谱效率有望l l l t e 有进一步提升，达至l j 3 0 b p s h z ( 下行) 和 1 5 b p s h z ( 上行) 。但这样大的天线数量在实际部署中是不太现实的，因此应首先将 工作重点放在4 x 4 天线以下的天线配置上。和峰值速率、峰值频谱效率相比，更有 实际意义的指标是小区平均频谱效率及小区边缘频谱效率。在这方面， l t e a d v a n c e d 提出了相对比较谨慎的目标，在l t e 原有应用场景下，平均频谱效 率要求提高5 0 ，即达到2 4 3 7 b p s h z ( 下行) 和1 2 2 b p s h z ( 上行) 。此时 3 1 ，下行 最高天线配置为4 x 4 天线，上行可从1 4 天线扩展至l j 2 x 4 天线。另外，l t e a d v a n c e d 需求还强调了白配置自优化、降低终端、网络的成本和功耗等需求【4 】。 1 3l t e a 的关键技术 l t e 已经使用了各种先进的信号处理技术( 女h m i m o 、o f d m 、白适应技术等) ， l t e a d v a n c e d 的技术发展将更多地集中在r r m 技术和网络层的优化方面。为了满 足新的需求，它引进了载波聚合( c a r r i e ra g g r e g a t i o n ，c a ) ，多天线增强( e n h a n c e d m u l t i p l ea n t e i l i l at r a n s m i s s i o n ) ，协作式多点传输技术( c o m p ) ，中继( r e l a y ) 技术 和家庭基站( h o m e _ n o d e b ) 【5 j 【6 | 。 1 3 1 载波聚合 载波聚合是能满足l t e a 更大带宽需求且能保持对l t e 后向兼容性的必备技 术。目前，l t e 支持的最大带宽是2 0 m h z ，l t e a 通过聚合多个对l t e 后向兼容 的载波可以支持到最大1 0 0 m h z 带宽。载波聚合技术将多个l t e 载波扩展成l t e a 系统的传输载波，并且l t e 系统的用户终端和l t e a 系统的用户终端均可以使用 成分载波进行通信。接收能力超过2 0 m h z 的l t e a 终端( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 可以同时接收多个成员载波，而对l t er e l 一8 的终端，也可以正常接收其中一个成 员载波。对载波聚合技术详细内容将在第二章进行展开介绍。 重庆大学硕士学位论文 1 ：3 2 多天线增强 多天线技术的增强是满足l t e a 峰值谱效率和平均谱效率提升需求的重要途 径之一。 l t er e ：l - 8 下行支持1 ，2 ，4 天线发射，终端侧2 ，4 天线接收，下行可支持 最大4 层( l a y e r ) 传输。上行只支持终端侧单天线发送，基站侧最多4 天线接收。 l t e r e l 8 的多天线发射模式包括开环( o p e nl o o p ) m i m o ，闭环( c l o s e dl o o p ) m i m o ，波束成型( b e a m f o r m i n g ，b f ) ，以及发射分集。 除了单用户m i m o ( s i n g l e u s e rm i m o ，s u m i m o ) ，l t e 中还采用了另外一 种谱效率增强的多天线传输方式，称为多用户m i m o ( m u l t i u s e rm i m o ， m u m i m o ) ，多个用户复用相同的无线资源通过空分的方式同时传输。 l t e a 中为提升峰值谱效率和平均谱效率，在上下行都扩充了发射接收支持 的最大天线个数，允许上行最多4 天线4 层发送，下行最多8 天线8 层发送，从 而l t e a 中需要考虑更多天线数配置下的多天线发送方式。 1 3 3 协作多点传输 协作多点传输是一种提升小区边界容量和小区平均吞吐量的有效途径。 其核心思想是当终端位于小区边界区域时，它能同时接收到来自多个小区的 信号，同时它自己的传输也能被多个小区同时接收。在下行，如果对来自多个小 区的发射信号进行协调以规避彼此问的干扰，能大大提升下行性能。在上行，信 号可以同时由多个小区联合接收并进行信号合并，同时多小区也可以通过协调调 度来抑n d , 区间干扰，从而达到提升接收信号信噪比的效果。 按照进；厅协调的节点之间的关系，c o m p 可以分为i n t r a - s i t ec o m p 和i n t e r - s i t e c o m p 两种。 i n t r a - s i t ec o m p 协作发生在一个站点( s i t e ，e n o d e b ) 内，此时因为没有回 传( b a e k h a l f l ) 容量的限制，可以在同一个站点的多个小区间交互大量的信息。 i n t e r - s i t ec o m p 协作发生在多个站点间，对回传容量和时延提出了更高要 求。反过来说，i n t e r - s i t ec o m p 性能也受限于当前b a c k h a u l 的容量和时延能力。( 见 图1 1 ) 。 4 1 绪论 图1 1i n t r a - s i t ec o m p 和i n t e r - s i t ec o m p 示意图 f i g 1 1t h ed i a g r a mo fi n t r a - s i t ec o m pa n di n t e r - s i t ec o m p 1 - 3 4 中继技术 r e l 1 0 的r e l a y 技术主要定位在覆盖增强场景。中继技术就是将一条基站到终 端的链路分割为基站到中继站和中继站到终端两条链路，从而有机会将一条质量 较差的链路替换为两条质量较好的链路，以获得较高的链路容量和较好的覆盖。 在l t e 中的层1 中继和层2 中继的基础上，l t e a d v a n c e d 又引入了一种新的中继方 式：层3 中继1 7 j 。 层3 中继：中继节点具有和基站相似的空中接口协议结构，不仅可以解调基站 的信号，还具有相当完整的i u 洲能力和权限。该中继方式和层2 中继很像，同样会 引入时延，不会放大噪声，其不同之处是功能上更完整，并且在标准上，不会引 入任何新的节点或是接口，因为它主要是依靠s 1 和x 2 信令。 r e l a y 节点( r n ) 用来传递e n o d e b 和终端之间的业务信令传输，目的是为了 增强高数据速率的覆盖、临时性网络部署、小区边界吞吐量提升、覆盖扩展和增 强、支持群移动等，同时也能提供较低的网络部署成本。 r n 通过宿主( d o n o r ) e n o d e b 以无线方式连接到接入网。r n 和宿主e n o d e b 间的接口定义为u n h ，终端仍通过u u h 和i 相连。u n 口可以是带内的也可以是 带外的，带内是指e n o d e b 和r n 之间的链路( l i n k ) 与r n 和终端之间的链路共享 同一段频率，否则称为带外。目前标准关注的场景中，e n o d e b 和r n 之间的链路与 e n o d e b 和终端之间的链路总是共享同一段频率( 见图1 2 ) 。 重庆大学硕士学位论文 肛。秀陵嚣 1 3 5 家庭基站 3 g p p 已经对家庭基站( h o m e - n o d e b ) 进行了一些研究，但家庭基站的应用仍然 可能对l t e a d v a n c e d 的相关工作带来挑战。这个挑战的大小，很大程度上取决于 家庭基站的使用范围。如果只有少量的家庭基站部署，则可能对现有系统框架影 响不大，甚至不需要太多的标准化工作支撑，可以通过一定的自配置自优化机制 解决问题。但如果家庭基站大范围部署，则可能对现有系统架构造成较大的冲击。 一方面，家庭基站的密集部署、重叠覆盖会造成很复杂的干扰结构；另一方面， 由于家庭基站的所有权变化，运营商可能部分地丧失网规、网优的控制权，更加 剧了干扰控制和接入管理的难度【8 j 。 1 4 载波聚合下资源调度的研究现状 目前，人们对l t e a 载波聚合的研究尚处于初始研究阶段，较多的文献仍停 留：在验证载波聚合技术资源调度的性能方面，但也有部分的文献提出了诃度算法。 作为l t e a 系统中载波聚合技术的性能研究文章，文献 9 对比了独立载波调 度和联合队列调度的系统性能，重点分析了载波聚合技术对扇区吞吐量、用户公 平性及包传输速度的影响，通过仿真看出载波聚合技术给系统性能带来了巨大的 增益。由此肯定了载波聚合资源调度的研究意义。 文献 1 i ) 主要介绍了载波聚合中两种基于l t e a 系统的多用户调度方案： s e p a r a t e dr a j l d o mu s e rs c h e d u l i n g ( s r u s ) 和j o i n tu s e rs c h e d u l i n g ( j u s ) 。s r u s 只需 要一个载波接入u e ，而j u s ，所有的载波都要接入u e 。s r u s 简单但是效率较低， j u s 是最佳的，但是却需要较高的信令开销。仿真结果表明当用户通信是连续的时 候，s r u s 的性能损失只有在p f 调度的场景下大约是j u s 的5 7 。在较大的 负载场景时，s r u s 的性能表现也很接近j u s 。然而，在系统是低通信负载的情景 下，s r u s 的低中继效率暴露无遗，几乎只是j u s 的一半。但是没有涉及到可行性 和效率之间的平衡，有待于进一步的研究。 文献【1m 尝试利用频谱和网络资源管理功能的整合来提高系统性能和容量增 1 绪论 益。文章中研究了用户在两个不同频带( 分别是2 g h z 和5 g h z ) 上的分配，这时 c c s 无线传播性能是不同的，假定调度器对可获得的频谱以一定的比例接入到频 率池，调度器接入到非共享的2 g h z 和部分或全部的5 g h z 频率池。根据高数据 吞吐量、低时延和低堵塞概率来分析性能增益，性能很大程度决定于每个用户所 在的信道质量，相应地就是路径损失和距b s 距离的函数。当用户随机分布在小区 内，调度器可以相应的提高性能。两个频段的间距会影响到用户分配的机制，根 据用户终端的容量，每个用户可以分配到单频带或者两个频带。 文献 1 2 】文献对于非相邻的带内载波聚合场景，假定每个载波具有相同的功 率，由于高频的信道衰落大于低频，会导致高频的成分载波覆盖范围小于低频的， 以至于对于在小区不同位置的用户可以调度的载波数目是不同的，文中针对这一 场景提出了基于用户分组的调度算法，将具有相同调度成分载波个数的用户分为 一组。牺牲了少量扇区吞吐量换取了用户间公平性的提高，但是对边缘用户的体 验问题考虑不够。边缘用户地处小区的边缘，用户的信道质量相对较差，即用户 在r b 上的s n r 较小，其瞬时速率较小，在传统p f 调度算法中优先级较低，导致 其吞吐量较小，在小区中的通信负载较大时甚至会出现“饥饿”现象，用户的体验较 差。针对这一情况，第三章将提出一种提高边缘用户体验和用户间公平性的调度 算法。 1 5 论文主要工作和结构 本论文的主要工作是研究了l t e a d v a n c e d 系统载波聚合情况下的下行资源调 度算法，论文的主要研究内容安排如下： 第二章对l t e 资源调度的基础知识做了详细的论述，讨论了与调度相关的信 令，然后对l t e 中的经典调度算法进行了细致地阐述，重点介绍了最大c i 算法、 轮询算法、比例公平算法。最后对载波聚合理论进行了详细的介绍，包括载波聚 合应用场景、对称和非对称载波聚合、实现方案和应用载波聚合的网络部署场景。 第三章首先描述了载波聚合情况下的资源调度结构；然后在研究了l t e a 系 统载波聚合情况下的资源调度算法的基础上，对于非相邻载波聚合场景，针对现 有算法中边缘用户体验差的缺点，从提高边缘用户吞吐量和用户间的公平性的角 度出发，提出了边缘用户优先p f 调度算法，仿真表明该算法可行。在研究边缘用 户优先比例公平算法的基础上，针对用户的业务量非均匀分布的情况，根据边缘 用户的业务量比例b 动态地调整c e p p f p f 算法和p f a 算法。在边缘业务量比例 b 较小时，使用c e p p f p f 算法，牺牲了整个小区的吞吐量，换来了边缘用户的吞 吐量和用户间的公平性提高；在比例b 较大时，使用p f a 算法，这时小区吞吐量 和用户间的公平性相比c e p p f p f 算法和p f 算法都要高。相对不论b 大小都应使 重庆大学硕士学位论文 用p f a 算法，动态地调整算法可以在b 较小的时候使用c e p p f p f 算法，这时的 发射功率较小，可以有效的节能降耗，并且不影响用户的业务体验以及基站覆盖。 仿真结果表明算法可行。 在第四章中，针对现有p f 算法无法体现不同用户的信道条件差异以及用户信 道的时变特性问题，例如，当一个用户的信道质量突然变差，并长时问处在这种 环境中时，使用p f 算法可能会导致用户在较长一段时间内无法得到服务，处于“饥 饿”状态。结合载波情况下资源调度时l t e a 用户和l t er e l 8 共存的情况，改 进了p f 调度算法，仿真证明算法可行。 第五章主要是对论文所做的工作进行了总结，并对未来的研究进行了展望。 2l t e 系统分组调度理论和载波聚合技术 2l t e 系统分组调度理论和载波聚合技术 2 1 引言 分组调度技术是在分组数据传输的基础上提供带宽分配和复用，它是实现l t e 系统和l t e a d v a n c e d 系统频率分集和多用户分集增益的重要保证之一。分组调度 技术已经成为l t e 系统和l t e a d v a n c e d 系统中的一个核心技术，很大程度上决定 了整个系统的性能。目前，对l t e a d v a n c e d 系统中载波聚合情况下分组调度算法 的研究尚处于萌芽阶段，鉴于l t e 系统向l t e a d v a n c e d 系统过渡要保持后向兼容 性，l t e a d v a n c e d 系统中分组调度的研究势必要借鉴l t e 系统中的分组调度，为 此，我们在本章节中将介绍l t e 系统中调度理论知识。另外，载波聚合技术是 l t e a d v a n c e d 系统的关键技术之一，可以很好地将多个载波聚合成一个更宽的频 谱，同时也可以把一些不连续的频谱碎片聚合到一起。我们将在本章中细致的介 绍，以备第三章和第四章使用。 本章首先对l t e 中资源调度做了详细地介绍，主要涉及调度模式、调度粒度、 资源分配方式和调度流程；在2 3 节中，详细介绍了调度相关的信令支撑，主要包 括信令质量信息报告、下行调度信息、上行调度请求和上行调度准许；2 4 节对l t e 中经典的调度算法进行了分析和描述；在2 5 节，我们对载波聚合理论进行了详细 的介绍。2 6 节为本章小结。 2 2l t e 中的资源调度基础 调度表示的是一个与时间次序相关的概念，调度算法希望解决的是在多个用 户运用资源时，如何确定一种服务次序。调度的要素有6 个：被调度对象、调度 者、调度目标、调度规则、调度代价和调度结果。调度规则，也就是调度算法， 是连接其余5 个要素的纽带。调度者通过一定的调度算法对被调度对象进行调度， 以力求满足特定的调度目标。作为一种控制行为在实际系统中，调度过程中付 出一定的代价( 例如，计算复杂度、资源等等) ，即调度代价；而最终的调度结果 往往和调度目标有一定的差异。通常，为了获得一个可以接受的调度结果，往往 需调度代价和调度目标之间形成折中，因此，调度问题也往往可以转化为优化问 题。 分组调度器的主要功能如下： 在用户间分配可用空中接口资源，确保用户申请业务的服务质量。 监视分组分配以及网络负载，通过对数据速率的调节来对网络负载进行匹 配。 重庆大学硕士学位论文 由于网络中存在资源和策略方面的限制，如网络带宽资源、服务器速率以及 策略是否合理等，吞吐量、分组延迟和丢弃率等服务质量要求很难同时得到。而 且，有时候这些目标是相互矛盾的，比如，要求过高吞吐量可能导致分组延迟的 大幅度增加。因而任何一种实际网络q o s 控制策略都只能对多个服务质量参数进 行折中【1 3 】。 调度器是实现快速分组调度技术的功能实体，分为上行调度器和下行调度器， 分别负责给上行共享传输信道u l s c h 和下行共享传输信道d ls c h 分配物理层 资源。物理层资源主要包括物理资源块和调制编码方案，多天线情况下还包括天 线选择方案。调制器在l t e 协议中的位置，以及它和h a r q 、a m c 等关键技术的 实现关系如图2 1 所示。3 g p pr e l e a s e 5 以前的版本一般将无线分组调度功能放在 r n c 上进行，借鉴了计算机网络的做法【1 4 】。但对无线网络有其自身的特点( 或者 说q o s 要求) ，如信道的快速时变特性，将调度器放置在r n c 侧就不能很好地、 自适应地、：迅速地反映当前时变信道的传输信息，从而无法进行快速的链路自适 应和快速调度，所以在l t e 系统把调度器放置在基站侧进行控制，这样调度器可 以及时地根据信道情况和衰落特性自适应改变调制方式或其他传输参数，同时减 少用户设备的内存要求和系统的传输时延。 图2 1 调度器在l t e 协议中的位置 f i g 2 1t h ep o s i t i o no f t h es c h e d u l e ri nl t ep r o t o c a l 调度器每隔t t i 调度一次，每个t t i 为l m s 。而一次调度命令有效时间可以 持续多个t t i s 。调度时的最小无线资源单位为资源块( r e s o u r c eb l o c k ，r b ) ，一 个资源块是由1 2 个子载波和o 5 m s ( 7 个o f d m 符号) 组成的一个时频块，其中 前2 个o f d m 符号传控制信令，后5 个符号传数据15 1 ，资源块如图2 2 所：示。 l o 2l t e 系统分组调度理论和载波聚合技术 资源块 图2 2 资源块示意图 f i g 2 2t h ed i a g r a mo f t h e r e s o u r c eb l o c k 我们将从以下几个方面对l t e 系统的资源调度进行整体介绍： 2 2 1 调度模式 l t e 系统中资源的控制可以在m a c 子层通过资源调度动态完成，也可以在 r r c 实体中通过预定义的信令加以配置。按照控制实体的不同，l t e 调度可以分为 4 种基本的调度模式3 1 ，如图2 3 所示。 m a c r r c jl h 寸| 日j ( m s ) 8 l l 频率( m h z ) 同定速率分配 攀矜黉黪蕊。 。i r r cm a c 图2 3 调度模式示意图 f i g 2 3t h ed i a g r a mo fs c h e d u l i n gm o d e 动态分配： t 刍m a c 层调度机制在每个时间段内动态地分配时频资源，控制数据传输速 率。这种方式的灵活性高，但同时控制信令的开销也很大。 重庆大学硕士学位论文 半静态分配： 在r r c ! 建立服务时通过信令消息对时频资源和传输速率加以配置，当需要改 变配置时，也是通过发送r r c 消息进行修改的。这种方式适合于有速率保证的业 务，灵活性：差但信令开销也小。 预定义分配： 时频资源的分配由i 汛c 按照一定规则在建立连接时预先进行固定的分配。但 传输速率的控制则n m a c 在传输过程中实时、动态地控制。 固定速率分配： 传输速率由r r c 实体在建立连接时分配特定的值，