（通信与信息系统专业论文）3gpp+lte下行链路分组调度算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 为了在未来移动通信技术竞争激烈的环境中处于有利位置、满足日益增长的用 户多元化需求及应对市场的挑战，3 g p p 于2 0 0 4 年底启动了长期演进计划l t e 项目。 l t e 采用了诸多新技术，致力于提供高速数据传输速率、提高小区容量和降低系统 延迟等。正交频分复用( o f d m ) 技术因其具有很高的频带利用率和很强的抗多径 干扰能力而被广泛研究，以o f d m f d m a 为核心技术的b 3 g 4 g 移动通信系统中的 资源分配技术，包括多业务多用户资源分配算法、多载波系统的公平调度算法等均 是目前的研究热点。 本论文就是在这种前提下，对采用o f d m 技术的l t e 系统下行链路资源分配 技术进行了深入研究。论文在介绍了o f d m 技术原理和l t e 时频资源的基础上， 着重分析了l t e 系统下行链路常见的各种调度算法。提出了一种多用户o f d m 系 统下行链路的跨层自适应调度算法，该算法以提高用户满意度为出发点，不仅考虑 了物理层无线信道的时变特性、用户在每个子载波上的信道状态和误块率等因素对 速率造成的影响，还充分考虑了m a c 层动态的队列状态信息对系统吞吐量和用户 满意度带来的实时变化，利用时域和频域的多用户分集特性，采用自适应分配策略 对无线资源进行合理的分配，以提高频谱效率，在系统的吞吐量和公平性之间取得 较好的折中。 针对不同的应用场合设计了两种不同的分配方案。方案一对低速率用户进行了 资源分配调整，方案二则对初次分配资源块时剩下的空余资源进行了二次分配。通 过搭建仿真平台，对四种相关算法设计了仿真流程，重点对系统吞吐量和公平性能 进行了仿真验证，对结果进行了合理的分析。仿真结果表明，改进的算法分别应用 于两种方案中，系统的吞吐量都得到了明显改善，公平性能和原算法相当。而两种 方案也各有其优缺点，在实际应用中应根据不同的实际需求选择不同的分配方案。 关键词：o f d m ，l t e ，调度，吞吐量，公平性 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt o p u t i t s e l f i na l l a d v a n t a g e o u sp o s i t i o n i nt h ef u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sc o m p e t i t i v ee n v i r o n m e n t ，t om e e tt h eu s e r sm u l t i p l i c a t i o n n e e d sa n dt od e a lw i t ht h em a r k e tc h a l l e n g e ，3g p ph a sa d o p t e dt h el o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) a b o u tt h ep r o j e c tw o r ka tt h ee n do f2 0 0 4 m a n yn e wt e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e d b yl t e t op r o v i d eh i g h e ru s e rd a t ar a t e s ，t oi m p r o v es y s t e mc a p a c i t ya n d c o v e r a g e ，a n d t or e d u c e l a t e n c y 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 ) t e c h n o l o g i e s h a v eb e e nw i d e l yr e s e a r c h e db e c a u s ei th a st h eg o o dc h a r a c t e r i s t i co fm u l t i p a t h r e s i s t a n c ea n d h i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c y t h e r e s o u r c ea l l o c a t i o n t e c h n o l o g i e sf o r b 3 g 4 gb r o a d b a n dw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st h a to f d m f d m ai so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n go fr e s o u r c ea l l o c a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rm u l t i s e r v i c e a n dm u l t i - u s e rs y s t e m s ，f a i r n e s s s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nm u l t i - c a r r i e rs y s t e m s ，b e c o m e r e s e a r c hh o t s p o tr e c e n t l y t h ea u t h o r sr e s e a r c hm a i n l yf o c u s e do nt h ef i e l do fd o w n l i n kp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m sf o rl t es y s t e mo nt h eb a s i so fo f d mt e c h n o l o g y f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e dt h et e c h n i c a l p r i n c i p l e o fo f d ma n dl t e t i m e f r e q u e n c y r e s o u r c e s e c o n d l y ，a n a l y z e da l lk i n d so fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rl t ed o w n l i n k a c r o s s - l a y e rd y n a m i cr e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o ram u l t i - u s e ro f d m ad o w n l i n k s y s t e m sw a sp r o p o s e d a i m i n ga ti m p r o v i n gu s e r s s a t i s f a c t i o n ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h m n o to n l yc o n s i d e r e dt h ew i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c si nt h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h e u s e r s c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni ne v e r ys u b c a r r i e rb u ta l s o f u l l yt o o ki n t oa c c o u n t m a c l a y e rb u f f e r si n f o r m a t i o na n db l o c ke r r o rr a t e ，w h i c hb r o u g h tr e a l - t i m ec h a n g e st o s y s t e mt h r o u g h o u ta n du s e r s s a t i s f a c t i o n ，s c h e d u l e dr e s o u r c er e a s o n a b l yb ya d a p t i v e a l l o c a t i o ns t r a t e g y , u t i l i z e dt h em u t i u s e rd i v e r s i t yc h a r a c t e r i s t i c so ft i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i n ，t oi m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c ya n db a l a n c es y s t e mt h r o u g h p u ta n d t h ef a i r n e s sa m o n gt h eu s e r s t w od i f f e r e n ta l l o c a t i o ns c h e m ew e r ed e s i g n e d u n d e rd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t u s e rw i t hl o w e rd a t ar a t ew e r ea d j u s t e di ns c h e m e 1 ，t h es u b c a r r i e r s r e m a i n e df r o mf i r s tr ba l l o c a t i o nw e r ea l l o c a t e da g a i ni ns c h e m e2 s i m u l a t i o np r o c e s s w a sd e s i g n e df o rf o u ra l g o r i t h m si nm a t l a bs y s t e m s ，f o c u s i n go nt h ev e r i f i c a t i o nb e t w e e n t h es y s t e mt h r o u g h o u ta n df a i r n e s s ，a n dt h ea n a l y s i sc a r e f u l l yt os i m u l a t i o nr e s u l t s t h e 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t s y s t e mt h r o u g h o u tw a si m p r o v e do b v i o u s l yb yp u t t i n gt h em o d i f i e da l g o r i t h mi n t ot w o s c h e m e s ，w h i l et h cp e r f o r m a n c eo ff a i n e s s i st h es a n l ea so r i g i n a l a l g o r i t h m t w o p r o g r a m sa l s oh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，w h i c hs h o u l db ec h o o s o d b a s e do nt h ea c t u a ln e e d s k e yw o r d s ：o f d m ，l t e ，s c h e d u l i n g ，t h r o u g h o u t ，f a i r n e s s m 重庆邮电大学硕士论文第一章概述 1 1 移动通信发展概况 第一章概述 随着时代的发展，移动通信更加频繁，人们对移动通信的质量和内容提出了更 高要求。未来的无线移动通信系统能够使任何人在任何时间、任何地点都能与任何 对象通信( 5 w 个人通信) ，个人通信的发展极大地促使了个人通信设备的微型化 和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业 务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。为了达到这一目标，各种各样的通 信新技术层出不穷，如何利用有限的频谱资源提供高速可靠的宽带数据业务更是成 为当前学术界和产业界所关心的焦点。 在移动通信的发展过程中也存在着许多问题，其中频带利用率一直是移动通信 发展的瓶颈，如何让现有的频带容纳更多的用户是当前移动通信要解决的主要问题。 解决的办法有频率复用，从频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址 ( c d m a ) 、正交频分复用( 0 f d m ) 到s d m a ( 空分复用) ，都是在千方百计地 提高频谱利用率。 第一代移动通信系统采用频分多址( f d m a ) 的模拟调制方式，这种系统的主 要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多 址( t d m a ) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系 统性能大大改善，第二代数字移动通信( 2 g ) 和第二代半移动通信( 2 5 g ) 技术已 发展成熟。但t d m a 的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。c d m a ( 码分 多址) 是第三代移动通信系统( 3 g ) 的技术基础。c d m a 系统以其频率规划简单、 系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特 点显示出巨大的发展潜力。 国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d - s c d m a 以及w i m a x 四大主流无线接口标准，写入3 g 技术指导性文件( 2 0 0 0 年国际移动 通讯计划( 简称i m t m 2 0 0 0 ) i _ 。3 g 技术是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯 技术。3 g 与2 g 的主要区别是在传输声音和数据速度上的提升，它能够在全球范围 内更好地实现无线漫游，处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页 浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良 好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就 是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2 m b p s ( 兆比特每秒) 、3 8 4 k b p s 重庆邮电大学硕士论文 第一章概述 ( 千比特每秒) 以及1 4 4 k b p s 的传输速度( 此数值根据网络环境会发生变化) 。 当第三代移动通信技术还在发展时，下一代移动通信技术的研究已经开始。i t u 已将3 g 之后的移动通信技术定义为超3 g ( s y s t e m sb e y o n di m t 一2 0 0 0 ) ，目前有些国 家称为4 g 。1 9 9 9 年成立的i t u r 的w p 8 f 工作组的主要任务是负责3 g 未来发展 和超3 g 的研究。在2 0 0 1 年1 0 月日本举行的第六次会议上讨论提出了“i m t 一2 0 0 0 未来发展及超i m t 2 0 0 0 的远景框架及总目标( i m t v i s ) 。移动通信技术的发展 可以说是日新月异，不断有新技术产生。为了能够在3 g 以后的移动通信领域处于 有利的位置，就必须抓住时机，进行无线发展演进方面的研究。3 g p p 长期演进( l t e ) 项目是近几年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目，这种演进以o f d m o f d m a 为核心技术，与其说是3 g 技术的“演进 ，不如说是3 g 技术的“革命 ，这种技 术和3 g p p 2 a i e 、w i m a x 、以及最新出现的i e e e 8 0 2 2 0m b f d d m b t d d 等，由于 已经具有某些“4 g ”特征，可以被看作“准4 g 技术。 1 23 g p p 项目背景 第三代合作伙伴计划( 3 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 c t ，即3 g p p ) 是一个成 立于1 9 9 8 年1 2 月的标准化机构。目前其成员包括欧洲电信标准研究所( e t s i ) 、 日本的无线工业及商贸联合会( a r i b ) 和电信技术委员会( t t c ) 、中国通信标准 化协会( c c s a ) 、韩国的电信技术协会( t t a ) 和北美的电信行业解决方案联盟 ( a t i s ) 。 3 g p p 的最初目标是制定基于g s m 核心网和频分双工( f d d ) 时分双工( t d d ) u t r a 技术的可用于全球的第3 代移动通信技术规范和技术报告。在随后的工作中 目标逐步拓展。一方面，为了充分挖掘g s m 的技术潜力、实现2 g 向3 g 的平滑演 进，3 g p p 开展了g s m 技术规范和技术报告的维护工作，研发了多种g s m 改进技 术，如通用分组无线业务( g p r s ) 和增强数据速率g s m 演进( e d g e ) 等。另一 方面，为了维持3 g p p 标准的长期竞争力，3 g p p 还不遗余力地推进u t r a 技术的 增强与演进，研发了高速下行链路分组接入( h s d p a ) 、高速上行链路分组接入 ( h s u p a ) 、h s p a 演进( h s p ae v o l u t i o n ) 和e u t r a 技术吲。 但由于最初确定的3 g p p 只能开展i m t 2 0 0 0 的相关工作，所以在2 0 0 7 年7 月， 3 g p p 合作伙伴( o r g a n i z a t i o n a lp a r t n e r s ，o p ) 会议专门通过了扩大3 g p p 工作范围 的决议，使得能够开展i m t - a d v a n c e d 的相关工作，即先进l t e ( l t e a d v a n c e d ) 。 而3 g p p 2 ( 第三代合作伙伴计划2 ) 则成立于1 9 9 9 年1 月，由美国通信工业协会 ( t 认) 、日本的a r i b 、日本的t t c 、韩国的t t a 四个标准化组织发起，主要是 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章概述 制订以a n s i 4 1 核心网为基础，c d m a 2 0 0 0 为无线接口的第三代技术规范。 移动通信体制一直在不断地发展，从今天仍然使用的i s 一9 5 、g s m 等2 g 系统， 逐步发展到支持一定数据业务的e d g e 、c d m a l x ，以及3 g 的w c d m a 、 t d - s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等。为了满足3 g 的更高业务需求，发展了h s d p a 、h s u p a ， 及未来的l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 、a i e ( a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n ， 空中接口演进) 等。同时，以w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，无线局域网) 、 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性) 技术为代表的无线局域网、城域网技术也在不断发展完善，与3 g 等移动通信技术 一起满足不同场景中的快速增长的无线业务尤其是无线数据业务需求。无线通信技 术发展和演进如图1 1 所示： 僵繁争圈一导 洒， 1 3l t e 技术 1 3 1l t e 项目进度 图1 1 无线通信技术发展和演进图 一方面，3 g p p 从h s d p a 到h s u p a ，一贯推行后向兼容的稳健演进路线。另 一方面，其主要成员公司也在积极进行i m t a d v a n c e d ( 先进的国际移动通信技术， 俗称b 3 g 或4 g 技术) 的研究工作。在h s p a ( 高速分组接入) 与i m t a d v a n c e d 之间，原本没有l t e 的位置，但基于o f d m 技术的w i m a x 标准的横空出世，迫 使3 g p p 的移动通信厂商不得不团结起来快速跟进，为了保持其在无线标准中的长 期优势，不遗余力的投入u m t s 技术的演进版本l t e 的标准化工作。 为了和w i m a x 抗衡，l t e 必须将最大系统带宽从5 m h z 扩展到2 0 m h z 。所 以，l t e 不得不放弃以前采用的c d m a 技术，选用新的核心技术。3 g p p 经过激烈 的讨论和艰苦的融合，终于在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 的基本传输技术，即下行 o f d m a ，上行s c f d m a 。下行技术的选择没有经过很大的波澜。o f d m 是公认的 宽带无线通信的首选技术，因此虽然有个别公司仍试图坚持传统的c d m a 技术，但 3 重庆邮电大学硕士论文第一章概述 绝大部分公司很早就在采用o f d m 作为下行核心技术这一点上达成了共识。 在无线接入网结构层面，为了降低用户面延迟，l t e 取消了重要的网元无 线网络控制器( r n c ) 。在整个系统架构方面，和l t e 相对应的系统框架演进项目 ( s a e ) 推出了崭新的演进型分组系统( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ，e p s ) 架构。但以 l t e s a e 为标志的这次革命使系统不可避免的丧失了大部分和3 g 系统的后向兼容 性。既是说l t e 虽然可以部署3 g 的现有频谱，但从网络侧和终端侧都要做大规模 的改变。 在2 0 0 4 年底通过研讨会( w o r k s h o p ) 的方式对l t e 系统的需求研究已经开始， 从2 0 0 5 年4 月首先由r a n l 发起l t e 的技术讨论。研究阶段( s i ) 于2 0 0 6 年9 月 完成。工作阶段( w i ) 的两个阶段于2 0 0 8 年底完成。在r 7 中对l t e 进行了可行 性研究，在r 8 中对l t e 相关标准进行了研究。 1 3 2l t e 系统架构 l t e 对3 g p p 整个体系架构进行了革命性的变革。e u t r a n 系统结构在 t s 3 6 3 0 0 和t s 3 6 4 0 1 中描述。如图1 2 所示【3 】： s 1 一) e p c 图1 2l t e 总体系统架构 l t e 系统核心网采用两层扁平网络架构，同时采用全i p 分布式结构，支持i m s 、 v o l p 、m o b i l ei p 等各种技术。接入网主要由e n o d eb ( e n b ) 和接入网关( a g w ) 构成，a g w 实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要 由e n b 一层构成。e n o d eb 之间由x 2 接口互联，每个e n o d eb 又和演进型分组核 心网( e v o v l e dp a c k e tc o r e n e t w o r k ，e p c ) 通过s 1 接口互联，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 ) 上，s 1 接口的用户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 i t y ，m m e ) 上。控制面和用户面的另一端终止在e n o b e b 上。 用户平面包括分组数据汇聚协议层( p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l ，p d c p ) 、 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章概述 无线链路控制层( r a d i ol i n kc o n t r o l ，r l c ) 、媒体接入控制层( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 。控制平面包括无线资源控制层( r r c ) ，各个子层之间使用服务 接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 作为端到端通信的接口。物理层和m a c 子层 的s a p 提供传输通道，m a c 子层和r l c 子层的s a p 提供逻辑通道，r l c 子层和 p d c p 子层之间的接口是无线承载。各个子层功能如下： p d c p 子层执行用户数据流的i p 首部压缩，以降低通过无线接口传输时的比特 数量。p d c p 还负责对用户层面数据和控制层面数据进行加密，对控制层面数据进 行完整性保护。 r l c 子层负责发送上层p d u ，通过a r q 纠正错误，根据t b 的大小分割p d u ， 必要时的分割，上层p d u 的顺序传送，协议错误纠正和恢复，流量控制和s d u 丢 弃等。 m a c 子层处理上下行调度和h a r q 重传。调度功能位于e n o d eb 中，每个小 区有一个m a c 实体，同时负责上行和下行链路。h a r q 协议部分在m a c 协议的 接收端和发送端都存在。 r r c 子层的主要功能是广播与n a s ( n o n - a c c e s ss t r a t u m ，非接入层) 和a s ( a c c e s ss t r a t u m ，接入层) 相关的系统信息，寻呼，建立维护并释放u e 和e u t r a n 之间的r r c 连接，r r c 消息的完整性保护，建立维护并释放点到点之间的无线承 载，包括u e 测量报告和小区切换、小区选择和小区重新选择等在内的移动性功能。 1 3 3l t e 技术性能需求 l t e 需要实现更低的延迟、更高的用户数据速率、更大的系统容量、更大的覆 盖和更低的成本，其中e u t r a 的系统性能要求主要包括用户吞吐率和频谱效率两 方面。需要通过一套系统配置满足平均用户吞吐量、小区边缘用户吞吐量和频谱效 率需求。主要需求如下【4 j ： 用户吞吐量 对于下行链路，在累积分布函数( c d f ) 5 处对应的每m h z 的用户吞吐量应 达到r 6 版本中h s d p a 的2 3 倍。每m h z 的平均用户吞吐量应达到r 6 版本中 h s d p a 的3 4 倍。 5 c d f 指标表征的是系统在9 5 几率下能够提供的最低吞吐量。因此这个值 也就表征了绝大多数用户在绝大多数场景可以保证得到的稳定用户感受。 上述提到的r 6 版本的参考性能目标都是在n o d eb 端使用单天线，u e ( u s e r e q u i p m e n t ，用户设备) 端使用第l 类增强接收机情况下的值，而e u t r a 在基站 端可以使用双发送天线，在u e 端可以使用双接收天线。另外，用户吞吐量与系统 带宽成正比。 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章概述 对于上行链路，在累积分布函数( c d f ) 5 处对应的每m h z 的用户吞吐量应 达到r 6 版本中增强上行接入的2 - 3 倍。每m h z 平均用户吞吐量应达到r 6 版本中 增强上行接入的2 3 倍。r 6 版和e u t r a 都使用u e 端单发送天线，基站端双接收 天线的配置。另外，用户吞吐量应当与系统带宽成正比。 频谱效率 e u t r a 应当在不改变现有基站布置的同时极大地提高频谱效率，并提高小区 边缘比特速率。 下行的频谱效率应达到如下目标：在一个有负载的网络中，系统频谱效率( 比 特秒赫兹站点) 应达到r 6 版本中h s d p a 的3 4 倍。上述需求提到的r 6 版的参 考性能是指在e n o d eb 端使用单发射天线，u e 端使用增强性能的1 类接收机的性 能，而e u t r a 在基站端可以使用双发送天线，在u e 端可以使用双接收天线。 上行的频谱效率应达到如下目标：在一个有负载的网络中，频谱效率( 比特 秒赫兹站点) 应达到r 6 版本中h s u p a 系统的2 - 3 倍。上述需求提到的r 6 版的 参考性能是指在u e 端采用单发射天线、基站端双接收天线的配置。 1 4 无线资源管理 在无线通信系统中，无线资源包括频率、时间、码字、甚至子载波，但即使两 个用户分配同样的无线资源，它们的吞吐量也可能不同，这是由用户的无线信道增 益决定的，可分配和管理的资源受限于系统。如何对这些资源进行合理的分配，在 无线通信系统中显得尤为重要。 无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，r r m ) 技术提供空中接口的无线 资源管理功能，实现资源的合理调度，使有限资源得到有效利用，从而满足用户的 需求。l t e 的r r m 功能在3 g 的基础上针对e u t r a n 架构和需求特性进行了扩展。 l t e 系统中所进行的无线资源管理包括对单小区和多小区的无线资源管理。无线资 源管理涉及到很多方面，如承载控制、接纳控制、移动性管理、分组调度、负载均 衡等等 s - s 。 无线承载控制( r r c ) 包括无线承载的建立、保持、释放，是对无线承载相 关的资源进行分配。当一个服务需要建立无线承载时，r r c 需要综合考虑无线资源 的整体状况、正在会话的q o s 需求以及该新建服务连接的q o s 需求。r r c 还要对 正在会话的无线承载进行动态管理。r r c 还需要管理会话结束、切换以及其他情况 下与无线承载相关的无线资源的释放。 无线接纳控制( i 认c ) 用于在请求建立新的无线承载时判断允许接入或拒 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章概述 绝接入。为了合理、可靠的判决结果，r a c 需要考虑无线资源状态的总体情况、q o s 需求、优先级、正在会话的q o s 和该请求新建的q o s 需求。r a c 的目标是在保证 无线资源的高利用率的同时，保证正在进行的会话满足适当的q o s 需求。 连接移动性控制( c m c ) 用于对空闲模式和连接模式下的无线资源管理。 在空闲模式下，为小区重选算法提供一系列系统参数以确定最好小区，还提供广播 参数，用于配置u e 测量控制和测量报告。在连接模式下，支持无线连接的移动性， 使u e 从一个小区切换到另一小区。c m c 还包括对相应u e 测量参数的配置。 动态资源分配( d r a ) 又叫分组调度( p s ) ，用于分配和释放控制面与用 户面数据包的无线资源，包括缓冲区、进程资源、资源块等。d r a 主要考虑无线承 载的q o s 需求、信道质量信息、缓冲区状态、干扰状态等信息，还可以考虑由于小 区间干扰协调后可用的资源块信息。 小区间干扰协调( i c i c ) 是通过对无线资源进行管理，将小区之间的干扰水 平保持在可控的状态下，尤其是在小区边缘，需要特殊管理无线资源，以满足u e 业务质量的需求。i c i c 本质是对多小区的无线资源管理，需要同时考虑来自多小区 的无线资源状态信息和业务负载状态信息。 负载均衡( l b ) 用于处理多个小区间不均衡的业务量，提高无线资源利用 率，将正在进行会话的q o s 保持在一个合理的水平，降低掉话率。l t e 提供两种小 区簇的负载均衡机制，使用不同载波或者属于不同无线接入技术但是覆盖相同地理 区域的重复覆盖的小区簇，或者使用相同载波或者无线接入技术的相邻小区簇。 无线接入技术间的无线资源管理( i n t e r - r a t ) 用于对不同无线接入技术之 间连接移动性的无线资源管理，主要是指无线接入技术之间的切换，主要考虑相关 的无线接入技术系统中的资源状态、u e 能力和运营策略等信息。还包括无线接入 技术间的负载均衡功能。 1 5 本文主要工作与论文结构 课题来源及背景 本课题来源于重庆市发改委资金资助项目( n o 2 0 0 4 1 0 7 2 ) 和国家科技部重大 专项( 2 0 0 9 z x 0 3 0 0 3 0 0 6 & 2 0 0 9 z x 0 3 0 0 1 0 0 4 ) 。当前全球移动通信正处于移动化、 宽带化和i p 化的趋势，3 g p p 在2 0 0 4 年1 1 月启动了长期演进计划l t e 发展项目，以实 现3 g 向b 3 g 和4 g 的平滑过渡，达到更高的数据速率、更低的时延、更高的系统容量。 由于数据业务的大规模发展，尤其是系统承载的业务类型多样化，需要合适的无线 资源管理技术，如何对有限的无线资源包括频率、时间、子载波和功率等进行合理 的分配与调度，成为保障整个系统性能的关键一环，而无线分组调度技术也作为系 重庆邮电大学硕士论文 第一章概述 统无线资源管理的最核心技术之一。 本论文主要工作 作者在项目组里主要负责调度算法的研究和算法代码的编写。主要工作是查阅 相关文献，分析无线资源管理技术经典的分配算法，结合近五年来的一些新算法和 改进算法，找出异同点，进行对比和总结，特别是相同优化理论用于不同系统中的 差异。分析了调度算法对系统容量和公平性能的影响。重点分析了o f d m 技术在 l t e 系统里所起的重要作用，结合o f d m a 技术在l t e 下行链路的优势，提出了一 种合理的改进算法，并设计了两种分配方案，将改进算法有效地用于两种不同的分 配方案中。并和项目组其他同学一起搭建仿真平台，对传统的调度算法和提出的调 度算法分别应用于两种方案中进行了有效验证，对系统的吞吐量和公平性能进行了 合理的估算。 论文结构 本文分为六章，各章的内容安排如下： 第一章简单概述了研究背景。介绍了l t e 项目的由来及其系统架构、性能指标， 无线资源管理技术包含的内容和在移动通信中的重要作用。 第二章详细论述了o f d m 技术的特点。讨论了其优缺点，介绍了该技术的频谱 特性。分析了在o f d m 系统中的无线资源管理思想和资源分配方法，论述了常见的 两种分配准则，并对常见的注水原理和贪婪分配算法进行了阐述。 第三章介绍了l t et d d 系统的m a c 层。从理论上分析了m a c 协议功能及 m a c 层相关技术，论述了m a c 层调度器的技术原理，深入研究了o f d m 技术在 l t e 系统的特殊环境下，相关的频率和时间资源，以及对其时频资源如何进行资源 映射和调度。同时阐述了无线分组调度的相关理论和算法。 第四章详细阐述了无线资源管理技术的跨层自适应资源分配思想，以及资源优 化问题。对已有文献算法进行了合理分析，提出了对p l c p f 算法的改进，从理论上 论述了改进算法在系统吞吐量和公平性能上的改善。针对调度与资源分配功能的实 现提出了两种不同的资源分配方案，分别对信道条件差的用户和初次分配后剩余的 子载波进行了适当调整和再次分配。并研究了l t et d d 系统下行调度器的仿真设 计，结合各算法思想设计了几种调度算法的仿真流程，最后将几种算法分别应用于 设计的两种分配方案中。 第五章利用搭建的l t et d d 下行仿真平台对各种调度算法、资源分配策略等 进行了仿真与性能分析。通过参数设置，在一定程度上对仿真结果进行了比较、分 析，结合理论和实际应用情况得出合理的结论。 第六章总结本文所做的工作及对今后的研究方向进行了展望。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 原理及其资源分配技术 第二章o f d m 原理及其资源分配技术 2 1o f d m 技术 在无线通信技术的发展过程中，频率资源一直是关注的焦点。在传统的多载波 通信系统中，系统频带被划分为若干个相互分离的子信道。信道之间有一定的保护 间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然避免了信 道之间的干扰，却浪费了频率资源。以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量 很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。 上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的 载波频率作子载波，也就是我们所说的o f d m ( o r t h 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 x i n g ，正交频分复用) 技术。这种“正交 表示的是载波频率问精确的数学 关系。按照这种设想，o f d m 既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和 抗突发噪声差错。o f d m 和其他的技术相比，结构简单、成本较低、抗干扰能力强。 而且由于各个子载波间存在正交性，不需要保护频率间隔，可以最大限度地利用频 谱资源，理论上利用率可达1 0 0 。近年来大规模集成电路和d s p 技术的发展，也 为利用i f f t 和f f t 来实现o f d m 的调制与解调提供了硬件基础。据l t e t s g # 4 4 结果，3 g p pl t e 确定在b 3 g 以至未来的e 3 g 移动通信系统中采用下行o f d m a 和 上行s c f d m a 多址方式i 。 2 1 1o f d m 技术基本概念 o f d m 是一种多载波调制技术( m c m ，m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 。其基本原 理是把串行发送的高速率数据流通过串并转换，分配到若干个低速率的正交子信道 上，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。由于每个 子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻无线信道的多径时延扩展对系统造 成的影响。由于各个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重叠，不但减小了子 载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 通过在o f d m 符号之间插入保护间隔，并且令保护间隔大于无线信道的最大时 延扩展，即每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的频 率选择性衰落是平坦的，这样就可以最大限度的消除符号问干扰( i s i ) 。而且，一 般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免子载波间干扰( i c i ) 。 在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度， 9 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 原理及其资源分配技术 它又采用了一种叫作h o m e p l u g 的处理技术，对所有将要被发送数据信号位的载波 进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外o f d m 之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换离散傅立叶 变换( i d f t d f t ) 代替多载波调制和解调。 为了实现多载波传输方式的频谱利用率高，即子载波间隔要尽可能小，而且希 望系统实现简单。如果用传统的滤波器，则实现较为复杂，随着数字信号处理技术 的发展，i d f t 和d f t 都可以采用高效的快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ， f f t ) 实现。从而实现o f d m 的调制和解调，大大简化系统实现的复杂度，使得多 载波传输系统实现起来大为简化，利用f f t 实现的o f d m 系统，以其结构简单、 频谱利用率高而受到广泛重视。发射端使用反向傅立叶变换( i f f f ，i n v e r s ef f t ) 将发送数据调制到多个正交子载波上，经过信道传输，在接收端使用傅立叶交换 ( f f t ) ，从正交载波矢量中还原出原始数据。 2 1 2o f d m 的频谱特性 当各子载波用q a m 或m p s k 进行调制时，如果基带信号采用矩形波，则每个 子信道上已调信号的频谱为s a ( x ) 形状，其主瓣宽度为2 t , h z ，其中c 为o f d m 符 号长度( 不包括c p ) 。由于在巧时间内共有o f d m 信号的n 个抽样，所以o f d m 信号的时域抽样周期为瓦n 。由于相邻子载波之间的频率间隔为矽= z n ，其中z 为o f d m 信号的抽样频率，即z = n r , ，所以a f = z n = i t , 。即这些已调子载 波信号频谱s a ( x ) 函数的主瓣宽度为2 7 , ，间隔为1 t , 。根据s a ( x ) 函数的性质，知 道它们在频域上正交，这就是正交频分复用( o f d m ) 名称的由来。 o f d m 合成信号的频谱非常接近于矩形，因此，频带利用率趋近于香农信息论 的理论极限。 图2 10 f d i 符号频谱结构 一般的频分复用传输系统的各子信道之间要有一定的保护频带，以便在接收端 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 原理及其资源分配技术 可以用带通滤波器分离出各子信道的信号。保护频带降低了整个系统的频谱利用率。 o f d m 系统的子信道间不但没有保护频带，而且各子信道的信号频谱还相互重叠， 如图2 1 所示，这使得o f d m 系统的频谱利用率相比普通频分复用系统有很大提高， 而各子载波可以采用频谱效率高的q a m 和m p s k 调制方式，进一步提