（通信与信息系统专业论文）lte系统中mac子层下行调度算法研究.pdf

摘要 随着移动通信技术和市场的迅猛发展，未来多媒体信息、在线游戏、视频点 播、音乐下载和移动电视等数据业务的需求将远远超出了现有网络的承受能力。 与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比，w c d m a h s d p a 的空中接口和网络结 构都过于复杂并且能力稍显落后。最早由3 g p p 提出的长期演进项目( l t e ) 是 第三代移动通信系统的一种升级。在这种需要革新的背景下，增加下行链路分组 业务的峰值速率、提高服务质量和增加频谱效率成为了一个有潜在应用前景和理 论意义的研究热点。 本论文着重研究了l t e 系统中下行链路m a c 子层的分组调度算法。论文研 究了具有q o s 保证的系统资源调度问题，通过引入“基于信道信息和队列信息” 的系统资源调度算法使具有不同信道质量的用户获得相似的时延服务保证，同时 针对m l w d f 算法在执行调度的时刻并未将后续进行的信道编码中的自适应调 制编码( a m c ) 、混合自动重传请求( h a r q ) 和多天线( m i m o ) 传输考虑在其 中的不足，设计并且实现了一个将m i m o o f d m 传输、a m c 和h a r q 结合在内 的改进算法。 本论文利用系统级仿真，结合大量实验数据结果，验证了理论分析的萨确性 与算法的有效性和实用性。也预示了改进后的l t ep f 算法将会是未来l t e 系统 m a c 子层中基于i p 的分组数据传输网络资源调度的重要解决方案之一。 关键词：l i e 下行链路资源分配调度算法 a b s t r a c t b o t hp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa n dm a r k e ts h a r e sr u ni nh i l g hs p e e d d e v e l o p m e n t ，w h i c hl e a d st od e m a n do fs u c hk i n d so fd a t as e r v i c e s ，l i k em u l t i m e d i a m e s s a g e ，o n l i n eg a m e ，m u s i cd o w n l o a da n dm o b i l et v , e t c a l lo ft h e ma mg o i n g b e y o n dt h ea b i l i t yp r o v i d e db yw i r e l e s sn e t w o r kn o w a d a y s c o m p a r e dw i t hw i f ia n d w i m a x ，b o t hn e t w o r ks t r u c t u r ea n da c c e s sp r o t o c o l so fw c d m a h s d p a a r et o o c o m p l i c a t e dt os u c c e s s f u l l ym a i n t a i na s p e c t so fw i r e l e s ss p e c t r u me f f i c i e n c y a n d r e d u c et r a n s m i s s i o nd e l a ya sw e l l al o n g t e r me v o l u t i o nl a u n c h e db y3 g p pf o r3 g c o m m u n i c a t i o n si st h el a t e s tu p d a t e dv e r s i o n i nt h i sb a c k g r o u n d ，i n c r e a s i n gt h ep e a k d a t ar a t e s ，i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fs e r v i c ea n de n h a n c i n gt h es p e c t r a le f f i c i e n c yf o r d o w n l i n kp a c k e tt r a f f i ca sah o td i r e c t i o nh a v eb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ep a r t o f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s l t ed o w n l i n ki sf o c u s e di n t h i sp a p e r s o m er e s e a r c h e so ns y s t e mr e s o u r c e a l l o c a t i o nw i t hq o ss a t i s f a c t i o na r ed e p l o y e db yi n t r o d u c i n g “c h a n n e l 。a w a r ea n d q u e u e a w a r e ”s c h e d u l i n ga l g o r i t h m l t ep fs c h e d u l i n ga l g o r i t h ma d o p t sa d v a n c e d t e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gm i m o o f d ms t r u c t u r e ，a m ca n dh a r q ，t oi m p r o v es y s t e m t h r o u g h p u t as y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mf o rl t e i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r a l l m o d u l e sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt oc o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d so f 3 g p p t h ep l a t f o r mi s e a s yt ou s ea n de x p a n d s y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o ni sa d o p t e d i n t h i st h e s i s ，a n dag r e a tn u m b e ro f e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg e n e r a t e df r o mt h et h e s i s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e di n s t a t i s t i c a lm e t h o dt ov a l i d a t et h ea c c u r a c yo ft h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h ee f f i c i e n c ya n d a v a i l a b i l i t yo ft h ep r o p o s e da lg o r i t h m s i ti sr e g a r d e da so n eo f t h ei m p o r t a n ts o l u t i o n s o fr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nf u t u r ei p b a s e dp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k k e y w o r d s ：l t e d o w n l i n kr e s o u r c ea l i o e a t i o ns c h e d u l i n ga i g o r i t h m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育 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 献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证， 毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：凰圄 导师签名： 第一章绪论 1 1 1 引言 第一章绪论 1 13 gl t e 系统的产生和发展 近些年来，移动用户对高速率数据业务的需求，促进了移动通信系统的发展。 同时，新型无线宽带接入系统，例如微波存取全球互通( w i m a x ，w o r l d w i d e 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 ea c c e s s ) 的出现，给3 g 系统的设备商和运营商造成 了很大的压力。于是，3 g p p ( 第三代合作伙伴计划，t h e3 川g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 首先做出积极的反映，于2 0 0 4 年底启动了长期演进( l t e ，l o n gt e r m e v o l u t i o n ) 项目，以确保u m t s ( 通用移动通信网络，u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 技术的“长期竞争力 。3 g p p 2 随后跟进，于2 0 0 5 年初启动了空中接口演进( a l e ，a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n ) 项目。演进型3 g 技术 是3 g p pl t e 和3 g p p 2a i e 项目的统称，这项技术名为“演进”，实则是一场技 术“革命”。该标准以f 交频分复用( 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 ) 为基础，引入了若干新技术，使得3 g 演进系统能够提供数倍于3 g 系统的峰值速率。研究这些技术不仅可以了解今后几年宽带无线移动通信技术的 发展趋势，而且对未来4 g 技术的研究和标准化也有重要的参考意义【l j 。 1 1 2 移动通信系统发展概述 1 9 9 8 年1 2 月，第三代移动通信合作伙伴计划3 g p p f 式成立。 所谓移动通信，是指两个移动物体之i b j 的通信，或者是移动物体和固定物体 之间的通信方式。从1 9 7 8 年世界上第一个移动电话通信系统在美国芝加哥丌通， 至今也不过只有3 0 年的历史。就其发展历程看，大约每1 0 年就更新一代，目前 f 处于第二代移动通信和第三代移动通信的交接期。 一般所说的第三代移动通信系统( 3 g ) ，主流技术为c d m a ( 码分多址， c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术，通过增强的空中接口，提供更高速率和宽 带数据的传输，典型系统包括w c d m a ( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 宽带c d m a ) 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ( 时分同步的码分多址技术，t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。 而增强型3 g 系统( e 3 g ，e v o l v e d3 g ) 在原3 g 系统中增强空中接口功能， 2l t e 系统中m a c 层的下行调度算法研究 并部分调整原3 g 系统的核心网( s a e ，s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ) 结构，支 持更高速率和更高可靠性的数据传输，强调提供无处不在、高移动性、全业务以 及更高数据速率的移动通信，具体包括高速下行链路分组接入( h s d p a ，h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k a g ea c c e s s ) 和高速上行链路分组接入( h s u p a ，h i 曲s p e e d u p l i n kp a c k a g ea c c e s s ) ，c d m a 2 0 0 0l x e v 以及t d s c d m a 的增强型技术等。 向b 3 g 演进的系统，以蜂窝移动通信技术为主，多种无线技术集成应用，提 供全业务、高数据速率、覆盖连续等系统需求，其中使用的相关技术包括：i p v 6 ( i n t e m e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ) 、多天线技术( m i m o ，m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 、o f d m 以及智能天线技术等l l j 。 3 g p p 的早期目标主要是实现2 g 到3 g 的平滑过渡，由于目前3 g 技术己趋 于成熟，于是近期启动了最大的新技术研发项目一一l t e 项目。它以 o f d m f d m a ( 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 ea c c e s s ) 为核心，和3 g p p 2 a l e 、w i m a x 以及最新出现的i e e e8 0 2 2 0 等都有相似之处，即具有某些“4 g ” 特征，故也被看作是“准4 g ”系统，或俗称“3 9 g ”系统。 1 1 33 g 标准版本的演进 3 g p p 组织通过制定相关标准来实现网络的平滑过渡，保证未来系统的后向 兼容性，并同时支持“轻松”建网及系统问的漫游和兼容。为了在满足新的市场 需求下向丌发商提供稳定的实施平台，3 g p p 的3 g 标准使用并行版本体制，通过 不断增添新特性来增强系统性能，到目前的版本中，重要的有： 2 0 0 0 年3 月完成的r e l e a s e9 9 版本是一个汇编的版本，包括了之前的各 种第三代无线通信规范，是目前认为最稳定的一个版本； r e l e a s e6 于2 0 0 4 年1 2 月确定，它的网络架构方面没有太大变更，主要 是增加了一些新的功能特性以及对已有功能特性的增强，不过功能已经很强大了； r e l e a s e8 据说是已经完成，笔者也在一些论坛上见到有人提到，有待研 究。 1 2 1l t e 的网络结构 1 2l t e 系统的总体框架 3 g p pr 6 版本的网络架构【2 】如图1 1 ( a ) 所示。从图中可以看出3 g 网络由基 站( n b ，n o d eb ) 、无线网络控制器( r n c ，r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 、服务 通用分组无线业务支持, 1 丁, 4 - 1 - 点( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 和网关通用分 第一章绪论 3 组无线业务支持节点( g g s n ，g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 四种网络节点组成。 n b 为终端提供接入点并控制终端的无线接入，同时负责网络流量的控制与管理： r n c 负责对n b 进行整体管理，包括对无线资源、本地移动用户和接入情况进行 管理和控制，并对传输情况进行优化；s g s n 负责分组交换数据流量的控制和管 理，并在n b 与g g s n 之间完成移动分组数据的接收与发送；g g s n 负责与核心 网的连接，是本地网与外部分组交换网之间的网关，因此也被称为g p r s ( 通用 无线分组业务，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 路由器，s g s n 与g g s n 之间通过 基于i p 协议的骨干网连接。 e ( a ) 3 g p pr 6 的网络拓扑结构( b ) 3 g p pl t e 的网络拓扑结构 图1 13 g p pr 6 平3 g p pl t e 的网络拓扑结构 为了达到简化信令流程、缩短延迟和降低系统成本的目的，3 gl t e 系统对 原有的网络架构进行了较大的改进，使其仅由e n b ( 增强型基站e n o d eb ， e n h a n c e dn o d eb ) 和接入网关( a g w ，a c c e s sg a t e w a y ) 组成，由图1 1 ( b ) 可见。 e u t r a n ( 演进通用陆地无线接入网络，e u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k ) 与u t r a n ( 通用陆地无线接入网络，u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k ) 比较起来，有两点较为突出的变化： 没有了r n c ，空中接口的用户面和控制面的功能由e n b 进行管理和控制； 原来的三层结构演化为两层结构，使得用户面的数据传送和无线资源的控制变得 更加迅捷。而原来由r n c 承担的功能也将分散到e n b 和a g w 上； 新的网络结构舍弃了r n c 、s g s n 和g g s n 节点，引入了一个新的节点 a g w 。a g w 承担了接入网用户数据的分组数据汇聚子层( p d c p ，p a c k e td a t a c o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 的功能，也承担了部分核心网的功能。从整体网络结构来 4 l t e 系统中m a c 层的下行调度算法研究 看，接入网和核心网的界限丌始变得模糊了。 值得一提的是，在e n b 之间的底层都是采用i p 传输，这是为了便于支持移 动终端( u e ，u s e re q u i p m e n t ) 在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。 e u t r a n 的各网络节点功能划分如图1 2 所示。由图可知，e n b 的主要功能 包括【】：建立连接的a g w 的选择；确定在r r c ( 无线资源控制，r a d i or e s o u r c e c o n t r 0 1 ) 激活时向a g w 的路由；上下行的动念资源分配；链路的配置和测量； 无线承载控制；无线接入控制；终端在激活状态时的连接移动性管理等。 e n o d eb 小i ( ：问止线 资源管理 连接移动性 管理 无线承载控制 尢线接纳拧制 e n o d e b 测量和配胃 动态资源分配 r r c r l c m a c p h y - 1 r r m 服务器 ( u 选) 图1 2e u t r a n 备网络1 y 点功能划分幽 a g w 主要分为移动性管理实体和用户面实体两个部分，承担的功能主要包 括：终端在空闲状态时的移动性管理；p d c p 功能；非接入子层信令的加密和完 整性保护等。 对于基站问的无线资源管理，是否需要引入一个新的网络节点无线资源 管理( r r m ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 服务器来进行协调，目前3 g p p 内仍 没有最后的结论，但讨论的各方达成的一致意见时即使在网络没有该实体的情况 下，系统仍然能够币常工作。换句话说，就是r r m 服务器将作为一个可选的网 络节点被引入e u t r a n 中。 第一章绪论 2 2l t e 系统中下行链路特色 3 gl t e 系统重点考虑的方面包括降低传输时延、提高用户数据速率、增大系 统容量、扩大覆盖范围以及降低运营成本等。其需求指标主要包括：灵活支持 l2 5 m h z 2 0 m h z 可变带宽；峰值速率达到上行5 0 m b p s ，下行1 0 0 m b p s ( 笔者 参与的华为l t e 开发项目中，下行峰值速率已达到1 7 3 m b p s ) ；提高小区边缘用 户的数掘传输速率：用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制面延迟小于l o o m s ；支 持增强型的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 e d c a s f f m u l t i c a s t s e r v i c e ) ；实现合理的终端复杂度、成本和省电方式：支持增强的i m s ( i p 多媒 体子系统，i p m u l t i m e d i as u b , ；y s t ) 和核心网；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 ) 域实现，如采用v o l p ( 网络电话， v o i c eo v e r i n t e r a c t p r o t o c 0 1 ) ；支持f d d ( 频分双工，f f e q u c y d i v i s i o n d u p l e x ) 、 t d d ( 时分取工，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 三种模式，由图13 ( 曲、 ( c ) 和( b ) 可见：尽可能支持简单的邻频共存1 2 等。 f d do n l yc o m b i m df d d t d dt d do n l y d o m l i n t 二：二id o l i n t 口 【j u p l i n k j t l i g h e s td a t ar a k s f o rg b a r d w i d t h “dp e a kd 口w c r ( a 1 f d d 模式 u # i n k 几厂n r e d u 口du e “口e x 。q ( b ) f d d 和t d d 混合模式 幽i3 般l ：模式 寮黜江 皿 u n p l i r e as , e , e c ( c ) t o o 模式 3 gl t e 系统在下行链路中结合了频域自适应的o f d m 技术。o f d m 系统f 行链路的时频特性由图14 ( a ) 【2 】可见。图中的子载波削隔为1 5 k h z ，可以适用于 r 6 l t e 两种模式的终端。为了减少时延，子帧间隔被选择为05 m s 。 莎网囤 k 一 7 = - 一 ( a ) r 行链路的时频结构酗 ( b 1 上千- 链路的时频结构幽 酗i a 上f 行链路的时额结构创 6 l t e 系统中m a c 层的下行调度算法研究 在w c d m a 和h s d p a 系统中，已经做到了根据链路自适应和基于信道的调 度算法来充分利用信道特性进行数据的传输，并且已经证实了这些方法确实可以 大幅度地提高频谱利用率。 1 2 3l t e 系统中关于下行链路传输方式的介绍 3 g p p 在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 系统的基本传输技术，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 e 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 t 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 ) 【。 l t e 系统在数据传输延迟方面的要求很高( 端到端延迟小于5 m s ) ，这一指标 要求l t e 系统必须采用很小的交织长度。在中国公司的孥持下，3 g p p 在这个问 题上达成一致：基本的子帧长度为o 5 m s ，但在考虑和t d s c d m a 系统兼容时可 以采用o 6 7 5 的子帧长度【3 1 。 上下行主要采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 三种调制方式。上下行的最小资 源块大小为2 5 个子载波，即3 7 5 k h z 。系统可以采用集中式或分散式方式将数据 映射到资源块上。 在信道编码方面，l t e 系统主要考虑t u r b o 码，但也证在考虑其它编码方式， 如l d p c 码。 在m i m o 方面，l t e 系统的基本m i m o 模型是下行2 x 2 、上行l x 2 个天线， 但同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 x 4 ) 。正在被考虑的m i m o 技术包括 空间复用( s m ，s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 、空分多址( s d m a ，s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、预编码( p r e c o d i n g ) 、秩自适应( r a n k a d a p t a t i o n ) 以及丌坏发射分集 ( s t t d ，s p a c e t i m e t r a n s m i td i v e r s i t y ) 等。上行将采用一种特殊的s d m a 技术， 即已被w i m a x 采用的虚拟( v i r t u a l ) m i m o 技术。 另外，l t e 系统也正在考虑采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据速率 和系统容量等。 1 3m a c 子层的位置和作用 再进一步研究m a c ( 介质访问控制子层，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层在l t e 系统中所处的位置和所起的作用。因为未来通信系统的发展趋势是功能下移底层， 所以底层所面对的技术挑战将越来越大，难题也越来越多。 l t e 系统的协议栈从功能来看，可以分为用户面和数据面。其中，用户面传 送的主要是数据，控制面传送的主要是控制信息。在实际l t e 系统中，两种信息 是交互传输的。l t e 系统的用户面协议栈如图1 5 所示【4 】。 第一章绪论 7 i 一；i ii 一i u e e n bs a eg a t e w a y 叵一( 蔓 图1 5h j 户面协议栈 数据经过p d c p 层、r l c 层( 无线链路控制子层，r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 、m a c 层和物理层，完成了头压缩、加密、分片、调度、a r q ( 自动重传请求，a u t o m a t i c r e p e a t r e q u e s t ) h a r q ( 混合自动重传请求，h y b r i d a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ) 等功能。最终通过物理层正确地发送出去，完成通信信息的交互。 控制面的协议栈如图1 6 所示。在各子层中，r l c 和m a c 子层的功能与数 据面r l c m a c 层的相同；r r c 完成如广播、寻呼、r r c 连接管理、无线承载控 制、移动性管理和终端测量上报等功能；非接入层完成如s a e 承载管理、鉴权、 空闲的移动性管理、在空闲状态下的寻呼和安全性管理等功能。 ? ji ：i ： u e；e n b；m m e | 匪互j 匹l l 匪三三l| ! 叵r l c 一 互r l c i i 叫 ：【，。一：【一： ； 堕) 一( 互； ；i 竺竺卜叫竺! l ； i 匪叵h 三l 图1 6 控制面协议栈 l 2 ( 层2 ，l a y e r2 ) 的结构如图1 7 所示。图中非常清晰的注明了p d c p 、 r l c 和m a c 子层所处的位置以及各个子层主要完成的功能：p d c p 子层主要进 行头压缩和加密等操作；r l c 子层主要完成分段、级联以及a r q 等操作；而m a c 子层主要完成优先级计算、用户以及资源调度和h a r q 等操作。 8 l t e 系统中m a c 层的下行调度算法研究 ) ) 掣攀怕二洲出i 旱i 阜下 占丐怕咖。，c 。删。占事1 - _ 1 s c h e d u l i n g p r i o r i t yh a n d i n g m u l t i p l e x i n gu eim u l t i p l e x i n gu e n 幸 洲眺 幸 。) - 图1 7l 2 层的结构 1 4 论文的内容安排 从自i 文已经可以看出，在3 g p pl t e 系统的m a c 子层中，最重要的功能就 是对有限的系统资源进行最优调度，这也是本文的研究重点。本文将针对m a c 子层下行调度模块中会使用到的调度以及相关算法分别进行了研究，并针对其中 的一些关键技术提出了改进方法，采用理论分析、仿真结合和最终具体实现的方 式，对提出的相关算法进行了验证。 内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了文章的研究背景及意义。 第二章将概括地介绍m a c 子层下行调度算法中的相关技术研究。简述其发 展历程、主要分类及各种方法的优劣。 第三章会提出基于信道质量和队列信息的多用户调度算法，并结合分组调度、 o f d m a 和自适应m i m o 等关键技术给出l t e 系统m a c 子层下行调度算法的具 体实现流程图和细节讲解。 第四章对l t e 系统m a c 子层下行调度算法进行系统仿真和实现，并与自，j 几 种比较经典的算法做比较，分析仿真实现的结果和原因，并提出了新颖的思路。 上 舱 眦 眦 姒 第二章l t e 系统中m a c 层下行调度算法的初步研究 9 第二章l t e 系统中m a c 层下行调度算法的初步研究 在最新的移动通信系统中，都采用了o f d m 传输技术，而w i m a x 和 3 g p pl t e 也不例外。这些系统能够支持多种不同的服务，并且可以达到比较 高的系统吞吐量。同时，这些系统能够比较容易的和m i m o 、h a r q 和a m c ( 自适应调制编码，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 等通信系统中的高端技 术结合，进一步提高系统的性能。但是高端技术的引入对m a c 层的调度算 法提出了很高的要求。为了能够利用这些无线技术，充分地利用资源，m a c 层调度算法必须结合用户的q o s ( 服务质量，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求、信道 质量和业务队列的状态，同时考虑物理层的资源利用情况，进行资源分配的 优化。这要求调度算法不仅有可靠的性能，而且在计算复杂度上也能够达到 要求。 2 1l t e 系统m a c 子层下行调度算法介绍 在3 g p pl t e 系统中，m a c 层下行调度算法其实是一个很笼统的概念。 因为随着众多学者的不断研究和通信技术的超速发展，下行调度算法已经成 为了一个集各家精华于一体的、博大精深的融合算法。虽然笔者只是研究了 一年多时间，但是已经从中观察出众多的算法精髓。如果想在这一篇小小的 学位论文中全部提及也是不现实的，而且笔者经验和学识水平有限，也不可 能将所有的算法都能完全理解并将其优化发展下去。 简而言之，从m a c 子层下行调度模块的功能来看，需要解决的两个关 键问题是： 当小区状念为存在多用户接入的情况时，如何在众多用户中进行最优 的调度，以使得小区内的每个用户在长时间内都能得到相对公平地，满意地 服务，并且要保证该时间内小区的整体吞吐量即是要兼顾小区吞吐量和 用户的q o s 参数； 如果在1 个丌i 内需要同时调度多个用户，如何为众多用户在有限的 系统资源上进行最优地分配，以使得该时刻被调度的用户得到满足业务需求 的资源，同时又尽可能的保证陔时刻的小区整体吞吐量。 对应以上两个关键问题，之前的学者已经提出了很多优化算法例如 多用户调度算法和动态资源调度分配算法。 1 0l t e 系统中m a c 层的下行调度算法研究 2 2 多用户调度算法分组调度算法 多用户调度算法，也称为分组调度算法( p s ，p a c k e ts c h e d u l i n g ) ，它的 功能就是判决在什么时间为哪些用户分配无线资源以完成通信。一般来说， 这种调度算法都是以保证多用户之问的公平性为前提的，同时需要确保不同 类别的业务达到必须的q o s ，而最终目标是近似达n d , 区最大吞吐量。 在整个m a c 层下行调度算法中，p s 算法直接决定了用户所使用业务的 q o s 。在p s 算法中，不仅要决定该t t i 内调度哪些用户，同时还需要决定为 这些用户服务的顺序：同时，对于同一个用户所使用的各种不同类别的业务， 也需要决定服务顺序。例如，语音业务因为时延要求很高，所以优先级是最 高的；而对于时延要求较小的下载业务，因为数据量非常大且容错能力较差， 优先级相对较低，但是在一段时l b j 以内还是需要满足一定的平均流量限制。 总之，对于实时性要求较高的业务一般都会优先调度，余下的调度机会再分 配给对实时性要求不高的业务。因为在计算用户优先级时，是选取该用户所 有业务中优先级别最高的业务优先级作为用户优先级的，所以当某用户具有 实时性较高的业务时，也就同时提升了该用户的调度优先级。 2 2 1m a xc i 调度算法 最大载干比调度算法( m a xc n ) 的最大特点就是能够保证系统得到最大的 多用户分集增益【】【3 】【5 1 。因为m a xc i 调度算法在选择当前时刻可调度用户时， 只选择接收载干比最大的用户，也即是让服务信道条件最好的用户一直都得 到调度机会。这样的话，服务信道条件好的用户能够一直传输数据，直到有 比它的服务信道质量还要好的用户出现为止。所以该系统通过不断调整多用 户的数据传输方案，使之适应无线信道的时变特性和衰落特性，以达到保证 系统最大吞吐量的目的。 如果在时刻t 有个用户同时请求传输数据，而此刻每个用户的载干比为 。( t ) ，则m a xc i 调度算法选中的用户k + 为 厅a r g ，。，饥( f ) (21)_,max m a xc 1 调度算法可以使系统吞吐量达到极大值，这是无论采用任何其他 的调度算法都不能超过的。因为这种调度算法的判决条件单一，所以实现起 来也相对比较简单。 但是，由于只考虑信道质量最好的用户，不能保证小区边缘用户的数据 传输的要求，即不能保证系统较好的公平性。而目在实际情况中，小区内的 第二章l t e 系统中m a c 层下行调度算法的初步研究 l l 用户是随意分布的：有一些用户可能离基站比较近，信道质量也会相对较好， 他们就能得到更多的调度机会；而对于一些离基站较远的用户，他们的信道 质量也许较差，这样的话，他们得到调度的机会相对较低，而且极有可能永 远都得不到调度机会( 由于分组数据业务采用的是快速小区交换，会占用很大 的系统资源，而且在任意时刻只和一个基站通信，没有同时和多个基站通信 的宏分集增益) ，这些用户就会“饿死”。所以从公平性的角度来看，这种算 法可以算得上是最不公平的算法了，实际应用中也不会采用。 2 2 2r r 调度算法 r r ( 轮循调度算法，r o u n dr o b i n ) 调度算法是一种循环地将信道资源分 配给所有传输用户的算法。也就是说，每个用户被调度的概率都相等。所以 r r 调度算法具有最好的系统公平性【l 】f 3 】1 5 】。 但是r r 调度算法不考虑用户的信道状况，对所有请求服务的用户一视 同仁。因此，这种算法的最大弊端就是无法充分利用无线信道的时变特性给 系统带来多用户分集增益。例如，a 用户的信道条件不好，他所使用的业务 也是时延要求不高的业务；b 用户的信道条件很好，他所使用的业务是实时 性要求很高的语音业务。此时，因为采用r r 调度算法，为了保证公平性， 调度机会给这两个用户都是一样的调度机会。对于用户a ，因为信道质量不 好，只能以较低的数据速率来传输，白白浪费了系统资源；而对于用户b 来 说，虽然信道质量很好，但是语音业务的服务质量却不能得到保证。这种情 况是极不符合调度算法最终理念的。 不管怎么 兑，r r 调度算法实现起来还是比较简单的。而且从资源分配的 公平性角度来说，它保证了所有用户占用等量的时i 日j 资源进行通信，体现了 用户问的短期公平性。但是从整体的系统性能来看，系统利用率是达不到要 求的。 2 2 3p f 调度算法 比例公平调度算法( p f ，p r o p o r t i o n a lf a i r ) 会为小区内的每个用户都分 配一个优先级。在每个调度时刻，优先级高的用户会优先被调度。p f 调度算 法一方面充分利用用户信道的时变特性，另一方面保证了系统多用户分集与 公平性之i 日j 的平衡，因此成为无线通信系统中常用的动念资源调度算法 l t 1 3 5 。 1 在单载波系统中 对于单载波系统，一般考虑在某个调度时刻，调度机只选择一个用户进 1 2l t e 系统中m a c 层的下行调度算法研究 行数据传输。单载波系统中的p f 调度过程如图2 1 所示。由图可知，利用p f 调度机，在每个数据传输时刻只选择一个用户传送数据。 u s e ri u s e t 2 幽2 1 单载波系统中的p f 调及不恿幽 单载波系统中的p f 调度算法，最早是由高通公司提出并应用到实际系统 中【6 】的。在h d r ( h i 曲d a t ar a t e ) 系统中考虑每个调度时刻只能调度一个用 户传输数据。根据p f 调度算法的定义，用户优先级的计算公式【4 1 为 只2 锱活- 1 ，2 ，n ( 2 - 2 ) 式中，。o ) 为用户k 在时刻t 的载干比，反映用户在当前时刻的信道质量。 r 。( f ) 为用户k 的平均传输数据速率，也可以表示在以( f 1 ) 时刻为结尾的时 i b j 窗口瓦中用户的平均吞吐量。r k ( f ) 的更新公式【4 】为 ro ) = ( 1 一毒) j r t ( f 一1 ) + j 1 ，r ( t 一1 ) ， ( t 一枷( f - 1 ) k ：k ( 2 3 ) k k 一般来说，当一个信道质量较好的用户连续几个t t l 被调度时，式( 2 2 ) 中的分子1 。( f ) 变化不大，而分母r 。( f ) 会越来越大，则该用户的优先级只就 会越来越小，那么下一个t t i 该用户就必然不会被调度到。所以，在拥有众 多用户的小区中，一个用户不可能总是进行通信。这罩对时问窗口的长度r 通 常有严格的要求，最大必须足以覆盖快衰落的变化，最小必须足以满足用户 的时延要求。通常将窗口大小互定为1s 左右。 p f 调度算法一方面可以保证所有用户的平均数据传输量最大，另一方面 充分保证了不会出现某些用户长时i 日j 得不到调度的现象。由式( 2 2 ) 可知，如 果r ，f ) 为零，会导致只趋于无穷大。 p f 调度算法充分考虑了各个用户的实时信道增益和用户平均传输速率问 的公平性。式( 2 2 ) 中。( f ) 表征了各个用户实时信道增益，保证信道条件较好 的用户能够传输数据：尺。f ) 表征用户i b j 的平均传输速率的公平性，使得一个 用户平均传输速率较小时能够获得传输数掘的机会。由于p f 调度算法利用平 均数据传输速率来表征用户间的公平性，所以具有较好的长期公平性，但是 第二章l t e 系统中m a c 层下行调度算法的初步研究 1 3 p f 调度算法不能保证用户间的短期公平性。 2 在多载波系统中 在o f d m 系统中，频域中包括了多个子载波，也即是说可以看成是有众 多单载波存在的一个系统。因而在调度时刻，可以使得多个用户同时在不同 的子载波上传输数据。j 下因为这样，也需要在调度时刻决定调度哪些