（通信与信息系统专业论文）ltea系统多小区联合调度算法仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在无线网络系统有限的带宽资源条件下，为了支持新一代移动通信系统更 高的数据传输率、更可靠的服务质量保证以及更多样化的业务种类，需要高效 利用无线资源管理。通过设计好的调度算法，可以优化无线网络资源的利用。 本文对l t e a 系统中的调度算法问题进行了较为深入的研究。首先，本 文阐述了课题的研究意义，随后对课题的国内外现状进行了分析。 第二章中介绍了本文仿真所使用的基于c + + 的l t e a 系统级仿真平台。 该系统级仿真平台是根据先进的国际移动通信( i m t - a d v a n c e d ) 评估准则 i t u rm 2 13 5 的系统级仿真要求，采用基于信道片段的仿真方法而设计搭建 的。平台主要包括小区生成与参数配置、用户模型初始化、无线信道初始化及 更新、调制编码方式选择、用户调度及性能统计等功能模块。本论文重点完成 了移动台模块和用户调度模块。 第三章主要研究了l t e a 系统下的分组调度算法。在研究比例公平算法 的基础上，提出了一种多小区联合调度算法。该算法将系统分簇并在每个小区 内按比例选择部分小尺度衰落较大的用户，之后在小区内按照给定的优化期望 值进行联合调度，与传统3 g 及l t e 系统中的单小区比例公平算法相比，该算 法充分考虑了小区间干扰，使小区频谱效率和小区边缘用户频谱效率两方面性 能都有了明显的改善。 第四章介绍了基于效用函数优化的理论框架，基于此理论框架提出的相关 算法利用效用函数在物理层和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层之间建立联系。 仿真结果表明相关算法能够较好提升系统性能并确保公平性。 关键词l t e a ；系统级仿真平台；分组调度；多小区联合调度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 t 页 a bs t r a c t d u et ot h el i m i t e db a n d w i d t hr e s o u r c e s ，i t s n e c e s s a r yt o r e c u rt or a d i o r e s o u r c e m a n a g e m e n tf o rm o r eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n ，s t e a d y q o s g u a r a n t e ea n dv a r i o u s k i n d so fs e r v i c e s t od e s i g ng o o dp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m sc a no p t i m i s et h eu t i l i z a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r kr e s o u r c e s t h i sp a p e rd i s c u s s e si n d e p t ht 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 m f i r s t l y ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c eo ft h es t u d i e s ，t h e ni ta n a l y s e st h e c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d c h a p t e r2i n t r o d u c e st h el t e as y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nc p l u sp l u sl a n g u a g eu s e di nt h i sp a p e r t h i sp l a t f o r mi sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d b a s e do n d r o pm e t h o d o l o g y , w h i c hc o n f o r m s t ot h ei t u rm 213 5o f i m t - a d v a n c e d s i tc o n s i s t so fs e v e r a lm o d u l e si n c l u d i n gc e l l g e n e r a t i o na n d p a r a m e t e r sc o n n g u r a t i o n ， u s e rm o d u l e i n i t i a l i z a t i o n ，w i r e l e s sc h a n n e l i n i t i a l i z a t i o na n du p d a t e ，m o d u l a t i o n c o d i n gs e l e c t i o n ( m c s ) ，u s e rs c h e d u l i n ga n d p e r f o r m a n c es t a t i s t i c ss t c o s tw o r k sm a i n l yf o c u so nm o b i l em o d u l ea n du s e r s c h e d u l i n gm o d u l e c h a p t e r3m a i n l yr c s c a r c h sp a c k e ts 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 m t h e ni ti n t r o d u c e sam u l t i c e l lj o i n ts 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 mb a s e d o np r o p o r t i o n a lf a i ra l g o r i t h m i nt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，t h es y s t e mi sd i v i d e d i n t oc l u s t e r s ，a n dt h eu s e r sw i t hl a r g e rs m a l ls c a l ef a d i n ga r es e l e c t e di ng i v e n p r o p o r t i o ni ne a c hc e l l a n dj o i n ts c h e d u l i n gi st h e np e r f o r m e dt oo p t i m i z et h e g i v e no b j e c t i v e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp r o p o r t i o n a lf a i ra l g o r i t h mo f3 ga n d l t es y s t e m ss i n g l ec e l l ，t h em u l t i c e l lj o i n ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mf u l l yc o n s i d e r e d t h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，a n di m p r o v e db o t ht h ec e l ls p e c t r a le f f i c i e n c ya n dc e l l e d g eu s e rs p e c t r a le f f i c i e n c y c h a p t e r4i n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a lf r a m e w o r ko ft h eo p t i m i z a t i o np r o b le m b a s e do nt h e u t i l i t y f u n c t i o n s r e l a t e da l g o r i t h m sb a s e do nt h e t h e o r e t i c a l f r a m e w o r ku s eu t i l i t yf u n c t i o n st ob u i l dab r i d g eb e t w e e nt h ep h y s i c a ll a y e ra n d t h em e d i aa c c e s s c o n t r o l ( m a c ) l a y e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wr e l a t e d a l g o r i t h m sc a ni m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dg u a r a n t e ef a i r n e s sv e r yw e l l 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i i 页 k e yw o r d s ：l o n g - t e r me v o l u t i o n a d v a n c e d ；s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m ； p a c k e ts c h e d u l i n g ；m u l t i c e l lj o i n ts c h e d u l i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 近年来，伴随着无线通信技术的迅猛发展和终端用户对无线业务日益多样 化的需求，各种先进的无线通信系统不断出现，并且它们之间的竞争大有愈演 愈烈之势。2 0 0 4 年年底，全球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 技术标准的出现，给当时的无线通信行业带来不 小的冲击；紧随其后，第3 代合作伙伴计划( 3 加g 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 ， 3 g p p ) 也启动了通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，u m t s ) 技术的长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目。从表面 上来看，3 g p p 启动的l t e 技术标准似是为了应对w i m a x 标准的市场竞争， 但从深层次的角度来分析，l t e 标准的出现却应该是3 g p p 基于对“宽带接入 移动化 1 4 9 】和“移动通信宽带化 1 4 9 】认识的应对之策。 语音业务为 高速移动 5 删z 带宽 移动终端 据传输为主 固定接入 热，_ 覆盖 便携终端 图1 1 移动通信技术与宽带无线接入的融合 从技术角度本身来说，l t e 标准相对于其之前的第3 代移动通信技术标准， 提出了更高的需求总体目标，包括降低单位比特成本、提供更强大的业务能力、 合理使用新旧频段及简化系统架构等。 为此，l t e 标准采用了全i p 和扁平化的系统架构 9 1 3 】、多输入多输出 ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 和正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ) 等强大的无线传输技术，使得l t e 系统能够在2 0 m h z 的系统带宽下，实现下行10 0 m b p s 和上行5 0 m b p s 的瞬间 峰值速率，频谱效率可达到3 g p pr 6 标准的2 5 倍。 2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准即将完成阶段，3 g p p 又启动了高级的长期演进 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( l o n gt e r me v o l u t i o n a d v a n c e d ，l t e a ) 项目，l t e a 标准定位是在l t e 基 础上的平滑演进。2 0 0 8 年中旬，l t e a 需求基本确定】。 l t e 与第四代( t h e4 加g e n e r a t i o n ，4 g ) 移动通信技术相比较而言，除最 大带宽、上行峰值速率两个指标略低于4 g 要求外，其他技术指标都已经达到 了4 g 标准的要求。因此，l t e 亦被看作是“准4 g ”技术。l t e a 的正式名称 为f u r t h e ra d v a n c e m e n t sf o re u t r a ，是l t e 移动通信技术标准的后续演进， 相对l t e 标准而言，l t e a 标准则是“名副其实的4 g 技术。2 0 0 8 年3 月， 为满足国际电信联盟无线部门( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u r ) 先进的国际移动通信( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n a d v a n c e d ， i m t - a d v a n c e d ) 技术征集的需要，3 g p p 无线接入网( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ， r a n ) 全会通过了l t e a 的立项申请；2 0 0 8 年5 月，3 g p p 确定了l t e a 的 技术需求报告，它满足i t u r 的i m t - a d v a n c e d 技术征集的需求，是3 g p p 形 成欧洲i m t - a d v a n c e d 技术提案的一个重要来源。 l t e a 标准主要的技术参数与需求： ( 1 ) 带宽：10 0 m h z ； ( 2 ) 峰值速率：下行1g b p s ( 4 4 天线) ，上行5 0 0 m b p s ( 2x4 天线) ； ( 3 ) 峰值频谱效率：下行3 0 b i t s h z ( 8 8 天线) ，上行l5 b i t s h z ( 4x4 天线) ； ( 4 ) “平滑演进 与“强兼容 要求； ( 5 ) 针对室内和热点游牧场景进行优化： ( 6 ) 有效支持新频段和大带宽应用； ( 7 ) 峰值速率大幅提升，频谱效率有限改进。 在第三代( t h e3 mg e n e r a t i o n ，3 g ) 及之前的传统移动通信系统中，抑制 小区间干扰最常用的方法是相邻小区间采用不同的频率来抑制小区间干扰；在 3 g p p 的l t e 及之后的l t e a 系统中，则是采用全频率复用的新技术。全频率 复用技术允许用户使用所有可能的频谱，这也就意味着所有频谱资源都有可能 被每个小区所使用，因此，在l t e 及l t e a 系统中，相邻小区就可能存在相 同的频段，解决小区干扰抑制问题就显得格外迫切，提高小区边缘用户频谱效 率也成为当前的研究热点之一；另一方面，l t e a 标准提出时间较为仓促，其 单小区相关技术状态相对成熟稳定，但在多小区组网的情况下存在着更为复杂 的小区间干扰。与单小区调度比较而言，多小区联合调度在不增加系统资源的 前提下，通过对多个邻小区的信息的交互和协调来降低小区间特别是小区边缘 用户遭受到的干扰，从而提升小区边缘用户的频谱效率，因此研究l t e a 系 统中的多小区调度问题就很有现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 课题的国内外现状分析 有关无线通信系统中多小区联合调度算法，国内外已经有一些研究，但侧 重点各不相同。 在文献 2 】中，t h o m a sb o n a l d y 等人从信息论的观点阐述了小区间调度的 优势，但并未给出任何实际的调度策略。 2 0 0 5 年3 月，g u o c o n gs o n g 等人首次在文献【3 中建立了基于o f d m 系统 的无线网络跨层优化的理论框架，其基本思想是利用效用函数( u t i l i t y f u n c t i o n ) 在物理层和媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层之间建 立联系，用来平衡无线资源分配中的效率与公平性。文献【3 】中作者把跨层优化 问题公式化为由自适应资源分配方案决定的，在一定约束条件下最大化所有活 动用户的平均效用。之后具体讨论了功率分配固定下动态子载波分配 ( d y n a m i cs u b c a r r i e ra s s i g n m e n t ，d s a ) 策略中，两用户及多用户的跨层优化 公式；固定子载波分配下自适应功率分配( a d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o n ，a p a ) 策略中，全局最佳功率分配的必要条件；联合d s a 与a p a 策略下的的跨层 优化问题。文献 4 中g u o c o n gs o n g 等人基于上述无线网络跨层优化的理论框 架，提出了搜索排序动态子载波分配( s o r t i n g s e a r c hd s a ) 、时序线性逼近注 水( s e q u e n t i a l - l i n e a r - a p p r o x i m a t i o nw a t e r f i l l i n g ) 、贪婪功率分配( g r e e d y p o w e ra l l o c a t i o n ) 和j o i n td s aa n da p a 等一系列有效而实用的算法，并对部 分算法进行了改进。基于效用函数的跨层优化，利用多用户分集( m u l t i u s e r d i v e r s i t y ) s l 、频率分集( f r e q u e n c yd i v e r s i t y ) 以及时间分集( t i m ed i v e r s i t y ) 带来的增益，有效地提高了系统的性能并保证了公平性。由于仅考虑了多用户 在单小区下的情况，而并未考虑小区间协调策略，所以上述研究不能保证在整 个无线网络系统中用户间的公平性。 在文献 6 】中，x uk a i 等人进一步研究了多小区协调调度问题，提出了一 种小区间调度策略，但该结论应用于实际很复杂，且未考虑小区间功率分配算 法，也未建立基于o f d m 系统的小区间协调资源分配的理论框架。 在文献 7 】【8 】中，l c h e n 等人的贡献主要是：利用拉格朗日方法讨论了 固定子载波分配下的最佳小区间a p a 策略；讨论了固定功率分配下的最佳 小区间d s a 策略：讨论了联合d s a 与a p a 策略下的最佳小区间跨层优化 问题；提出了次最佳优化的资源分配策略和分布式策略；并将上述方法应 用于多小区合作系统中，考虑了采用a ) 等功率分配小区内调度；b ) 小区内功 率分配小区内调度：c ) 等功率分配小区间调度：d ) 小区内功率分配小区间调 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 度：e ) 小区间功率分配小区内调度；f ) 次最佳小区间资源分配；g ) 分布式 小区间资源分配等方法时的吞吐量以及公平性。其仿真结论证明，通过小区间 联合调度策略可有效降低小区间干扰( i n t e r c e l li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 和增加小 区边缘用户的吞吐量增益，且该增益值随用户数的增加而增加。 1 3 本文主要工作和结构安排 本文主要对l t e a 系统中的调度算法问题进行研究。针对l t e a 技术标 准搭建系统级仿真平台，在此基础上将l t e a 相关调度算法和基于效用函数 的o f d m 无线网络多小区优化算法进行仿真研究，得到性能仿真结果，从系 统平均吞吐量、公平性等不同角度比较分析各种算法的优缺点，从而为l t e a 系统中的多小区调度问题提供一些有益的借鉴。 各章节具体内容安排如下： 第一章主要介绍课题的研究意义和国内外现状分析。 第二章介绍本文仿真工作所使用的基于信道片段的仿真方法而设计搭建 的l t e a 系统级仿真平台。 第三章主要研究l t e a 系统下的分组调度算法。首先对各类经典的分组 调度算法进行了阐述和比较i 之后介绍了一种多小区联合调度算法，并基于搭 建的l t e a 系统级仿真平台对算法进行仿真，并与上述经典的分组调度算法 进行了比较，得出了结论。 第四章介绍了基于效用函数优化的理论框架，并对基于此理论框架提出的 相关算法进行了仿真验证，并得出结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章基于c + + 的l t e a 系统级仿真平台 2 1 仿真平台总体概述 2 1 1 仿真方法概述 通信系统的仿真主要有两大类，一类是链路级仿真，另一类是系统级仿真。 链路级仿真的基本思路是利用物理层的基本模块，采用相关算法，通过适 当的信道模型，搭建起一条点到点的无线链路，之后通过仿真运算，得到基本 的误码率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) 和比特能量与白噪声功率谱密度之比( e b n o ) 的关系。通常组成链路级仿真平台的模块有：发射端模块、信道模块、接收端 模块及功率控制同步模块等。链路级仿真的实现过程一般为，发射端模块生成 用户数据流，并对其进行编码、调制、交织及扩频等物理层操作，随后信号经 过信道模块到达接收端，信号在接收端再进行与发射端模块经历的相反操作， 之后将复原得到的信号与原始信号进行比较，最终得到系统的误码率。 系统级仿真是对系统和用户行为的回归，是对包含多个小区和用户的全系 统的系统级特性进行检验。静态仿真( s t a t i cs i m u l a t i o n s ) 和动态仿真( d y n a m i c s i m u l a t i o n s ) 是目前系统级仿真方法的两类主要方法。静态仿真通过对快照 ( s n a p s h o t ) 的研究来获得系统的性能，一定数量的快照是其必要条件：动态仿 真的目标则是要模拟一个较为真实的环境，使得用户和系统的活动在系统级仿 真中得到模拟性显现。 链路级仿真的结果是系统级仿真结果的输入。链路层接口要将系统级结果 映射到相应的物理层参数上去，通常有两种常用的方法：一种是进行链路级和 系统级联合仿真，对系统消息进行实时的操作，提供实时的误块率( b l o c ke r r o r r a t i o ，b l e r ) ，这种方式耗时长，复杂度也高；另一种是查表法，将链路级仿 真和系统级仿真分离进行，通过统计性能得到链路级和系统级的接口，并以此 作为系统级的映射接口，这种方式复杂度相对较低，因此得到广泛的应用。 表2 1 链路级仿真与系统级仿真的主要区别 仿真类型主要关注点目标 链路级仿真点到点的链路检验各种无线传输技术的性能 系统级仿真整个系统内的多条链路1 1 4 l检验系统级的特性( 如吞吐量等) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 s e s m e n t s d r o p 图2 - 1 实际环境中终端运动轨迹示意图 图2 1 为模拟实际环境中终端运动轨迹的一个例子。仿真过程将终端的运 动轨迹划分为多个信道片段( d r o p t ”】) ，仿真实现以d r o p 为基本单元。并做如 下设定： ( 1 ) 各个d r o p 之间的信道完全独立； ( 2 ) 每个d r o p 单位时间内，用户和各个基站处在一个固定的几何信干噪比 ( g e o m e t r y s i n r ) 状态下。信道大尺度参数及分布为：延迟扩展( d e l a ys p r e a d ， d s ) 、发送角度扩展( a n g l es p r e a do fd e p a r t u r e ，a s d ) 、接收角度扩展( a n g l e s p r e a do f a r r i v a l ，a s a ) 服从对数高斯分布，视距因子( k f a c t o r ) 、阴影衰落 ( s h a d o wf a d i n g ，s f ) 服从高斯分布； ( 3 ) 用户到各个基站的每条多径的相位随时间连续变化； ( 4 ) 根据各大尺度参数相关距离与移动速度粗略估计每d r o p 的仿真时间； ( 5 ) 仿真中忽略每d r o p 内由用户到基站距离改变所引起路径损耗的改变。 2 1 2 仿真原则 参考i m t a d v a n c e d 的评估准则i t u rm 2 1 3 5 ，本论文系统级仿真平台的 设计遵照以下仿真原则i n s ： ( 1 ) 在预定义的网络区域内，用户是独立均匀分布的； ( 2 ) 用户被随机分配在视距( l i n eo fs i g h t ，l o s ) 及非视距( n o n l i n e o f - s i g h t ，n l o s ，) 信道； ( 3 ) 用户的服务小区选择策略由系统设计者予以详细阐述； ( 4 ) 基站与用户存在最小距离制约； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 5 ) 每个用户到所有基站以及每个基站到所有用户的衰落信号与干扰都考 虑； ( 6 ) 在上行链路中，平均扰噪和( i n t e r f e r e n c eo v e rt h e r m a l ，i o t ) 的经验 值小于等于1 0 d b ； ( 7 ) 基于全缓冲拥塞( f u l lb u f f e rt r a f f i c ) 模型的仿真中，认为包队列的深度 是无限的； ( 8 ) 根据用户需求采取合适的t r a f f i c 模型； ( 9 ) 根据业务模型的类型采用对应的包调度算法，并且应对信道质量反馈延 迟及误差、协议数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t ，p d u ) 误差及信道估计误差进行 建模，需要时进行重复传输； ( 1 0 ) 对反馈与控制信道予以考虑； ( 1 1 ) 在仿真过程中，运行一个d r o p 后，所有的用户重新分配新位置后再重 复( 为了使用户性能与系统性能收敛，需要运行较大的d r o p 数，因此，系统 设计者应给出具体的仿真d r o p 数目) ； ( 1 2 ) 除室内( i n d o o r ) 环境外，系统所有小区的信道均采用w r a pa r o u n d 技术 的动态信道特性实现仿真。 为了简化仿真的复杂度，将仿真过程分割为链路级仿真、系统级仿真及链 路与系统接口，链路级仿真的结果是系统级仿真结果的输入，链路与系统接口 的b l e r 通过统计得到。 2 1 3 仿真工具 本系统级仿真平台的实现环境为微软w i n d o w sx p 操作系统，仿真工具为 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 和i t + + ，仿真实现的编程语言为c + + 。 2 1 4 平台组成与仿真流程 本系统级仿真平台由6 个基本模块【1 6 】组成，它们分别是小区生成与参数配 置模块、用户模型初始化模块、无线信道初始化及更新模块、调制编码方式选 择模块、用户调度模块及性能统计模块。 各个模块的功能说明如下： ( 1 ) 小区生成与参数配置模块 对仿真的环境参数进行初始化操作；小区( c e l l ) 的生成；基站位置坐标 的产生以及确定参考簇中每个小区相应的干扰小区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ，一 ( 2 ) 用户模型初始化模块 对用户进行随机布点；确定用户运动的方向及速度；计算每个用户到周围 5 7 个扇区的大尺度衰落值，并据此为每个用户选择服务扇区。 ( 3 ) 无线信道初始化及更新模块 计算每个用户到周围5 7 个扇区的小尺度衰落值；对信道特征进行初始化 或更新；依据各个用户到服务扇区的信道特性，选择合适的预编码及检测矩阵。 ( 4 ) 调制编码方式选择模块 计算每个用户在每个子载波上的信干噪比( s i g n a lt o i n t e r f e r e n c ep l u s n o i s er a t i o ，s i n r ) ；利用指数有效信噪比映射( e x p o n e n t i a le f f e c t i v es i n r m a p p i n g ，e e s m ) ，获得每个用户每个子带上的s i n r ：通过等效子带s i n r ， 查找链路级b l e r s i n r t l 71 8 】曲线，为用户每个子带分配m c s 。 ( 5 ) 用户调度模块 依据各用户在其每个子带上分配的m c s ，得到每个用户的期望吞吐量， 按照相应的调度算法对每个用户进行调度，每个子带激活一个用户。 ( 6 ) 性能统计模块 计算激活用户实际的s i n r ；统计用户的吞吐率；确定扇区平均吞吐率。 系统仿真流程图如图2 2 所示。 图2 - 2 系统仿真流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在仿真中，每一次仿真过程称为一个d r o p ，全部仿真过程一般包括了数个 d r o p 次仿真。而每个d r o p 则由数个t t i 组成，其中t t i 为采样间隔，若假设 一个t t i 的持续时间为t 秒，则每个d r o p 的仿真时间为t t i 数目t 。 2 2 小区模型 2 2 1 环境及网络拓扑结构 i t u rm 2 l3 5 中定义了5 类仿真环境，它们分别是室内( i n d o o rh o t s p o t ， i n h ) 、城市微蜂窝( u r b a nm i c r o c e l l ，u m i ) 、城市宏蜂窝( u r b a nm a c r o c e l l ， u m a ) 、农村宏蜂窝( r u r a lm a c r o c e l l ，r m a ) 、郊区宏蜂窝( s u b u r b a nm a c r o c e l l ， s m a ) 。本系统采用u m a 环境下的7 簇19 小区的w r a p a r o u n d 结构，每小区3 个扇区，每扇区最大增益方向为3 0 。、9 0 。和15 0 。( 索引号分别为0 ，1 ，2 ) 。 w r a p a r o u n d 结构如图2 3 所示，参考簇结构如图2 4 所示，扇区天线最大增 益方向索引如图2 5 所示。 图2 - 3w r a p a r o u n d 结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 2 天线方向图 图2 - 4 参考簇结构 - 。、3 r 。? 1 、l l l 一_ 。j 1 图2 - 5 扇区天线最大增益方向索引 每扇区采用的天线的方向图如图2 - 6 所示，其函数表达式为： 口 彳( 秒) = - r a i n 1 2 ( ) 2 ，厶】 ( 2 1 ) 招 其中彳( 伊) 为天线在0 ( - 1 8 0 0 口 18 0 0 ) t y 向的增益( d b ) ，岛棚为3 d b 流宽( 即 增益减小3 d b 时的角度( 3 扇区下岛曲= 7 0 0 ) ) ，4 = 2 0 d b 为最大衰减。定向天线 示例如图2 7 所示。 ， 厂- n i j i l。f l f 1 8 0 1 5 0 1 2 0 9 0 6 0 3 0 03 0 1 2 0l 知1 8 0 i i l o r l a a t a l - - d 叫i 图2 - 6 三扇区天线方向图 o o b 弛 蕾，- ，o 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 3 用户模型 1 2 图2 7 定向天线示例 2 3 1 用户分布原则及方法 o 天线主瓣 m a i l la n t e n n al o b e 每运行一个d r o p ，依次向各小区随机布置3 0 个用户，对每个用户确定其 位置坐标及其相对于各扇区的角度和距离( 正东为参考方向) 。用户随机布置 原理示意如图2 8 所示： 。 图2 8 用户随机撤播原理图 图2 9 参考簇0 的扇区焉 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 以参考簇0 的扇区而为例( 如图2 - 9 所示) ，用户随机布置的方法为： ( 1 ) 在图2 8 的长方形区域中随机播撤3 0 个用户，确定其坐标； ( 2 ) 将长方形的区域o 平行搬移到六边形的区域0 位置，并更改区域0 中用 户的位置坐标信息； ( 3 ) 将长方形的区域1 平行搬移到六边形的区域1 位置，并更改区域1 中用 户的位置坐标信息； ( 4 ) 对参考簇中的各个小区都采取以上三个步骤，即完成参考簇中用户的随 机分布。 ( 5 ) 为了方便用户干扰的统计，我们又合理假设以下方法：仅在参考簇区域 内初始化用户和进行最后的数据统计，其他簇内的所有用户的特征通过复制参 考簇内所有用户的特征而得到( 其他簇内用户的坐标信息按照其距离参考簇的 相对关系计算而得) 。 2 3 2 大尺度衰落计算 每个大尺度参数在整个参考区域内任何一点的自相关值按以下方式得到： 将整个参考区域分成以相关距离为边长的格，如图2 - 10 所示。在所有 节点处，按照此参数的分布函数产生一个随机值作为此坐标处该参数的值：格 内的值，根据该格4 个节点值按照自相关函数r ( 血) = e x p ( 一姜生) 进行叠加得到。 u 嘶 以d s 为例，对于某格内的任意一点坐标g c ，在此点的为： d = 4 啦* e x p ( 一掣) ( 2 2 ) 其中d s , 为格点处的随机d s 值，s 为格点处坐标，p 耐一傩为d s 对应的相 关距离。 图2 1 0 簇内大尺度衰落分布生成图 五， f l 品， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 整个参考区域内任意一点的n 个大尺度参数的完整值可按式( 2 - 3 ) 及式 ( 2 _ 4 ) 产生： l p s l l p s 2 l p s n g 枷= l p s l 蝴 = 厍r 鼍一 c 1 ， c 2 j e 。 c 1 2 c 2 2 g ， ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中气为各参数间的互相关矩阵，q ，为参数l s p , 与三踢的互相关系数。 2 3 3 服务扇区选择 根据大尺度衰落矩阵的计算实现为移动台选择服务扇区。 移动台服务扇区选择算法实现流程具体阐述如下： ( 1 ) 找出具有最小信道大尺度衰落值的基站i d ( 即信道大尺度衰落矢量的 下标号) ； ( 2 ) 移动台所属基站i d 的获取通过最小信道大尺度衰落值的基站i d 与数 值3 进行比较得到： 当最小信道大尺度衰落值的基站i d 小于3 ，则移动台所属基站i d 为其 地理位置所属小区i d ； 当最小信道大尺度衰落值的i d 大于等于3 ： i 、若【( 最小信道大尺度衰落值的i d 3 ) 3 】的值大于0 ，即具有最小信道 大尺度衰落值的小区在其他簇内，且移动台所属基站l d 为地理位置所属小区 i d ，并且更改现服务小区的信道大尺度衰落值； i i 、若【( 最小信道大尺度衰落值的i d 3 ) 3 】的值等于0 ，则移动台所属基 站i d 为 ( 最小信道大尺度衰落值的i d 3 ) 3 指向的小区i d 。 ( 3 ) 移动台所属服务扇区i d 为( 最小大尺度衰落i d 3 ) ； ( 4 ) 最后更新每个扇区用户数及i d 。 移动台服务扇区选择算法流程图如2 1 1 所示。 幻 h j 一 喇q q ；q 枷。白；。一 艘 一 一 一 r l 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 4 无线信道模型 图2 - 1 1 移动台服务扇区选择算法流程 2 4 1 小尺度衰落计算 小尺度衰落的计算主要包括：每径功率、时延、离开角和到达角、同一簇 中不可分离波束到达与离开的随机配对、相位初始化及信道系数矩阵生成等 ( 本模块由本项目组的另一位同学完成，故在此不详述) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 4 2 预编码矩阵计算 计算预编码矩阵的基本思路是：先对每个资源块( r e s o u r c eb l o c k ，r b ) 上的所有子载波的信道频域冲击响应取平均，得到每个子带的信道矩阵；随后 对每个子带的信道矩阵进行奇异值分解【1 92 0 】( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ， s v d ) ，对分解的信道矩阵使用码本量化，从而得到每个用户在每个子带上的 预编码矩阵： 预编码矩阵计算流程如图2 12 所示。 2 4 3 检测矩阵计算 ，、 ( 开始 对用户的小尺度 衰落进行f f t 变 换，得到每个子 载波的信道矩阵 对各个r b 的信道 矩降求平均，得 到每个予带的信 道矩阵 将码本带入子带的 信道矩阵，得到每 个了带在每个码本 下的信道等效矩阵 根据信道等效矩阵 计算判决矩阵 计算判决矩阵的行 列式值最小的序号 为码本序号 1 l 二 结束 ) l 图2 1 2 预编码矩阵计算流程 接收端的检测采用最小均方误差均衡t 2 ”22 3 】算法。假设均衡矩阵为f ，则f 的估计值为： 户= a r g 啤n 阿一x i l 2 ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 对均衡输出y = p y 进行量化判决。由正交理论可得， e ( 专一石) y 】= 0 ( 2 6 ) 假定发送符号的自相关矩阵为西曩= e 搿) ，噪声的自相关矩阵为 朋= e n n 日) ，则式( 2 6 ) 可变形为： 阵。 卮 ) 一e 砂) = 户( 日中曩h h + 中册) 一中瓤h 片= o ( 2 - 7 ) 进一步有： 户= 垂嚣h 月( 日西瓤h + 。) 卅 = ( 二：+ 日西m h ) 叫h ： ( 2 8 ) = h n h + 甜日 其中，日为由子带信道矩阵乘匕选择的预编码码本而得到的等效信道矩 2 5 调制编码方式选择模块 调制编码方式的基本思路是依据预估的信道状态信息或者接收端的反馈信 息，在适当的b l e r 限制下( 本仿真系统设定为l0 b l e r ) ，预测出所有用户 在全部可用资源下的最优传输方式和相应的吞吐率。 调制编码方式的选择一般包括三个步骤：计算子载波s i n r ，计算子带等效 s i n r 和选择调制编码方式。现分别阐述如下： 2 5 1 子载波s i n r 计算 假设用户x 第k 个子载波上的s i n r 表示为： s i n r 譬塑塑吐 1 i n t e r f e r e n c e ：+ n o i s e ( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 子载波s l n r 的计算流程如图2 13 所示。 ，、 ( 开始 ) 计舅= 用户x 每个子 载波的信道矩阵 计算用户x 在每个 子载波卜的信号功 率和干扰功率 计算噪声功率 根据式( 2 - 9 ) 计算子 载波s i n r 通过信道估计误差 修正子载波s i n r 上 二 结束 ) 1 图2 13 子载波s i n r 计算流程 2 5 2 子带等效s i n r 计算 在本仿真系统中，用户分配资源的最小单位是子带，由于一个子带通常包 含多个子载波，因此需要对不同的子载波s i n r 进行合并。合并方法通常采用 e e s m 。e e s m 的计算公式如下： s l n r e g = - p h 【专善唧( 警) 】( 2 - 1 0 ) 其中，s ! w r 矿代表映射后的信噪比，表示合并的子载波数目，是信噪 比映射因子，是大量链路级仿真结果统计的最优值。 2 5 3 调制编码方式选择 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 表2 2 调制编码方式表 调制方式调制符号数码率b s i n ra t 】o b l e r 1 l9 1 0 5- 9 1 1 151 18 1 1 1 21 157 1 1 1 01 26 3 l 8 1 3 95