（通信与信息系统专业论文）hsdpa系统中混合arq技术与分组调度算法研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前，随着第三代移动通信技术的不断发展，许多数据业务如视频、流媒体 下载等需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务， 3 g p p 对空中接口作了改进，引入了高速下行分组接入h s d p a 技术。h s d p a 技术一 方面能够满足高速增长的互联网业务、实时业务和多媒体应用对网络带宽、q o s 和可扩展性提出的更高要求，另一方面能够解决无线信道易受干扰、衰落等问题， 因此，广受运营商关注。论文重点研究了应用在h s d p a 系统中的混合a r q 技术和 分组调度算法。 论文的主要研究内容与研究成果包括以下两个方面： ( 1 ) 混合a r q 技术h a r q 的研究。在h s d p a 系统中引入h a r q 技术后，系统 性能是否有所改善，优势是否突出，这是论文的一个研究重点。在分析h a r q 重 传协议与功能实现方案的基础上，研究了h a r q 重传合并方案及h a r q 技术引入对 系统性能的影响，仿真结果表明在低信噪比环境下h a r q 技术对h s d p a 系统实现 高速数据传输起着至关重要的作用，且t y p e i i i 型h a r q 对系统性能的影响最大。 重点研究了基于星座图重构的h a r q 技术，结合h s d p a 的调制方式研究了星座图 重构过程，并把星座图重构技术与h a r q 重传合并方案相结合应用在h s d p a 系统 中，仿真结果表明这两种技术的结合在低信噪比条件下能大大提高系统的性能， 且未明显增加系统的复杂度。 ( 2 ) 分组调度算法的研究。从系统吞吐量、用户公平性等方面分析研究了 支持非实时业务的三种经典分组调度算法r r 、m a xc i 和p f 。针对p f 算法存在 重传时延过长会导致系统资源浪费的问题，提出了一种结合h a r q 的增强型正比 公平调度算法h p f 及基于该算法的分组调度模型，其中h a r q 基于星座图重构， h p f 算法通过提高重传分组的优先级降低重传时延，提高系统资源利用率；搭建 了o p n e t 网络仿真平台，用对比方法，从公平性、系统吞吐量和数据延迟等方面 对h p f 算法进行了仿真，仿真结果表明h p f 算法在降低重传时延的同时，仍能保 证系统的吞吐量和用户接入的公平性。 关键词：高速下行分组接入；混合自动请求重传；分组调度算法；星座图重构 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m a n yd a t as e r v i c e ss u c ha sv i d e o ，s t r e a m i n gm e d i ad o w n l o a dt h a t r e q u i r et h es y s t e mt op r o v i d eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e sa n ds h o r t e rd e l a y sw i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i n o r d e rt oh a v et h eb e t t e rd e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c e s ，3 g p pi n t r o d u c e dh i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e ta c c e s st e c h n o l o g yb yi m p r o v e do nt h ea i ri n t e r f a c e o nt h eo n eh a n d ， h s d p at e c h n o l o g yt om e e tt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so ft h ef a s t g r o w i n gi n t e m e t b u s i n e s s ，r e a l - t i m es e r v i c e sa n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n so nt h en e t w o r kb a n d w i d t h ， q o sa n ds c a l a b i l i t y ；o nt h eo t h e rh a n d ，h s d p ac a ns o l v et h ep r o b l e mo ft h ew i r e l e s s c h a n n e ls u s c e p t i b l et oi n t e r f e r e n c e ，f a d i n ga n do t h e r s t h e r f o r e ，m a n yo p e r a t o r sp a y a t t e n t i o nt oi t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eh y b r i da r qt e c h n i q u ea n dp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h mi nh s d p as y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g t w oa s p e c t s ： ( 1 ) r e s e a r c ho nh y b r i da r qt e c h n o l o g y t h ei n t r o d u c t i o no fh a r qt e c h n o l o g y i nh s d p a s y s t e m ，w h e t h e rt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e do rt h ea d v a n t a g ei s s i g n i f i c a n t ，w h i c hi st h ef o c u so f t h i sp a p e r f i r s t ，a n a l y s et h ea p p l i c a t i o no fh a r q r e t r a n s m i s s i o np r o t o c o la n df u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o n si nt h eh s d p a s y s t e m ，a n dt h e n f o c u so nh a r qr e t r a n s m i s s i o nc o m b i n i n gp r o p o s a la n dt h ei m p a c to ns y s t e m p e r f o r m a n c eo ft h ei n t r o d u c t i o no fh a r qt e c h n o l o g y ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h eh a r qt e c h n o l o g yp l a y sav i t a lr o l et oa c h i e v eh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o ni nt h e l o ws i g n a ln o i s er a t i oe n v i r o n m e n t ，a n dt h et y p e i i ih a r qh a st h eg r e a t e s ti m p a c to n s y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l yr e s e a r c ho n ah y b r i da r qt e c h n o l o g yb a s e do nt h e c o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e ，a n da n a l y s et h ec o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g ep r o c e s sc o m b i n ew i t h h s d p a m o d u l a t i o n ，a p p l yt h eb a s i ct y p e so fh a r qt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ha c o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g et e c h n i q u ei nh s d p a s y s t e m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e i n t r o d u c t i o no ft h i st e c h n o l o g yc a ng r e a t e l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei nl o w s n rc o n d i t i o n s ，a n dt h es y s t e mo n l yh a st oi n c r e a s eas m a l la m o u n to fc o m p l e x i t y 1 i 江苏大学硕士学位论文 。( 2 ) r e s e a r c ho np a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h r e ec l a s s i c a lp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m sr r ，m a xc ia n dp fa r ea n a l y z e da n ds t u d i e df r o mt h ep o i n to fs y s t e m t h r o u g h p u ta n du s e rf a i r n e s s ，w h i c ha r es u p p o r t e db yn o n r e a lt i m es e r v i c e si n h s d p as y s t e m a ne n h a n c e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hh y b r i d a u t o m a t i cr e q u e s tr e t r a n s m i s s i o ni s p r o p o s e dt od e a lw i t ht h ep r o b l e mo fl o n g r e t r a n s m i s s i o nd e l a y si np fa l g o r i t h m ，w h i c hh a r qi sb a s e do nt h ec o n s t e l l a t i o n r e a r r a n g e ，a n dp r e s e n t sas u i t a b l em o d e lf o rp a c k e ts c h e d u l i n gi nh s d p as y s t e m t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a ni n c r e a s et h ep r i o r i t y ，r e d u c er e t r a n s m i s s i o nd e l a yo fau e t h a t h a sh a r qr e t r a n s m i s s i o np a c k e t s ，a n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c ee f f e c t i v e l y ； t h e nb u i l dt h eo p n e tn e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r m s ，s i m u l a t eh p fa l g o r i t h mi n f a i r n e s s ，s y s t e mt h r o u g h p u ta n dd a t ad e l a yb yc o m p a r i n gm e t h o d ，s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h eh p fa l g o r i t h mc a nr e d u c er e t r a n s m i s s i o nd e l a y s ，w h i l es t i l le n s u r i n gt h e s y s t e mt h r o u g h p u ta n du s e rf a i r n e s s k e yw o r d s ：h s d p a ；h a r q ；p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m ；c o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学雠文储躲褥睹艚狮躲 伽? 年2 月妇 虱莲曩 硼年亿月“日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇粉遗 日期：砌f 7 年2 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，第三代移动通信技术蓬勃发展，可提供的数据速率越来越高，涌现 了许多新的应用，而用户也对这些高速数据服务表现出极高的热情，带动数据服 务呈现指数型的增长。为了满足这类下载或流媒体等业务需要更高传输速率和更 低时延的需求，w c d m a 对其空中接口作了改进，引入了高速下行分组接入技术 h s d p a 。h s d p a 支持高速不对称数据服务，可以在不改变已有w c d m a 网络结构的情 况下，把下行数据业务速率提高到1 4 4 m b p s 1 1 ，同时可以把当前无线频谱中的系 统数据容量提高一倍以上，是w c d m a 网络建设后期提高下行容量和数据业务速率 的一种重要技术。 h s d p a 技术一方面能够满足高速增长的互联网业务、实时业务和多媒体应用 对网络的带宽、q o s 和可扩展性提出的更高要求；另一方面能够解决无线信道易 受干扰、衰落等问题，将大大推动多媒体应用的普及。而且，h s d p a 技术能够允 许比以往更多的用户同时享受到高速数据服务。随着h s d p a 技术的成熟和发展， 其良好的应用前景和平滑的演进能力正在引起越来越多人们的热切关注。目前， 很多移动运营商都在高度关注它的商用化进展情况，在世界范围内，众多的通信 产品供应商也都开始启动了h s d p a 技术的商用化进程。 h s d p a 相比于w c d m ar 9 9 引入了高速下行共享信道h s - d s c h ，并引入了一个 新的m a c 实体m a c - h s 来控制h s d s c h ，h s d p a 把功能实体包括调度算法置于n o d e b ，并采用了自适应调制编码a m c ，混合自动请求重传h a r q 和快速调度等关键技 术，使下行传输速度大大提高，其延迟现象也因功能实体置于n o d eb 和采用很 短的传输时间间隔t t i 而大幅度降低。故对h s d p a 系统中关键技术的研究具有重 要意义，本文重点研究了应用在h s d p a 系统中的混合a r q 技术和分组调度算法。 1 2 本文主要内容 本文首先简要介绍了w c d m a 系统架构、主要技术和系统特点，对其演进版本 h s d p a 的关键技术逐一进行介绍，并分析了h s d p a 的引入对w c d m a 系统的影响。 江苏大学硕士学位论文 分析研究了h a r q 技术的重传协议、功能模块和重传机制，重点研究了h a r q 重传 合并方案，并通过仿真来验证各种合并方案的引入对系统性能的影响。接下来研 究了基于星座图重构的h a r q 技术，结合h s d p a 系统的调制方式分析研究了1 6 q a m 解调过程和星座图重构过程，将星座图重构技术与h a r q 重传合并方案结合起来 应用到h s d p a 系统中，通过仿真来验证这种结合对h s d p a 系统性能的影响。最后 研究了分组调度算法。分析研究了支持非实时业务的经典分组调度算法的优缺 点，针对p f 算法存在重传时延过长会导致系统资源浪费的问题，对其作了改进， 引入一种结合h a r q 的增强型分组调度算法，通过仿真来说明这种算法具有可行 性。 1 3 国内外研究现状 近几年来人们对h s d p a 技术的研究方兴未艾。目前，在国内外对h a r q 技术 和分组调度算法的研究有很多，下面将分别进行介绍。 从二十世纪七八十年代开始，就有一批研究人员对混合自动请求重传技术进 行了前期的研究，m j m i l l e r s u m m a r y 研究了选择重传技术在接收端有限寄存器 下的性能；d j c o s t e l l o j r 对比研究了三种h a r q 方案应用卷积码在动态信道中 的性能和a r q 方案在无线移动信道中的数据传输；e j w e l d o n 详细研究了选择重 传a r q 方案的性能；a r k s a s t r y 和p s y u 研究了h a r q 在卫星信道中的纠错控 制；y m w a n g 深入研究了t y p e - i i 型h a r q 的系统性能和卷积码及其维特比译码 在重传系统中的应用。之后的二十世纪九十年代和二十世纪初，h a r q 的研究主要 以s a m i r k a ll e l 为代表，他重点研究了t y p e i i 型h a r q 的码合并译码方法，并 且由此引发了人们对兼容删除卷积码的研究热切，在互补删除卷积码的基础上提 出了新型的t y p e - i i i 型h a r q 的定义并作出了性能研究。之后p a lf r e n g e r ，p a l o f t e n 等针对卷积码作出了多码率卷积码的研究。在此期间，将各种技术与h a r q 相结合在不同环境下的技术性能研究也不断深入。k r i s h n ar n a t a y a n a n 研究了 将t u r b o 码应用到h a r q 中的方法；d o u g l a sn r o w i t c h 研究了自适应删除t u r b o 码在h a r q 系统中的应用；a b d e l - g h a n ia d a r a i s e h 研究了在突发错误信道中的 h a r q 包合并技术；h a n s - j ii r g e nz e p e r n i c k 研究了突发错误信道中a r q 的可靠 性和吞吐量；随后h a r q 在时空编码和m i m o 信道中的性能研究，h a r q 在r a y l e i g h 2 江苏大学硕士学位论文 信道中的性能研究相继出现。随着对自适应技术研究的深入，人们的研究重点转 向跨层联合设计，q i n g v e nl i u ，d a l e iw u 研究了将物理层和数据链路层联合设 计；m o h a m a da s s a a d 和d j a m a lz e g h l a c h e 研究了跨层设计在h s d p a 中降低t c p 效应的性能，x i a o j u nl i n 研究了不完善的调度对无线网络跨层设计的拥塞控制 的影响；q i n g h ed u 和x iz h a n g 研究了移动多播无线网络的资源优化设计等等。 从目前的文献来看，对分组调度算法的研究有很多。一种研究思路是，以有 线网络中较为成熟的分组调度算法w f q ，w f 2 q 等为基础，再根据无线网络的特性 做出修补改进。在这种思路下具有代表性的算法【2 】【3 1 有c s d p s 、i w f q 、c i f q 、s b f a 、 w f s 、p w g p s ，b g f s - e b a 等，上述这些算法的基本思想是在设计分组调度算法时， 考虑无线链路容量具有依赖于位置和随时间变化的特性，为当前信道条件好的用 户分组优先提供服务，从而提高无线信道利用率。尽管上述无线调度算法都考虑 了无线链路容量的时变特性，但是他们都无一例外的将信道状态简化为有差错和 无差错的两种马尔可夫链模型，认为信道处于有差错状态时，链路容量为0 ，处 于无差错状态时，链路容量为全部信道带宽。这样的信道模型过于简单，无法充 分反映无线链路的实际情况。在实际系统中，一个流的传输速率，取决于信道质 量、传输功率和误码率要求，在功率和误码率要求恒定的情况下，对于信道质量 较好的流，可以通过降低信道编码率或扩频增益以及增加星座密度的方法来获得 较大的传输速率，对于信道质量较差的流则可以通过相逆的方法降低传输速率以 获得相同的差错性能。因此，无线链路容量就不只是在o 和峰值两者之间跳变， 而是具有多个状态，对应于不同的物理信道容量。此外，上述所有调度算法都是 针对单一服务器系统进行的研究，比如t d m a 系统，也就是说在任何一个给定时 刻，调度器只服务一个分组。然而在c d m a 系统中，调度器有可能同时为多个分 组提供服务，不同的分组由不同的扩频码来区分。因此，以上无线调度算法并不 适用于c d m a 蜂窝通信系统。 随着基于c d m a 技术的3 g 标准的制定，人们开始对c d m a 系统中的分组调度 问题展开研究。j a n t t i ，r a m a k r i s h n a 与b e d e k a r 指出在c d m a 系统中，每次调度 只服务一个用户分组，即采用时分复用的服务方式，比传统的码分复用的服务方 式可以获得更高的系统吞吐量【4 】ov a r s o u 提出了p e w 算法和h o l p r o 算法【1 】【3 】。 其中，p e d f 算法在每次调度时间间隔里，优先服务一个等待时间最接近延迟门限 江苏大学硕士学位论文 的用户分组，而后调度器检查系统是否还有剩余容量，若有剩余容量，调度器将 之分配给下一个最接近超时的用户分组，如此下去，直到剩余容量为0 ，才进入 下一调度间隔，在同一调度间隔里服务的用户分组由不同的扩频码来区分。 h o l p r o 算法则是在每次调度间隔内，调度器计算每个非空用户队列分组的归一化 时延概率值，优先服务其中归一化时延最大的分组，再采用与p e d f 算法相同的 剩余容量分配方法。这两种算法都没有考虑用户的信道条件，并且认为传输速率 可以连续变化。j a l a l i 对o u a l c o m m 公司的c d m a h d r 系纠4 】提出了基于s i n r 和 吞吐量测量的调度算法，该算法在每1 6 7 m s 的调度间隔里，选择一个当s i n r 最 大而获得吞吐量最少的用户分组服务，该算法可以一定程度地改善服务的公平 性，但却没有考虑对实时业务的支持，且对信道带宽的利用不够充分。k a z m i 5 l 和c a i 6 j 分别提出了基于轮询方式的调度算法，此外，x u 【3 j 提出了c d g p s 的调度算 法，该算法可以同时为多个用户分组服务，但它假设无线链路容量是个恒定的参 数。s e o k j o os h i n 在d s c d m a 系统中的下行链路上，这两种服务方式的吞吐量性 能，得到时分复用调度方式比码分复用的调度方式有更好的吞吐量性能。由此可 见，不同的调度方式对于不同的无线通信系统将会产生不同的影响。d a v i d 2 】发现， 对多个用户信道快衰落变化间的异步性质的充分利用可以显著地提升系统吞吐 量，因此提出了多用户分集的概念。怎样在调度算法中充分利用多用户分集所带 来的增益，从而提高系统吞吐量，是近年来无线调度算法的研究热点。针对多用 户分集增益的利用，o u a l c o m m 公司提出的基于时分复用方式的p f 调度算法具有 很好的应用前景，只是该算法不能支持实时业务。为了同时支持实时业务，又充 分考虑对系统吞吐量的优化，b e l l 实验室a n d r e w s 等人和朗讯贝尔实验室提出 m l w d f 和e x p r u l e 算法，并从理论上证明它们具有吞吐最优性质。这两种算法 都考虑了用户的信道条件的快衰落变化的影响，并且力图最大化用户分集增益， 但文献中在理论证明他们具有吞吐量最优性质时，是在假设信道变化为平稳随机 过程的前提下进行的。但在实际无线网络环境中，由于用户移动等因素引起的慢 衰落变化将使得平均信道条件发生漂移时，信道条件不再是平稳随机过程，在此 情况下，m l w d f 和e x p r u l e 算法在时延性能上将发生不同程度的恶化。并且， 算法中未考虑到离散调度时问间隔和离散速率集对带宽充分利用的影响。 1 4 本文主要结构 4 江苏大学硕士学位论文 本课题为理论研究类型的课题，重点研究了应用在h s d p a 系统中的混合a r q 技术和分组调度算法。本文的主要结构分为以下几个部分： 第一章为绪论，主要介绍了本课题的研究背景，以及h s d p a 系统中混合a r o 技术和分组调度算法在国内外的研究现状。 第二章介绍了本课题研究内容的网络背景，即w c d m a 系统及其演进h s d p a 。 分别介绍了w c d m a 的系统架构、主要技术及系统特点，然后引入它的增强版本 h s d p a ，介绍了其关键技术，最后简要分析了h s d p a 的引入对w c d m a 网络的影响。 第三章分析研究了h s d p a 系统中h a r q 技术。在分析h a r q 重传协议与功能实 现方案的基础上，研究了h a r q 重传合并方案及h a r q 技术引入对系统性能的影响， 最后重点研究了基于星座图重构的h a r q 技术，将星座图重构技术与h a r q 合并方 案结合起来应用在h s d p a 系统中，通过仿真来验证这种结合对系统性能的影响。 第四章重点分析研究了支持非实时业务的分组调度算法并提出一种新算法。 首先简要分析研究了分组调度器构架、分组数据业务的特性及分组调度的原理， 然后重点研究了基于非实时业务的几种调度算法及其优缺点。基于对p f 算法的 研究，针对其重传时延过长会导致系统资源浪费的问题，提出了一种结合h a r q 的正比公平调度算法，分析研究了该算法的性能，并提出了一种适合h s d p a 系统 的分组调度算法模型。 第五章是仿真建模与结果分析。设置了仿真场景，给出了o p n e t 仿真建模的 网络模型、节点模型以及进程模型，对支持非实时业务的几种调度算法与本文新 提出的算法做了吞吐量、公平性和传输时延等方面的仿真，根据仿真曲线对其性 能进行了比较分析，得出本文的结论。 第六章是全文总结与展望。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章h s d p a 系统概述 在3 g 网络中，为了满足下载或流媒体等业务需要更高传输速率和更低传输 时延的需求，在w c d m a 系统中引入了高速下行分组接入技术h s d p a ，h s d p a 支持 高速不对称业务，大大提高了下行数据业务速率。本章首先对w c d m a 系统作一简 要概述，然后介绍其演进h s d p a 的关键技术，最后分析了h s d p a 的引入对w c d m a 网络的影响。 2 1w c d m a 系统概述 w c d m a 遵循3 g p p 的规范，是第三代移动通信技术的主流标准，主要由欧洲 e t s i 和日本a r b i 提出。w c d m a 的技术标准正越来越趋于成熟与完善，商用网络 也已在日本和欧洲等地启动。 2 1 iw c d m a 系统架构 w c d m a 系统的网络参考模型f 刀如图2 1 所示，分为3 个部分：核心网c n ，u m t s 地面无线接入网u t r a n ，用户设备u e 。c n 、u t r a n 和u e 之间的功能模块彼此独立， 彼此之间的联系通道由标准接口来完成。下面简要介绍下这三个部分。 寺h 軎b 网缡 p s t n i s d n 工n t e l - n e t ii ( ；m s c s e r v 卜r a u c ll g g s n mscs e k v e r vlr h s s m g re i rs g s n li一 i r n c j r n c i n o d eb il n o d eb i一一一一i n o d eb il n o d eb i 呱 王三王二三三二二亘互 图2 - 1w c d m a 系统的网络参考模型 ( 1 ) 核心网 核心网络将逐渐演进为分层结构，即网络结构由下至上分为如下三层：连接 6 江苏大学硕士学位论文 层、控制层和应用层，如图2 - 2 所示。 连接层提供各种业务承载，媒体网关m g w 、服务g p r s 支持节点s g s n 、网关 g p r s 支持节点g g s n 和传输设备都在这一层。m g w 作为媒体接入网关，完成c s 域 各种业务流的接入、传输和交换功能。s g s n 和g g s n 合称为g s n ，共同承担w c d m a 的分组业务功能，主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻 辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。传输设备及其连接组成传输 骨干网，它可以是由a t m 交换机组成的a t m 网络，也可以是由i p 路由器组成的 i p 网络，当然也可以是其它网络或者几种网络的混合，例如，可以用a t m 网络传 送话音业务，而用i p 网络传送分组业务。控制层负责各种控制信息即信令的交 换，例如各种移动管理信令和话务连接信令。负责处理信令的移动交换中心服务 器和存储移动用户注册信息及寻址信息的归属位置寄存器h l r 以及健全中心a u c 等节点，就在这一层。应用层为用户提供各种上层的应用，e m a i ls e r v e r 等应用 服务器便在这一层。 应用服务器 务器 图2 2 核心网分层结构示意图 ( 2 ) 无线接入网 下面介绍u t r a n 系统的协议架构，如图2 - 3 所示。 u t r a n 无线接入网络包括一个或多个无线网络子系统r n s ，一个r n s 由r n c 和n o d eb 构成。r n c 和n o d eb 之间通过i u b 接口相连，r n c 之间可通过i u r 接 口相连。 7 江苏大学硕士学位论文 图2 - 3u t r a n 协议架构 r n c 是负责控制u t r a n 资源的网元，负责无线资源控制协议处理、用户数据 的每层协议栈的处理以及r a n a p r a s a p i u b 口的消息进程的处理。n o d eb 的主要 功能是进行空中接口物理层的处理，如c r c 校验、信道编解码、速率匹配、交织 解交织、分段、扩频去扰等，另外对于专用信道由n o d eb 来执行内环功率控制， 负责空中接口下行数据的发送和上行数据的接收等功能。对于h s d p a 系统，n o d e b 增加了快速分组调度、混合自动请求重传h a r q 和自适应编码与调制a m c 的功能， 可以提高系统分组域的容量，降低系统的时延。 ( 3 ) 用户设备 用户设备是整个系统中由用户使用的部分，用户使用u e 来通过网络获得移 动服务。u e 可以是独立的设备，也可以是与之相连的终端设备，比如便携式电脑 世 寸o 2 1 2w c d m a 主要技术 w c d m a 产业化的关键技术包括射频和基带处理技术，具体包括功率控制、切 换控制、r a k e 接收机和信道编解码等增强技术，以下对其做一简单介绍。 ( 1 ) 功率控制技术 在功率控制中我们常遇到“远近效应这一名词，它是指在上行链路中，如 果小区内所有u e 的发射功率相同，而与n o d eb 的距离各不相同，那将导致n o d e b 接收较近u e 的信号很强，而接收较远u e 的信号很弱，由于c d m a 是同频接收系 统，因此弱信号将淹没在强信号中，使得距离较远的u e 无法正常工作。功率控 制可以补偿衰落，接收功率不够时要求发射方增大发射功率。因此功率控制技术 可以克服远近效应。 8 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 切换控制技术 切换是指当移动台处于移动状态中，通讯从一个基站或信道转移到另一个基 站或信道的过程。在蜂窝结构的无线移动通信系统中，当移动台从一个小区移动 到另一个小区时，为保持移动中电话不中断通信而需要进行的信道切换称为越区 切换，根据切换方式不同，越区切换可以分为硬切换和软切换两种。切换可以分 为以下三个步骤：无线测量、网络判决、系统执行。 ( 3 ) r a k e 分集接收技术 在陆地通信系统中存在着多径干扰和衰落，在城市环境下衰落尤为严重。当 不同的多径分量其衰落相互独立时，可以采用分集接收技术以对抗多径衰落。 r a k e 接收中最关键的一步是延迟估计，它的作用是通过匹配滤波器获取不同时间 延迟位置上的信号能力分布，识别具有较大能力的多径位置，并将它们的时间量 分配到r a k e 接收机的不同接收径上。因此r a k e 接收机本质上就是通过将分离的 多条路径按照强度成比例合并，从而收集多径中能量。 ( 4 ) 信道编解码技术 信道编解码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避 免的衰落问题。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能。 除此之外，还有高速调制技术，干扰抵消技术和软件无线电等先进技术。这 些技术都为提供一个大容量，高通信质量的w c d m a 系统做出了贡献。 2 1 3w c d m a 系统特点 w c d m a 系统具有许多特有的技术，与第二代移动通信系统相比，具有以下特 点。 ( 1 ) 更大的系统容量。w c d m a 系统采用快速功率控制技术，使发射机的发射 功率总是处于满足用户q o s 的最小水平，从而减少了多址干扰；另外由于w c d m a 自身的频带较宽，抗干扰性好，上下行链路可采用相干解调，大大提高了链路容 量。 ( 2 ) 更多的业务种类。w c d m a 系统可以提供和开展的业务种类非常丰富，除 了传统的语言业务，还可以提供可视电话、流媒体、高速数据下载等业务。 ( 3 ) 更高的数据速率。r 9 9 标准可提供的最高速率为2 m b i t s ，引入h s d p a 后，最高传输速率可达1 4 4 m b i t s 。 9 江苏大学硕士学位论文 2 2h s d p a 关键技术 对高速移动分组数据业务的支持能力是3 g 系统最重要的特点之一。w c d m a r 9 9 版本可以提供3 8 4 k b p s 的数据速率，这个速率对于大部分现有的分组业务而 言基本够用。然而，对于许多流量和迟延要求较高的数据业务如视频、流媒体下 载等，需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务， 3 g p p 从这两方面对空中接口作了改进，引入了h s d p a 技术。h s d p a 不但支持高速 不对称数据业务，而且在大大增加网络容量的同时还能使运营商投入的成本最小 化。h s d p a 为u m t s 向更高数据传输速率和更大容量演进提供了一条平稳途径，就 如同在g p r s 中引入e d g e 一样。 h s d p a 是对w c d m ar 9 9 结构的增强，在r 5 中引入h s d p a 技术后，u t r a n 部分 的结构基本不变，在n o d eb 中新增了m a c - h s 功能实体，主要负责h s d p a 的快速 调度和h s - d s c h 信道的实时控制，将调度功能从r n c 转移到n o d eb 后，由n o d eb 直接控制重传，提高了重传速率，减少分组数据延迟。h s d p a 技术中，传输时间 间隔缩短到2 m s ，大大减少了信号在网络和终端之间的往返周期，并且提高了对 信道变化的跟踪能力。下面将分别介绍h s d p a 系统的关键技术。 2 2 1 自适应编码和调制 自适应编码和调制a m c 是根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式，网 络根据用户瞬时信道质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方 式，使用户达到尽量高的数据吞吐率。h s d p a 将不同的编码和调制方式组合成若 干种调制编码方案，供系统根据信道情况进行选择。靠近基站的用户，拥有高质 量的信道条件，将被分配级别较高的调制编码方案，例如1 6 q a m ，3 4 码率的t u r b o 码，这种调制编码方案的抗干扰性能和纠错能力较差，对信道质量的要求较高， 但是能够赢得较高的数据速率，提高链路的平均数据吞吐量。相反，处于小区边 界的用户，信道衰落严重或存在严重干扰和噪声，将被分配级别较低、具有较强 纠错能力、抗噪声干扰性能较好的调制编码方案，例如q p s k ，1 2 码率的t u r b o 码，以保证数据的可靠传输。同时由于不是采用调整发射功率，而是通过调整调 n 编码方式来进行信道适应，使得系统中干扰变化不再那么剧烈。链路自适应 由n o d eb 完成，它根据用户设备c q i 报告的信道质量来调节h s d s c h 数据分组 l o 江苏大学硕士学位论文 的传输格式。 2 2 2 混合自动请求重传 混合自动请求重传h a r q 是一种前向纠错f e c 和自动请求重传a r q 相结合的 技术。a r q 技术在r 9 9 中已有应用，在r 9 9 中是在r l c 层实现的，只能进行简单 的重传，不能对重传数据进行合并，所以没有合并增益，并且u t r a n 侧r l c 层是 在r n c 实现的，所以重传时延较长。而在h s d p a 中h a r q 技术是在物理层引入的， 所以可以对重传进行合并，而且由于物理层是在n o d eb 实现的，并且h s d p a 采 用2 m s 传输时间间隔，所以还可以使重传时延降低。 2 2 3 快速分组调度 调度算法控制着共享资源的分配，它是在动态复杂的无线环境下使多用户更 有效地使用无线资源，提高整个系统的吞吐量。在目前无线资源及其紧张的情况 下，调度算法可以根据事先掌握的信息，如每个传输时间间隔t t i 可用的码资源 和功率资源；u e 上报的无线信道质量反馈c q i ；以前发送的数据是否被j 下确接收 的反馈信息a c k n a c k ；将要传送数据块的优先级等在多用户中实施快速调度和无 线资源的最优使用，提高频谱的使用效率。 2 2 4 高速下行共享信道 高速下行共享信道h s d s c h 是传输信道，用于承载h s d p a 的实际用户数据。 与r e l e a s e 9 9 已有的信道相比，h s d s c h 在许多方面有其独到之处，采用固定的 扩频因子s f = 1 6 ；为了适应高速数据传输和快速信道响应变化，h s - d s c h 的t t i 为3 个时隙，即帧长为2 m s ；信道共享方式有时分复用和码分复用两种方式，最 基本的方式是时分复用，即按时间段划分给不同的用户使用，这样h s - d s c h 信道 码每次只分配给一个用户使用，另一种方式就是码分复用，即在码资源有限的情 况下，同一时刻，多个用户可以同时传输数据；h s - d s c h 支持高阶调制，即1 6 q a m ； 使用t u r b o 码编码。 2 2 5 高速下行控制信道 在h s d p a 工作过程中，高速下行控制信道h s - s c c h 承载有关h s - d s c h 发送的 信令，包括信道化码集，调制方法，传输块大小，h a r q 处理信息，冗余版本号， 江苏大学硕士学位论文 新数据指示，u e 标识。h s - s c c h 是2 m s 子帧，3 个时隙，扩频因子固定为1 2 8 ， 调制方式是o p s k 。 每个h s - s c c h 消息块的持续时间为3 时隙，分成两部分，其第一部分使用第 一个时隙，第二部分使用第二和第三时隙，第一部分承载对定时敏感的信令，这 些信令用于按时启动解调过程以避免码片级数据缓冲。其参数包括解扩采用的信 道化码和调制方法，即h s - d s c h 采