（通信与信息系统专业论文）无线中继系统资源调度算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 资源分配与调度是任何通信网络不可缺少的组成部分，因此在蜂窝中继系统中 研究资源调度算法是非常有价值的。在传统网络中引入中继，可以扩大覆盖范围， 增强系统容量，然而由于中继的引入也导致了中继网络的资源调度算法比传统网络 的资源调度更复杂，如中继的选择问题，链路的多跳特性等。在传统无线网络中资 源调度存在系统吞吐量与用户公平性之间的矛盾，在无线中继系统中也存在同样的 问题。本文针对这一问题，同时考虑用户的其他q o s 特性( 丢包率，用户吞吐量) ， 在o f d m a 蜂窝中继系统中进行资源调度算法的研究。 一、最少好信道优先的两跳比例公平调度算法。本文首先论述了单蜂窝o f d m a 中继系统模型，在此基础上基于信道状态信息对比分析了目前中继系统中三种典型 的资源调度方案：轮询调度( r r ) ，部分比例公平( p p f ) ，两跳比例公平( t h p f ) 。t h p f 调度算法在频谱效率和用户公平性之间得到一个较好的折中，然而这种折中是通过 牺牲大量的频谱效率获得的，为了提高 p f 算法的频谱效率，本文将最少好信道 优先准则用于中继系统，提出了一种改进的t h p f 算法( s t h p f ) 。s t h p f 算法通 过给好信道较少的用户优先分配子信道，保证尽可能多的用户获得最优信道，从而 提高了系统频谱效率。 二、联合信道状态信息和队列状态信息的跨层调度方案。在目前的中继系统中， 大多资源调度算法只考虑信道状态信息对系统性能的影响，然而在实际系统中仅考 虑信道状态信息是不够完善的，比如某些用户的信道条件一直较差，如果仅考虑信 道状态信息那么这些用户的数据很可能会积压，若等待的时间过长就会造成丢包。 所以在进行资源调度时还应当考虑用户的队列状态信息。本文研究了o f d m a 中继 系统中的跨层调度方案，在比例公平调度算法的基础上，加入队列状态信息对调度 优先权的影响，将文献【2 9 】的q a p f 调度准则应用于o f d m a 中继系统，在此基础 上，为了提高用户公平度，提出了一种改进的q a p f 调度准贝e j ( r q a p f ) ，该准则利 用队n f - j 限值降低了队列状态信息对调度准则的影响，保证了用户的公平性。但与 q a p f 调度准则相比，降低了系统吞吐量，为了克服这一缺点，本文提出了具有载 波配对的r q a p f 调度算法( s u b p a i r r q a p f ) 。最后文章仿真分析了四种方案的性能。 关键词：中继系统，资源调度，o f d m a ，队列状态信息 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 r a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n gi se s s e n t i a lt oa n yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ， t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h er e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m o nt h ec e l l u l a rr e l a ys y s t e m i tc a l le x p a n dc o v e r a g ea n di n c r e a s es y s t e mc a p a c i t yb yt h e i n t r o d u c t i o no fr e l a yt e c h n o l o g yi nt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k ，h o w e v e r , t h er e s o u r c e a l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nc e l l u l a rr e l a ys y s t e mi sm o r ec o m p l i c a t e d l yt h a n t h es c h e d u l i n go ft r a d i t i o n a ln e t w o r k ，s u c ha s t h er e l a ys e l e c t e dt h e m u l t i h o p c h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s m i s s i o nl i n ke t c s u c ha st h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s ，i n w i r e l e s sr e l a ys y s t e m ，i te x i s tc o n f l i c tb e t w e e nt h es 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 t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu s e r t s q o s ( p a c k e tl o s sr a t e ，t h et i g e rt h r o u g h p u t ) ，s t u d yt h er e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi n o f d m ac e l l u l a rr e l a ys y s t e m s f i r s t l y , t h el e a s tg o o dc h a n n e ln u m b e rf i r s t r u l et w oh o pp r o p o r t i o n a lf a i m e s s s c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es i n g l e c e l lo f d m ar e l a ys y s t e mm o d e l a n da n a l y s i st h et y p i c a lr e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nr e l a ys y s t e m ，s u c ha sr o u n d r o b i n ( r r ) ，p a r to ft h ep r o p o r t i o n a lf a i m e s s ( p p f ) a n dt w oh o pp r o p o r t i o n a lf a i m e s s ( t h p f ) t h p fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mc a na c h i e v et h ec o m p r o m i s eb e t w e e ns p e c t r a l e f f i c i e n c ya n du s e rf a i m e s s ，h o w e v e r , t h i sc o m p r o m i s ei sa t t h ee x p e n s eo fal a r g e n u m b e ro fs p e c t r a le f f i c i e n c y i no r d e rt oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft h et h p f a l g o r i t h m ，b a s e do nt h el e a s tg o o dc h a n n e ln u m b e rf i r s tr u l e ，i tp r o p o s e da n i m p r o v e m e n tt h p fa l g o r i t h m ( s t h p f ) s t h p fa l g o r i t h mc a ng a i nb e t t e rs p e c t r u m e f f i c i e n c yt h a nt h p fb ya l l o c a t es u bc h a n n e l st ot h eu s e rt h a th a v ef e wb e t t e rc h a n n e l s i te n s u r e st h a te a c hu s e rg e t 嬲m a n ya so p t i m u mc h a n n e l ；t h e r e b ys - t h p fa l g o r i t h m i n c r e a s e ss p e c t r a le f f i c i e n c y s e c o n d l y , t h ec r o s s - l a y e rs c h e d u l i n gs c h e m et h a tj o i n tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n d q u e u e s t a t u si n f o r m a t i o n t h er e s o u r c es c h e d u l i n gw h i c ho n l yc o n s i d e rt h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o ni sn o tp e r f e c t ，s u c ha ss o m eu s e rh a v ep o o rc h a n n e lc o n d i t i o n , i fo n l y c o n s i d e rt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n , t h e i rd a t aw i l lb eo v e r s t o c k e d ，a n di ft h ew a i t i n g t i m et o ol o n g ，i tw i l lr e s u l ti np a c k e tl o s s s o ，d u r i n gr e s o u r c es c h e d u l i n g ，w es h o u l d c o n s i d e ru s e r sq u e u es t a t u si n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , i ts t u d i e s t h ec r o s s - l a y e r s c h e d u l i n gs c h e m ei nt h eo f d m ar e l a ys y s t e m b a s e do nt h ep r o p o r t i o n a lf a i r n e s s s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，a n dc o n s i d e r i n gi m p a c to ft h eq u e u es t a t u si n f o r m a t i o n , t h eq u e u e n a w a r cp r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ( q a p f ) s c h e d u l i n gr u l e si nt h el i t e r a t u r eo f 2 9 】w a su s e , d i no f d m ar e l a ys y s t e m o nt h i sb a s i s ，i no r d e rt oi m p r o v et h eu s e rf a i r n e s s i t p r o p o s e dam o d i f i e dq a p fs c h e d u l i n gr u l e sw h i c hc a l l e dr e l a t i v e q u e u ea w a r e p r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g ( r q a p f ) t h er q a p fs c h e d u l i n gr u l er e d u c e st h e i m p a c to ft h eq u e u es t a t u si n f o r m a t i o nb yt h eq u e u et h r e s h o l d i te n s u r e st h ef a i r n e s so f t h eu s e r , h o w e v e ri tc o m p a r e sw i t hq a p f s c h e d u l i n gr u l e s ，t h er q a p fr e d u c e st h e s y s t e mt h r o u g h p u t t oo v e r c o m et h i ss h o r t c o m i n g ，i nt h i sp a p e r , i tp r o p o s e das u b c a r r i e rp a i rr q a p f s c h e d u l i n ga l g o r i t h m k e yw o r d s ：r e l a ys y s t e m ，r a d i or e s o u r c es c h e d u l i n g ，o f d m a , q u e u es t a t ei n f o r m a t i o n i 重庆邮电大学硕士论文 英文缩略语表 英文缩略语表 v i 重庆邮电大学硕士论文 绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 传输速率的有效性和可靠性是无线网络技术追求的永恒的目标【l 】。随无线通信 的不断发展人们对通信的要求也越来越高，未来的无线网络必须能够容纳更多的 用户，提供更好的服务质量支持更多样化的业务，这就给现有的通信技术和网络 结构带了巨大的挑战。首先，有限的带宽资源和高质量的业务需求存在极大的矛 盾，有限的带宽资源限制了通信系统可承载的容量；其次，由于4 g 网络的频谱分 配将在3 g 网络2 g h z 的频段以上( 即更高的频段) ，使得传输信号快速衰减，再加 上终端发射功率的有限性和无线传播环境复杂多样性决定了网络有限的覆盖范 围。 为了解决这些问题在传统蜂窝网络我们采用了干扰消除算法、智能天线等技 术使信号的接受更加的有效，这些技术虽然在一定程度上解决了问题，但也存在 着许多不足之处，如无线环境存在严重阴影时，智能天线的优势便不能很好的发 挥出来，再加上在终端使用复杂的智能天线使设备的成本提高而且难以实现【2 】。为 了使信号接收更加有效，我们还可以采用另外一种方法，即缩短b s ( b a s es t a t i o n ) 与u t ( u s e rt e r m i n a l ) 之间的通信链路，如小区布置更多的基站，采用微蜂窝或者 微微蜂窝等。但是，这样又会增加网络的铺设成本，同时增加了小区的规划难度。 由此可见在现有的网络结构上引入新的通信技术，调整传统的网络结构，提 高通信传输的有效性和可靠性是有必要的。因此，以现有的网络平台为基础，将 中继引入到传统的蜂窝网络中的通信结构便应运而生。在下一代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 ) 系统标准i e e e 8 0 2 16 j m 以及 l t e a ( l o n g t e r me v o l u t i o n a d v a n c e d ) 中已把中继作为了下一代网络的关键技术进 行了研究【3 】。中继的引入，缩短了b s 与u t 之间的通信链路，提高了信号传输的可 靠性，扩大了网络的覆盖范围，增加系统的容量：然而，在带宽、功率等资源有 限的情况下要进一步提高系统性能，对系统的资源进行有效合理的分配是非常重 要的。目前中继系统的资源调度主要存在以下几个方面的问题：首先，中继的选 择问题。中继选择是资源调度的基础，在进行资源分配与调度时，必须考虑用户 是否需要中继的传输，或需要那一中继传输。第二，链路的多跳特性。由于中继 链路的容量取决于各跳之间容量最小一跳，所以在资源分配时应当考虑各跳之间 资源的配置。第三，集中式与分布式调度。传统网络中，资源的调度与分配由基 站集中控制不存在分布式调度问题，在中继网络中若采用层3 中继，中继站就相当 重庆邮电大学硕士论文 绪论 于小基站具有资源调度分配的功能，此时会存在分布式调度问题。目前针对 o f d m a 蜂窝中继系统的资源调度研究主要包括集中式调度与分布式调度，基于信 道状态信息的调度，联合队列状态信息与队列状态信息的资源调度方案，还有许 多文章从减少反馈信息节约能量等方面进行了研究。在本文的研究中，主要考虑 基于信道状态信息的资源调度和联合信道状态信息与队列状态信息的跨层调度方 案。 1 2 研究现状 1 2 1 传统资源调度 传统蜂窝移动通信系统中，多种无线资源分组调度算法被广泛研究和应用， 如针对非实时业务轮询调度算法( r r ：r o u n dr o b i n ) ，最大载干比算法( m a xc i ： m a x i m u mc a r r i e rt oi n t e r f e r e n c e ) ，比例公平性算法【4 1 ( p f ：p r o p o r t i o n a lf a i r ) 和实时性 业务的修正最大时延优先算法嘲( m l w d f ：m o d i f i e dl a r g e s tw e i g h t e dd e l a yf i r s t ) 等。这些算法在考虑业务q o s 特性的同时充分利用了无线信道的时变性，以时分 复用的方式分配共享的无线信道资源，也充分利用了通信系统多用户分集特性。 1 轮询调度( r r ) 轮循调度算法保证小区内部所有用户按照某种特定的顺序循环占用等量的无 线资源来通信。 轮循调度算法不仅可以保证用户的长期公平性，而且可以保证用户的短期公 平性，且算法实现简单。但是轮循调度算法没有考虑到不同用户间的无线信道的 具体情况，因此系统吞吐量很低。r r 算法是最公平的，但吞吐量最低。也就是说 r r 算法是公平性的上界，吞吐量的下界。 2 最大载干比( m a x c 1 ) 最大载干比调度算法保证任意时刻总是以载干比最好的用户接受服务，正因 为这样，m a xc i 算法的吞吐量是吞吐量的极限值，无论采用任何别的调度算法， 吞吐量都不可能超过它。 但是最大载干比算法更多的照顾了离基站较近的移动台，使它得到了更多的 传输机会。这就不可避免的使离基站较远的移动台，由于载干比较低而很少得到 服务机会，甚至出现饿死的现象，从占用系统资源的角度讲，这种算法是最不公 平的，但是他可以获得最大的吞吐量。所以它是吞吐量的上界，公平性的下界。 3 比例公平( p f ) 2 重庆邮电大学硕士论文 绪论 p f 调度准则的基本原理是选择能够以高速率发送数据的用户最为优先调度的 对象，但是高速率是相对于用户自身在过去发送的某个时间段内，平均获得的速 率而言的。用户优先级计算公式为： 啦2 器 ( 1 1 ) 其准则表达式为： 矿= a r g m 。a x 器 ( 1 2 ) 其中r k ( t ) 是在t 时刻用户k 的即时数据速率，瓦( f ) 是用户k 在t 时刻前一个时 间窗口中获得的平均数据速率。 p f 调度是资源有效的，因为它分配链路给即时速率高的用户；同时它也是公 平的，因为在一定时间接收到较差服务的用户，将通过丐( f ) 的减少而提高它们的 权重。因此比例公平调度准则非常适用于非实时业务，它可以保证用户之间的公 平性，同时又能获得多用户分集的增益，可以提高多用户系统的传输效率。 4 最大时延优先权( m - l w d f ) m l w d f 资源调度准则的基本原理就是选择那些具有相对队列时延比较长， 并且信道状况在一定时间窗口内最好的用户作为被优先调度的对象。用户优先级 计算公式是： p r k ( 泸- 1 0 9 ( 心半器 ( 1 3 ) 其调度准则表达式为： k = a r g m a x 尸戤( f )( 1 4 ) 其中儿表示用户k 分组业务超出q o s 要求的时延限制的最大概率。心互是 用户在f 时刻分组时延的相对大小；珞( f ) 是在t 时刻用户k 的即时数据速率，瓦( f ) 是 用户k 在f 时刻前的一个时间窗口获得的平均数据速率。 m l w d f 调度准则不仅考虑了p f 公平调度算法中的信道时变性带来的系统 多用户分集特性和公平性，而且还考虑了分组业务的时延q o s 要求，故对于实时 性业务来说m l w d f 调度准则是在保证时延q o s 要求下吞吐量最优准则。 1 2 2 中继系统中资源分配 无线中继网络资源调度必须包含资源分配的主要内容，因此对中继系统的资 源分配的了解是研究资源调度的必要前提。中继系统的资源分配我们可以分为中 继链路的资源分配和中继网络的资源分配。中继链路的资源分配是指网络中只有 3 重庆邮电大学硕士论文 绪论 一个源节点，多个中继节点和一个目的节点。而中继网络的资源分配则考虑一个 小区内，一个基站多个中继节点多个用户的资源分配。文献 6 】以两跳链路为例分 别针对o f d m t d m a 和o f d m f d m a 两种多址方式提出子载波功率分配算法。 文献 7 】将两跳链路扩展到多跳链路来研究子载波功率的分配问题。 1 载波配对 对于中继系统，中继链路的容量由两跳链路中容量较小的一跳来决定，因此 对两跳链路载波配对是非常必要的。文献 8 】 9 】【1 0 】【1 1 】【1 2 】论述中继网络载波配对 问题。【8 论述了在a f 模式下通过子载波配对技术来提高系统的容量问题，首先 描述了单一中继系统的子载波配对方案，然后将其推广到多中继系统。 1 0 】研究了 最优子载波配对和功率分配问题，首先针对再生中继和非再生中继两种模式，提 出了中继子载波对的等效信道增益，然后利用匈牙利算法进行子载波对选择，然 后在选出的中继子载波对上利用注水法则进行功率分配，从而达到最大传输容量 的目的，文中采用动态子载波选择和动态功率分配算法。【1 2 针对信号在两跳过程 中被置于相同的子载波传输而限制系统性能问题，提出子载波配对技术，并采用 匈牙利算法得出了最优配对方案，为了降低计算复杂度，文中还给出了基于子带 的子载波配对方案。 2 载波功率联合分配 无线网络中，除了频率资源还必须包含功率，文献e 7 1 3 1 4 1 5 中描述了子 载波功率联合分配方案。 7 中研究了各态历经信道条件下o f d m 多跳中继链路采 用o f d m f d m a 接入方式的资源优化分配问题。文中对比了三种分配策略的性能， r s 策略( 参考策略) 、u p s 策略( 均匀功率分配策略) 和u r s 策略( 均匀比例分配策 略) ，其中r s 策略复杂度较高，u r s 和u p s 策略复杂度较低。【1 4 中讨论了两跳 中继模型，在a f 策略下有分集和无分集，在d f 策略下有分集和没有分集这四种 情况下的功率分配和子载波配对。并假设任一子载波对具有相等的信道增益，文 中通过经典的注水法则获得多子载波对上的最优功率分配，然后将功率在源节点 和中继节点上进行分割。文中还给出了一个结论，即在a f 和d f 策略下没有分集 时，分类子载波配对将获得更好的性能增益。 3 资源分配公平性 文献 1 6 1 7 1 8 q h 对无线中继网络资源分配的公平性进行了研究。 1 7 】中考虑 在中继节点使用公平下的多源节点、多中继节点、多目的节点的资源优化分配问 题。文中假设使用集中式的资源分配方式，并且信道状态信息已知情况下，信道 经历慢衰落且信道系数为常数时的资源分配。通过图论中的l o d 算法( 线性优化分 4 重庆邮电大学硕士论文 绪论 配算法) 来解决这一问题。文献 1 8 】中考虑了在比例公平性约束下的资源优化分配。 1 2 3 中继系统资源调度 中继系统的资源调度与传统单跳网络相比，存在许多不同之处，主要表现在 以下两个方面：一方面，由于中继的引入，将传统网络中单跳的传输链路分割成 了多跳，由于中继链路的容量由各跳中容量最小的链路决定，所以在进行资源优 化分配时，必须结合链路多跳特性对资源在链路的各跳之间进行合理的配置。另 一方面，在采用中继技术的下一带无线通信系统中，无论是在i e e e 8 0 2 1 6 j m 还是 l t e a d v a n c e d 中，均采用了o f d m a 技术。因此，无线中继网络中的资源不再是 一维结构，而是时频二维结构，这增加了资源调度的复杂性。目前针对中继系统 资源调度的研究主要有以下几个方面： 1 集中式与分布式资源调度 文献【1 9 2 0 【2 1 】 2 2 】分别研究了分布式和集中式调度方案。文献 1 9 】同时研究 了无线中继系统中分布式和集中式调度方案。在集中调度模式，b s 需要调度蜂窝 中的所有用户( 包括在r s 域的用户) ，r s 仅用来接收或者传输数据。该方式的优点 是b s 可以控n d , 区内的所有资源，在理论上可以达到最优的系统性能。但是，这 种调度方式需要在b s 和r s 之间传输大量的信令消息，增加了基站调度器的负担。 在分布式调度模式，b s 分配一部分资源给r s ，r s 可以单独调度r s 域的用户， b s 仅负责b s 域用户的调度。在分布式调度方式r s 具有完全的调度功能，因此在 某种程度上它等效为一个基站。通过r s 来代替b s 进行调度符合用户平面的时延。 并且，r s 分担了调度责任，能够减少b s 的调度器的计算复杂度。该方式的缺点 是，r s 和b s 都只能调度部分无线资源，这会带来一部分性能上的损失，该方案 并非全局最优。【2 0 研究了o f d m a 中继蜂窝网络下行机会式功率调度问题，该方 法允许在b s 和r s 处同时使用机会式调度算法，充分考虑信道状态的时变特性， 设计了一个随机优化问题来最大化中继网络的平均总速率。文献【2 1 】研究了中继辅 助认知蜂窝下行链路分布式公平资源分配，提出了基于集群的中继辅助结构，通 过布置中继站来最小化主网络中用户间的干扰，并同时考虑中继边缘用户获得公 平性。【2 2 研究了中继网络下行链路分布式调度算法，考虑了网络数据传输的碰撞 避免问题。 2 基于信道状态的调度 文献 2 3 】 2 8 】研究了中继网络中基于信道状态信息的资源调度方式。【2 3 在 o f d m 中继系统下行链路提出了一种自适应资源分配模式，基于信道状态信息( c s i ) 5 重庆邮电大学硕士论文 绪论 研究了两种q o s 导向的资源调度方案，即增强型比例公平( e p f ) 和改进的p r i ( i p r d 调度。e p f 算法主要考虑了蜂窝边缘用户的公平性，而i p r i 算法同时考虑用户的 信道容量信息和用户的位置信息，能够保证饥饿用户的数据速率传输。文献 2 4 】 研究了中继网络中贪婪轮询调度算法( e r r ) 和部分比例公平调度算法( p p f ) ，e r r 与r r ( 轮询) 调度算法相比，由于考了用户的信道状态信息，在保证用户公平性的 同时，能获得更高的系统吞吐量。p p f 算法之所以叫部分比例公平，是因为在进行 资源调度时，仅在中继链路的第二跳采用比例公平准则。文献 2 5 】研究了o f d m a 中继网络的两跳比例公平( t h p f ) 调度算法，该算法在第一跳和第二跳同时采用比 例公平准则进行资源分配，该算法与p p f 算法相比提高了公平性，降低了系统吞 吐量。文献【2 6 】【2 7 】 2 8 】主要考虑公平性导向的资源调度，【2 6 提出了一种多用户 o f d m a 中继网络的比例公平算法，该方案将资源调度问题设计成一个优化问题， 首先对用户进行中继选择，然后利用p f 算法进行用户调度。 2 7 提出了一种公平 性导向的资源调度方案，该方案考了每一用户的最小资源分配。【2 8 】研究了o f d m a 多跳中继网络三种集中式分组调度方案，s r - g p ，s r o e p f 和f i b - s p 。s r - g p 是一 种以复杂度换取公平性的算法，s r - e p f 通过改进优先级函数，采用新的饥饿机 制来保证蜂窝边缘用户的q o s ，i - i b s p 利用载波配对算法增加了系统吞吐量，同 时保证中继两跳链路容量的平衡。 3 联合信道状态信息和队列状态信息的跨层调度 文献 2 9 】- 【3 2 】研究了同时考虑信道状态信息和队列状态信息的跨层资源调度。 【2 9 】设计了一种基于协作中继的无线下行传输跨层资源调度策略。在选择目标用户 和协作用户时允许基站联合考虑物理层的信道状态信息和链路层的队列状态信息 进行综合考虑。文献 3 0 1 考虑了中继节点缓冲区的容量，在单向和双向中继网络提 出了中继选择与调度相结合的架构。在该方案中，同时考虑了物理层信道状态信 息和m a c 成队列缓存信息，并充分利用多用户分集增益，最大化系统长期吞吐量。 3 l 】提出了o f d m a 多跳固定蜂窝中继系统中的综合资源管理方案，基于队列感知 信息进行资源调度，综合考了路由选择、公平性以及蜂窝小区间的负载均衡。并 且该文中采用了一种具有自我学习能力的路由选择方案。【3 2 研究蜂窝无线中继网 络下行链路调度算法。提出了一种利用背玉, ( b a c k p r e s s u r e ) 流量控制机制来控制每 一中继的队列状态。同时考虑无线蜂窝网络中时间帧和中继的队列状态信息，设 计了一个优化问题来最大化网络吞吐量并保证系统的公平性。 4 资源重用 文献 3 3 - 3 7 】主要研究了基于资源重用的调度。【3 3 】中提出了一种基于空白填 充的集中式资源调度方案( c s - v f ) 。c s v f 算法将中继帧结构中的空闲时隙用来传 6 重庆邮电大学硕士论文 绪论 送数据给与基站直接通信的用户。【3 4 】这篇文章在衰落多跳广播信道( m b c ) 下分析 了机会式调度和频谱重用算法的性能，利用极值理论，把m b c 的平均频谱效率描 述成为用户数量和物理层信道参数的函数，基于系统级仿真，验证了系统性能。 3 5 】 研究了一种自适应资源重用方案，利用图论中的着色原理进行求解。文献 3 6 】考虑 了时隙重用的问题。 3 7 研究了自组织多跳中继网络空间重用调度方案。 5 基于反馈信息的调度 文献 3 8 】- 4 l 】研究了基于反馈信息的资源调度方案。【3 8 研究了多跳o f d m a 中继系统中基于信道质量( c q i ) 反馈的资源调度。文中讨论了i m t - a d v a n c e d 系统 的多模和多级c q i 的概念，在调度时，假设b s 调度器下行链路需要的信道状态 信息来源于l i e 的c q i 反馈信息，对于上行链路，c s i 来源于基站本身。文献 3 9 】 讨论了协同通信中基于反馈信息的多用户调度。文中基于部分反馈信息( 包括第一 跳和第二跳的瞬时信噪比) 选择移动用户，随着用户的增加，虽然可以获得多用户 分集增益，但两跳传输的平均可达速率是有一个上界的。【4 0 研究了无线中继网络 中的中继辅助机会调度算法( r a o s ) ，文中讨论了两种机会调度方案：非贪婪机会 调度和贪婪机会调度。这两种方案的实现都依赖于用户最优信道的搜寻。文章在 锐利衰落的情况下，推导出了负载反馈和频谱效率的封闭表达式。文章 4 1 】分析了 固定中继网络中的一种选择反馈调度。选择性反馈的基本思想是，设置一个阈值 来减少信道质量的反馈信息。在这种方案下，当且仅当信道的质量信息大于阈值 时，才反馈相应的信道质量信息给基站。但是选择性反馈方案的一个缺陷是，当 阈值趋近于无穷时，系统的总容量逐渐衰减到零。为了解决这一问题，文中引入 了多个固定中继，来提高系统性能。 6 节约能量的调度 在目前的研究中，节约能量的调度方式也是无线中继系统中研究的重点内容。 文献 4 2 】提出了两跳中继系统一种自适应资源分配方案。在该文中提出了基于数据 速率公平的子信道分配算法，对于中继链路用户在第一跳的第一子时隙和第二跳 的第二子时隙引入比例公平调度算法。然而，对于每一r s 的两跳链路在等功率分 配的情况下数据速率是不匹配的。因此介于两跳之间的数据速率不同，基站和中 继站的传输功率应当被自适应的调节，从而使一个中继站两跳速率获得匹配，达 到减少总传输功率的目的。这一方案与标准的调度算法相比在改善用户数据长期 公平性方面有明显的优势，并且基站和中继站的总传输功率能够有效的减小。 4 3 】 中也提出了o f d m a 中继系统中节约能量的调度方案，这种方案根据资源的利用 情况调节物理层调制编码模块来动态分配发射功率，从而达到减少系统总发射功 率的目的，在该方案中通过设置调度优先级来保证不同业务的q o s 。 7 重庆邮电大学硕士论文 绪论 7 信道状态信息不完全 在现阶段研究的大部分调度中，均假设基站或者中继站知道用户的信道状态 信息，然而在实际通信系统中，b s 往往不能完全知道用户的信道状态信息。针对 这一问题文献【4 4 【4 5 】研究了信道状态信息不完全时的调度。 4 4 】针对a f 模式下的 o f d m a 中继网络，设计了一种考虑不完全信道状态信息的跨层调度方案。利用速 率自适应，功率自适应，和载波分配策略来优化系统的频谱利用率。为了求解这 一优化模型，文中利用对偶分解方法，将原问题分解成一个主问题和若干子问题 来进行求解，并且每一中继不需要其他中继的帮助，利用本地的c s i ( 信道状态信 息) 来解决它们自己的子问题，基站通过价格变量来更新对偶变量。该方案与集 中式调度方案相比在基站的算法复杂度和c s i 反馈信息的检测都能够得到有效的 减少。 8 基于用户q o s 的调度 文献【4 6 - 【5 0 研究了基于用户q o s 保证的资源调度方案。 4 6 研究多源节点， 多中继节点，一个目的节点的资源分配与调度。文中继采用a f 半双工模式，每一 用户有独立的q o s 需求。该文试图找到最优的功率分配方式，通过中继选择和载 波分配来最大化系统的总速率。该问题被设计成为一个混合整数规划问题，并采 用两级对偶分解的形势进行求解。文献【4 7 】在用户最小速率约束下，为了最大化系 统吞吐率和保证用户的满意度，设计了一个多目标规划的调度问题。基于新的机 会函数，提出了一种改进p 砒优先权，该优先权函数同时考虑了系统容量增益， 路径损耗和用户的饥饿机制。此外，通过为未满足用户最小速率需求的用户分配 子信道提出了一种分级式贪婪调度算法。 4 8 提出了联合协作分集与比例公平的调 度算法( j c p f s ，j o i n tc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dp r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g ) 。这一算 法通过牺牲小部分的总吞吐量来换取每一条链路的吞吐量的增加。j c p f s 充分利 用了信道资源，保证了用户的q o s ，在用户数量增加时该算法能取得较好的性能。 文献【4 9 】研究了无线中继网络中基于带宽和延迟保证的多跳链路调度问题。【5 0 讨 论了最小化加权总功率以满足链路的速率要求和最大化比例公平性的逐帧调度问 题。 9 基于不同业务类型的调度 文献 5 l 】 5 2 】【5 3 研究了中继系统中基于不同业务类型的资源调度。【5 1 提出了 一种在协作中继下行蜂窝网络中能够有效支持各种业务类型的混合调度方案。该 方案通过协调共享信道资源和专用信道资源分配能有效的支持实时业务和突发数 据业务。文献 5 2 】提出了考虑多种业务的q o s 需求和用户公平性的资源调度算法。 8 重庆邮电大学硕士论文 绪论 文中基于合适的帧结构，基站根据信道质量和传输时延要求自适应的调整发送速 率。该算法能够充分利用o f d m a 多用户的信道特性。文献【5 3 】研究了在高速下行 共享信道下基于中继蜂窝网络的分组调度算法，为了提高系统的吞吐量，通过动 态的调节传输速率来响应信道质量的多变和分组的延迟。文中提出了一种集中式 资源调度方案，该方法基于用户的信道质量通过综合考虑用户的可达速率，流量 拥塞和比例公平性，基站选择合适的中继，来调度分组数据给用户。 1 0 其它调度方案 文献【5 4 研究了干扰感知的调度。文中提出了一种干扰感知的路由和链路联合 的调度方案，该方案能够高效的分配资源，是时间有效的，并且文中还提供了一 个通用的数据请求负载模型。 5 5 中提出了一种负载均衡的机会调度算法( l o b o ， l o a d b a l a n c i n go p p o r t u n i s t i c ) 。该算考虑了链路的负载均衡问题，并把中继的接入时 间间隔边界作为分组调度的一部分，与把边界选择与分组调度分开执行的算法相 比具有更好的优越性。 1 2 4 中继系统资源调度存在的关键问题 虽然在传统网络中引入中继，可以扩大覆盖范围，增强系统容量，提高蜂窝 边缘用户数据速率，然而由于中继的引入也导致了中继网络的资源调度算法比传 统网络的资源调度更复杂。目前中继系统资源调度算法主要存在以下几个方面的 问题： 1 0 0 $ 保证 q o s 保证是资源调度算法研究的重要内容。从系统角度来说好的资源调度算 法必须能够保证高的系统吞吐量与低丢包率，从用户的角度来讲资源调度算法必 须满足用户公平度与高的用户吞吐量。在中继系统目前的资源调算法中系统吞吐 量和用户公平度之间存在严重的矛盾。高系统吞吐量往往导致低用户公平度，系 统吞吐量虽高，但用户满意度却很低如最大载干比算法；还有一些算法能够很好 的保证用户公平度但系统吞吐量却很低如轮询调度。因此在系统吞吐量与用户公 平性之间找到一个好的契合点是相当重要的。在目前的文献中，针对这一问题的 研究具有代表性的有文献 2 4 】的部分比例公平调度算法，文献 2 5 】的两跳比例公平 调度算法， 2 6 q b 基于优化理论的比例公平调度等。 2 中继选择与链路多跳特性 与传统单跳网络相比，中继网络的资源调度除了考虑时频功率等资源的分配 9 重庆邮电大学硕士论文 绪论 外还必须考虑中继的选择问题即用户和中继节点如何配对。中继的选择问题是中 继网络研究的基础，目前典型的中继选择方案有基于距离路径损耗信噪比的中继 选择方案。在中继系统中用户被分为中继用户和直传用户，对中继用户进行资源 分配时，由于中继链路的容量由各跳中链路容量最小的一跳决定，因此必须考虑 各跳间资源的合理配置。 3 跨层调度 目前中继系统中资源调度的大部分文献基于物理层信道状态信息进行研究， 然而在实际通信系统中影响调度算法的因素除了物理层信道状态信息外还有用户 的队列状态信息以及业务类型等。文献 5 2 将业务分为实时和非实时业务初步研究 了中继系统中的跨层调度方案。文献 2 9 】基于机会中继系统考虑了每一用户的队列 状态信息，研究了联合队列状态信息与信道状态信息的跨层方案。在未来的研究 中跨层资源调度将是一个重点。 本文接下来针对以上几个方面研无线中继系统的资源调度算法。 1 3 本文主要内容与章节安排 本学位论文关于无线中继网络资源调度算法研究的课题来源于国家科技重大 专项新一代宽带无线移动通信网专项i m t - a d v a n c e d 新型无线网络技术研发( 项目 编号：2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 0 5 ) 国家自然科学基金协同中继系统跨层资源分配与优化调度 的理论及方法( 项目编号：6 0 9 7 2 0 7 0 ) 重庆市自然科学基金重点项目协同无线通信 理论与资源分配关键技术研究( 项目编号：c s t c 2 0 0 9 b a 2 0 9 0 ) 。 本文研究了无线中继系统中的资源调度问题，就目前而言，o f d m a 中继系统 的资源调度主要包含两个大方面一是基于物理层信道状态信息的资源调度，二是 基于物理层信道状态信息和链路层队列状态信息的跨层调度方案。中继系统的资 源调度与传统网络不同：首先，由于中继的引入将传统的单跳链路分成两跳或者 多跳，在进行资源调度时，我们必须考虑链路的多跳特性；其次，中继的选择是 资源调度的基础，在进行资源调度时，必须先考虑用户是否需要中继传输，若需 要中继传输，又必须考虑选用那一中继；本文主要研究o f d m a 蜂窝中继系统单 蜂窝情况下的集中式资源调度方案，全文章节安排如下： 全文共分为五章，第一章介绍了研究背景以及目前中继系统中资