（通信与信息系统专业论文）lte+upa系统中的分组业务调度算法研究.pdf

摘要 摘要 为了适应移动通信的高速发展，3 g p p 组织提出了3 g 的长期演进标准( l 1 m ) 。上 行分组接入( 班a ) 子系统是l t e 系统的一个重要组成部分，而上行分组调度算法的优 劣对l t eu p a 系统的性能起着关键性的作用。本文在介绍l t eu p a 系统关键技术的基 础上，着重研究了l t eu 】) a 系统的上行时频调度算法和空频调度算法。 全文的主要工作可概括为以下四个方面： 介绍l t eu p a 系统的关键技术。本文对l t eu p a 系统中的关键技术如 s c - f d m a 传输机制、h a r q 和a m c 等链路自适应技术、空问分集和虚拟m i m o 等多 天线技术、以及功率控制和小区间干扰协调等无线资源管理技术等进行了介绍和实现。 搭建l t eu p a l 系统级动态仿真平台。该平台在对l t e 系统的业务生成、无线衰 落链路、用户移动性等进行数学建模的基础上，对p h y 、m a c 和r l c 等协议进行了仿 真，是评估系统性能和研究分组调度算法的基础。 研究l t eu p a 系统的时频调度算法。本文基于效用函数建立了l t eu 1 ) a 时频 调度的统一数学模型，推导出了m a c c i 算法和p f 算法的目标效用函数，并提出了符 合l t e 系统的有效性调度算法。同时，针对非实时业务，设计了n r p f 和g m r p f 调度 算法。g m r p f 算法因考虑了最低速率要求而改善了n r p f 算法的公平性性能。针对实 时业务，则给出了m - l w d f 和e x p - r u l e 原则在l t e u p a 系统中的实现。 研究l t e u p a 系统中的空频调度算法。空频调度实质上是一个时问、频率、空 间三维资源的分配问题。本文根据“o n ea to n et i m e ”调度策略下的p f 算法思想，推导出 了p f 空频调度算法的目标效用函数，建立了p f 空频调度算法的数学模型。此外，本文 分别基于用户间的信道正交信息和贪婪思想提出了o p s - p f 算法和p f s f s 算法。p f s f s 算法具备非常接近最优算法的p f 性能，而o p s p f 算法在计算复杂度方面具备一定的 优越性。 关键词：上行分组调度，无线资源管理，高速上行分组接入，单载波频分复用，虚拟 m i m o ，正比公平性，用户公平性，吞吐量，时延，系统级仿真。 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h e3 “g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e e t ( 3 g p p ) h a sp r o p o s e d3 gl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) p r o j e c t u p l i n k p a c k e ta c c e s ss y s t e mi sam a i np a r to fl t ea n du p l i n ks c h e d u l i n gp l a y sak e yr o l ei n a c h i e v i n gt h ea i mo f l t eu p as y s t e m t h e r e f o r e ，b a s e do nt h es t u d y i n go f t h ek e yt e c h n i q u e s i nl t eu p as y s t e m , t h i sa r t i c l em a i n l yd i s c u s s e st h ef r e q u e n c yt i m ep a c k e ts c h e d u l i n ga n d s p a c ef r e q u e n c yp a c k e ts c h e d u l i n go f l t e u p a t h em a i nc o n t e n t so f t h i sa r t i c l ea r ed e p i c t e da sf o l l o w s ： s o m ek e yt e c h n i q u e si nl t eu p as y s t e ma r es t u d i e d t h i sa r t i c l em a i n l yd i s c u s s e s t h e s et e c h n i q u e ss u c ha ss c - f d m a ，h a r q ，a m c ，v i r t u a lm i m o ，p c ，i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e h a r m o n i z i n ga n ds oo n t h e y a r em a i nt e c h n o l o g i e s a f f e c t i n g t h el t eu p as y s t e m p e r f o r m a n c e t h eu p l i n ks y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hi sd e s i g n e di no p n e ts i m u l a t i o n s o f t w a r eb a s e do nt h ep r o t o c o l so f3 g p pl t e ，i si n t r o d u c e d i nt h i sp l a t f o r m , t r a f f i c g e n e r a t i o n ，c h a n n e lf a d i n ga n du em o v e m e n th a v eb e e nm o d e l e d ，a n dt h ep h y , m a c a n d r l c p r o t o c o l sh a v eb e e ns i m u l a t e d t h u s ，t h i sp l a t f o r mi st h eb a s et o o lo fe v a l u a t i n gl t e u p as y s t e mp e r f o r m a n c e t h ef r e q u e n c yt i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ei n v e s t i g a t e di n t h i sa r t i c l e t h e c o m m o nm a t h e m a t i cm o d e li sb u i l ti nt h i sa r t i c l e t h e nt h eo b j e c tf u n c t i o no fm a cc f la n d p fa r ed e d u c e df o rl t eu p as y s t e ma n dt h e i rs u b - o p t i m a la l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d a tt h e s a m et i m e ，b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e l sf o rn o n r e a lt i m es e r v i c e s ，w ep r o p o s e dt w o a l g o r i t h m s ：n r p fa n dg m r p f g m r p fa l g o r i t h mc o n s i d e r st h eq o so fn o n r e a ls e r v i c e s ， a n dt h u sa c h i e v e sab e t t e rf a i r n e s sp e r f o r m a n c e a tt h eo t h e rh a n d ，m - l w d fa n de x p - m l e a l g o r i t h ma g ei n t r o d u c e dt ol t e u p a s y s t e mf o rr e a lt i m es e r v i c e s t h i sa r t i c l ea l s om a i n l yi n v e s t i g a t e st h es p a c ef r e q u e n c ys c h e d u l i n ga l g o r i t h m si n l t eu p a h o wt oa c h i e v et h es p a c em u l t i p l e x i n ga n dm u l t i - u s e rg a i ni nf r e q u e n c yd o m a i n s i m u l t a n e o u s l yb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f p fi st h em a i ns t u d yp o i n t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f p fu n d e rt h e s c h e d u l i n gs t r a t e g i e s o f “o n ea to n et i m e ”，t h ep fm i l i t yf u n c t i o ni n s p a c e - f r e q u e n c ys c h e d u l i n gi sd e d u c e da n dt h e nt h em a t h e m a t i cm o d e li sb u i l t t h e nt w o s u b o p t i m a la l g o r i t h m sp f s f sa n do p s p fa r eg i v e nb a s e do ng r e e d yp r i n c i p l ea n dt h e o r t h o g o n a lo fc h a n n e lr e s p e c t i v e l y p f s f sa c h i e v ean e a ro p t i m a lp fp e r f o r m a n c ea n d 东南大学硕士学位论文 o p s p fh a sab e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h ec o m p l e x i t y k e yw o r d ：u p l i n kp a c k e ts c h e d u l i n g ，r r m ，u p a ，s c f d m a , v i r t u a lm i m o ，p f , u s e r f a i r n e s s ，t h r o u g h p u t ，d e l a y , s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n 一i v - 插图目录 插图目录 图1 1 无线资源管理2 图2 1s c f d m a 传输方式处理流程9 图2 2l t e 的子帧结构示意图1 0 图2 3s c f d m a 的两种子载波映射方式1 1 图2 - 4 不同子载波映射方式下的r u 组成方式一1 1 图2 5h a r q 执行过程( n = 4 ) 1 3 图2 6l t e 上行链路在a w g n 信道下b l e r s n r 曲线1 4 图2 7 不同调制编码方式下的频谱利用率。1 5 图2 8 不同调制编码方式在存在h a r q 时的频谱利用率1 6 图2 9 双天线接收分集一1 8 图2 1 0 虚拟m i m o 示意图1 8 图2 11 虚拟m i m o 基带传输过程1 9 图2 1 2 上行m i m o 基带传输过程1 9 图2 1 3 虚拟m i m o 的m m s e 接收机框图2 0 图2 。1 4m r c 接收分集和虚拟m i m o 传输容量比较2 2 图2 1 5 用户在r u 上的平均发射功率与用户与基站的距离之间的关系2 4 图2 1 6 不同7 , 取值情况下的用户平均吞吐量累计分布曲线2 4 图2 1 7 小区间干扰协调的频谱划分方案2 5 图2 1 80 号扇区在每个r u 上收到的平均干扰的累积分布曲线2 5 图3 - 1 仿真平台功能结构图2 8 图3 2l t eu p a 网络结构图。2 9 图3 3 业务发送的令牌桶机制3 0 图3 - 4f u l lb u f f e r 业务模型3 1 图3 5f t p 业务模型3 1 图3 - 6 流媒体业务模型3 2 图3 7u e 与扇区天线指向的夹角一3 3 图3 8 基站接收天线方向图3 4 图3 - 9 多径信道框图3 5 - 一 东南大学硕士学位论文 图4 1 上行调度的信令交互过程3 9 图4 - 2 l t e u p a 调度时序图。4 0 图4 3 频域多用户分集4 l 图4 - 4 小区吞吐量的累积分布函数图4 9 图4 5 用户平均吞吐量的累积分布函数图5 0 图4 6 0 号小区内各用户的平均吞吐量5 0 图4 7 小区吞吐量随着小区用户数变化趋势5 4 图4 ，8 中断率随着小区用户数变化趋势5 5 图4 - 9 公平性指数f 随着小区用户数变化趋势5 5 图4 1 0 用户平均归一化吞吐量的累积分布概率函数图5 6 图4 1 l 小区吞吐量随着用户数变化关系图6 0 图4 1 2 所有用户的平均时延随着用户数变化关系图6 0 图4 1 3 所有用户的平均丢包率随着用户数变化关系图6 l 图5 - 1 小区频谱利用效率随着用户数变化关系图一7 1 图5 - 2 系统频谱利用效率随着口因子变化关系图7 1 图5 3 平均p f 效用输出随着用户数变化关系图7 2 图5 - 4 平均p f 效用输出随着口因子变化关系图7 2 表目录 表目录 表2 1l t e 上行传输参数设置1 0 表2 2 不同调制编码方式的s n r 工作区间1 5 表3 1f t p 业务建模参数设置3 2 表3 26 4 k 流媒体业务参数3 2 表3 3 移动模型的相关参数3 3 表3 _ 4l t eu p a 仿真平台参数设置3 7 表4 13 g p p 公平性准则5 6 缩略语 3 g 4 g 3 g p p a c k a g w a i e a m c & n g 嗵 b 3 g b l e r b p s k c d m a c q i c r c e 3 g e n o d e b e u t r a e u t r a n f d m a f f t h a r q h o l h s p a h s d p a h s u p a i p i j e 缩略语 3 一g e n e r a t i o n 4 t hg e n e r a t i o n 3 一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 a c k n o w l e d g e m e n t a c c e s sg a t e w a y a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d d i t i v ew t cg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n b l o c ke r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k e v o l v e d3 mg e n e r a t i o n e v o l v e dn o d e b e v o l v e du n i v e r s a lt e l e c o m m u n i c a t i o nr a d i oa c c e s s e v o l v e du n i v e r s a lt e l e c o m m u n i c a t i o ni i ：a d i o a c c e s sn e t w o r k f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o i t n h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h e a do f l i n e h i 曲s p e e dp a c k e ta c c e s s h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r a c tp r o t o c o l l o n gt e r me v o l u t i o n 第三代移动通信 第四代移动通信 3 g 合作组织 正确接收应答 接入网关 空中接口演进 自适应调制编码 高斯白噪声 超三代移动通信 误块率 双相移相键控 码分多址 信道质量指示 循环冗余校验 第三代演进技术 演进n o d e b 演进陆地无线接入 演进陆地无线接入网 频分多址 快速傅立叶变换 混合重传 队列首部 高速分组接入 高速下行分组接入 高速上行分组接入 网际互联协议 长期演进 东南大学硕士学位论文 m l w d f m a l c m c s m i m o m r c n r p f 0 f d m 0 f d m a p d u q o s q p s k r l c r n c r r m r s n r t t r u s c m m a s d m a s d u t c p t p c t s n t t i u m t s u p a p w i m a x 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 m e d i aa c c e s sc o n t r o l m o d u l a t i o na n dc o r i gs c h e m e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e0 u t p u t m a x i m u mr a t i o c o m b i n m g n o nr e a l t i m ep r o p o r t i o n a lf a i r 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 r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s p r o t o c o ld a t au n i t q u a l i t yo fs e r v i c e q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r e t r a n s m i ts e q u e n c en u m b e r r o u n dt r i pt i m e r e s o u r c eu n i t s i n g l ec a r r i e rf d m a s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s o u r c ed a t au i l i t t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t r a n s m i tp o w e rc o n t r o l t r a n s m i s s i o ns e q u e n c en u m b e r t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l u n i v e r s a lm o b i l et e r r e s t r i a ls y s t e m u p l i n kp a c k e ta c c e s s v o i c eo v e ri p 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 - x l v 一 修正最大时延优先 媒体接入控制 调制编码方式 多输入多输出 最大比合并 非实时正比公平性 正交频分复用 正交频分多址 协议数据单元 服务质量 四相移相键控 无线链路控制 无线网络控制器 无线资源管理 重传序号 往返时间 资源块 单载波频分多址 空分多址 业务数据单元 传输控制协议 发送功率控制 传输序号 传输时间间隔 通用移动通信系统 上行分组接入 i p 语音 微波存取全球互通 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明 并表示了谢意。 签名盈盐e t 期2 监：垒 关于学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 褂日期监 第1 章绪论 第1 章绪论 为了适应移动通信的高速发展，3 g p p 组织提出了3 g 移动通信系统的长期演进标 准( l i e ) 。l t e 对实时业务、高可靠性业务和广播及多播业务均能提供较好的支持， 是一个低时延、全分组和高数据率的移动通信系统。l t e 上行分组接入( u p a ) 子系 统是l i e 的一个重要组成部分。上行分组调度是无线资源管理的一个重要层面，对提 高u p a 系统的服务质量和保证资源分配的公平性起到了至关重要的作用。因此，上行 分组调度是l t eu p a 的研究热点之一。 本章首先简单介绍了无线通信中的分组调度和l i e 标准，接着对上行分组调度算 法的研究现状进行了归纳，最后对全文的安排进行了交待。 1 1 论文研究背景 本节简单介绍无线通信中的分组调度和l t e 标准的基本概念。 1 1 1 无线通信中的分组调度 无线资源管理不论从哪个角度来看，以移动通信为代表的无线通信系统均是资源受 限的系统。无线资源管理是指对系统的空中接i ：1 资源进行规划和调度，其目的是基于有 限的无线资源，在保证一定的系统覆盖以及用户q o s 要求的情况下，尽可能为更多的用 户提供服务，同时增加系统容量或功率效率。 无线资源管理包括呼叫接入控制( c a c ) 、功率控制( p c ) 、切换控制( h c ) 和分 组调度( p s ) 等。一般来说，它们都是基于干扰的无线资源管理策略。其中p c 通过将 用户的无线链路接收质量维持在一定的水平，以能改善系统小区边缘用户吞吐量性能； 软h c 实现穿越小区边界用户的移动性管理；c a c 基于小区的负载情况允许或拒绝用户 的接入请求。 无线资源管理的各个模块之间的关系如图1 - 1 所示。用户的建立连接请求或切换请 求触发系统的准入控制；然后，准入控制将允许接入的移动台加入调度用户列表；接下 来，调度器根据调度用户列表中各用户的数据缓冲队列情况和各用户的链路质量，给各 用户分配无线信道资源。功率控制模块在每个功率控制周期开始时刻定期触发，调整各 用户的发射功率，使各用户的链路质量维持在一定的水平。 东南大学硕士学位论文 调度用户及其数据缓冲队列 l 一 首v - v - v - - - 占 z 首匝匝 ! 一_ 首匝i 曰 无线信道 信道容量 c = ：，r 请求小区切换， 请求建立连接 小区切换更新激活集，加入调度用户，功率调整 图1 - 1 无线资源管理 p s 算法是应分组交换网的需要而逐步发展起来的一个研究领域。p s 算法也称队列 调度算法，它运行在网络节点中需排队等待调度之处，按照一定的服务规则对交换节点 的不同输入业务流分别进行调度和服务，使所有的输入业务流能按预定的方式共享交换 节点的输出链路带宽。p s 是无线资源管理的核心。随着无线分组业务需求的增长，传 统的静态资源预分配必然会被自适应动态资源分配策略所取代，而移动通信网络中的动 态资源分配正是分组调度算法的本质所在。 一般来说，按照每次调度的用户数划分存在两种不同的调度策略：“o n ea to n et i m e ” 和 m u l t i p l ea to n et i m e ”。“o n ea to n et i m e ”是指在某调度时刻所有无线信道资源全部都分 配给一个用户，在下一调度时刻其它用户再获取无线信道资源。因此，调度解决的是确 定用户调度次序的问题。这实际上是一个一维资源分配问题，它多见于传统的c d m a 下行链路和时分系统。“m u l t i p l ea to n et i m e ”是指在一个调度时刻，多个用户共同使用所 有无线信道资源，此时调度要解决的是一个多维资源分配问题。在可以获取多用户分集 增益的系统( 如可获取频域多用户分集增益的l t eu p a ) 中，多采用这种调度策略。 p s 的基本目标是在多业务q o s 差别化和用户公平性得以体现的同时使得系统吞吐 量达到最大。因此分组调度的本质是一个多目标优化问题，优化的结果使得这三方面的 系统性能获得最有效的平衡。重点优化其中一个目标必然要求其它的性能指标做出牺 牲。业务q o s 差别化的满足依赖于调度器对q o s 量化指标的控制；用户公平性的满足 依赖于调度器对不同信道环境下用户的资源补偿；最大吞吐量的满足依赖于调度器与不 同多址方式下链路自适应技术和干扰协调技术的紧密结合。 2 第1 章绪论 1 1 2l t e 标准 移动通信的高速发展以及移动网络和互联网的加速融合，使得移动网络宽带化的需 求日益迫切。3 g p p 组织为了应对宽带接入技术( 如w i m a x 等) 的挑战，同时摆脱高 通公司在c d m a 专利上的控制，于2 0 0 4 年底启动了3 g 长期演进( l t e ) 项目的标准 化工作，其目标是构建个低时延、全分组和高数据率的移动通信系统 1 3 】。 l t e 系统核心网采用两层扁平网络架构，同时由w c d m a h s p a 阶段的n o d e b 、 r n c 、s g s n 、g g s n 四个主要网元，演进为增强型n o d e b ( 心m ) 和接入网关( a g w ) 两个主要网元，这类似于典型的m 宽带网络结构。采用这种结构将对3 g p p 系统的体系 架构产生深远的影响。e n o d c b 是在n o d e b 原有功能基础上，增加了r n c 的物理层、 m a c 层、r r c 、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和i n t e r - c e l lr r m 等功能。a g w 可以看作是一个边界节点，是核心网的一部分。核心网同时采用全d 分布式结构，支 持i m s 、v o i p 、s i p 和m o b i l ei p 等先进技术。 l t e 系统改进并增强了u m t s 的空中接口技术，采用o f d m 和m 1 m o 技术作为其 演进的惟一标准。l t eu p a 系统，作为l t e 的一个重要组成部分，其主要性能要求包 括：利用2 0m h z 频谱带宽提供5 0m b p s 的峰值速率，即频谱效率到达h s u p a 的2 3 倍；提高小区边缘的吞吐量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5m s ，控 制面延迟小于1 0 0 m s ；优化低速移动台的接入性能，同时支持高速移动台的接入；支持 成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5 m h z 到2 0 m h z 多种带宽。 l t eu p a 系统采用s c f d m a 传输方案，避免了o f d m 系统的p a p r 问题。考虑 到在移动终端配对多根天线的困难，l t eu p a 将采用虚拟m i m o ( v i r t u a lm i m o ) 的技 术【4 5 】。虚拟m i m o 技术可动态地将两个上行单天线发送的移动台配成一对，让他们 的发射天线和基站的两根接受天线组成一个2 2 的m i m om a c 信道，实现虚拟方式的 2x2 m i m o 传输，以获取空分复用增益。 1 2l t eu p a 分组调度的研究现状 l t eu p a 系统采用了s c f d m a 和m i m o 等全新的无线接口技术。这些技术导致 无线资源划分多维化，因此无线资源管理方面的算法设计也随之更加灵活。下面分别从 多载波系统和多天线系统的角度对l t eu p a 系统资源分配的研究现状进行了归纳。 1 2 1 多载波系统的资源分配 在o f d m a 和s c - f d m a 多载波系统中，无线资源分配主要涉及子载波映射和分配、 一3 - 东南大学硕士学位论文 分组调度、功率分配等方面。一般来说，对该问题的研究分为三个层次：p h y 层对子载 波和比特加载的研究，p h y 层和m a c 的跨层优化研究以及m a c 层的资源分配研究。 在s c f d m a 子载波及功率联合分配方面， 6 7 】重点考虑了上行s c o f d m a 系统用 户总发射功率有限，因此每个子载波上发射功率与分配子载波数量成反比，需要综合考 虑用户分配带宽与吞吐量的关系这一问题，并且结合s c f d m a 频域多用户分集，提出 了一种利用边际效用函数进行子载波调度，功率在子载波之间平均分配的策略。【8 针对 时频二维s c f d m a 资源调度中各用户每个时隙分配子载波数量不均这一问题，提出了 一种根据用户占用子载波数量和位置，灵活安排导频的方案，可以进一步提高系统性能。 9 贝j j 在给定系统发射功率限制条件下，通过调度子载波和发射功率，实现系统吞吐量和 其他效用函数的最大化，并同时给出了几种复杂度较低的次最优算法。这些方法主要集 中于给定发射功率约束，最大化系统效用函数：或者给定系统调度需求，最大化发射功 率效率。他们基本是基于p h y 层的层面对无线资源管理算法进行研究。 考虑到多用户分集，采用链路自适应技术，自适应地调整物理链路的发射参数( 如 发射功率、调整编码方式、数据带宽、导频分配等) ，可以将s c f d m a o f d m a 多载 波无线资源管理问题转换为p h y 层和m a c 层的跨层优化问题。 1 0 1 4 在跨层优化问题 上取得了一些很好的成果，通过将子载波分配、用户调度、功率分配融为一体，在考虑 q o s 的情况下，实现了系统功率效率或者其他性能的最大化。 从m a c 层角度考虑多载波系统的资源分配，是一种具备现实意义的策略。在l t e 系统中，为了简化资源分配问题，一般将整个频带被划分为若干个子载波，并将这些若 干频率连续或离散的子载波组成个子载波组( 也称为资源单位r u ) ，对每个r u 可以 进行独立的调制和解调，其灵活性使得系统可以根据用户的信道状态信息进行最佳的资 源分配 1 5 1 7 。对上行链路系统来说，s c f d m a 传输机制使得可以通过调度获取频域 多用户分集增益，提升系统容量【6 】。 在m a c 层进行资源分配时，如果将功率作为一种资源，则将资源调度和功率分配 联合优化一般来说可以获取更好的系统增益。然而对于o f d m a 系统来说，文献【6 】中的 仿真结果表明：注水原则与等功率分配方法相比，传输容量的提高并不明显。因此，在 o f d m a 或s c - f d m a 系统中平均分配每个子载波的发射功率并使用统一的调制编码方 式是最简单有效的方案。为简化系统调度算法研究，可将功率和无线信道资源的联合分 配转换成功率控制和用户资源调度两个独立的步骤进行研究。这种策略在实际系统中得 到了运用。 - 4 - 第1 章绪论 为澄清以上概念，本文做如下约定：从m a c 层研究资源分配问题，特指功率和无 线信道资源的联合分配问题；本文研究的调度问题，特指从m a c 层研究的无线信道资 源分配问题，并不包含功率分配问题。功率分配问题转化成功率控制问题，以提供更好 的用户公平性和系统小区覆盖性能。 在调度算法设计方面，前人进行了大量的研究，提出了一些非常有价值的调度策略。 【i s 提出了最大一最小公平性准则，目的是在不浪费系统资源的前提下，将可分配的资 源分配给资源较少的用户。 1 9 2 0 提出了正比公平性准则，在考虑信道条件的同时兼顾 了公平性因素。在保证实时业务的q o s 方面， 2 1 2 3 分别提出了l w d f ，m - l w d f ， e x p r u l e 等原则。这些调度算法起初要么是针对t d m 系统要么是针对c d m a 的下行系 统提出，均属于“o n ea to n gt i m e ”调度策略。 2 4 2 5 将p f 准则扩展到o f d m a 系统，每 个调度周期同时给多个移动台进行调度，以获得频率选择性增益。但是并没有考虑 s c f d m a 系统集中式资源分配方式的限制。因此，对l t eu p a 系统来说，经典调度算 法的重新设计是一个全新的工作。 1 2 2 多天线系统的资源分配 多用户m i m o ( m u m i m o ) 技术是指基站选择信道正交性较好的用户进行空分多 址接入( s d m a ) ，以获取多天线配置下的空分复用增益。此时在基站的多根天线和 s d m a 的多个用户的发射天线组成一个m i m o 多址接入( m a c ) 信道的基础上，基站 使用m m s e ( 最小均方误差) 或z f ( 迫零) 接收机等对s d m a 用户的信号进行检测 【2 6 2 7 。s d m a 的几个用户的系统总体性能( 如总的吞吐量等) 不仅和各自信号的信道 增益有关，还和这几个用户之间的空间相关性有关。空间相关性较低的用户之间的同信 道干扰较低，因此狱得的空分复用增益较高 2 8 2 9 。虚拟m i m o 是一种广义的上行多 用户m i m o 技术。3 g p p 组织决定将虚拟m i m o 技术作为u p a 系统的必选技术，主要 是解决在用户终端上配对单天线时如何利用m i m o 技术的问题。当l t eu p ：a 系统中引 入了虚拟m i m o 技术以后，系统在进行载波资源分配之外，还需要考虑用户的配对问 题，因此无线资源分配问题更加复杂 4 - 5 】。 在虚拟m i m o 系统中，通过获取空域多用户分集以最大化系统吞吐量或者其它性 能指标是空频调度的关键所在。而空域多用户分集增益的最大化以选择合适的用户进行 配对为基础。 5 】给出了一种低复杂度的调度思路：先根据与虚拟m i m o 信道容量无关 的调度准则，给一个用户分配时频资源；再寻求与该用户的配对用户，通过让他们共享 时频资源从而最大化这两个用户的虚拟m i m 0 容量。该文献同时还给出了配对准则： 正交配对和行列式配对。然而这种方案设计在调度中不便于提供q o s 保证且并不能较好 5 东南大学硕士学位论文 地发掘空分复用的增益。 另一种与之对应的解决方向是调度和配对同时进行。这种策略在一些关于 m i m o o f d m 资源分配的文献中得到了体现。 3 0 付旨出当配对用户信道矩阵的最小奇异 值最大时有配对信道容量最大。这可以作为配对算法信道容量计算方式的参考。【3 1 基 于效用函数研究了m i m o o f d m 系统空时调度的最大化系统吞吐量和正比公平性准则， 并给出了它们的有效性次最优算法。3 2 迸一步地分析了在信道信息反馈不完全时的 m i m oo f d m 系统的空时调度算法性能。 3 3 j 丕给出了上行m i m o 系统的容量域和稳定 性分析。 3 4 给出了考虑用户队列长度和配对信道容量的调度算法。同时，当用户终端 的天线数大于1 时，上行多用户m 1 m o 系统还可以运用一些增强技术，如b e a m f o r m i n g 和p r e c o d e r 等。【3 5 - 3 6 对采用b e a m f o r m i n g 技术的上行m i m o 空时调度问题进行了分 析和研究。 在l t eu p a 系统中需要对空频率资源进行调度以同时获取频率多用户分集增益和 s m 增益。对于在l t eu p a 资源分配方式的限制下进行空频调度算法设计，相关的研究 很少。这还是一个全新的领域。 1 3 本文的主要工作和安排 3 g p pl t e 的目标是构建一个低时延、全分组和高数据率的移动通信系统。上行分 组调度算法的优劣对l t e 系统实现其技术指标起着关键性的作用，因此成为l t e 标准 化工作的重要研究内容。本文在介绍l t e u p a 系统关键技术的基础上，着重研究了l t e u p a 系统的上行时频调度算法和空频调度算法。本文其它章节的安排如下： 第2 章介绍了l t eu p a 系统的关键技术。本章对l t eu p a 系统中的关键技术如 s c - f d m a 传输机制、h a r q 、a m c 、空间分集、虚拟m i m o 、功率控制、小区间干扰 协调等进行了仿真实现。 第3 章介绍l t eu p a 系统级动态仿真平台。平台在对l 1 限系统的业务生成、无线 衰落链路、用户移动性等进行数学建模的基础上，对p h y 、m a c 和r l c 等协议进行了 仿真，是评估系统性能和研究分