（通信与信息系统专业论文）tdscdma+hsdpa分组调度研究.pdf

摘要摘要h s d p a ( h i 曲s p e e dd o w n l i i l l 【p a c k a g ea c c e s s ) 是目前第三代移动通信技术的研究热点，与w c d m a 相比，由于1 d s c d m a 系统采用智能天线、联合检测以及动态资源分配等先进的关键技术，改善了信道条件和接收信号的能力，使得h s d p a 的技术特点得到更大的发挥。而快速分组调度算法作为h s d p a 的一项关键技术，决定了系统分组数据传输的性能而且影响着整个系统的容量和效率。本文针对t d s c d m a 系统h s d p a 的快速分组调度算法进行了深入地研究和开发，在对3 g 分组数据业务q o s 要求简介的基础上，重点介绍和分析了各种经典快速调度算法及其性能表现，进而总结了h s d p a 快速调度算法设计的模型，提出了综合的调度算法，并进行仿真，然后进行结果分析，从而有力的证明了这种算法的有效性。关键词：无线资源管理分组调度t d s c d m ah s d p i aq o sa b s t ra c ta bs t r a c th s d p a ( h i 曲s p e e dd o w n l i l l l 【p a c k a g ea c c e s s ) i sar e s e a r c hh o t s p o to fm e3 r dm o b i l et b l e c o m m 疵c a t i o nt e c h n o l o g y a i i i l e dw i ms m a na n t e n n 如j o i n td e t e c t i o na n dd ) ，i l 锄i cr e s o u r c ea l l o c a t i 0 i l 1 d s c d m as y s t e mm a k e sm eh s d p ab e t t e r 印p l i c a t i o l l a sak e yr o l eo fh s d p at e c h n o l o 烈廿l e 风tp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o 咖1 1 1 1d e c i d e st l l ep a c k e t 们n s m i s s i o np e r f o 册狮c eo fs y s t 锄a n da 脏c t sc a p a c 时柚de 伍c i e n c y 1 1 1 et h e s i sm a l ( e sad e 印咖d yf o rt h e 风tp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o m 吼o fh s d p ai nt d - s c d m as y s t 锄a r e rm ei n t r o d u c t i o no f3 gp a c k e td a t a 仃a m c 锄du 1 e 肌a l y s i so ft h ec l a s s i c 矗臣s tp a c k e ts c h e d u l i n ga 1 9 0 r i t h m ，m ea u m o rs 眦吼a r i z e st h ed e s i g nm o d u l ef o rh s d p ap a c k e ts c h e d u l i n ga 1 9 0 r i t l l l i l 觚dp u t sf 1 0 n a r dan e 、) l ，c o m p o s i t i v es c h e d u l i i l ga l g o r i m m w i mm e 孤a l y s e so ft h e 锄u l a t i o nr e s u l t s 觚dm ec o m p a r i s o nw i t hc l 嬲s i ca l g o r i t i l i i l s ，i tp r 0 v e sl l l ev a l i d i 锣o ft h en e wa l g o r i t h m k e yw b r d s ：r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tp a c k e ts c h e d u i i n gt d s c d m ah s d p a第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景随着互联网和信息技术的不断发展，以及人们对信息服务及时性要求的日益提高，对开发高性能无线互联网技术和产品也提出了更加迫切的需求。目前，第三代移动通信系统( 3 g ) 正日益引起各行业人们的广泛关注，它不但能够实现第一、第二代移动通信系统的话音业务和低速率数据业务，并能够极大地满足了广大用户对多媒体、高速率移动通信业务的需求。在3 g 技术标准中，以欧洲主导的w c d m a 、美国主导的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 成为了三大主流技术。三大标准都可以充分满足了m i t - 2 0 0 0 关于第三代移动通信的要求。然而，随着互联网、信息社会的发展，对于实时下载、流媒体类业务，以及复杂的网络和多媒体业务等应用需求在近几年有很大扩展，这对第三代移动通信系统提出了更高的需求，要求系统能够提供更高传输速率和更少迟延的数据传输能力。为了满足此要求，通过对空中接口的改进，3 g p p 和3 g p p 2 组织分别引入了分组数据接入增强技术。3 g 】叩组织根据3 g 系统上、下行的特点，分别制定了针对上、下行的分组接入增强技术。其中，3 g p p 在r e l e a s e5版本中已经将下行增强技术写入规范，并被正式命名为高速下行分组接入( h s d p a ) 。采用分组接入增强技术可以显著地提高数据的传输速率。对于h s d p a ，理论上w c m d a 的下行峰值速率可达1 4 4 m b p s ，t d s c d m a 的峰值速率可达2 8m b p s 。虽然，t d 系统下，h s d p a 的峰值速率没有w c d m a 高，但是考虑到采用t d s c d m a 标准的分组数据传输具有上下行资源可非对称性分配、频谱利用率高的特点，用于分组数据传输具有天然的优势，加之t d s c d m a 采用智能天线、联合检测i 以及动态资源分配等先进的关键技术，改善了信道条件和接收信号的能力，使得分组增强技术的特点得到了更大的发挥。1 2t d s c d m a 系统h s d p a 分组调度算法发展及研究现状h s d p a 主要是通过快速地自适应调度所发送的数据量以适应用户信道变化，从而提高用户的平均下行数据传输速率。分组调度( p a c k e ts c h e d u l i n g ，p s ) 算法是无线资源管理的一个重要组成部分，从协议框架上来看它位于l 2 、l 3 层。2t d s c d m ah s d p a 分组调度研究相比于r 9 9 ，h s d p a 把分组调度功能从r n c 移植到了n o d eb 的m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层，大幅度减少了延迟，更好地适应信道的快速变化，更大可能地匹配不同无线信道条件下的数据速率。传输层上，在n 0 d eb 中引入m a c 实体m a c _ h s 来控制h s _ d s c h 。调度算法控制着共享资源的分配，快速分组调度能根据终端的c q i ( c h a n n e lq u a l 时i ca c o r ) 报告决定下一个发送时间间隔应该调度给哪个用户，并向具有瞬间最好信道条件的用户发送数据，使得每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和系统吞吐量，在很大程度上决定了系统的性能。同时，5 m s 的短时间间隔又增加了调度进程的精确度。调度算法主要基于信道条件，同时还应考虑等待发送的数据量以及业务的优先等级等情况，并充分发挥a m c 和h a r q 的能力。在调度算法的研究中，需要考虑的两个重要因素是：吞吐量和公平性。吞吐量包括小区吞吐量和用户吞吐量，公平性可认为是各用户或不同分组业务占用信道资源的统计结果。分组调度算法要解决的基本问题是当多个分组业务流等待接受服务时，必须确定合理的服务规则，安排流的服务顺序和服务时间，以满足各个业务流的q o s 要求。目前t d s c d m a 系统中普遍采用的调度算法主要有三种类型，即循环调度算法( r 0 u n dr 0 b i n ) 、最大载干比( c i ) 算法和正比公平( p r o p o r t i o n a l f a i rs c h e d u l e r ，p f ) 算法。这三种算法虽然各有优缺点，但是共同的问题都是没有充分考虑到影响h s d p a 调度优先级的各种复杂因素，也没有考虑不同业务的q o s保证，因此对新的h s d p a 快速分组调度算法研究和开发对提高t d s c d m a 系统h s d p a 的小区吞吐量和用户的感受度就着重要的意义。1 3 论文的主要内容本文所要研究的主要内容概括如下：( 1 )充分研究3 g 分组数据业务的q o s 要求以及t d s c d m ah s d p a 的技术特点。( 2 ) 深入研究分析经典h s d p a 快速分组调度算法的原理、性能以及优缺点。( 3 ) 提出新的综合型的调度算法并进行仿真，根据仿真结果进行分析，从而证明了新算法的优越性。基于上述内容，本文的章节安排如下：第一章简要介绍论文题目的研究背景第二章介绍了第三代无线通信系统分组交换业务的q o s 以及各类业务的调度原则。第三章概要介绍了t d s c d m a 系统h s d p a 的协议框架和几个关键技术。第一章绪论3第四章主要说明了目前t d s c d m a 系统h s d p a 分组调度的策略与算法。介绍了h s d p a 分组调度算法的输入参数，算法性能评估原则，最后深入分析了现有的几种经典的调度算法的性能。第五章针对前面章节的介绍与分析结果，针对影响h s d p a 分组调度优先级的模型进行了总结性分析，提出了综合型的调度算法，并进行了仿真和结果分析，给出结论。最后对整篇论文进行总结。4t d s c d m ah s d p a 分组调度研究第二章3 g 分组数据业务q o s在移动通信市场中，运营商和设备制造商需要不断提供新的业务以保持盈利的增长，而消费者也期望着新的业务的出现，在商业、娱乐、信息等各方面发挥他们的作用以提高效率。三代系统不仅要提供传统的电路交换业务，而且还要为个人通信提供有着高质量画面和声音的多媒体业务。在支持这些多媒体业务以及其他业务的时候，三代系统也需要支持灵活的通信能力，即允许用户和系统来协商最适合传递这个业务的承载特性。那么该如何将这些不同的要求进行分类呢?在介绍分类之前，有必要先介绍一下q o s 的概念。q o s 是指用户要求网络系统所必须保证的关于信息传输的质和量的，特征集，它反映服务提供者( 网络系统) 和服务使用者( 用户) 之间的能力和需求关系，用来描述网络的性能。将业务进行分类有很多种方法，比如可以根据业务的方向( 单向还是双向) ，业务的对称性( 对称或者非对称) 等等。3 g p p 根据不同业务的不同q o s 要求提出了一种分类准则，将业务分为了以下四种类型【1 0 】：1 c o n v e r s a t i o n a lc l a s s2 s t r e 锄i n gc l a s s3 h l t e r a c t i v ec l a s s4 b a c k g r o l l i l dc 1 嬲s这四种业务类型的最重要的区别在于他们各自对时延的敏感性。其中，c o n v c r s a t i o n a lc l a s s 即会话类业务对时延最为敏感，要求也最高，也就是通常所说的实时类业务，b a c k 伊o l l l l dc l a s s 即后台类业务是最不敏感的。由于本篇文章重点讨论的是h s d p a 的相关技术，而h s d p a 技术主要用于流类( s 仃e 锄i n gc l a s s ) 、交互类( h l t e r a c t i v ec l a s s ) 和背景类( b a c k g r o u n dc l a s s ) 业务的传输【2 6 1 ，所以下面重点介绍一下这三类业务的q o s 特点【2 7 】。2 1 流类( s 仃e 椰i n gc l a s s ) 业务的q o s流类业务的应用场景主要是在用户看或者听一个视频或者音频片断时发生，因此通常是单向的。这类业务尽管对端到端的时延要求并不苛刻，但是也需要维持整个通信过程的时延在一个范围之内，这就是它的最基本的q o s 特征。为了满足这个特征，目前流业务的应用在接收端解码之前都进行了缓存，利用缓存能力来克服时延的变化。图2 1 就清晰的反映了这一过程。第二章3 g 分组数据业务q o s5l n i t i a ip i a y o u td e i a y图2 1 流业务接收端通过缓存功能消除网络延迟流业务的q o s 属性中最重要的几个参数如下：1 t r a n s f c rd e l a y ：它指的是在一个业务承载的生命周期内，对于所有发送s d u 的9 5 的时延分布的最大值。考虑到这种业务的统计特征，对于音频来说一般都是非爆发性的，而视频业务则有可能具有爆发性。不过对于这两种情况而言，保证一个s d u 的传输时延都是很有必要的。值得注意的是业务应用对网络侧关于时延变化的需求是仅仅通过传输时延参数来表现的，它暗示了端到端的最大时延和最大延迟抖动都是以这个参数为上界的【2 7 1 。2 g l l a r a n t e e db i tr a t e ( g b r ) ：保证速率，它定义了承载要为用户或应用所保证的b i t 速率。别的业务属性都是为了保证业务能够达到保证速率以上而进行定义的，如t r 孤s f i 盯d e l a y 。3 m a x i m 啪b i tr a t e ( m b r ) ：最大速率，根据定义【27 】它描述了用户或者应用所能提供或接受的b i t 速率的上限。网络用此参数来选择无线接口的下行信道上的编码类型和编码速率，这个为了应用定义的参数可以应用与不同比特率，例如带有实时编码的视频应用。4 s d ue 玎o rr a t i o ：它指示的是被丢失的或错误接受的s d u 相对于全部s d u 数目的比例【2 7 1 ，这个参数隐含着对i 己a d i ol i n kc o n t r o l ( r l c ) l a y e r 操作模式的要求。如果物理层不能提供可高的传输以达到这个要求，那么承载的r l c 层就需要用确认模式即a m 模式。反之则可以使用非确认模式。当然，确认模式对系统的开销肯定要比非确认模式要大很多。5 r e s i d u a lb i te 仃o rr a t i o ：残留误比特率，顾名思义，它指的是所发送的s d u 中未检查到的误比特率，可以用于选择协议和检错码【27 1 。6 d e l i v e 珂o f e n o n e o u ss d u s ：决定是否必须传输带有检测错误的s d u 。通过使用s d ue n o rr a t i o ( s d u 错误率) 、r e s i d u a lb i te n o rr a t i o ( 残留误比特率) 以露-肖口o譬露一暑_皇墨u6t d s c d m ah s d p a 分组调度研究及d e l i v e 眄o f e n d n e o u ss d u s ( 错误s d u 传输特性) 这三个参数，业务对错误比率的要求就可以得到满足了。而且，这三个参数可以和传输时延参数一起考虑，来满足整个业务应用在一特定时间内对一定比例分组传输的要求。表2 1 ，分别给出了流、交互以及背景类业务的q o s 属性范围。2 2 交互、背景类( i n t e r a c t i v e 、b a c k 盯o l l n dc 1 a s s ) 业务的q o sh l t c r a c t i v ec 1 嬲s 交互类业务是一种非实时业务，通常的应用场景为一个在线用户从远端设备请求数据【2 7 1 。这种业务通信时的特性主要是以用户的请求响应模式来确定的，因此这种业务最重要的一个属性就是业务响应时间。业务响应时间可以这样定义，即从一个数据请求实例开始直到数据被用户收到这段时间，它决定了用户的满意程度。交互类业务的另一个特征就是数据传输的差错率要求比较高，而且数据可能是突发性的。这类业务典型的应用场景如网页浏览、电子邮件、电子商务、网络游戏等等。而b a c k g r o u n dc l a s s 背景类是另一种非实时通信业务，是一种对时延不敏感的机器与机器之间的通斜2 7 1 。通常，几秒、几十秒甚至几分钟的时延都是可接受的，因为应用并没有这个要求。和交互类也为一样，它对数据传输的差错率要求也比较高。这类业务典型的应用场景如m u l t i m e d i am e s s a 西n gs e r v i c e ( m m s ) 多媒体短信、f t pf i l et i 舭s 矗邢f t p 下载等。交互和背景类业务的q o s 属性中最重要的几个参数如下【2 7 】：1 s d ue n d rr 撕o ：定义请参见前面2 1 节。由于这两类业务承载对数据传输的差错率要求比较高，通常范围在1 0 0 到1 0 。6 之间，显然比较苛刻。为了达到这个目标，通常情况下r l c 层选用的是a m 即确认模式，在这种模式下，r l c 执行一种选择重传a r q 协议。这个参数与物理层的b l e r ( 误块率) 是决定r l c 层的最大重传次数的关键。2 r e s i d u a lb i te n o rr a t i o ：请参见前面2 1 节3 t r a m ch a n d l i n gp r i o r i t y ( t h p ) ：业务处理优先级。4 a l l o c a t i o na 1 1 dr e t e n t i o np r i o r i t y ( 6 d 冲) ：分配保持优先级。这个参数适用于四类业务，它的目的是用于在做接入控制时将不同的业务请求进行排序。这罩需要说明的是，尽管a r p 参数已经在接入控制时用于对不同业务进行区别，t h p 参数还可以用于在交互类业务之间区别不同的q o s 要求。对于背景类业务而言，网络侧可以在有足够空闲能力的时候再传送。表2 1 给出了交互类和背景类业务的q o s 属性范围。第二章3 g 分组数据业务q o s表2 13 g 分组业务q o s 属性范围7b e a r e ra t t r i b u t es t 心a m i n gc i a s si n t e r a c t i v ec l a s sb a c i g m 蛐dc l a s sm a x i m u mb i t = 2 0 4 8 = 2 0 4 8 0 v e r h e a d = 2 0 4 8 _ 0 v e r h e a dr a t e ( k b p s )d e l i v e f ) ，o fe r r o n e o u sy b s n oy b s n oy e s n os d u sr e s i d u a lb i te n d r5 幸1 0 ，lo - 。，5 幸l o - j ，4 弗1 0 。，1 0 ，6 1 旷4 毫l 旷，1 旷，6 l o r a t i o1 矿，1 0 ，1 0 6s d u e r r o r r a t i 01 0 ，1 0 ，7 | 1 0 ，l o j ，1 0 r 4 ，l o 由1 0 - j ，1 0 r 4 ，1 a r o1 0 一，1 酽，1o 5胁n s f e rd e l a y ( i n s )2 8 0 m a x j m u mv a l u eg u 觚础e db i t = 2 0 4 8i e 撕s )1 m 匝ch a n d l ：i i l gl ，2 ，3p r i 嘶t ) ，a n o c a t i o r l r e t e n t i o n1 ，2 ，3l ，2 ，31 ，2 ，3p r i 嘶锣2 3 1 流媒体业务2 3 各类分组业务的调度原则多媒体流失传输可以处理成一个稳定的和连续的流数据的技术。随着因特网的发展，相当多的用户没有足够高的访问速度接入快速下载大的多媒体文件。因此流技术变得越来越重要。采用流技术，客户浏览器或插件可以在整个文件被传送完之前开始显示数据。为了流业务能够工作，接收数据客户端必须能够收集数据，并把它转化为稳定、均匀的流传递给应用程序，应用程序同时处理数据，将其转化为声音或图像。流业务的应用是非对称的，因此与对称的电话业务相比，流应用能够承受更大的时延，能承受更大的传输抖动。通过缓存可以容易地平滑抖动。流媒体业务是在h s d s c h 上传输的q o s 等级最高的业务，所以要先保证这类业务的传输。对已经允许接入s t r e 锄i n g 业务的u e ，根据各个u e 的当前信干比来选定相应的调制编码方式，再结合用户要求的最低传输速率来分配合适的时隙数。因为接入时控制了流媒体业务要求的总流量，所以即使在u e 的信道质量比较差时采用较低的调制编码方式也可以保证传输的服务质量。当然，如果u e 的信道8t d s c d m ah s d p a 分组调度研究质量太差，以至于采用最低的调制编码方式也不能满足误码率的要求，就只能使这个用户掉话，释放资源来为其他信道质量好的u e 服务。2 3 2 交互业务和背景业务交互业务是一种典型的数据通信机制，其明显特征就是终端用户请求响应这种模式。在信息接收端有一个实体在一定时间之内期待消息( 响应) 的到来。这样往返时延就是一项很关键的属性。另一项特性是包的内容必须被透明地传送，并有较低的误码率。因为诸如电子邮件的发送、s m s 、数据库下载和测量记录的接收等数据业务的应用不需要立即动作，因此可归为后台类型业务。时延可以按秒、几十秒、分钟计算。后台业务是一种典型的数据通信形式，其特征是在规定时间内目的地并不期待数据的到来，即对发送时间不敏感。另外，分组数据不需要透明地传送，但数据必须无差错地接收。交互业务和背景业务对时延不敏感，所以接入时没有进行控制，接入后等待合适的时隙发出。由于流媒体业务接入时是按照所有u e 都是使用最低调制编码方式的情况的控制，但在实际中，很少会出现小区内的这些u e 信道质量都很差的情况，所以流媒体业务一般不会把所有时隙使用完，在保证了流媒体业务的最低要求后，剩下的资源就可以供三类业务共同使用。为了体现交互业务的优先级，可以在调度时降低对它的要求，使交互业务在同等条件下比背景业务更容易得到服务。2 4 实时类业务和非实时类业务无线业务分类有多种方式，根据传输需求分类，则可以分为实时业务( r t ) 和非实时业务嗍) ，其含义见表2 2 。表2 2 实时业务和非实时业务定义业务类型含义实时业务( r t )在端到端通信中有严格的时延需求，所以与实时业务传输相关的任何网络：爷点都必须在一个最大奔许时延的范围之内传输l h 分组。不能实现链路级重传，纠错性非常有限。非实时业务( n r t )被普遍认为对错误敏感的，相比实时业务没有那么高的时延要求。利用重传机制可以实现无错传输。第二章3 g 分组数据业务q o s9根据上述定义，我们可以推出，本文所研究的分组数据业务属于非实时业务。2 5 本章小结本章主要介绍了第三代移动通信系统中的分组数据业务的分类以及q o s 要求，分析了适应各类分组数据业务的调度原则。正是由于分组数据业务具有这些q o s特性，才使得h s d p a 技术得到了广泛的应用场景。下面论文就概要介绍t d - s c d m a系统h s d p a 技术，以明确论文所要介绍的主要内容范围。1 0t d s c d m ah s d p a 分组调度研究第三章t d s c d m ah s d p a 技术概要快速分组调度算法是t d s c d m a 系统h s dp ：a 的关键技术之一，它的设计不是孤立的而是与h s d p a 系统整体紧密相关的，本章首先对t d s c d m ah s d p a 技术进行归纳，有助于对t d s c d m a 系统h s d p a 技术全面深入的认识。3 1t d s c d m a 系统h s d p a 技术的基本概念和特点在蜂窝移动通信系统设计中，对于话音业务用户来说，要求达到9 0 一9 5 的覆盖。即使用户接收的信噪比在9 0 一9 5 以上的区域内能够达到或超过设计目标值，从而保证用户在不同的区域都能达到好的通话质量。但这样做的结果是，在蜂窝覆盖的很大一部分区域内，信噪比远大于设计目标值。对于分组数据业务用户而言，有着不同于语音通信的特征：分组业务具有突发性强，可以容忍时延及时延抖动较大，对差错敏感，前后向需求不对称，q o s等级多，追求的目标是系统的吞吐量最大化等特性。无线移动通信的最大特点就是信道变化快，在短时间内信道性能起伏大。在3 g p p r 9 9 、r 4 规范中，为了使分组数据传输适应信道的变化情况，主要采用与话音业务相同的控制机制，即通过快速功率控制来适应信道变化，进而保证数据传输速率稳定。这样的控制机制可保证数据传输速率稳定，但频谱的利用率较低，没有充分利用系统所具有的传输能力。h s d p a 技术采用了另一种策略来适应信道变化，利用分组数据可容忍更长时延的特性，可当用户接近基站节点时，信道条件好，系统以很高的速率传输数据；而当用户远离基站节点时，信道条件差，系统采用较低的速率。在信道条件好时充分利用系统资源提高传输速率，而信道条件差时又不提高功率，因而不会增加对其它用户和小区的干扰，同时可以大幅度提高系统的性能。采用t d s c d m a 标准的分组数据传输具有频谱利用率高、上下行资源可非对称性分配等特点，用于分组数据传输具有天然的优势。作为t d d 模式事实标准的t d s c d m a 系统，其本身也随着技术不断的演进和完善。与w c d m a 相比，由于t d s c d m a 采用智能天线、联合检测以及动态资源分配等先进的关键技术，改善了信道条件和接收信号的能力，使得h s d p a 的特点得到更大的发挥。例如采用智能天线技术，基站可以跟踪u e 的位置变化，将发射天线进行波束赋行，对准接收数据的终端，从而提高了发送信道的性能。同时，t d s c d m a 特有的上行同步方式，通过智能天线，根据终端前后两次传输的应答信息的时问间隔和位置变化信第三章t d s c d m ah s d p a 技术概要息，可以获得用户的移动速度，为n o d eb 估算信道性能提供了可靠信息。系统仿真表明，基于t d s c d m a 系统的h s d p a 可以获得非常高的频谱利用率。3 2t d s c d m ah s d p a 协议架构为了保持对前面版本的兼容，t d s c d m a 标准在r e l e a s e5 版本中的改动并不大，主要是在n o d eb 加入一个新的媒体接入控制子层( m a c 舡) 用于控制高速数据传输，同时增加定义了几种新的传输信道和物理信道【2 9 1 。新定义的信道包括：1 传输信道：高速下行共享信道h s d s c h ；2 物理信道：高速下行共享物理信道h s p d s c h ；共享控制信道h s s c c h ；共享指示信道h s s i c h 。传输信道h s d s c h 和相应的物理信道h s p d s c h ，支持下行高速分组数据业务，负责传输用户数据，h s d s c h 信道采用了1 和1 6 两种不同的扩频系数，这样使得n o d eb 可以更加灵活地应对不同的信道条件，进行合理的分组数据调配，提高数据的传输速率。h s s c c h 信道是下行物理层控制信道，负责传输对h s d s c h 信道解码所必须的控制信息。h s s i c h 信道是上行链路，负责传输必要的反馈控制信息，主要是对传输分组的应答和下行链路质量的反馈信息。图3 1 就是h s d s c h 在i u b 接口u u 接口上的协议架构【u l 。其中m a c 1 l s 实体将为h s d s c h 提供调度的功能；h s d s c h f p 处理s r n c 与n o d eb 间的数据传输；r j 层，和普通r 4 标准一样，分别处于u e 侧和i 斟c 侧的l 2 层，进行数据的分段和重组以及重传等功能；m a c 和m a c d 分别处于u e 侧和i c 侧，负责数据的传输格式组合选择以及逻辑信道和传输信道的映射；l 1 代表砌b 接口a t m 链路或者基于p 的物理链路；p h y 代表空口物理层。在这个架构下，r n c没有任何关于h s d s c h 用户平面的功能，r n c 侧的m a c d 子层直接位于n o d eb的m a c - h s 子层之上。这个架构设计的好处就是将h s d s c h 的调度功能完全放到n o d e b ，n o d eb 可以根据信道的快速变化的实际情况迅速做出调整，选择最合适的调制方式和调度算法，以减小r n c 的工作量，同时提高了系统效率。1 2t d s c d m ah s d p a 分组调度研究r l cr l cm a c dm a ch s d s c hh s d s c ht a c h sf pf pp h yp h yl 1l li u b图3 1 ：t d s c d m a 系统m b 、u u 接口h s d s c h 协议架构h s d p a 在n o d eb 新增的m a c 1 l s 实体【1 1 l ，主要功能是对发送数据进行调度以及对重传数据的控制。m a c - h s 用于控制高速分组数据的发送，根据实时的功率控制、a c k n a c k 比例、q o s 以及h s d p a 专用反馈信息等，控制数据的流量，调度发送数据分组量，改变分组数据大小、信道调制模式以及h a r q 的方式等。在r 9 9 或r 4 中数据调度和重传控制都在r n c 上实现。由于从r n c 到u e 的链路需要花费大量的时间( 一般情况下需要8 0 一1 0 0 m s ) ，r n c 无法对移动无线信道的快速变化做成反应，而基于n o d eb 的m a c - h s ，重传由n o d eb 直接控制，提高了重传的速度，减少数据传输时的时延，同时n o d eb 可以根据信道条件快速地调度发送数据的大小和发送对象，从而提高的小区吞吐率。m a c h s 主要由以下几个功能块组成，见图3 2 ：( 1 ) 流量控制：同r 9 9 不同，r n c ( 无线网络控制器) 要发送数据是要先征得n o d eb 允许的，这是通过f p 帧协议) 控制帧实现的，实际就是一个流控过程。这里的流控是以动态方式考虑空中接口的传送能力，从而限制和减小因h s d s c h 的拥塞造成的层2 信令延迟、数据丢失和重传。( 2 ) ) 调度优先级处理：这个功能管理了m 恹q 实体和数据流之间h s d s c h 资源。调度模块根据优先级、每个用户缓冲区的数据量、来自上行信令的状态报告等决定调度哪个u e 的哪个优先级队列。它为每个要发送的m a c - h sp d u ( 协议数据单元) 分配队列i d 和传输序列号通知h a r q 实体，根据h a r q过程所报告的状态和高层信令参数要确定是开始新的发送还是重发或者丢弃，为h a r q 确定合适冗余版本通知底层。( 3 ) h a r q ：h a r q 实体根据调度指示的m a c - h s 的队列d 、传输序列号、新数第三章t d s c d m ah s d p a 技术概要1 3据标识，确定使用一个h a r q 过程实例来完成h a r q 过程，并设定h a r q过程d ，同时它要把接收到的状态消息送给调度模块( 4 ) t f r c ( 传输格式和资源合并) 选择：为h s d s c h 选择合适的传输格式和资源组合。网络在选择t f ( 传输格式) 时要充分考虑u e 的能力，因此网络通过i u 汇( 无线资源控制) 信令会有对u e 能力的查询。h s d s c h图3 2m a c 船结构1 4t d s c d m ah s d p a 分组调度研究3 3t d s c d m ah s d p a 的几个关键技术3 3 1a m c 白适应调制编码原理和特点在蜂窝移动通信系统中，电磁波传播的机理是多种多样的，无线信道是一个多径时变信道。为了克服衰落对信号接收性能的影响，通常会在发送端改变发送信号的传输参数，用以补偿信号在传输过程中的路径损耗，这种技术被称为链路自适应。采用链路自适应技术，可极大地提高系统的频带利用率，增加信道容量。链路自适应方式主要采用两种方式，方式一是功率自适应方式，发送端改变发送数据的传输功率来适应信道条件的变化；方式二是伽订c 方式【2 6 1 ，发送端通过改变数据的传输码率，进而适应信道变化。即在系统限制范围内，发送端根据瞬间信道条件变化而相应地改变发送数据的调制和编码方案，对信道变化做补偿，最大化地提高衰落信道的传输效率。采用a m c 技术的主要益处有三个方面：( 1 ) 根据信道变化改变系统调制和编码方式，提高了系统的频带利用率，增加系统平均和峰值吞吐率，可以提供高速数据服务；( 2 ) 优化了小区的功率利用率。采用a m c 技术，当小区根据需求完成公共信道和专用信道的功率分配后，可将剩下的功率分配给h s - d s c h ，从而提高了小区的功率利用率。( 3 ) 由于不是通过调整发送功率，而是通过调整调制、编码方式来进行信道适应补偿，所以系统中干扰的变化不再那么剧烈。( 4 ) h s d p a 中a m c 技术的实现方式为：系统根据自身物理层能力和信道变化情况，建立一个在共享信道h s d s c h 中传输格式的编码调制格式集合( m o d u l a t i o na 1 1 dc o d i n gs c h e m e ，m c s ) ，每个m c s 中的传输格式包括传输数据编码速率和调制方式等参数。当信道条件发生变化时，系统会选择与信道条件对应的不同传输格式的数据分组来适应信道变化。常用的信道条件变化指示信息包括信道质量指示参数( c q i ) 、相关d p c h 的功率测量、h a r q 确认、缓存器大小等。其中c q i 报告看起来是最具吸引力的方案，终端u e 在上行信道发送c q i 报告，指明用户接收到的瞬时信号质量。c q i 指明u e 可支持的备选集中的传输块长度，码数和调制方式。它对于网络来说很简单，准确而频率较高。a m c 通过改变调制方式和信道编码率来调整传输速率，h s d p a 调制分为q p s k 和1 6 q a m 两种。在有利位置的用户( 如离基站较近的用户) 会被分配较高的调制等级和较高的编码速率( 例如1 6 q a m 和r = 3 4 的码率) ，而在不利位置的用户( 接近小区边缘的用户) 会被分配较低的调制等级和编码速率( 例如q p s k和贮l 2 的码率) 。系统仿真表明，采用1 6 q a m 和q p s k 组合调制比单一o p s k第二章t d s c d m ah s d p a 技术概要1 5调制的系统可提高大约2 0 的平均吞吐率。相对于q p s k 调制，1 6 q 伽更有效地利用系统带宽，但相对于每比特的信息，所需接收功率更大( 误码率相同的情况下) 。因此，1 6 q a m 主要被用于带宽受限而功率较大、靠近基站的环境。为了克服由于舢订c 对测量误差和延迟敏感而对系统性能造成的影响，提高数据传输速率，降低设备的复杂度，h s d p a 有针对性地提出了两种主要的解决方法：首先，a m c 与采用宽管道调度( f a t - p i p es c h c d u l i n g ) 技术的下行共享信道结合，即h s d s c h 信道采用时分模式( t d m ) 发送数据，每一帧的传输时间尽可能的短，在较短的时间内为数据分配尽可能多的资源，即在信道相对静止的时间内，发送端利用与信道变化相吻合的传输格式将数据尽可能多的发送出去。其次，a m c 与h a r q 技术结合，利用h a r q 的编码和重传合并，可降低由于传输速率大于信道容量所造成的错误率增加对性能的影响。h a r q 作为h s d p a 的一项关键技术，将在下面的内容中做详细的介绍。3 3 2 混合自动重传请求原理和特点h a r q 【2 6 】是自动重传请求( a r q ) 和前向纠错( f e c ) 技术相结合的一种纠错方法，通过发送附加冗余信息，改变编码速率来自适应信道条件，是一种基于链路层的隐含的链路自适应技术。采用h a r q 技术的接收方在译码失败的情况下，保存接收数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传数据和前面的数据进行合并，再送到译码器进行译码。因为数据在译码前进行了合并，译码数据具有更多的信息量，可以提高译码的成功率，降低错误率。m 娘q 技术可以提高系统性能，并可灵活地调整有效码元速率，补偿由于采用链路适配不合适所带来的误码。剐c 中是利用反馈信息等设定调制和编码的级别从而实现自适应控制，而h a r q 通过链路层的确认信号来决定重发与否隐含地实现了自适应控制。h a r q 机制的形式很多，而h s d p a 技术中采用的是两种基于不同思想的h a r q策略：c h a u s ec 0 m b i i l i n g ( c c 或者叫做c h a s e 合并算法) 和h l c r 锄e n t a lr e d u l l d a i l c y( 取或者叫做增量冗余) 。其中，c h 2 l s ec o m b i n i n g ：主要采用了c h a s e 合并算法，这种算法是c h a s e 博士在1 9 8 5 年提出，发送方每次都发送整个完整的编码码字，接收端将每次收到的数据包与之前收到的所有数据包进行c h a s e 合并，组合成一个具有更强纠错能力的码字，从而达到递增冗余的目的。而取机制又分为完全递增冗余机制与部分递增冗余机制两种。完全递增冗余机制：这种机制在1 9 8 8 年被首次提出，系统信息经过编码后，将编码比特按照一定的周期穿孔，根据码率兼容原则分批发送给接收端，接收端1 6t d s c d m ah s d p a 分组调度研究每次都进行码组合，将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字，从而达到递增冗余的目的。部分递增冗余机制：这种方案与完全递增冗余机制的主要区别在于，发送端每次发送的码字都是可以独立译码的码字，重传包不但包含与之前帧不同的冗余比特，还包含所有的系统比特。接收机每次也同样进行码组合，由于重传包中含有增加的冗余比特，同时系统比特每次都进行了优化选择，从而达到了递增冗余的目的。在h s d p a 中，h a r q 技术主要作用是补偿蝴c 选择的传输格式不恰当带来的误码。伽订c 的机制提供了大动态范围的粗略的、慢速的自适应控制，而h a r q 的机制则提供了小动态范围的精确的、快速的自适应控制；a m c 的机制对测量的误差和时延敏感，而m 熔q 是对信道即时状态的反应，与测量误差和时延无关。将h a r q 与蝴c 这两种链路自适应技术结合使用可以取得比较理想的效果，即a m c基于信道测量结果等信息大致决定数据传输速率，h a r q 在此基础上根据实时信道条件再对数据传输速率进行微调。研究表明，通过h a r q 技术可有效的将由于a m c选择传输格式不恰当所造成吞吐量损失减少5 0 。同时，h a r q 在不降低系统性能的情况下，还可以减少m c s 的调制编码类型，降低系统调度和实现复杂度。3 3 3 快速的调度算法h s d p a 中，分组调度算法、h a r q 、a m c 等关键技术的实现关系如图3 3 所示【5 1 。h s d p a 主要是通过快速地自适应调度所发送的数据量以适应用户信道变化，从而提高用户的平均下行数据传输速率。调度算法控制着共享资源的分配即判决在什么时间分配给哪些用户什么样的无线资源( 频率、码道、时间、子载波) 来进行通信。对于每一个发送时隙，它决定了被服务的用户，在很大程度上决定了系统的性能。调度主要基于信道条件，同时还应考虑等待发送的数据量以及业务的优先等级等情况，并充分发挥a m c 和h a r q 的能力。可以说它既要使得最能充分利用信道的用户使用信道以提高系统吞吐率，也要使得信道条件相对不好的用户在一定时间内能够使用信道，也保证服务公平性和业务连续性。集中调度技术使得信道总是为与信道状况相匹配的用户所使用，从而最大限度地提高信道利用率。快速调度算法的实现，它能有效缓解i u b 信令产生的延迟限制。更快的调度方式使得不需要通过d c h 承载，就可以采用分组调度提供恒定比特速率的业务，所以h s d p 八不仅能有效地支持i n t e r a c t i v e 、b a c k g r o u n d 等非实时业务，同样可以用于支持某些实时业务，如s t r e 锄i n g 业务等。第三章t d s c d m ah s d p a 技术概要1 7图3 3t d s c d m a 系统h s d p a 分组调度实现框图总之，分组调度算法的这种判决是以最大化系统吞吐量为目标，以保证用户之间的公平性为前提，以确保不同业务流服务质量要求( q o s ) 为基础的。同时，h s d p a 系统对高速多媒体数据的支持也对快速分组调度技术提出了更高的要求如何保证业务的q o s 性能，设计h s d p a 快速分组调度算法就是本文研究的核心。3 4t d s c d m a 多载波h s d p a 技术3 4 1n 频点技术t d s c d m a 中的n 频点技术【，不同于3 g p p 中定义的多载频小区，它是指一个小区里有n 个载频而这些载频同属于一个拥有相同扰码的逻辑小区。而在3 g p p 中，n 个频率代表了n 个不同的小区，在u