（信号与信息处理专业论文）中继增强型蜂窝通信系统调度算法研究及系统性能分析.pdf

摘要 在未来无线通信系统中，中继技术是有效提升无线通信系统整体性能的关键技术之一中继增 强型蜂窝系统的性能分析及此新型系统下的多用户调度算法逐渐成为研究重点。本文首先通过分析 传统蜂窝系统中的多用户调度技术，提出了适用于中继增强型蜂窝系统的新型贪婪调度算法及比例 公平性调度算法，同时利用两跳通信的特点，设计了一种新型路由选择和比例公平性联合调度方法 利用自适应的路由选择获得增益，提升了系统整体性能本文还研究了基于不同业务的跨层调度， 在提升系统性能的同时还满足了不同用户的多种业务要求。本文最后设计了新型的中继协议，并利 用o p n e t 软件从系统网络级评测了中继增强型蜂窝系统的性能。论文主要工作如下： 1 研究了传统蜂窝小区多用户o f d m 中调度算法。并且从系统频谱利用率及用户公平性等方 面分析算法性能 2 研究了中继增强型蜂窝小区中的多用户o f d m 调度方法基于固定的路由选择，提出两种 贪婪调度算法，一种贪婪比例公平性调度算法 3 提出了一种路由选择和比例公平性联合调度算法。通过将自适应的选择路由和比例公平性调 度相结合的策略，同时获得多用户分集增益和路由选择增益，提升了系统性能。 4 研究的传统蜂窝系统中的多用户跨层调度方法，并通过仿真分析了其性能 5 提出一种适用于中继增强型蜂窝系统的跨层调度算法，可实现系统m a c 层和物理层的联合 性能优化 6 设计了新型中继通信协议，利用o p n e t 软件搭建了中继增强型蜂窝系统仿真平台；并利用 平台从系统网络级分析了中继增强型蜂窝系统的性能。 关键词t 正交频分复用、多用户调度、中继增强型蜂窝系统、路由选择、跨层调度、贪婪调度、 比例公平性调度、多用户分集增益、性能分析、网络协议 a b s t r a c t r e l a y i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ni d e n t i f i e d 弱o n eo fk e yt e c h n o l o g i e sf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e mi nt h ef u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s c u r r e n t l y , t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n so fr e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a r n e t w o r ka n dm u l t i - u s e rs c h e d u l i n gh a v eb e e nh o tr e s e a r c ht o p i c i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h em u l t i u s e r s c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k sf i r s t l ya n dp r o p o s e dt w on o v e lg r e e d ys c h e d u l i n ga n d o n ep r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gu s e di nr e l a y e n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s i i lt h em e a n t i m e u s i n gt h e t w o h o pc o m m u n i c a t i o n ，w ep r o p o s e dan o v e lj o i n tr o u t i n ga n dp r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gw h i c h i m p r o v e dp e r f o r m a n c eo fn e t w o r kb yu s i n gd y n a m i cr o u t i n gs e l e c t i o n i nt h i sp a p e r , w ea l s os m d y c r o s s - l a y e rs c h e d u l i n gb a s e do nm u l t i s e r v i c e s a tl a s t , w ed e s i g nan o v e lr e l a y i n gp r o t o c o la n db u i l du pa p l a t f o r mb a s e do ni tt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fr e l a y - e n h a n c ec e l l u l a rn e t w o r k n cm a i nc o n t r i b u t i o n s o ft i l i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 f o u rk i n d so fm u l t i - u s e rs c h e d u l i n g a l g o r i t h m su s e di nt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r kh a v eb e e n s t u d i e d t h o u g ht h es i m u l a t i o n ，w ea n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m si nt h ea s p e c t so fc e l ls p e c t r a l e f f i c i e n c ya n du s e rf a i r n e s s 2 a n a l y z i n gt h en e wm u l t i - u s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m su s e di nr e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k b a s e do nf i x e dr o u t i n gs e l e c t i o n ，w ep r o p o s e dt w on o v e lg r e e d ys c h e d u l i n ga n do n eg r e e d yp r o p o r t i o n a l f a i rs c h e d u l i n g 3 p r o p o s e dan o v e lj o i n tr o u t i n ga 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 t h o u g hc o n s i d e r i n ga b o u td y n a m i c r o u t i n gs e l e c t i o na n dp r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gj o i n t l y , t h en e t w o r kc a ng e tt h em u l t i - 惦盯d i v e r s i t yg a i n a n dr o u t i n gs e l e c t i o ng a i n 4 t h ec r o s s - l a y e rs c h e d u l i n gu s e di nt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r kh a sb e e ns t u d i e d t h o u g ht h e s i m u l a t i o n 。w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h i sk i n do f n e t w o r k 5 p r o p o s e dan o v e lc r o s s l a y e rs c h e d u l i n ga d a p t e dt or e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k w eo p t i m i z e t h ep e r f o r m a n c eo fm a c l a y e ra n dp h y s i c a ll a y e ro fn e t w o r kj o i n t l y 6 d e s i g n e dan o v e lr e l a y i n gp r o t o c o l ，a n dw eb u i l du pas i m u l a t i o np l a t f o r mw i t ht h en o v e lp r o t o c o l t oe v a l u a t et h es y s t e m l e v e lp e r f o r m a n c eo fr e l a y - e n h a n c e dn e t w o r k k e yw o r d s ：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 ga c c e s s ( o f d m a ) m u l t i u s 盯s c h e d u l i n g , r c l a y c n h a n c e dn e t w o r k ，r o u t i n gs e l e c t i o n ，c r o s s - l a y e rs c h e d u l i n g ，g r e e d ys c h e d u l i n g , p r o p o r t i o n a lf a i r s c h e d u l i n g , m u l t i u 辩rd i v e r s i t yg a i n 。p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，n e t w o r kp r o t o c o l i i i 图表目录 图1 2 1 乡村( u r b a na r e a ) 场景下的中继增强网络配置。4 图1 2 2 曼哈顿( m a n h a t t a na r e a ) 场景下的中继增强网络配置。4 图1 2 3 室内( l o c a la r e a ) 场景下的中继增强网络配置。5 图1 2 4 单小区六中继增强型蜂窝小区5 图2 1 1 多用户o f d m 下行链路调度系统1 2 图2 3 1 用户数对系统频谱利用率的影响1 5 图2 3 - 2 基于最大化系统“和容量”的贪婪调度的用户公平性性能1 6 图2 3 3 基于最大信噪比贪婪调度的系统频谱利用率性能1 9 图2 3 4 基于最大信噪比的贪婪调度的用户公平性性能1 9 图2 4 1 不同调度策略的调度用户集关系2 2 图2 4 2 比例公平性调度与轮询调度及贪婪调度的频谱利用率比较2 5 图2 4 3 比例公平性调度与轮询调度及贪婪调度的公平性比较2 6 图2 4 4 时刻丁长度对系统频谱利用率的影响：2 6 图2 5 1 时间公平性伺机调度与贪婪调度及轮询调度频谱利用率性能比较2 9 图2 5 2 时间公平性伺机调度与贪婪调度及轮询调度系统公平性比较3 0 图2 5 3 效用公平性伺机调度与贪婪调度及轮询调度系统频谱利用率性能比较? ：3 2 图2 5 4 效用公平性伺机调度与贪婪调度及轮询调度的公平性比较- 3 3 图2 5 5 最低性能公平性伺机调度与贪婪调度及轮询调度的系统频谱利用率性能比较3 5 图2 5 6 最低性能公平性调度及贪婪调度与轮询调度的公平性比较3 6 图3 1 1 已知用户路由的多用户o f d m 中继增强型蜂窝系统下行链路系统模型3 8 图3 1 2 未知用户路由的多用户o f d m 中继增强型蜂窝系统下行链路系统模型。3 9 图3 1 3 中继增强型蜂窝网络o f d m a t d dm a c 帧结构4 0 图3 2 1 扩展轮询( e x t e n d e dr o u n dr o b i n ) 调度算法示例。4 l 图3 3 1 低复杂度扩展贪婪调度系统的频谱利用率性能4 4 图3 3 2 两跳平衡贪婪调度的系统频谱利用率性能。4 6 图3 3 3 两跳平衡贪婪调度的各用户公平性性能4 7 图3 4 1 贪婪比例公平性调度算法的系统频谱利用率性能5 0 图3 4 2 贪婪比例公平性调度算法的系统公平性性能5 l 图3 5 1 路由选择与比例公平性联合调度算法的系统频谱利用率性能5 5 图3 5 2 路由选择与比例公平性联合调度的各用户公平性性能5 5 图4 1 1 新型跨层( c r o s s - l a y e r ) 调度机结构5 7 图4 1 2 新型跨层( c r o s s 1 a y e r ) 调度系统模型。5 8 图4 2 1 传统蜂窝系统中跨层( c r o s s l a y e r ) 调度的系统“和容量”性能6 3 i 图4 2 2 传统蜂窝系统跨层调度的包延时性能。6 4 图4 2 3 传统蜂窝系统中跨层调度丢包率性能。“ 图4 3 1 中继增强型蜂窝系统中跨层调度的系统“和容量”性能6 9 图4 3 2 中继增强型蜂窝系统中跨层调度的包延时性能。7 0 图4 3 3 中继增强型蜂窝系统中跨层调度的丢包率性能。7 0 图5 1 1o p n e t 的三层模型7 4 图5 1 2o p n e t 系统建模流程7 6 图5 1 3 以太网的网络域建模7 6 图5 1 4 u m t s 中u e 的节点域模型7 7 图5 1 5u m t s 系统中u e 的进程域模型7 7 图5 1 6 0 p n e t 链路级仿真器与系统级仿真器接口7 9 图5 1 - 7o p n e t 中1 3 个无线管道阶段7 9 图5 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议框图8 0 图5 2 23 g p p 协议框图引 图5 2 3 中继增强型蜂窝网络通信协议流程。8 2 图5 2 4 中继增强型蜂窝系统网络通信协议8 2 图5 2 5 基站节点域建模。8 4 图5 2 6 基站进程域建模。8 4 图5 2 7 中继节点域建模8 5 图5 2 8 中继进程域建模。8 5 图5 2 9 用户l i e 节点域建模8 6 图5 2 1 0 用户u e 进程域建模8 6 图5 3 1 中继增强型蜂窝系统仿真平台。8 8 图5 3 2 无中继的传统蜂窝系统仿真平台。8 9 图5 3 3 两种系统的整体业务量比较8 9 图5 3 4 两种系统的整体寻呼时间及传输时间比较9 0 图5 3 5 熟点地区用户的业务吞吐量比较9 0 图5 3 - 6 热点地区用户寻呼延时和通信延时9 l 图5 3 7 两种系统在热点地区的系统稳定性比较9 l 图5 3 8 两种系统的常规地区用户吞吐量9 2 图5 3 9 两种系统在常规地区的用户寻呼时间和传输时间9 2 图5 3 1 0 两种系统在常规小区中多用户的寻呼时间与传输时间域9 3 图5 3 - l l 两种系统的小区边界用户吞吐量。9 4 图5 3 - 1 2 两种系统的小区边界用户寻呼延时及传输延时。9 4 图5 3 1 3 中继增强型蜂窝系统的小区边界多用户性能。9 5 东南大学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。 研究生签名： 东南大学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。 研究生签名： 丝堡 导师签名： 第l 章绪论 第1 章绪论 为了满足人们对信息需求的不断增长，未来的移动通信系统不但要能够提供传统语音业务，还 要能提供数字、图像、音频、视频等多媒体业务。为了支持这些业务，下一代移动通信系统需要具 备更大的信道容量，更高的数据传输速率，更好的传输性能，及更大的覆盖区域。正交频分复用 ( o f d m ：o n 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 ) 技术是极具竞争力和前景的技术之一，在学术 界和工业界都得到了广泛的关注。o f d m 是一种高效的多载波传输技术，它将整个频带分割成个 正交、并行的子信道，将高速串行数据流通过串并转换，变为传输速率相对较低的数据流在一组子 信道中传输。由于o f d m 中个子载波相互正交，在频域上各子信道相互重叠，因而它能够提供 较普通频分复用系统高很多的频谱利用率。 为了扩大通信覆盖区域，提高小区边缘通信质量，依靠传统的蜂窝小区结构是不够的，因此人 们想到革新小区拓扑结构中继技术( r e l a y ) 就是一种很有前景的小区拓扑革新技术，通信质量差 的用户通过中继选择选定辅助完成通信的中继站，并将信息发往中继站，经其处理后转发至基站完 成通信。原来通信质量差的链路被性能优越的两跳链路取代，提高了链路质量。从而大大改善了小 区整体通信质量，增加了小区覆盖区域 在多用户无线通信系统中，有限的资源和众多的用户请求形成尖锐的矛盾，调度的基本目的是 从众多的用户中选出能最大化系统性能的用户子集。由于基站到各用户之问的一跳或多跳信道总是 可以被视为独立衰落的，选择瞬时信道增益最高的用户来获得服务是下行广播信道( b r o a d c a s t c h a n n e l ) 中的容量最优调度准则。然而，在实际系统中为了避免一些用户因为信道长时间处于较差 状态而出现信息“饥饿”的状态，调度算法除了最大化系统性能以外还需要考虑用户占用资源的公 平性问题。此外，由于不同用户传输的业务不同，满足用户公平性的同时，也需要满足不同业务的 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。这就需要结合m a c 层提供的不同业务q o s 信息与物理层的信道信息完成 跨层联合调度( c r o s sl a y e rs c h e d u l i n g ) 。 1 1o f d m 技术概述 1 1 1o l m m 的发展历程 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但直到1 9 6 6 年c h a n g 等人【1 l 才首次阐明了我们现 在称之为o f d m 的技术他提出一种在线性带限信道上同时传输多路信号的方法可以同时避免信 道间干扰( i c l ：i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号问干扰( i s hi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 由c h a n g 提出的多信道传输系统与传统多载波传输技术的区别在于子载波的频谱可以相互叠加，其条件是它 们是相互正交的 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t l 2 】将离散傅里叶变换( d f t ：d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ) 应用于o f d m 系统调制和解调，而d f t 可由快速傅里叶变换( f f t ：f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 高效地实现。这样系 统就无需用一组振荡器来产生多个子载波，而是通过基带处理实现频分复用，从而大大地降低了调 制解调的复杂度为了消除线性时不变信道的i c i 和1 s l ，他们提出通过插入一段空白区作为保护间 东南大学硕士学位论文 隔来消除o f d m 块间干扰，但是这并不能保证信号经过弥散信道后各子载波仍保持正交性 在o f d m 的发展过程中，另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r u i z p 】。他们在1 9 8 0 年提出了循环 前缀( c p ；c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于保持子载波的正交性与通常在符号问插入空的保护间隔的 做法不同，他们提出在发射端作i f f t 之后将o f d m 符号的后一段样点值复制到该符号的前面作为 循环前缀，从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷积，在接收端做f f r 之前先舍弃 循环前缀中的各样点于是，当c p 长度大于信道的最大时延扩展时，可以消除前一个o f d m 块的 延迟分量对后一个o f d m 块造成的干扰。当然0 f d m 系统中加入循环前缀，会带来发射功率和传 输速率的损失，因此在实际系统中可以根据信道特性选择c p 的长度 1 1 2o f d m 的优缺点 o f d m 调制对各个o f d m 符号加上循环前缀( c p ) ，可以极大地降低多径效应循环前缀使得信 道看上去像是循环的，并且使每一个频域子信道可以看作是一个信道增益加上一个加性高斯白噪声 ( a w o n ) o f d m 的多载波特性的好处还体现在：较少的噪声、干扰增强效应，抗多径衰落等由 于子信道之间的相互独立性，使多用户接入成为可能。o f d m 调制的优点还有： o f d m 将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小了信道时 延扩展的影响。而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时，接收机中可以不采用均衡器 o f d m 的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它子信道频域 响应的零点，因而既保证了子载波的正交性，也充分利用了频谱资源。 可利用f f l f f t 快速高效的实现调制解调。 可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式充分利用条 件好的子信道以提高系统性能。 然而，o f d m 技术也存在一些缺点： 与单载波系统相比，o f d m 对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的多普勒频移，或者 发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致i c i o f d m 存在较高的峰值平均功率比，这是由于o f d m 的输出信号由多个子信道上的信号叠加而 成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率，即峰均比很高，它对发 射机的线性放大器提出了更高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成 信号波形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性 1 1 3o f d m 的应用现状 目前，o f d m 技术已被众多无线传输标准采纳，比如数字音频广播( d a b ：d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) ，数字视频广播( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 无线局域网( w l a n ：w i r e l e s s l o c a l 觚an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1l a g 和h i p e r l a n 2 。无线城域网( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 6 e 标准。此外，o f d m 也是未来移动通信系统的关键技术可以预见， o f d m 技术具有广阔的发展前景。 2 第1 章绪论 1 2 中继技术概述 1 2 1 中继技术研究 对中继技术( r e l a y ) 的研究可以追溯到上世纪7 0 年代，而最初的研究都集中在对单中继信道容 量的分析。t m c o v e r 在文献1 4 儿5 】中将中继节点引入通信网络，同时研究了物理退化的中继信道 ( p h y s i c a l l yd e g r a d e dr e l a yc h 锄n e l ) 的容量，m g a s t p a r t 6 j 和b s c h e i n f f l 研究了高斯中继信道( g a u s s i a n r e l a yc h a n n e l ) 容量，根据最大流最小割( m a x - f l o wm i n c u t ) 理论设计了加入中继后的新型通信网络 编码，获得了该信道模型下系统容量上、下界，并得出结论：当中继节点数n _ 时，信道容量的 上下界是相等的。近年来由于分布式网络技术和m i m o 、o f d m a 通信技术的飞跃发展。有关中继 技术与它们相融合的思想就获得研究者的青睐，y a n i k o m e r o g l u 在文献l s 9 1 中提出了基于中继的蜂窝 多跳通信网络架构，并分析了此架构下的系统容量。通过近年来信息论的研究表明，不同的中继工 作模式和信息反馈模式下，中继数目的改变对系统容量的影响也是不同，当中继和移动终端都已知 了信道的信息，系统的容量与中继的个数呈对数增长关系，即c l o g 刀以为中继个数。但若中继 没有任何信道信息，且中继仅简单地将接收的信息放大后转发给移动终端，那么在高信噪比的情况 下，系统的容量不随中继个数的增加而改变，此时中继只是起到了一个主动散射体的作用，它可以 缓解由于空问散射不充分所造成的信道相关性过强的问题。 除了对中继信道容量的分析，中继策略与协议，m i m o 。o f d m 系统下的协作中继方案及其各种 动态资源分配、基于不同业务的q o s 的联合调度问题等，也得到深入研究，并得出了很多有价值的 结论。a s e n d o n a r i s i m l 和j n l a n e m a n l l l l 提出了放大中继模式( a m p l i f y a n d f o r w a r d , a f ) 和解码中 继模式( d e c o d e a n d - f o r w a r d ，d f ) 两大经典工作模式，其中a f 模式设计简单，易于实现，但中继在 接收放大转发有效信号的同时也放大了噪声和干扰信号，影响了系统性能。d f 模式中中继解码接 收信号，消除干扰和噪声后，重新编码发送，很好地抑制了前向信道的干扰与噪声的放大传递，但 其设计复杂，且中继处理时间长，传输时延增大，也会影响系统的性能。随后j a s t c 佃l o 、r 【1 2 1 和 m j a n a n i l l 3 j 提出了编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 中继模式。它通过空时编码充分利用空间、时 间资源，提高系统性能，同时简化中继节点的设计。以上三种中继工作模式各有优缺点，为了发挥 它们的优势，中继节点可同时配置多种工作模式，根据实际场景及用户反馈信息决定采用何种工作 模式，使得在完成通信的前提下，最优化中继系统性能。同时中继网络的动态资源分配及基于不同 业务和q o s 的调度方法的研究也在进行，x i n m i nd e n g p 4 和j i a n g h o n gl u o 】提出了协作中继网络的 功率分配方案。 综合以上中继相关的多方面研究。可得出以下结论：中继技术在扩展覆盖、提高容量、改善小 区边缘频谱利用率、消除盲区、降低网络建设及维护成本、自回程传输( s e l fb a c k h a u l i n g ) 、灵活部 署这几方面都有其用武之地。已有文献表明中继增强型小区可避免出现通信质量过差的区域，同时。 基站可以动态地为多中继分配资源，通过中继优化调度，平衡小区内局部区域过重的通信负载，小 区的平均吞吐量还会获得提升 正是由于中继技术多方面的优越性，其引起了通信标准组织的注意，欧盟的w i n n e r 计划和 i e e e9 0 2 1 6 j 标准都提议将中继技术作为下一代通信系统( 4 g ) 的主要技术之一。并提出了各自的 中继增强型通信系统方案本论文的主要工作就是以新型的中继增强型蜂窝系统为背景，分析该系 3 m 自 # * ! 统的阿络缎性能( p 响删e a n a l y s i s ) ，同时研究并提出适合 袤系统的新型调度( s c h c d u l i n g ) 算法。 1 2 0 新型中继增强型蜂窝网络 作为中继技术的载体一一中继增强型通信网络其拓扑建模是所有中继技术研究的基础。最初， 中继大多应用在无线传感器网络中完成多眺通信其t 1 1 1 继节点只是移动用户在不处理业务时担任 的另一种角色。 f ! - r c i a y l i n k 1 e 一“n k 圈l2 - i 乡村( u r b a na r e a ) 场景f 的中继增强网络配置 十# ，a * * * a 中继增强型系统小区 留i2 2 曼哈顿( ma r 】h a t t a na r e a ) 场景f 的中继增强同络配黄 y a n i k o m c r o g l u 在文献。q 。q 中提出建立一种中继增强的多跳蜂窝通信系统辅助每跳通信的中继 4 j、|0、， 一：i 一警一宁生 第l 章绪论 站位于以基站为中心，不同固定距离为半径的环带上。欧盟的w i n n e r 计划在文献中提出了独立 设计中继节点，及在乡村场景( u r b a na r e a ) 、曼哈顿场景( m a n h a t t a na r e a ) 和室内场景( l o c a la r e a ) 下的中继增强型蜂窝网络拓扑结构( 如图1 2 1 ，1 2 2 ，1 2 3 ) 中继蚺节点一雉站节点 刖懒 i 房间 国p 房问 囝。 房问 l 囝 a 走廊 含 1 r1r 房r h j 囝 囝 彩 房m 囝 房问 囝 房m 囝 留么叁 走廊 1 ，1 r 房伽l 房问 囝 房叠j o 图1 2 3 室内( l o c a la r e a ) 场景下的中继增强网络配置 不同的场景中小区结构不同，中继、基站的覆盖区域都有所不同，但增加中继后小区的通信质 量均有明显改善，在第5 章中本论文借助o p n e t 网络仿真软件，依据特殊的小区模型配置中继， 措建中继增强型蜂窝小区的整体网络级仿真平台。通过系统仿真，从小区整体、各个用户业务量， 通信时延等方面较全面地分析中继增强型小区的性能。 同时，为了完成对新型中继增强型蜂窝小区下的新调度算法研究，图1 2 - 4 建立一个单小区的多 中继增强型小区，其中六个中继均匀分布在中心基站与六边形网络的六个顶角连线，l l p , j , 区2 r 3 处 偎为小区半径) 图1 2 4 单小区六中继增强型蜂窝小区 5 东南大学硕士学位论文 1 3 多用户调度算法 1 3 1 多用户调度研究进展 之所以出现调度问题根源在于对资源的争用以平坦衰落信道为例，在多用户系统中，基站到 用户之间的衰落信道是独立随机波动的调度的目标就是使得那些瞬时信道增益接近峰值状态的用 户获得基站当前的服务，而数据业务对有限时延的不敏感性使得这种调度成为可能 1 9 9 7 年，l u 和b h a r g h a v a 等人主要研究了无线网络环境中链路突发错误对调度算法的影响，他 们提出了无线环境下的理想公平调度算法( i d e a l i z e d w i r e l e s sf a i r q u e u i n g i w f q ) i v q 在其论文中， 作者指出无线链路突发错误会导致有线网络中设计的调度算法在无线环境中应用时的失效因为有 些处于积压状态的业务流即使根据公平调度( w i r e l e s sf a i rq u e u i n g ，w f q ： 等算法的调度结果获得 了发送机会也会由于链路失效而将发送机会转让给其他的业务流，从而导致公平性无法保证为了 保证公平性，就需要对发生链路突发错误的业务流在其恢复正常传输时对之进行补偿。但是i 、f q 的补偿过程并不科学，会引起所谓的隔离性问题s t i o i c a 和z h a n g 等人提出了c n ：- q ( c h a n n e l - c o n d i t i o ni n d e p e n d e n tp a c k e tf a i rq u e u i n g ) i l 引算法，该算法的补偿模型比i w f q 更加合理， 能够使得补偿行为更加平滑，从而提高了算法对业务流之间调度的隔离度。r a m a n a t h a n 等人提出的 s b f a ( s e r v e rb a s e df a i ra p p r o a c h ) 1 1 9 】调度算法从另外的角度提供了对差错流的补偿机制算法维 护了业务流之间的长时公平性。但是对业务流不提供短时的公平性保证，也没有最坏情况下的时延 界针对i w f q 的缺点和在无线网络上传输时延敏感型业务的需求。l u 和b h a r g h a v a 等人又提出一 种新的算法一w 下s ( w i r e l e s s f a i rs e r v i c e ) 1 2 们。在w f s 中，减少了时延对带宽的要求，同时实现了 长时公平性和短时公平性的保证，此外，w f s 算法具有较好的隔离性，实现了超前服务量的良好降 级性能 这些研究开创了无线调度算法的研究局面，但是对于无线环境的考虑仅仅局限于突发链路错误 的影响，相对简单1 9 9 9 年，c a s i m i r o 等人研究了自适应调制系统的分组调度问题，考察了轮询和 最大信噪比这两种简单的调度算法下系统吞吐量的变化【2 。在2 0 0 0 年，q u a l c o m m 公司的j a l a l i 等 人在h d r 系统中提到了他们针对i - i d r 系统所设计的比例公平( p r o p o r t i o n a lf a i r ) 调度算法l 埘值 得一提的是。这些算法虽然比较简单，但是将无线调度的目标从公平性、时延等传统性能需求扩展 到了对无线资源进行优化的新视角，开拓了调度算法的一个新的研究领域。 同时，近年出现的中继增强型蜂窝系统向传统的调度算法提出了挑战，由于中继节点的加入， 基站与用户的通信可以选择性地一跳完成或者两跳完成，如何有效地调度用户，调度空域、时域、 频域三维资源，使系统容量达到最优的同时兼顾到各个用户的公平性( f a i r n e s s ) 成为新型调度算法 的热点由于此类调度算法很少，本论文在第3 章做了详细研究，并提出了几种新型的调度算法。 1 3 2 多用户调度的概念 调度是一个与时间顺序相关的概念最经典的调度算法希望解决的是在多个用户争抢资源时， 如何确定一种服务次序 广义上的调度可以跨越时间概念而泛指对任务、工作，资源等进行适当分配和规划来满足预定 目标。调度有六大要素：调度者、调度目标、被调度对象、调度规则、调度代价和调度结果。调度 6 第l 章绪论 规则。也就是调度算法或调度机制，是连接其余五个要素的纽带。调度者通过一定的调度算法对被 调度对象进行控制以求满足特定的调度目标。作为一种控制行为。在实际系统中，调度过程总需 要付出一定的代价( 如系统资源损失，计算复杂度过大等) ，即调度代价，而最终的调度结果也往往 和调度目标有一定的差异。 通常为了获取一个可以接受的调度结果，往往需要在调度代价和调度目标之间形成折衷 ( n a d e o f f ) ，因此，调度问题也往往可以转化为优化问题，特别的，当被调度对象和调度代价的行为 呈现出随机时变特性的时候，这种优化问题将转化成一个动态规划问题 分组通信中，为了获得统计复用增益。需要多个业务流共享资源，同时发送所以会出现业务 流的分组调度问题。物理上，分组通信系统中的队列调度主要发生在交换节点( 复用器、交换机或 路由器) 。调度者可以看作是这些节点本身，或者是驻留在其中的一段指令，被调度对象为存放在队 列中的隶属于不同业务流的分组，这些业务流通常有着不同的业务属性和对服务质量的要求。调度 目标通常就是保证这些业务的服务质量和各个业务直接享受服务的公平性，调度代价是计算的复杂 度和缓存区的资源占用情况。而调度结果就是经过调度算法控制之后，各个业务流实际所获得的服 务质量。 1 3 3 无线系统中多用户调度特点 a 可变性， 无线网络与有线网络的一大不同就是传输信道的可变性。在无线网络中，无线通信系统需要考虑 信道干扰，小尺度、大尺度阴影衰落的影响。有时在严重的错误突发状态期间，由于恶劣的信道质 量而导致根本无法成功传输，因此，无线信道的容量有较大的可变性除了时间依赖性外，无线信 道的容量需考虑用户位置，在每一个具体的时间点，蜂窝网络的基站可以同时与一个以上的移动台 通信。此时由于移动台所处位置不同，有些移动台可以与基站进行通信另外，移动台的移动性也 增加了传输信道的时变性。因此，无线通信系统中的调度算法需要考虑传输信道依赖于时间和位置 的可变性。 b 频带利用的有效性： 由于无线信道资源宝贵，调度算法必须有效利用无线信道，这就意味着调度器不应该给当前正处 在恶劣信道下的用户分配传输资源，一个有效的无线通信系统中的调度算法i i 标应该最大化无线通 信系统的利用率和服务的有效性最小化错误链路上的无效传输 c 公平性 调度算法要保证资源分配的公平性，使得恶劣信道下的用户也有机会享用资源。 d 反馈率 反馈率过大会使得基站接收大量数据，增加基站调度的复杂度。选择有效的信息进行反馈，可以 减轻反馈链路以及基站的负担。 e 实现的复杂度 在高速网络中，调度决策需非常迅速，以便可以高速执行，因此需要的是低复杂度的算法。这样 对时间要求苛刻的实时多媒体业务也能有效调度。 f 稳定性 7 东南大学硕士学位论文 当小区内用户数增多，共享信道的子信道数增加时，算法依然能够有效地工作 g 功率消耗 调度算法应当考虑延长移动台电池时间的需求。蜂窝无线网络的调度算法一般运行于基站，因此 电源消耗在设计中不是很值得关心然而移动台的电源是有限的，一个好的调度算法的设计应该与 最小化与调度有关的控制消息数，比