（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中的信道资源调度与分配技术研究.pdf

鼎燃 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。 期：盟量谚 摘要 摘要 无线网络中的信道资源调度技术，是指在网络数据到达的节点处，对到达的 各种业务的数据包进行排队、分配网络无线资源，如信道码、时隙和频率等，以 最大限度地提高无线网络资源的利用率，满足多个用户所需的服务质量。信道资 源分配技术，也以提高系统容量和资源利用效率为目标，包括系统容量分析，如 同时支持的语音业务、数据业务的数目等；信道容量分析，如能够支持同时接入 的用户数目、能够支持的业务速率等；业务信道类型选择方法，如公共信道和专 用信道的选用等。 论文首先对无线调度算法的调度模型和设计准则进行了说明，在介绍无线调 度算法基本原理和调度流程的基础上，分析了三类无线调度算法的优缺点，并给 出了调度算法的研究方向。 本文第三章，对参考文献中提出的几类适合b 3 g 系统的无线分组调度算法， 包括轮询调度、最大载干比调度、t b l b + c ，i 调度和m l w d f 调度，通过仿真比 较算法的性能。此外，还针对m i m o 系统，对于结合了功率分配技术的调度算 法性能进行了分析和比较。 第四章介绍了u m t s 系统中的无线链路控制协议在o p n e t 仿真平台上的实 现。在该仿真平台上，针对t f p 业务，采用r l c 的默认参考配置，仿真、比较了 r l c 协议在不同服务速率条件下的性能；同时分析了各配置参数的动态变化对上 层业务及系统性能的影响。 第五章描述了b 3 g 系统的软件组成及联合调试过程，同时重点说明了p p p 协议的组成与链路参数的协商过程，以及p p p 在b 3 g 系统中完成的数据业务汇 聚功能。 最后，在第六章对全文进行了总结，回顾了b 3 g 系统中的无线分组调度算 法以及3 g 无线链路控制协议，并探讨了在这一领域可进一步研究的思路和方向。 关键词：信道资源调度技术，信道资源分配技术，b 3 g ，轮询调度，最大载干比 调度，t b l b + c ，i 调度，m l w d f 调度，m i m o 系统，功率分配技术，3 g ，无线 链路控制协议，p p p 协议 a b s t r a c t a b s t r a c t c h a n n e ir e s o u r c es c h e d u i e ri nw i r e i e s sn e t w o r ki su s e dt oq u e u ev ar o u s k i n d so fd a t ap a c k e t s ，a o c a t ew j r e i e s sr e s o u r c e ，e g c h a n n e ic o d e s ，t i m e s i o t sa n df r e q u e n c y ，a n d r n p r o v et h eu t i i z a t i o ne f f i c i e n c yo fw i r e i e s sr e s o u r c e s oa st os a t i s f yk i n d so fu s e r ss e n ，i c ed e m a n d a n dt h eo b j e c to ft h ec h a n n e i r e s o u r c ea o c a “o ni st oi m p r o v et h es y s t e mc a p a c 时a n dm a k eg o o du s eo f t h es y s t e mr e s o u r c e s ，w h i c hi n c i u d es y s t e mc a p a c i t ya n a i y s i s ，s u c ha st h e n u m b e r0 fs u p p o r t e dv o i c ea n dd a t as e r v i c e ，c h a n n e lc a p a c i t ya n a l y s i s ，s u c h a st h en u m b e ro ft h ea c c e s ss u b s c r i b e r sa n dt h es u p p o r t e ds e r v i c er a t ea s w e a st h em e t h o d st os e l e c tt h ea p p r o pr a t ec h a n n e l s ，s u c ha st h ep u b i c c h a n n e io rt h ed e d i c a t e dc h a n n e l 。e t c f i r s t ，t h es c h e d u l e rm o d e la n dt h ed e s i g nm e t h o df o rt h ew r e i e s s s c h e d u i i n ga 1 9 0r i t h ma r e i u s t r a f e d t h e nb a s e do nt h eb a s i cs c h e d u i i n g pr n c i p i ea n df i o w s ，d i 仟e r e n tt y p e so fs c h e d u l i n ga l g o r t h m sa r ea n a l y z e d i nc h a p t e r3o ft h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep e _ 0 r m a n c eo fs o m ew i r e i e s sp a c k e t s c h e d u i n ga l g o r t h m sw h i c ha r es u i t a b l ef o rt h eb 3 gs y s t e m ，w h i c hi n c i u d e r o u n dr o b i n ，p u r ec l ，t b l b + c la n dm l w d f la r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d i n a d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h em i m os y s t e m ，t h es c h e d u i i n ga i g or t h m sc o m b i n e d w t ht h ep o w e rd i s t r j b u “o nm e c h a n j s ma r ea i s oa n a l y z e da n dc o m p a r e d i nc h a p t e r4 ，t h er l cp r o t o c o lf o ru m t su p o no p n e ts i m u l a t i o np i a t f o r m i s r n p l e m e n t e d u p o nl h j sp i a t f o r m ，t h ep e r l _ o r m a n c eo ft h er l cp r o t o c o if b r d i 仟e r e n ts e r 、，i c er a t e sj sa n a i y z e da n dc o m p a r e da c c o r d i n gt ot h ed e f a u i ta n d v a r y j n gc o n f i g u r a t j o n s i nc h a p t e r5 ，t h ep r o c e s st od e b u gt h eb 3 gs y s t e ms o f t w a r ei sd e s cr b e d t h e nt h ec o m p o s i t i o na n dt h ep a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o nf 6 rp p pa r eaj s o i n t r o d u c e d 1 na d d i t i o n ，b a s e do nt h ev x w o r k sr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，t h e p p pt of u i f i t h ec o n v e r g e n c ei a y e rf u n c t i o ni sc o n s ”u c t e di nt h eb 3 gs y s t e m f o rd a t as e r v i c e ui a s t ，i nc h a p t e r6 ，t h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m ar z e d t h ew i r e l e s sp a c k e t s c h e d u i i n ga i g o r t h mf b rb 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h er l cp r o t o c o if o r 3 ga r er e v i e w e d a n dt h e nt h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h e s et w of i e i d si sa l s 0 d i s c u s s e d k e yw o r d ：c h a n n e lr e s o u r c es c h e d u l i n g a l i o c a t i o n ，b 3 g ，r o u n dr o b i n ，p u r e c ，i ，t b l b + c ，i ，m l _ w df ，m l m os y s t e m ，p o w e rd i s tr b u t i o n ，3 g ，r l c ，p p p i i 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i e jj 录i i i 第一章绪论。l 1 1 移动通信系统的发展l 1 ，2 无线资源管理技术介绍。4 1 3 全文内容安排。6 第二章无线网络中的调度算法7 2 1 无线网络的调度模型。7 2 1 1 无线网络模型7 2 1 2 无线链路模型7 2 2 无线调度技术的设计准则8 2 2 1 无线链路变化率8 2 2 2 公平性8 2 2 3q o s 8 2 2 4 业务吞吐量和信道利用率8 2 2 5 功率限制和复杂度9 2 3 无线网络调度算法的分类。9 2 3 1 基于信道状态的无线调度算法9 2 3 2 基于理想公平排队的无线调度算法一l l 2 3 3 基于补偿的无线调度算法1 4 2 3 4 无线网络调度算法性能比较1 7 2 4 无线调度算法的设计目标及发展趋势18 2 4 1 无线分组调度算法的设计目标1 8 2 4 2 无线网络调度算法的发展趋势。1 8 第三章b 3 g 系统中调度技术的仿真分析1 9 3 1 典型调度算法仿真1 9 3 1 1 轮询( r o 哪dr o b m ) 算法：1 9 3 1 2 最大c i ( p u r ec i ) 算法2 0 3 2 结合业务和信道特征的调度算法仿真2 0 3 2 1t b l b + c i 算法2 0 3 2 2m l w d f 算法2 0 3 3 仿真结果分析和比较2 1 3 3 1 数据业务模型2 l 3 3 2 无线信道模型2 2 3 3 3 仿真结果和分析2 2 3 4m i m o 系统中结合功率分配的调度算法仿真2 4 i i i 目录 3 4 1 系统模型2 4 3 4 2 调度技术和功率分配2 5 3 4 3 调度和功率分配技术的结合2 6 3 4 4 仿真结果。2 7 第四章r l c 协议介绍及仿真性能分析2 9 4 1 引言2 9 4 2r l c 功能和配置参数分析3 0 4 2 1r l c 功能实现3 0 4 2 2 协议参数和缓存队列3 1 4 2 3 发送端的状态变量和操作3 l 4 2 4 接收端的状态变量及操作3 4 4 2 5t t i 操作3 5 4 3 默认配置条件下的系统性能比较3 6 4 3 1 仿真平台介绍。3 6 4 3 2 仿真场景和仿真参数。3 6 4 3 3 主要仿真输出统计量说明3 8 4 3 4 仿真结果3 8 4 4 配置参数的变化对系统性能的影响3 9 4 4 1 系统性能与r l cm a x d a t 及b l e r 关系4 0 4 。4 2 系统性能与r l c 接收发送窗口关系4 2 4 4 3 系统性能与p o l lt i l l l e r 关系4 4 4 4 4 系统性能与p o np r o h i b i tt i i t l e r 关系4 7 4 4 5 系统性能与s t a t i l sp r o h i b i tt i m e r 关系4 9 4 4 6 总结5 2 第五章b 3 g 系统软件联试及p p p 协议实现5 3 5 1f u t u r e 系统软件联试5 3 5 1 1g m c t d d x d m a 系统简介5 3 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是当今通信领域内最活跃、发展最为迅速的领域之一，它使得人类的通信 摆脱了时间、地点和对象的束缚，极大地改善了人类的生活质量，加快了社会发展的进 程。随着人们对不同信息需求的增长，现代移动通信系统正从单纯的语言传输发展到语 言与文字图像的结合，以及无线接入因特网。当今社会已经进入一个通信与因特网相融 合的无线多媒体时代。本章在回顾移动通信发展历史的基础上，简要介绍了无线资源管 理技术及其在移动通信中的作用，和全文的内容安排。 1 1 移动通信系统的发展 回顾移动通信的发展，几乎每十年就会诞生新的无线技术来提高移动通信系统的容 量和性能。 1 9 7 1 年贝尔实验室在技术报告中论证了蜂窝系统的可行性之后，各国都对蜂窝移动 通信系统进行了深入的研究。1 9 7 6 年，日本提出“陆上移动电话系统( l m t s ) ”，1 9 7 9 年 美国研制成功“高级移动电话系统( a m p s ) ”，英国在对各国移动通信体制作了详细研究 后，于1 9 8 3 年在美国f c c 标准基础上，制定了自己的“全接入通信系统( t a c s ) ”体制， 所有这些系统传输和处理的都是模拟信号。这些系统都采用频分复用的无线接入方式， 其信道带宽大约为2 5 k h z 3 0 k h z 。这种模拟蜂窝系统即第一代( 蜂窝移动通信) 系统。 但是模拟系统的频谱利用率低，保密性差，且提供的业务比较单一，难以适应用户 的数字业务需求，因此，走向数字化是移动通信发展的必然趋势。8 0 年代欧洲率先提 出了g s m 数字移动通信系统，它很快就被多国商用，并成为现有数字系统中规模最大 的网络；在欧洲之后，美国、日本也相继推出自己的数字系统，如d a m p s ，d p g 等。 由于数字系统相对模拟系统具有很明显的优越性，它的发展极为迅速，并保持着迅速发 展的趋势。上述数字移动通信系统被称为第二代系统，它们采用了时分复用的多址接入 方式，信道带宽从2 5 k h z 一2 0 0 k h z 。1 9 9 0 年，美国高通( q u a i c o m m ) 又提出了码分多址 ( c d m a ) 无线接入的蜂窝系统，即i s 一9 5 ，它的信道带宽达到1 2 5 m h z ，远高于其它2 g 系统。现在各国的移动通信系统主要是第二代的数字移动系统，为满足人们对不同信息 形式的需求，2 g 系统也由最初单纯的语音通信转移到提供语音、图像、文字等综合信 息的传输，并能无线接入因特网。 在发展第二代移动通信系统时，各国根据自己的情况发展各自的系统，以致多种体 制不能互相兼容，难以实现全球漫游，并且各个系统主要是为语音业务设计的。虽然能 够提供一些辅助业务，但远远不能满足多媒体通信的需要。便携式计算机的迅猛发展使 得人们对移动业务的需求迅速增长，因特网的普及使得交互式的多媒体数据业务在未来 的通信系统中占有重要的地位，人们要求移动通信系统具备固定网络的高质量、高带宽 东南大学硕士学位论文 性的特点，蜂窝网将成为综合业务数据网，信息传输速率达到1 4 4 k b ，s ，甚至2 m b s 。 而这些业务靠现有的无线通信系统是难以达到的。虽然在原有9 0 0 m h z 频段的基础上增 加了侣0 0 m h z 频段，但只能解决容量问题，不能解决数据速率问题。即使出现了一些 改进的系统，如g p r s ，e d g e 等，也不能从根本上解决这些问题。所有这些意味着必 须突破现有的网络，建设更为完善的第三代移动通信的蜂窝网，达到传输宽带化、多媒 体和构成i s d n 的目标。 第三代移动通信系统的概念是i t u 在19 8 5 年提出的，当时命名为“未来陆上公用系 统”( i m t - 2 0 0 0 ) ，意味着该系统工作于2 0 0 0 m h z 频段，能够支持高达2 m b ，s 的业务。第 三代移动通信系统除了解决第二代存在的问题外，还要满足人们不断增长的对数据传输 能力的要求。因此，希望第三代系统能实现下列目标： ( 1 ) 统一的全球标准：即便不能形成统一的全球标准，也要实现标准的兼容，从而 实现无缝覆盖和全球漫游。第二代移动通信系统为区域或国家标准，而第三代移动通信 系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。 ( 2 ) 具备多媒体传输能力：现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，g s m 演 进到最高阶段e d g e 速率为3 8 4 k b ，s 。而第三代移动通信的业务支持能力将比第二代有 明显的改进。它应能支持从语言到分组数据到多媒体业务；应根据业务需求，提供带宽。 i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求必须满足以下三个环境的三种要 求：快速移动环境，最高速率为1 4 4 k b ，s ；室外到室内或步行环境，最高速度3 8 4 k b s ； 室内环境，最高速率达到2 m b ，s 。 ( 3 ) 更好的传输质量，达到或接近有线传输的质量。 ( 4 ) 更好的频谱效率：通过软切换、快速精确的功率控制、相干检测、智能天线系 统等新技术的应用，提高系统的频谱效率。 此外，还要求具有更长的电池使用寿命，更好的保密性等等。 现在，第三代移动通信系统的标准化过程已基本完成，正在向商用化进军。3 g 系 统采用了宽带直接序列扩频的频分多址( c d m a ) 无线接入技术，并在其系统中使用多种 先进的信号处理技术。3 g 系统如图1 1 所示，它的核心网是由g s m 系统的核心网： m a p 和a m p s ，i s 一9 5 的核心网a n s i 一4 1 的基础上发展而来的，其空中接口和相应的 2 g 系统后向兼容。它的三种工作模式为：单载波频分双工、多载波频分双工和时分双 工方式。 ；搦改进的g s m 7 ，jz j ? 一? j “。矽9 “! ： i 锄落。簦磊磁磁乞k 统 幺谚磁二 图1 13 g 系统空中接口选择方案 2 一一一一一|i一一 第一覃绪论 第四代移动通信标准将在2 0 1 0 年前后出台。4 g 的一个主要目标是提供移动用户广 带的多媒体业务，是其能充分利用基于固定网络的下一代因特网技术。 相比2 g 系统，3 g 系统有更高的数据传输能力且可以更有效地处理t c p ，i p 数据业 务，然而3 g 的核心网是由2 g 系统演进而来，所以它不是处理t c p ，i p 业务的最优系 统。3 g 的数据传输速率也无力处理众多包含大量图像的信息。通信的不断发展，使得 需要建立能最优地传输t c p ，l p 业务，完全不同于2 g 、3 g 无线网络结构的新系统。 图1 2 给出了4 g 系统的概念性格局。其中的无线部分接近一个无线局域网，同时 又具有类似2 g 、3 g 系统的移动管理功能。移动系统要具有多种呼叫功能和一个分布式 数据库，并能快速稳定地建立连接。这些功能都将嵌入基于t c p i p 的核心网。如何保 障q o s 和减少等待时间仍是主要的技术难题。 图1 2 基于t c p ，i p 的4 g 系统的概念性格局 对于4 g 系统的无线部分，无线因特网接入是其核心。t c p ，i p 业务的无线传输、广 带的随机多址接入以及前向与反向链路中显著的非对成传输量，这些问题都需要研究一 种有效的无线随机多址接入技术。 4 g 的频带很可能达到5 g h z 以上，由于传输路径的损耗与载波频率成正比，这势 必造成很大的路径损耗。系统的无线信道不仅是干扰受限，还是严重的功率受限。因此， 4 g 系统需要采用微微小区甚至毫微小区结构，并且应采用自适应的天线阵，它将在功 率控制方面起关键作用。但在微微，毫微小区中，信道周围的微观环境对信道的统计特性 影响很大，相邻小区之间的变化很显著，这使得4 g 系统很难实现大面积的覆盖，而仅 覆盖传输高速多媒体业务流的地区。鉴于此，4 g 系统不应该用依赖信道统计特性的蜂 窝概念来设计。有一种是基于a dh o c 无线网的思想来设计4 g 系统，这样，基站在传 输t c p ，i p 数据流时，动态地配置所需的基站，就如同现在固定网中的因特网结构。 由于a dh o c 无线网络中的基站无法覆盖所有地区，它与3 g 蜂窝网络的合作成为必 然。4 g 的网络将是在原3 g 网络的基础上，在诸如商业中心，机场等地区叠加上a dh o c 网。这样，不同网络间的交互移动管理显得甚为重要。它要求同一台手机既可接入3 g 系统又可接入4 g 系统。 4 g 系统的另一个特点是基站不必发射和接收功率皆备。可以分布许多接收站以减 不雨大掌砍士学位论文 少移动台的发射功率，大功率的发射基站可与3 g 的基站协同定位。这一特点对非实时 的t c p ，l p 数据流传输是很适用的。 在4 g 系统中，对于上、下行传输数据流量存在显著差距的问题，可通过在上、下 行采用不同的无线接入方式来解决。混合随机接入技术是一种很有前景的技术，4 g 系 统可能会采用两种形式的m c m ：多载波码分多址( m c c d m a ) 和正交频分复用时分多址 ( o f d m t d m a ) 。由于上、下行链路的带宽可不同，时分( t d d ) 方式比频分方式( f d d ) 更适宜。另一种颇具前景的方案是采用自适应的传输方式，根据不同信道的状况，把较 高的流量分配给较好的信道。可重发的随机接入技术很容易地实现这一点，但必须保证 最低的流量。 如果移动通信网只支持语音业务，那么只要合理地进行网络规划，就能保证语音业 务的正常进行，而在支持多媒体业务的第三代和第四代通信系统中，不同服务种类和服 务质量要求的业务混在一起，这就需要先进的无线资源管理算法来保障服务质量并达到 最大的系统资源利用率。 1 2 无线资源管理技术介绍 无线资源管理( r r m ) 主要负责对系统可以使用的所有无线资源进行分配和管理，其 核心问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。移动通信系统中的无线资 源主要包括以下几个方面：码字、功率、时隙和频率。无线资源管理所具有的功能都是 以无线资源的分配和调整为基础展开的。无线资源管理主要包括：功率控制、信道分配、 调度技术、切换技术、呼叫准入控制和拥塞控制等，图1 3 描述了基站中无线资源管理 算法的基本模型。 一：由资源估计器对无线贤源臂理算法的控制：用尸的业务沉和相_ 匝信恳 图1 3 基站中无线资源管理算法的基本模型 ( 1 ) 功率控制 在移动通信系统中，近地强信号抑制远地弱信号产生“远近效应”。系统的信道容量 主要受限于其他系统的同频干扰或系统内其他用户干扰。 c d m a 系统中的功率控制技术包含开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。 开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量 4 第一章绪论 接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用户的初始发射 功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。闭环功率控制通过对接收功率的测 量及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信 息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过接收误帧率 的计算，确定闭环功率控制所需的信噪比门限。 ( 2 ) 信道分配技术 在现代蜂窝网络中。随着用户密度的增加，信道分配对网络容量直接起着至关重要的 作用。信道可以是多重含义：在f d m a 中，指频率或无线载波；在t d m a 中，指时隙； 在c d m a 中，指正交码或p n 码( c o d e ) 。而信道分配本身的范畴为其中的任何一种或两种 以上的合成。目前有三种分配方式，即固定信道分配( f c a ) 、动态信道分配( d c a ) 和随 机信道分配( r c a ) 。 ( 3 ) 调度技术 分组调度功能是在分组用户之间共享可用的空中接口资源。分组调度器一般位于 基站内，在这里可以有效地给多个小区执行调度，同时考虑软切换连接。如果负载超过 目标值，分组调度通过降低分组承载业务的比特速率来减少负载；如果负载小于目标值， 它可以通过分配更多的数据增加负载。分组调度器也是网络负载控制的一部分，因为它 可以增加或减少网络负载。 ( 4 ) 切换技术 切换技术是指移动用户终端在通话过程中从一个基站覆盖区内移动到另一个基站覆 盖区内或者脱离一个移动交换中心( m s c ) 的服务区进入另一个m s c 服务区内，以维持移 动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高蜂窝移动通信系统的容量和q o s 。切换技 术一般分为硬切换、软切换、更软切换、频率间切换和系统间切换。切换技术主要是以 网络信息信号质量的好坏、用户的移动速度等信息作为参考来判断是否应执行切换操 作。除了以上给出的切换技术以外，切换技术还可以基于信道借用或用户位置进行切换。 ( 5 ) 呼叫准入控制 呼叫准入控制过程根据新连接对现有连接干扰( 或容量) 的增加，决定允许或拒绝新 的连接。准入控制原理利用了负载参数，以及承载请求建立将在无线网络中引起的负载 增长估计。准入控制实体位于基站中，准入算法必须对上下两个方向进行评估，请求的 承载仅当上、下链路的准入控制均接收它才可被接纳，否则由于它会在网络中产生过量 的干扰而将它拒绝。准入控制的限制条件由无线规划来设置。 ( 6 ) 拥塞控制 无线资源管理功能体的一个重要任务是确保系统不过载并维持稳定。如果系统进行 了恰当的规划，并且准入控制技术和调度技术工作得足够好，则可以排除拥塞的情形。 但是如果遇到拥塞，则拥塞控制可以将系统迅速并且可控地回到无线网络规划所定义的 目标负载值。 东南大学硕士学位论文 1 3 全文内容安排 本文首先研究了无线通信系统中的不同分组调度方法，并分别对典型调度算法、结 合信道状态和业务特性的调度算法在b 3 g 系统中进行了仿真比较；然后，针对3 g 系 统中的无线链路控制协议，研究了各信道资源配置参数的变化对系统性能的影响；最后， 介绍了b 3 g 系统软件的调试过程以及p p p 协议在b 3 g 系统中的实现。内容安排如下： 第二章对各种无线调度算法进行分类。已有的无线调度算法可以分为三大类： 1 基于信道状态的调度算法。 2 基于理想无线公平排队的调度算法。 3 基于补偿的调度算法。 在介绍这三类无线调度算法的基本原理和调度流程的基础上，分析了这三类调度算 法的优缺点，并给出了调度算法的发展方向。 第三章介绍了参考文献中提出的几类适合b 3 g 系统的无线分组调度算法，包括轮询 调度、最大载干比调度、t b l b + c ，i 调度和m l w d f 调度，并通过仿真比较上述算法的 性能。此外，还针对m i m o 系统，对于结合了功率分配技术的调度算法性能进行了分析 和比较。 第四章介绍了3 g 系统的无线链路控制协议在o p n e t 仿真平台上的实现。在该仿真 平台上，针对t f p 业务，采用r l c 的默认参考配置，仿真、比较了r l c 协议在不同服务 速率条件下的性能；同时分析了各配置参数的动态变化对上层业务性能的影响。分析、 比较的内容包括：1 ) 不同b l e r 条件下，上层s d u 差错率与r l c 最大重传次数的关系； 2 ) 不同b l e r 条件下，上层s d u 传输延迟与r l c 最大重传次数的关系；3 ) 不同b l e r 条 件下，上层业务吞吐率与r l c 发送，接收窗口大小的关系；4 ) 不同b l e r 条件下，轮询机 制、状态报告配置策略对上层业务延迟、吞吐率和错误概率的影响，以及引起的反向数 据带宽占用波动情况等。 第五章描述了b 3 g 系统软件功能模块、系统任务构成及联合调试过程，同时着重说 明p p p 协议的组成与链路参数的协商过程，以及在b 3 g 系统中完成的数据业务汇聚功 能。 最后，在第六章对全文进行了总结，回顾了b 3 g 系统中的无线分组调度算法、3 g 无线链路控制协议以及对b 3 g 系统软件的进一步完善，并探讨了在这一领域可进一步 研究的思路和方向。 6 链路带宽。 在无线网络中，调度技术的作用与有线网路相同，但由于无线网络不同于有线网络 的一些性质，也使得无线网络具有一些不同于有线分组调度的特点。很多调度算法可以 满足有线传输的特定q o s 要求，例如公平排队调度，虚拟时钟调度，和e d d 等。但由于 这些算法没有考虑无线链路的容量变化和信道状态，因此它们不能直接应用于无线网络 调度。 与有线网络比较，无线网络通信主要有下列一些新特剧1 】：1 ) 高错误率和突发错误； 2 ) 与位置相关的时变无线链路容量；3 ) 稀缺的带宽资源；4 ) 用户的移动性；5 ) 移动终端 的功率限制。因此为无线网络研究、开发有效的调度算法，需要对有线调度算法进行相 应的改进。 有线网络调度算法的设计目标通常只是提供用户公平性和业务的端到端时延保障， 而无线网络调度算法的设计目标不局限于用户公平性和业务端到端时延保障，还要考虑 无线系统吞吐量的改善。 2 1 无线网络的调度模型 2 1 1 无线网络模型 对于蜂窝结构的无线网络，服务区域被划分为单独的蜂窝小区，并且每个蜂窝小区 中都有基站。在小区中，用户之间通过基站相互通信，而基站之间通过有线网络进行连 接。移动主机和基站之间的通信可以占用多个业务流。基站负责调度上行和下行链路分 组数据包的传输。由于所有的下行分组数据包都在基站中排队，因此，基站有足够的下 行数据包队列状态信息。对于上行链路的数据包传输，如果必要的话，移动主机需要向 基站报告发送请求和队列状态。基站根据终端的请求和其它相关信息进行调度。 2 1 2 无线链路模型 基站和所有移动用户间的无线链路彼此独立。无线链路具有发生突发错误的特性。 使用2 态马尔科夫信道模型就能近似表示无线链路的状态，信道将在两个状态之间切换： 7 东南大学硕士学位论文 好的链路状态( 无错状态) 和差的链路状态( 有错状态) 。在好的链路状态时，可以认为无 线链路是没有错误的，这时就可以采用有线网络中的调度算法；在差的链路状态时，链 路上传输的分组包会出现很高的错误率，可以采用延迟数据包传输的方法，等待链路状 态恢复，同时也可以采用纠错编码技术。在两种链路状态下对数据包的不同处理方式， 体现了各种无线调度算法的设计思想。 2 2 无线调度技术的设计准则 2 2 1 无线链路变化率 无线网络和有线网络的最大区别是传输信道的变化率。无线链路的信道容量变化非 常快，这些变化与时间和空间位置都密切相关。在特定时刻，基站可以与多个移动主机 同时通信。处于不同物理位置的移动主机有的可以与基站无差错地通信，而其它一些可 能完全不能与基站通信，这被称为位置相关错误。主机的移动进一步增加了传输链路的 变化率。调度算法应该能够根据链路的时间变化和空间变化对其进行动态处理。 2 2 2 公平性 有线网络通过为数据流提供一定的业务速率来保证公平调度，同时调度算法可以避 免不同数据流之间的干扰。而无线网络实现公平调度则比较复杂，在链路状态较差的情 况下，根据特定服务要求或公平准则( 未考虑链路状态) 调度的数据包常被丢弃，从而浪 费了传输信道资源。在这种情况下，延迟数据包的发送直到链路状态恢复是一个比较好 的选择。但是，为了保证业务传输的公平性，如何通过调度对该数据传输进行补偿则较 为复杂。为了保证无线网络的公平调度，需要综合考虑业务模型、业务类型和信道特点 在盘 口a 2 2 3q o s 宽带无线网络将为不同q o s 要求的业务提供不同的服务水平。为了能够区分和保证 不同业务的q o s 要求，支持q o s 的相关算法应该结合调度技术。如果无线链路是频率选 择性信道，在无线链路上保证业务流的q o s 是非常困难的。但当物理链路的恶化程度低 于特定门限时，调度技术应该确定性地或统计性地保证业务流的q o s 水平。 2 2 4 业务吞吐量和信道利用率 带宽是无线网络中最稀缺的资源。无线调度算法的目的在于当无线链路状态较差的 第二章无线网络中的调度算法 情况下：降低无效业务传输、增加有效业务传输，从而最大化无线信道的利用率。 2 2 5 功率限制和复杂度 移动主机使用的是便携电源，其发送功率是受限的。由于发送控制消息功耗很大， 好的调度算法应该尽量减少与调度算法相关的控制消息发送，该消息可能包含移动主机 的队列状态、数据包到达时间和信道状态等。同时调度算法应尽可能简单，能够满足严 格的定时要求，从而高速调度实时多媒体业务。 2 3 无线网络调度算法的分类 2 3 1 基于信道状态的无线调度算法 2 3 1 1c s d p s 算法 文献【2 】基于无线网络中出现的与用户位置和信道突发错误相关的问题，给出了基于 信道状态的数据包调度( c s d p s ) 算法。图2 1 说明了基站中c s d p s 算法的主要系统组 成：为每个移动用户维护单独的数据包队列，队列中的数据包以f i f o 的顺序进行服务。 根据服务要求，确定队列间的服务策略，例如：轮询策略( r r ) ，最长队列优先处理策略 ( l q f ) 和最早时间标签优先处理策略( e t e ) 等。 图2 1c s d p s 组成模型 c s d p s 算法的机制非常简单，当无线链路出现突发性错误时，调度算法将延迟对 应该链路的数据包发送。链路状态监视器( l s m ) 负责监测所有移动用户的链路状态。当 基站没有收到来自用户的分组确认消息时，即认为该链路处于较差状态。当l s m 确认到 某条链路处于差的状态，将对其进行标记，而调度器则不会对标记过的队列进行服务。 通过仿真表明，与简单的f l f o 方案相比，c s d p s 算法可以获得更高的数据吞吐量和信 道利用率。由于c s d p s 算法减轻了单个f i f o 队列头部( h o l ) 数据包的阻塞概率，因此 分组包的平均时延也减小了。 9 东南大学硕士学位论文 c s d p s 算法通过考虑与位置相关及时变的信道状态，从而提高了调度器的调度性 能。该算法的主要策略是在链路层避免突发错误，而不是依靠传输层或应用层来恢复错 误传输。但该算法存在固有的缺陷，即并没有使用任何机制来为每个移动用户保证固定 的带宽。如果某条链路被认为处于差的状态，较之公平共享调度算法，移动用户获得的 服务机会可能会更少，而被剥夺的服务机会将被其它用户所占用。c s d p s 算法没有引 入超前和滞后的概念，同时也没有为受延迟的用户提供补偿。 2 3 1 2c s d p s + c b q 算法 为了解决c s d p s 算法中带宽共享的不公平问题，文献【3 】提出了结合c b q 【4 1 ( 根据服 务等级排队) 和c s d p s 的调度机制。在该方案中，用户或业务流将按照服务等级进行分 组，每个服务等级分配获得固定的服务带宽。方案中的c s d p s 部分用于解决变化的无 线链路问题，而c b q 部分用于保证移动用户公平地共享无线信道资源。 c b q 是一种分级的信道共享技术，用于保证各类业务获得预先分配的共享带宽服 务，同时也公平地分配系统的剩余信道资源。c b q 在一定时间间隔内记录各类业务接受 的服务量。当某等级业务的发送队列一直处于储备状态( 队列中存在待发送的数据包) ， 并且接受的服务少于预先分配的份额时，则认为该等级业务处于“未满足”( u n s a t i s f i e d ) 状态；而当某等级业务获得的服务量超过了预先分配的带宽资源部分，系统则限制该等 级业务的服务，并称这类队列为“受限”( r e s t r c t e d ) 队列。c b q 的信道分配准则是：限制 “受限”等级业务的服务，并把该部分的带宽分配给其它处于“未满足”等级状态的用户。 文献【】还对c s d p s 部分进行了两方面的改进：首先，改进了数据包的发送和确认 对，使用“准备传输”( r t s ) 和“确认发送”( c t s ) 对来测试无线链路的状态。在