（通信与信息系统专业论文）移动通信网络中无线资源管理技术的研究.pdf

摘要 摘要 用户数的快速增长和新业务的不断出现，促使移动通信系统不断提高信息 传输速率，改进服务的稳定性和可靠性。扩大移动通信系统占用的带宽和加大 信号的发射功率是实现这个目标最直接的方法。然而无线频谱和信号功率又是 移动通信系统中最为稀缺的资源，带宽和发射功率不可能无限制的增加，为了 改善系统性能只能从提高无线资源的使用效率入手。 无线资源管理是一个算法集合，包括信道分配、呼叫准如控制、负载控制、 功率控制、切换控制和分组调度等。 分组调度技术是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，以最大限度的提高系 统中无线资源的利用率，满足不同用户所需要的服务质量。本文以分布式天线 系统为背景，研究不同数据分组调度算法的性能特征。 本文首先分析了分组调度算法的要素，并对分组调度问题进行了数学建模。 针对分布式天线系统，本文对现有研究文献中已有的三种经典分组调度方法， 即轮询调度、最大载干比调度和比例公平调度，进行了介绍。并从原理和仿真 两个方面，对它们的各项性能，如系统吞吐量、数据包传输延时和用户公平性 等，进行了比较。 以比例公平调度算法为基础，考虑到不同用户的信道状态，以及不同业务 类型的q o s 要求，提出了一种基于q o s 的改进的比例公平调度算法，并通过系 统仿真验证了该算法的各项性能。 关键词：无限资源管理，分组调度，分布式天线系统，轮循调度，最大载 干比调度，比例公平调度 a b s t r a e l a b s t r a c t t h ei n c r e m e n to fu s e r sn u m b e ra n dt h ee m e r g e n c eo fn e ws e r v i c e st y p er e q u i r et h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi m p r o v ei t sd a t a - t r a n s m i t t i n g r a t e ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y e x p a n d i n gt h e b a n d w i d t ha n de n l a r g i n gt h es i g n a l sp o w e ra r et h ed i r e c tw a y st or e a l i z et h a tg o a l b u tt h e a v a i l a b l ew a yi si m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fr a d i or e s o u r c e s ，b e c a u s er a d i os p e c t r u ma n dp o w e r a r ct h es p a r e s tr e s o u r c e si nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m r e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi su s e dt oa l l o c a t es y s t e mr e s o u r c e ，w i t ht h er e t e n t i o no f e n h a n c i n gs y s t e me f f i c i e n c ya n dg u a r a n t e e i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s ，i nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m p a c k e ts c h e d u l e ri nw i r e l e s sn e t w o r ki su s e dt oq u e u ev a r i o u sk i n d so fd a t ap a c k e t s ，a l l o c a t e w i r e l e s sr e s o u r c e s ，e g c h a n n e lc o d e s ，t i m es l o t sa n df r e q u e n c ya n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yo fw i r e l e s sr e s o u r c e ss oa st os a t i s f yk i n d so fu s e r ss e r v i c ed e m a n d t h i sd i s s e r t a t i o n ， w em a i n l yf o c u so i lp a c k e ts c h e d u h n ga l g o r i t h m si nd i s t r i b u t e da n t e n n a ss y s t e m ( d a s ) f i r s t l y , b a s e do nt h eu n i v e r s a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w ea n a l y z et h ew o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n da s s o c i a t e dr e s e a r c h i n gb a c k g r o u n do fp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s w e u p b u i l das c h e d u h n gm o d e lo fd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，i n c l u d i n gf o u rk i n d st r a f f i ct y p e s ， a n da n a l y z ei tf r o mv i e w p o i n to fm a t h e m a t 址s s e c o n d l y w ea n a l y z et h et h r e ep a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m s ，w h i c hi n c l u d m gr o u n dr o b m ，m a xc 1a n dp r o p o r t i o n a lf a i r n e s s i nd i s t r i b u t e d a n t e n n a ss y s t e mw ec o m p a r es e v e r a lp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gt h ec a p a c i t y , p a c k e tc a l ld e l a ya n d u s e rf a i r n e s sb yt h e o r ya n a l y z i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t m n b a s e do np r o p o r t i o n a lf a l m e s sa l g o r i t h m ，t a k et h ec h a n n e ls t a t ea n dt h eq o so fv a r i o u s t r a f f i ct y p e si n t oc o u n t ，w ep r o p o s e dan e wa l g o r i t h ma n dw ea n a l y z e dt h e i rp e r f o r m a n c et h r o u g h t h e o r ya n a l y z i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t l o n k e y w o r d s ：r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，p a c k e ts c h e d u h n g ，d i s t r i b u t e d a n t e n n a ss y s t e m ， r o u n dr o b i n ，m a xc i ，p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s 荚文所略语 a c l a m p s a p a r p b p s k b s b s p c a c c b a c c i c d m a c d p c c p c d b a d c a d e c t d p c e d g e e t s i e v - d o e v d v f c a f d d f d m a f d r f s m f u t u r e 用环境 g m c g o s g p r s g s m h c a h s c s d l p i s 一9 5 i t u l c p l l a l m t m a c m l m o 英文缩略语 a d j a g e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e邻信道干扰 a d v a n c em o b i l ep h o n es y s t e m 先进移动电话系统 a c c e s sp o i n t 接入点 a u t o n o m o u sr e u s ep a r t i t i o n i n g 自治复用划分 b i n a r yp h a s es h i f tke y i n g二进制移相键控 b a s es t o l o n 基站 b o a r ds u p p o r t i n gp a c k a g e 板级支持包 c a l la d m i s s i o nc o n t r o l 呼叫准入控制 c h a n n e lb o r r o w i n g a s s i g n m e n t 信道借用分配 c o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e 共信道干扰 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c c s s 码分多址 c o n s t r a i n e dd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l 约束分布式功率控制 c e n t r a l i z e dp o w e rc o n t r o l 集中式功率控制 d i s t r i b u t e db a l a n c i n g a l g o r i t h m 分布式平衡算法 d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t 动态信道分配 d i g i t a le u r o p e a nc o r d l e s 0t e l e c o m m u n i c a t i o n 欧洲数字无绳通信系统 d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r 0 1 分布式功率控制 e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n改进数据速率g s m 服务 e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e 欧洲电信标准协会 e v o l u t i o n - d a t ao n l y e v o l u t i o n d a t aa n dv o i c e - - - f i x e dc h a n n e la s s i g n m e u t 固定信道分配 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 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 频分多址 f i x e dc h a n n e l st od y n a m i cc h a n n e l sr a t i o 静念信道与动态信道之比 f i n i t es t a t em a c h i n e 有限状态机 f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t 未来无线通信通 g e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e r广义多载波 g r a d eo f s e r v i c e服务级别 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 全球移动通信系统 h y b r i dc h a n n e la s s i g n m e n t 混合佶道分配 h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t a 高速电路交换数据系统 i n t e r a c tp r o t o c o l 网际协议 i n t e r i ms t a n d a r d 9 5 中间标准9 5 系统 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n 国际电信联盟 l i n kc o n t r o lp r o t o c o l链路控制协议 l e a s ti n t e r f e r e n c ea l g o r i t h m最小干扰算法 l o c a lm a i n t e n a n c et e r m i n a l本地维护终端 m e d i aa c c e s sc o n t m l 媒体接入控制 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多入多出 u i 永出人硕士学伸论文 m p um a i np r o c e s s i n gu n i t主处理单元 m sm o b i l es t a t i o n 移动台 m tm o b i l et e r m i n a l移动终端 n c pn e t w o r kc o n t r o lp r o t o c o l网络控制协议 n m tn o r d i cm o b i l et e l e p h o n e 北欧移动电话系统 n p tn e t w o r kp r o t o c o lt o o l k i t网络协议工具包 n u c p an o n u n i f o r mc o m p a c tp a t t e ma l l o c a t i o n 非均匀压扩型分配 n u c an o n u n i f o r mc h a n n e la l l o c a t i o n非均匀信道分配 o f d m 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 正交频分复用 o v s f o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r 正交可变扩频因子 p a c s p e r s o n a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 个人接入通信系统 p f p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s 比例公平 p h sp e r s o n a lh a n d y p h o n es y s t e m个人手持电话系统 p p pp o i n tt op o i n tp r o t o c o l点对点协议 p s t np u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 公用交换电话网 q o so u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量 r a ar a n d o ma s s i g n m e n ta l g o r i t h m随机分配算法 r r cr a d i or e s o u r c ec o n t r o l无线资源控制 r r mr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t无线资源管理 r t o sr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m实时操作系统 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o 信号干扰噪声比 s i r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o 信号干扰比 t c pt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l传输控制协议 t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x时分烈工 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多址 t d s c d m a t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o nc d m a 时分同步c d m a u d pu s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报防议 u m t s u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 通用移动通信系统 w c d m aw i d e b a n dc d m a宽带c d m a 系统 x d m a h y b r i dd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 混合多址接入 东南大学硕士学位论文 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，论文中一i 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： 羡急潍 日期：竺! ：! ：! ! 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，允许论文被套阅和借阅，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： 艮惫狲 导师转阻日期：型 第l 章绪论 第1 章绪论 移动通信是指移动体之间或者移动体和固定体之间的通信。例如运动的人、 汽车、轮船、飞机等移动体之间的通信，分别构成海上移动通信系统、陆地移动 通信系统、空中移动通信系统。移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂 窝移动通信和卫星移动通信等。移动通信的发展给用户带来极大的便利，可以说， 世界通信业的发展从来没有像目前蜂窝移动通信技术的发展那样受人瞩目、那样 高速发展、竞争激烈。 1 1 研究背景 移动通信技术面l 临用户数量急剧增加，移动业务逐步走向多元化，用户对服 务质量的要求不断提高，如何有效地管理和使用无线资源己成为运营商最为关心 的问题之一。在第三代移动通信中，无线资源管理作为一个关键技术提出，成为 衡量一个标准是否可行，系统服务质量优劣，是否被运营商所接纳的重要性能指 标。无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业 务质量保证，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道待性因信道衰落和 干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资 源，最大程度地提高无线频谱利用率，防l t 网络阻塞和保持尽可能小的信令负荷。 随着中国移动用户的迅速增加，随着移动网络支持数据业务能力的增强。中 国的移动数据业务呈现出高速发展的势头，表现在业务量增长迅速、数据用户渗 透率不断提高、用户群进一步细分“1 。未来的移动通信系统具有支持多媒体业务 的能力，可以根据具体的业务要求，提供必要的系统带宽。第三代移动通信系统 所支持的多媒体业务一般可以划分为会话类型、数据流类型、交互类型和后台类 型嘲。随着信息技术的不断发展，移动通信技术和i n t e r n e t 技术逐渐呈现日益 融合的趋势，高速数据业务将成为未来移动通信系统业务的主要组成部分，这就 对移动通信系统的系统容量和通信质量提出了更高的要求“1 。因此，如何有效地 利用有限的无线资源实现系统性能的最大化是移动通信领域所要解决的核心问 题。 糸南人硕士学位论文 1 2 无线资源管理( r r m ) 无线资源管卿的研究内容一k 要包括以下几个方面：信道分配、呼叫接入控制、 负载控制、功率控制、切换技术和分组调度。它们町以分为以下三个部分： 无线资源的分配和调度 主要包括信道分配和分组调度技术。c d m a 系统中物理信道扩频的信道码是 正交的可变扩频因子( o v s f ) 码，是一种非常灵活的能自适应信道情况改变传 输速率的系统资源，所以合理的分配o v s f 码是研究的重点问题之一。在w c d m a 系统中通常使用信道固定分配( f c a ) 的方法进行单业务的资源分配，但是考虑 到系统对混合业务的有效支持，必须采用动态信道分配( d c a ) 技术对不同业务 进行合理的资源分配。分组调度( p a c k e ts c h e d u l i n g ) 能够根据不同的非实时数 据业务的q o s 要求不同，最大化的提高系统的吞吐量和保持用户的高公平性。 面向网络的无线资源管理 主要包括呼叫接入控制和负载控制。当用户请求发生时，呼叫接纳控制裁决 是否接纳该请求，对于语音和电路交换业务，如被接纳则经功率控制后就可以直 接进行业务通信；对于分组业务，如被接纳则送到相应的对列中由分组调度技术 进行控制。负载拧制能够确保系统不过载而稳定工作。 面向连接的无线资源管理 主要包括功率控制、速率抒制、切换技术和自适应技术。传统功率控制技术 是以语音业务为主，而现存的通信系统中主要包括开环、闭环和外环功率控制， 通过功率控制可以有效的抑制远近效应。对于数据业务和多媒体业务，必须把功 率控制和速率控制结合起来。切换技术分为硬切换、软切换和更软切换，考虑到 不同系统或者不同频率运营商的存在，还有频率间切换和系统问切换。自适应技 术是为了更好的适应移动通信信道的情况，根据数据业务的特殊性，采用重传和 自适应编码和调制技术，增加系统吞叶量和提高频谱利兀】牢。 无线资源管理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。其基奉出发点是在网 内话务量分布不均匀，且信道的状态因信号衰落和干扰而起伏变化的状况下，设 法灵活地分配和及时调整可用资源。图卜1 “”给出了基站中无线资源管理算法的 基本模型，资源估计器控制着整个无线资源管理算法的实现。当有用户请求发生 2 第1 章绪论 时，接入控制裁决是否接入该请求，对于电路交换类型业务，若被接入则经功率 控制后就可以直接发送出去；对于分组交换类型业务，若被接入后则根据业务类 型送到相应的队列中，随后，队列调度器进行发送调度，若采用的是时间调度器， 则进行时隙分配。图卜1 中的功率和速率调度器完成对发射功率和发送速率的 分配。 一一一- 二出资潭估计器对无线资源瞥理掉法的控剖 + ；用户的业务流翱棚庇信息 图1 1 无线资源管理算法的基本模型 下面对无线资源管理的主要功能做一个介绍： 1 ) 信道分配 在f d m a 、t d m a 和c d m a 系统中，所谓无线信道资源分别是指载波频率、 时隙和码道及其组合。系统决定准入一个新呼叫进入系统并为用户分配好b s 以 后，需要在此b s 内为其分配和选择相应的信道，以建立通信链路和维持链路服 务质量。通常信道分配算法可以分为固定信道分配( f c a ) 、动态信道分配( d c a ) 和混合信道分配( h c a ) 三大类。在低业务负载的情况下，d c a 策略的性能更 好；但是在高业务负载并且业务负载均匀分布时，f c a 策略的性能更优。在业 务非均匀和负载较轻或中等的情况下，d c a 较之f c a 可以更有效地利用信道、 取得更好的性能。由于f c a 将信道预先分配给蜂窝小区，如果业务负载有波动， 即使邻近小区有空闲信道，呼叫也将被堵塞。 2 ) 呼叫准入控制 尔南人中碗士0 伸论文 若无线接入网无条件地接入新的呼叫请求，会导致小区内用户数过多，从而 使得小区的覆盖范围下降和当前其他通话用户的q o s 得不到保证。因此，在接 入新呼叫请求时需要一个准入控制模块，来检查该呼叫请求是否影响现有的小区 覆盖和现有链路的q o s 。呼叫准入控制( c a c ) 是指当_ h j 户发牛呼叫请求时，根 据系统当前负载信息以评估系统为接入该呼叫而付出的代价，决定是否准入该呼 叫到无线接入网。系统采用c a c 后，可以预防系统q k 务过载而导致拥塞发生， 也可保障现有通话链路的q o s 。在以语音q p 务为主的1 g 和2 g 系统中，c a c 过 程是比较简单的，只要b s 有可崩频道就可准入该呼叫。然f f 玎，列蜂窝移动通信 系统而言，c a c 则变得相当复杂，因为系统的性能主要是受干扰限制，c a c 必 须预估到接受新用户所产生的s i n r 变化，并先判断是否能达到系统的稳定要求， 然后再决定是否接受该用户的服务要求。c a c 算法大概可分为基于等效带宽的 c a c 、基于接收信号强度的c a c 和基于s i n r 的c a c 二大类。 在w c d m a 系统中，由于多媒体业务的引入，上下行业务只有不对称性， 因此必须对上下行链路设计不同的接入控制策略。只有当上下行都具有足够的资 源时，才能允许新的呼叫接入。存分组业务的情况下，下行c a c 算法变得更具 有挑战件”。凶为在下行所有的用户都共享同样的无线资源和基站功率，基站 功率随时问快速变化，如果不采用合适的接入挎制算法，新用户的进入会极大地 损害系统性能，降低用户的服务质帚。为解决非对称业务下行受限的问题，可以 在基站处采用针对下行业务的基于发射功率的接入抑制策略。假设基站的最大发 射功率为，这样，下行c a c 准则可以表述为：如果基站总发射功率小于预 定值，则接受新呼叫；反之，则拒绝。 而对于上行的c a c 算法，一+ 般可以分为以下两种： 第一种方法是寻找在般的传播条件下，系统所能容纳的最大用户数。如果 正在进行的呼叫数目少于最大值，则允许新的呼叫接入。 第二种方法是定期对传播条件进行测量，根据测量值来决定是否接入新的呼 叫。测量值可雒是s i r 或总的干扰功率水平。这种基于测量的方法能够更好地对 传播环境的实时变化进行响应。 利用小区内的用户数目作为c a c 判决参数具有简单易行的优点，其缺点是 由于用户数门限选择是根据系统的先验统计知识或未来统计行为的推测，其所用 4 第1 章绪论 的统计参数是否很好的符合系统的统计行为对于c a c 性能具有较大的影响，因 此其可靠性和准确性不及s i r 测量或干扰功率测量。 3 ) 负载控制 无线资源管理功能的一个重要任务是确保系统不要过载，保持系统运行的稳 定。如果系统规划适当，接入控制和分组调度就能工作得很好，过载的情况就能 避免。如果遇到了过载的情况，负载控制功能让系统快速而有控制地达到目标负 荷。下面是为了减少负荷而采取的必要的负荷控制措施： a ) 下行快速负载控制：拒绝由移动台发出的下行功率增加命令； ”上行快速负载控制：降低由上行快速功控使用的上行目标e c l o ； 曲降低分组数据业务的吞吐量； d ) 切换到另一个载波； e ) 与相邻的系统之间的切换； f ) 减少实时业务的码速率； g ) 受控方式下的掉话。 4 ) 功率控制 功率控制技术是移动通信系统中的关键技术之一。蜂窝移动通信系统是干扰 受限系统，每个m s 的接收信号受到其他m s 的影响，同时它的发射信号也会 对其他的用户产生干扰，噪声的影响尚在其次，即系统的容量受限于小区中的 b s 和m s 的发射总功率。特别是由于“远近效应州”现象，近地的强信号将抑 制远地的弱信号。所以在不影响通信链路质量情况下，要尽量减小每个m s 的 发射功率，使b s 收到的所有用户信号强度或信号干扰噪声比( s i n r ) 都刚好满 足各自通信质量要求，从而最大化系统的容量。 目前上行功率控制主要可以分为以下两个大的方向： 利用移动台测得的基站导频信道发射功率，通过开环功率控制算法决定移动 台的发射功率。如果上下行链路是互易关系( 比如t d d 模式中，上下行载频相 同时) ，则这种方法可以较为精确的设定发射功率。但是在f d d 模式下，上下行 之间有一个较大的频率间隔，这样利用上行链路估计下行链路路径损耗的方法就 不太适用了。所以在f d d 模式下，开环功率控制只是用于上行链路的功率初始 东南人7 硕士7 忙论文 化。在通话过程中移动台的功率控制要还是由闭环功率控制完成的。 在闭环功率控制中主要研究方向是功率控制算法。闭环功率控制的主要目的 是得到一组可行的功率分配方案，使系统中尽可能多的移动台满足其最低的s 1 r 要求。现在有很多种功率控制算法，分别基于各种相应的理论。基于s i r 的固定 步长功率控制虽然收敛速度较低，但其占用的信令资源较小( 仅有1 比特) ，所 以在目前使用的功率控制方案中都使片j 这种方案。 c d m a 系统之所以具有较大的容量，是因为它较为有效的控制了小区内和小 区间的干扰。对于诸如语音等实时、i k 务的功率控制算法已有了大量的研究和比 较，并且在相应系统中起到了至关重要的作用，但是针对非实时分组业务有效的 功率控制算法还未引起人们的注意。尤线数据、l k 务不同十传统的语音业务，它们 的传输速率和q o s 要求都有较大差异，这就使无线数据业务的功率控制更为复 杂。对于基站而言，功率总量是有限的。在系统负荷较大时，非实时分组业务占 用功率较大，就可能有一些实时业务达不到所需功率而不能满足相应o o s 。如果 我们用对实时业务功控方法对所有非实时分组业务同时服务，将会消耗较大能 量，而且降低了传输速度，延长了基站对用户的服务时间。所以我们应谨慎地对 非实时分组业务进行功率挣制，以减小非实时分组业务对实时业务的影响。 5 ) 切换控制 在移动通信系统中，切换技术“1 是为了让用户不受地理位置限制，从而保持 通信不中断并且可自由活动的重要技术，由于切换而导致的信道改变可以是频 率、时隙、码道或者它们之间的组合。所谓切换，是指当移动用户在通话过程中 从一个b s 覆盖区移动到另一个b s 覆盖区，或者由于外界干扰造成通话质量下 降时，将m s 从现有的业务信道切换到新业务信道e ，并继续保持通话不中断 的过程。切换控制与用户的移动性是密切相关的。m s 的移动性是移动通信系统 的主要特征之一，由于m s 在特定的无线覆盖区域内以一定的速皮进行移动， 从而导致m s 的信号质量下降，因此需要采用适当的切换控制技术将现有的呼 叫切换到一个新的信号质量更好的信道上。切换控制技术也是移动蜂窝通信系统 中的关键技术之一，有效的切换算法可以维持链路质量、抑制干扰、提高系统容 量和改善频谱利用率。在移动通信系统中，一个完整的切换过稃大致可以分为参 数测量、切换判决以及切换执行三个阶段。 第l 章绪论 切换不仅要保证用户在穿越边界时仍能进行正常的通话，而且还要做到快 速、有效，这样才有利于降低整个系统干扰，减少掉话，提高系统容量。伴随着 未来移动通信系统的载波频率的增高，小区的覆盖范围将进一步缩小，切换也会 相应地变得较以往频繁，在这种情况下。快速、有效的切换变得更加需要关注。 同时，各种各样无线多媒体业务的出现也对切换策略提出了更高的要求。 在c d m a 系统中包含多种类型的切换，有： 软更软切换 异频切换 系统间切换 软切换是当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不中断呼叫，移动台可以 同时与多个基站连接。更软切换则是一种蜂窝内的切换，发生在两个扇区或三个 扇区之间。这种类型的切换只发生在蜂窝内，而不涉及无线网络控制器。至于异 频切换和系统间切换则都属于硬切换方式，是指在与新基站建立连接前中断与旧 基站的连接的切换方式。 随着未来的通信系统所能服务的业务种类越来越多，从原有通信网所能提供 的最基本的语音业务到现在正呈不断增加趋势的数据业务，可以说是种类繁多。 不同的业务具有不同的特性，对通信质量的要求也就不同。在触发切换请求时， 针对不同业务的特性应做不同的处理。对于实时性要求较高的业务( 如语音业 务) ，应给予较高的优先级别，当语音业务和数据业务同时发出切换请求时，如 果目标小区的现有资源只能满足个用户，则应先满足语音用户的切换请求。此 外，还可以通过资源借用来满足语音业务对对延的要求，比如语音业务暂时借用 目标小区的数据业务的控制信道完成切换。 此外，数据业务的重要性也是不可忽略的。未来移动通信系统较之目前的系 统可以提供更大容量、更佳通信质量和更高频谱效率，并支持全球范围内的多媒 体应用，如w w w 网页浏览等。如何实现数据业务的无损切换已成为未来移动 通信系统能否成功提供多媒体业务的重要问题。 6 ) 分组调度 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。分组调度能决定 码速率和相应的数据眭度。在c d m a 系统中，分组调度可采用两种方式：码分 彖南人学硕士学岱论文 或者时分。在码分的方式下，大量的用户町同时使用一个低速率信道。当用户容 量需要增加时，码速率就要降低。在时分方式下，在某一时刻所有资源可被分配 给一个或少数的几个用户。这样一个用户n r 在一个非常高的码率下传输。 未来的互联网上，基于分组的多媒体业务将得以蓬勃发展为了适应这种应 用需求，保证实时的、非实时的、高速的、低速的不同、f k 务的q o s ，并同时列无 线资源加以优化使用，需要采片j 流量控制技术，结合无线链路特性，对分组进行 调度。因此，国内外众多研究人员对无线分组调度算法进行了大量研究。 分组调度的功能包括： 在分组用户之间共享可用的空中接口资源。 确定用于每个用户的分组数据传输的传输信道。 监视分组分配和系统负载。 分组调度器决定比特速率和相应的数据长度。当在时分方式下用户数增加 时，每个用户都要等待较长的时间来传输。表i 1 中列出了时分调度和码分调度 策略的性能比较。 表格11时分调度和码分调度策略的比较 类别时分调度码分调度 空中接口中每小区同时进 小( 只有几个)大( 约2 0 5 0 ) 行分组传输的数目 每个分组用户的瞬时比特 高( 1 0 0 k b i “s )低( 5 0 k b i t s ) 速率 由于比特速率较低，所以在 卜i 行链路有比较大的范围； 优点 总时延较短 对移动台的能力没有什么 更好的s n r 璺求；因为用户比较多，干 扰的变化很小。 1 。3 课题工作 未来移动通信系统空中接口的物理层将采用m i m o 、o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ) 和多载波等无线宽带技术，使用户的峰值传输 速率在3 g 通信系统的基础上提高卜2 个量级，并结合全1 p 网络技术随时随地为 用户提供高分辨率的业务和多 1 ) 9 融合能力。 第1 章绪论 为了从蜂窝移动通信系统结构方面提高系统的整体性能，未来的b 3 g 移动 通信系统将采用广义小区式蜂窝移动通信网“1 。而分布式天线系统( d i s t r i b u t e d a n t e n n as y s t e m ) 将是构成广义小区式蜂窝移动通信网的主要单元。所谓分布式 天线系统，就是在较大的空间范围内安装多个幕站天线，每个基站天线将接收到 的移动台信号统一传送到一个中心基站进行处理，而中心基站也可以将信号同时 通过多个基站天线进行发送给移动台。分布式天线系统其实质是一种宏分集方 式，它能够有效对抗阴影衰落“1 。 为了探索在分布式天线系统中，如何高效地管理和利用有限的频谱资源? 如 何面向用户分组业务传输q o s 需求，合理地分配各种无线资源，提高系统传输 效率? 本论文首先从近几年无线资源管理方面的研究入手，分析了在现有蜂窝移 动通信系统结构下不同分组调度算法的原理及性能特点。进而建立了分布式天线 系统仿真平台，对几种已有的经典无线资源调度算法在分布式天线系统中的性能 进行了仿真。最后结合现有的分组调度算法，提出了一种基于q o s 的改进的比 例公平调度算法。系统仿真结果表明，本文提出的改进的调度算法在各项性能指 标上都有较好的提升。 1 4 全文内容安排 论文共包括五章，第一章简述了课题背景，讲述了课题内容以及论文相关工 作。 第二章首先介绍了调度的基本概念，接着对通信系统中的调度技术的原理进 行了深入的阐述。 第三章先给出了经典调度算法的步骤，以及未来移动通信业务的的种类和分 析，在作者自己建立的o p n e t 系统仿真平台上对各种调度算法在分布式天线系 统中的性能进行了仿真。 第四章提出了一种基于q o s 的改进的比例公平调度算法，通过计算机系统仿 真后，验证了该算法是一种适合于未来移动通信分布式天线系统的调度算法。 第五章对全文进行了总结。 9 第2 章无线分纽调度算法厦理 第2 章无线分组调度算法原理 本章首先介绍调度的基本概念，明确调度问题的根源在于对资源的争用和分 配。然后，介绍了无线网络发展过程中出现的一些有代表性的调度算法，并对经 典调度算法的原理进行了探究。 2 1 调度概述 调度的英文单词s c h e d u l i n g 表示的是一个与时间次序相关的概念。最经典的 调度算法希望解决的是在多个用户争用资源时，如何确定一种服务次序。 广义上的调度可以跨越时间的概念而泛指对任务、工作、资源等进行适当分 配和规划来满足预定的目标。调度的要素有六个：被调度对象、调皮者、调度目 标、调度规则、调度代价和调度结果。调度规贝l j ，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，以力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( 例如计算复杂度、资源等等) ，即调皮代价：而最终的调 度结果也往往和调度目标有一定的差异。 通常，为了获得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，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旱现出随机时变特性的时候，这种优化问题将转化为一个 动态规划问题。 调度系统的例子很多，例如计算杌操作系统中对进程和内存的调度，管理领 域对人力和物力资源的调度等等。本文主要研究讨论无线通信系统中的分组调度 问题。 之所以出现调度问题，根源在于对于资源的争用。分组通信中，为了获得统 计复用增益，需要多个业务流共享带宽，所以会出现对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程序；被调 度对象为存放在队列中的属于不同业务流的分组，这些业务流通常有着不同的业 尔南人学硕士学位论文 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 业务流之间享受服务的公平性；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 ：2 = 控制之后，各个业务流实际所获得的服务质量。 在我们所研究的无线分组通信系统中，调度器通常位于基站( b a s es t a t i o n ) 或 者接入点( a c c e s sp o i n o 2 2 队列调度算法中常用的基本概念 1 f l o w , s e s s i o n ，c o n n e c t i o n ，u s e r f l o w ，s e s s i o n 是计算机网的概念，在调度算法的研究中，通常表示相同的意 思，即占用同一队列的具有相同属性( 如目的地址、源地址等) 的分组所组成的序 列。而在电信网中，相似的概念为连接。在尢线通信中，则常常用用户来不严格 的指代这种连接关系。在多媒体通信中，个用户往往可能会启动多个通信应用 进程，形成多个业务流。因此，用户的概念将最得不够精确。 2 队列状态( b a c k l o g g e d 与n o n - b a c k l o g g e d 或e m p t y ) 分组进入系统中之后，不定能被马上发送出去，需要在队列中进行缓存， 等待发送。依据队列中是否有待发分组