（通信与信息系统专业论文）移动通信系统的资源调度与功率分配技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 用户数的快速增艮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 制增加，为了改善系统性能只能从提高无线盗源的使用效率入手。 无线资源管理是一个算法集合，包括资源调度、功率控制与分配、切换和呼叫准入控制等，这 些算法通过对无线信道和发射功率等资源使用情况的管理来提高移动通信系统的效率。 资源调度是在到达节点处对各业务的数据进行排队，依据特定规则分配通信系统的无线资源的 方法。资源调度的主要作用是提高无线资源的利用率，满足更多用户的服务质量要求。本文根据对 传输分组调度算法的分析，结合移动通信系统对资源调度的要求在第二章提出一种新的基于优先级 的公平调度算法，并通过计算机仿真对算法的性能进行了评估比较。 发射功率分配技术则是伴随着多输入多输出天线技术在移动通信系统中的出现而出现的，该技 术在发送端对发射信号的功率强度进行调整，在总功率一定的条件下增加信道容量。本文依照混合 式无线资源管理的框架将移动通信系统中的资源调度与功率分配进行联合优化，在第四章给出了一 种联合资源调度与功率分配的算法并与独立运行的算法进行了比较。 未来无线通信通用环境( f u t u r e ) 研究项目是中国8 6 3 高技术研究发展计划通信主题的重大 项目。本文在第五章描述了f u t u r e 研究项目g m c t d d - x d m a 实验验证系统无线资源管理软件的 设计与实现，主要包括资源调度，发射功率分配，以太网分组截获与发送、p p p 协议、m a c 与f p g a 双端口r a m 的数据交互以及控制，监控等部分。 关键词：无线资源管理，资源调度，发射功率分配，b 3 g ，m i m o ，基于优先级的公平调度，混合 式无线资源管理 a h s t r a c t 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 e e 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 s s 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 g t 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 ea v a i l a b l ew a yi s i 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 ra r et h es p a r e s tr e s o u r c e si n m 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 ei n t e n t i o no fe n h a n c i n g s 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 ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ap r i o r i t yb a s e df a i rs c h e d u l i n g ( p b f s ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e di nc h a p t e r2 ，b a s e de l lt h ea n a l y s i s o ft h r e ec l a s s i c a lp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa n dt h ep r i n c i p l eo fr e s o u r c es c h e d u l i n gi 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 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hs y s t e mt h r o u g h p u ta n dp a c k e td i s c a r d i n gr a t i oo f p b f sa r ea l s og i v ei nt h a tc h a p t e r p o w e rd i s t r i b u t i o ns t r a t e g i e sa p p e a r e dw i t hm u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m i no r d e rt oe n l a r g et h ec h a n n e lc a p a c i t yo fm i m os y s t e m ，t h ep o w e ro f t r a n s m i t t i n gs i g n a ls h o u l db ed y n a m i c a l l yd i s t r i b u t e da c c o r d i n gt ot h ec h a n n e li n f o r m a t i o n aj o i n t a l g o r i t h mo f r e s o u r c es c h e d u l i n ga n dt r a n s m i t t i n gp o w e rd i s t r i b u t i o n ( j a s p d ) i sd e d u c e df r o mt h eh y b r i d r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( h y b r i dr e , m ) i nc h a p t e r4 t h e nj a s p di ss i m u l a t e dw i t ht h ep e r f o r m a n c e o f s y s t e mt h r o u g h p u ta n dp a c k e td i s c a r d i n gr a t i oc o n c e r n e d i n c h a p t e r5 ，t h ed e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ts o l 。! w a r ef o r g m c t d d x d m ad e m os y s t e ma r ed e s c r i b e d ，w h i c hi n c l u d e sr e s o u r c es c h e d u l i n g , p o w e rd i s t r i b u t i o n ， e t h e m e tp a c k e tc a p t u r i n ga n ds e n d i n g ，r e a l i z a t i o no fp p pp r o t o c o l ，d a t ae x c h a n g eb e t w e e nm a ca n dd u a l p o r tr a m i nf p g a ，s y s t e mc o n t r o l l i n ga n dm o n i t o r i n g ，e t c 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 ，r e s o u r c es c h e d u l i n g ，p o w e rd i s t r i b u t i o n ，b 3g m 1 m o ，p r i o r i t y b a s e df a i rs c h e d u l i n g ，h y b r i dr a d i or e s o l l r c cm a n a g e m e n t 1 l 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：莲婚日期：2 翌兰：三：兰 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：麴盘 导师签名日期：趁! ：! ! ：厶 煞一章绪沦 第一章绪论 在过去的2 0 年中，移动通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极天地推动了社会的发展。 移动通信产业在世界各国国内生产总值中所占的比重不断提高，已成为各国经济发展的主要支柱产 业 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信系统的发展过程 无线电台在第二次世界犬战中的广泛应用使移动通信迈出了第一步。 到了2 0 世纪7 0 年代，美国贝尔实验室率先提出了蜂窝的概念，解决了频率复用的问题。8 0 年 代，大规模集成电路技术及计算机技术的迅速发展，初步解决了移动终端小型化的问题，为移动通 信的发展打下了基础。美国为了满足用户增长的需求，提出了基于小区制的第一个蜂窝通信系统 a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 系统。这是第一个具有现代意义的、可以商用的、能 够满足随时随地通信的大容量移动通信系统。它主要建立在频率复用技术基础上，较好地解决了频 率资源受限的问题，并拥有更大的容量和更好的语音质量。a m p s 系统在北美获得的巨大成功，有 了地刺激了全球蜂窝移动通信的研究和发展。随后，欧洲各国和日本都开发了自己的蜂窝移动通信 网络。具有代表性的有欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 、北欧的n m t ( n o r d i c + m o b i l e t e l e p h o n e ) 和日本的n t t ( n i p p o nt e l e p h o n e t e l e g r a p h ) 系统等。这些系统都是基于频 分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的模拟制式，统称为第一代模拟移动通信系 统。 第一代模拟移动通信系统主要建立在f d m a 和蜂窝频率复用的理论基础上，在商业上取得了巨 大的成功。但是，随着技术的发展和长时间的实际应用，许多问题也逐渐暴露出来，如所支持的业 务单一、频谱效率太低、保密性差等。特另i j 是在欧洲，每个国家都有自己的标准和体制，无法解决 跨国家漫游问题。模拟移动通信系统经过1 0 余年的发展后，终于在2 0 世纪9 0 年代初逐步被更先进 的数字蜂窝移动通信系统即第二代( 2 g ，t h e2 n “g e n e r a t i o n ) 移动通信系统所代替。 第二代移动通信系统是随着超大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，以及语音数字处理技 术的日益成熟而发展起来的。在8 0 年代中后期，欧洲各国提出的方案通过现场实验比较最后集中为 时分多址( t d m a ，t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术的数字移动通信系统，即g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 系统。g s m 系统以其先进的技术和优越的性能在世界上得到广泛应用。 1 9 8 8 年，美国制定了基于t d m a 技术的i s 5 4 i s 一1 3 6 ( i n t e r i ms t a n d a r d 5 4 i n t e r i ms t a n d a r d 1 3 6 ) 标准，i s 一1 3 6 是一种模拟数字双模标准，可以兼容a m p s 。美国高通( q u a l c o m m ) 公司在2 0 世纪 9 0 年代初提出了c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，并在1 9 9 3 年由t i a ( r e l e c o m m a n i c a t i o n si n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 完成标准化成为i s ，9 5 ( i n t e r i ms t a n d a r d 9 5 ) 标准。这也 是第三代( 3 g ，t h e3 “g e n e r a t i o n ) 移动通信标准中c d m a 2 0 0 0 技术的雏形。第二代数字蜂窝移动 系统可以提供语音及低速数据业务，能够基本满足当前人们信息交流的需要。 手机的迅速普及驱动通信向个人化方向发展，互联网用户数以翻番的速度膨胀又给移动数据通 信的发展带来了机遇。特别是移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，迫切需要设计和建设一种新 的网络来提供更宽的工作频率，支持更加灵活的多种类业务( 高速率数据、多媒体及对程或非对称 业务等) ，并使移动终端能够在不同的网络间进行漫游。上述原因就是推动第三代移动通信系统发展 的主要动力。 东南大学硕上学位论文 i t u ( 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 ) 甲在1 9 8 5 年就提出了名为未来陆地移动通信系 统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n dm 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 ) 的第三代移动通信的概念，并 于1 9 9 6 年更名为具有全球化、综合化和个人化特征的i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) 。1 9 9 9 年，i t u 确认了5 种第三代移动通信系统无线传输技术，包括两种 t d m a 技术：s c t d m a ( u m c 一1 3 6 ) 、m c t d m a ( e p d e c t ) ；三种c d m a 技术：m c - c d m a ( c d m a 2 0 0 0m c ) 、d s c d m a ( 包括u t r a w c d m a 和c d m a2 0 0 0 仍s ) 、t d dc d m a ( 包括t d - s c d m a 和u t r at d d ) 。其中的三种c d m a 技术是主流技术”j 。 随着第三代移动通信逐步开始商用化，各个国家和地区的研究机构和相关国际组织都纷纷着手 第四代( 4 g ，t h e4 4g e n e r a t i o n ) 移动通信系统的研究。在中国，第四代移动通信系统已经被正式 列入8 6 3 中国高技术研究发展计划，启动未来无线通信通用环境( f u t u r e ，f u l n r et e c h n o l o g i e s f o r u n i v e r s a l r a d i o e n v i r o n m e n t ) 研究课题。f u t u r e 研究课题的主要目标是面向未来十年无线通信 领域的发展趋势与需求，研究后3 g 系统( b 3 g ，b e y o n d3 g ) 或4 g 蜂窝移动通信系统空中接口技 术，建立关键技术验证系统，支持面向未来的无线通信新业务。b 3 g 移动通信系统除了提供语音业 务、常规数据业务和多媒体业务外，还提供高速速率( 峰值速率大于l o o m b p s ) 、太动态范围( 8 k b p s 2 0 m b p s 动态自适应) 流媒体业务，以满足不同用户群体的需求。此外，f u t u r e 研究课题还 要求b 3 g 移动通信系统支持不同业务类型的服务质量要求( q o s ，q u a i l t yo f s e r v i c e ) 和高达2 5 0 k m h 的高速车载用户需求，并能提供不同系统间无缝切换。b 3 g 移动通信系统将提供全球性优质服务， 真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务”4 j 。 1 1 2 无线资源管理概述 移动通信系统无线资源管理( r r m 。r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 的目标是基于有限的无线资 源，为移动通信系统用户提供业务质量保障，其出发点是在网络业务星分布不均匀、信道特性因信 道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵括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，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。无线资源管理的研究内容主 要包括咀下几个部分：调度技术、功率控制与功率分配、信道分配、切换技术和呼叫准入控制等p 4 j 。 调度技术 为了有效地分配无线信道资源和提高系统q o s ，调度技术需要考虑下列准则：保证用户之间的 公平性、动态适应无线链路变化、满足特定业务的q o s 要求、提高吞吐量和信道利用率、限制功耗 和降低系统复杂度等。 在3 g 和b 3 g 移动通信系统中存在大量的非实时性的分组数据业务。不同用户有着不同的速率 要求，一个基站内所有用户速率总和往往会超过基站拥有频带所能传输的信道容量。因此需要有调 度器( s c h e d u l e r ) 在基站内根据用户q o s 要求，判断该业务的类型以便分配信道资源给不同的用户。 功率控制和功率分配 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_ 丁 其他系统的同频干扰或系统内其他用户干扰。在不影响通信质量的情况下，进行功率控制尽量减少 发射信号的功率，可以提高信道容量和增加用户终端的电池待机时间。功率控制技术主要涉及到集 中式与分布式功率控制、开环与闭环功率控制、基于恒定接收与基于质量功率控制。 多输入多输出( m 1 m o ，m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e - o u t p u t ) 技术将在3 g 和b 3 g 移动通信系统 得到应用。当移动通信系统存在多个发送天线时，信号的发射功率在各天线之间的分配方式成为影 响系统一陛能的因素之一。发射功率的分配方式应当与功率控制结合依据信道状态进行发射功率的调 配。 信道分配 在无线蜂窝移动通信系统中，信道分配技术主要有3 类：固定信道分配、动态信道分配以及随 机信道分配。 固定信道分配的优点是信道管理容易，信道问干扰易于控制：缺点是信道无法最佳化使用，频 2 第一章绪论 谱信道效率低，而且各接入系统间的流量无法统一控制从而会造成频谱浪费。 动态信道分配根据不同的划分标准可以划分为不同的分配算法。通常将动态信道分配算法分为 两类：集中式动态信道分配和分布式动态信道分配。集中式动态信道分配一般位于移动通信网络的 高层无线网络控制器( r n c ，r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) ，由r n c 收集基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 和 移动站( m s m o b i l es t a f f o n ) 的信道分配信息；分布式动态信道分配则由本地决定信道资源的分配， 这样可以大大减少r n c 控制的复杂性，该算法需要对系统的状态有很好的了解。 随机信道分配是为减轻静态信道中较差的信道环境( 深衰落) 而随机改变呼叫的信道，因此每 信道改变的干扰可以独立考虑。 一 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 ，m o b i l es e r v i c e sc e n t e r ) 的服务区避入另一个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颧是否应执行切换操作。除了以上给出的切换技术以 外，正在研究的切换技术基于信道借用和基于用户位置的切换。 呼叫准入控制 以语音业务为主的呼叫准入控制的内容是决定是否接受新用户呼叫。在c d m a 网络中，使用软 容量的概念，每个新呼叫的产生都会增加所有其他现有呼叫的干扰电平，从而影响整个系统的容量 和呼叫质量。因此以适当的方法控制接入网络的呼叫显得比较重要。 3 g 及b 3 g 移动通信系统要求支持低速话音、高速数据和视频等多媒体业务，因此呼叫准入控 制也就变得更为复杂。术来移动通信系统中呼叫准入控制的要求是：任何新的连接不应该影响覆盖 范围和现有连接的质量( 整个连接期间) 。当新连接产生时，呼叫准入控制利用来自负荷控制和功率 控制的负荷信息估计上、下行链路负荷的增加，负荷的改变依赖于流量和质量等参数，若超过上行 或下行链路的门限值，则不允许接入新的呼叫。 1 2 课题工作和进展 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 lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 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1 - 2 个 量级，并结合全i p 网络技术随时随地为用户提供高分辨率的业务和多网融合能力。 如何高效地管理和利用有限的频谱资源是未来移动通信领域的研究热点之一。无线资源分组调 度技术是面向用户分组业务传输q o s 需求，合理地分配包括无线信道在内的各种资源，提高系统传 输效率的有效方法。另一方面，m i m o 移动通信系统还需要使用合理有效的功率分配算法来抑制用 户之间的“远近效应”提高系统容量；并且在m i m o 发射天线之间的功率分配方案也是影响系统容量 的重要因素之一【7 “。 本论文的主要工作是分析并建立b 3 g 系统在单小区范围内针对多用户的无线资源调度和功率 控制算法的仿真平台：结合不同无线资源调度算法和m m o 系统功率分配技术对系统吞吐量、数据 报时延以及丢包率等性能参数的影响进行研究，寻找适合b 3 g 系统的调度算法和功率分配算法。 此外，本文作者还承担g m c t d d - x d m a 实验验证系统无线资源管理软件的实现任务。 1 3 论文内容安排 法。 论文共包括六章，第一章简述了课题背景，讲述了课题进展以及论文相关工作。 第二章详细分析了移动通信系统中的调度技术，并针对b 3 g 系统的特点提出了一种新的调度算 东南大学硕士学位论文 第三章介绍了m i m o 系统的模型、发射功率分配技术及其信道容量计算。 第四章给出了调度技术与功率分配技术在b 3 g 系统中进行联合优化的方法，并对算法的性能进 行了仿真比较。 第五章描述了作者在f u t u r e 课题组的g m c - t d d - x d m a 实验验证系统中f u t u r e 资源管理 软件的实现工作。 第六章对全文进行总结。 4 第二章移动通信系统的调度算法 第二章移动通信系统的调度算法 随着用户数的快速增长扣用户q o s 需求的提高，移动通信系统需要提供更高的数据传输速率 同时，移动通信业务数据传榆速率要求将会在更大的范围内变化，q o s 要求亦会随着业务的不同而 不同固此，未来移动通信的无线资源的分配调度方式必须极为灵活才能高效地适应这一变化 本章首先分析了无线信道的传输特性和移动通信系统调度算法的设计准则，然后基于这些准则 分析了三种经典的调度算法r o u n dp , o b i n ，m a xc i 和m l w d f 算法，最后结合1 3 3 g 系统的特性推导 了一种新的调度算法。 2 1 移动通信系统调度算法设计准则 本节将简要分析移动通信系统中无线网络的特性和调度算法的设计准则。 有线通信领域有着许多成熟的调度算法，但是这些算法却无法直接应用在移动通信领域。因为 移动通信领域的无线信道周有线信道相比存在许多特殊的性质，而移动通信系统的数据传输需要充 分考虑无线信道的特性【9 - 1 0 1 。 2 1 1 无线网络的特性 本文主要考虑移动通信系统中的数据分组调度技术。假设在通信系统包括有线骨干网和一定数 量的无线小区，在每个小区中都设有一个接入点( a p ，a c c e s s p o i n t ) 负责调度发送到各个移动端( m t ， m o b i l et e r m i n a l ) 的分组数据。设定相邻小区使用不同的逻辑信道传输，本章涉及移动通信系统无 线网络的下列性质： 无线信道具有动态变化的信道容量： 无线信道的错误与用户所属区域有关； 无线信道具有突发错误串( b u r s t ) 的特性： 多个无线用户之间存在信道冲突； 移动端不具备全部信道资源使用情况的信息( 也就是不同移动端可能会同时向同一信道发 送数据) ： 调度过程应该同时兼顾上行链路和下行链路，即上下行链路存在不同的状态； 移动台受到传送功率的限制。 2 1 2 资源调度要求 针对移动通信系统中无线网络的性质，资源调度应该尽量满足下列目标： 保障无错误或仅有零星错误链路的长期公平性和吞吐量要求； 充分利用无线信道资源： 减小数据丢包率： 确保无错误或仅存在零星错误链路的延时界限： 支持多种具有不同q o s 要求的业务： 减少移动台的功率消耗： 调度算法的实现过程尽量简单。 在移动通信系统中没有必要也不可能设计出一种实现上述所有目标最优化的调度算法，因为部 东南大学硕士学位论文 分要求在本质上是相互冲突的。在资源调度算法的设计过程中，需要根据具体的系统特点和业务要 求进行恰当的折中。 2 2 典型的调度算法 移动通信系统中的调度算法按照工作原理可以分为静态算法和动态算法两种。在采用静态调度 算法的通信系统中，调度器分配资源的方式是固定不变的；采用动态调度算法时，资源的分配受到 一个或多个特定约束因素变化的影响。 队列1 队列2 队列n 圈2 j 调度器结构图 。_ _ 旦皇1j i j 用户2 圃 图2 ，l 是移动通信系统中的调度器结构的示意图。各业务的数据按照目的和q o s 要求的不同在 不同队列中排队。调度算法在调度器中运行，移动通信系统向动态调度算法提供信道状态的估计值 t g - n l 。在每个调度过程中，调度器从选定的一个或多个队列里选择合适数量的数据进行传输。 本节将以r o u n d r o b i n 算法、m a x c 1 算法和m l w d f ( m o d i f i e d l a r g e s t w e i g h t e d d e l a y f i r s t ) 算法为代表分析移动通信系统中常见的调度算法。其中，r o u n d r o b i n 算法属于静态算法，而m a x c i 和m l w d f 算法属于动态算法j 。 2 2 1r o u n dr o b i n 算法 r o u n dr o b i n 算法的目的是保障用户之间的公平性，即保障每个用户都能得到一定的服务时间 和最低时延要求。 有新用户提出服务请 求时，将该用户标示 插入到等待队列尾部 图2 - 2r o u n dr o b i n 调度流程 6 第二章移动通信系统的调度算法 r o u n dr o b i n 调度的要点如f ： 在通信系统中，等待用户按照循环的方式接受服务： 在一个用户被再次服务之前，其他等待用户必须都被服务一次； - 因此，当前时隙接受服务的用户不能在下一个时隙中继续被服务，除非系统中只有一个等 待用户 调度器可以对一个时隙选中用户的数据进行分组： 图2 - 2 给出了r o u n dr o b i n 调度的基本流程。调度器按照f i f o ( f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t ) 原则依 次为等待用户提供服务。运行r o u n dr o b i n 算法的调度器维护一个等待服务的用户标示队列，当一 个新用户提出服务请求或者一个用户被调度后，将其插入该标示队列的队尾。 r o u n dr o b i n 算法是一种较为简单的调度算法，该算法以循环分配资源的方式使每一个用户都 有接受服务的机会，较好地保障了用户之间的公平性。但是，这种算法没有考虑无线信道的时变特 点，也没有利用无线信道所提供的相关信息( 如信噪比s n r ) 等，因此难以充分利用系统资源以达 到较高的系统资源利用率。 此外，r o u n dr o b i n 没有考虑用户之间存在不同q o s 需要的情况，如对数据报延时要求严格的 用户和延时要求相对较松的用户一视同仁，根多情况下不能满足部分通信系统的要求。 2 , 2 2 m a x c i 算法 m a x c i 算法的设计目标是获得最大的系统容量和最高的资源利用率。m a x c i 算法摒弃等待用 户之间的公平性，在每一个时隙都选择信道状态最好的用户进行服务，从而达到尽可能高的传输速 率。m a xc i 算法的主要特征为【l “j ： 在调度时刻，所有等待用户都按照下一时隙对应的信道状态的估计值，如信噪比s n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) 进行排序； 调度器可以一直传输具有最高s n r 的用户数据，直到该用户的等待队列为空，或者具有 更好信道状态用户的数据到来； 图2 - 3m a x c i 调度流程 图2 - 3 说明了m a x c ，i 算法的调度流程。 s n r 最大的用户进行调度，即 s n r ，0 ) = ，要脚，( f 好 用户对应的信道状态由信道估计装置得到。 调度器按照每个用户当前对麻信道s n r 的大小，选择 7 ( 2 1 ) 东南大学硕士学位论文 m a x c i 算法是根据信道状态信息( c i ，c h a n n e li n f o r m a t i o n ) 如信道的s n r ，实现资源动态调 配，减弱信道衰落影响并从中获益的一种调度方案。该算法能够达到较高的系统容量和资源利用率， 但是由于没有考虑用户公平性，因此在系统运行中，可能会出现一些信道条件相对较差的用户长时 问得不到服务的情况，也就很难提供时延保障。从算法复杂度考虑，m a x c i 算法需要对用户的s n r 值进行排序选择，因此复杂度高于r o u n d r o b i n 算法。 同时，流媒体业务将会在b 3 g 通信系统中出现。该类业务中，数据以流的形式传送，会出现用 户等待传输的数据量小于该时隙信道能够传送最大数据量的情况，从而造成资源的浪费。 2 2 。3m l w d f 算法 m - l w d f 算法的目标是在充分利用系统资源的基础上尽量保障用户的q o s 要求。该算法在每 个时隙都选择权重最大的用户提供服务，而权重则由用户对应的信道状态( 如s n r 值的大小) 和用 户数据的等待时间共同决定的。m l w d f 算法能够同时兼顾传输速率和用户之间的公平性。 m l w d f 调度的要点如下”“”j ： 在调度时刻，所有等待用户都按照对应的调度权重进行排序； 调度权重正比于用户对应无线信道的容量和用户等待队列中数据的等待时间； - 调度器可以一直传输具有最大权重的用户的数据，直到该用户数据为空，或者权重小于其 他用户 图2 - 4m l w d f 调度工作流程 上图说明了m l w d f 算法的工作流程。调度器在每个调度过程根据用户对应的信道状态和用户 数据的等待时间计算每个用户的权重。然后按照每个用户对应的权重大小，选择具有最大权重的用 户提供服务。其中，用户对应的信道状态( s n r 值) 由信道状态估计装置给出。 在调度过程中，调度器需要计算每个用户的岛御q 何值，然后选择 以e ( f ) c ，( 0 = m a x 驷, m ( o c ，( f ) f 1 ，2 ，胡 ( 2 2 ) 的用户进行服务。这里，俐是队列，队首数据包的等待时间，g m 是队列，对应用户的信道容量， 鼠为正数，j = i ，2 ，n ，n 为等待用户数。然后为计算结果排序选择调度具有最大值的第i 个用户。 如果将全部或者部分用户的啊何换成队列长度9 ，那么这个算法就变成依靠当前信道状态和 队列状态调度。调度服务器仅需要相应记录用户数据报的到达时间或者关注当前队列的长度即可。 改变参数届可以控制不同数据报的延时分布情况：增大用户i 的且同时保持其他用户的且不变，可 以减少i 用户的数据报延时但是同时增加其余用户的延时。 s 第二章移动通信系统的调度算法 此外，对于同一调度服务器中的彤似，使用上面两种计算方法，m - l w d f 算法可以同时保证用 户不同形式的q o s 要求。在算法实现的复杂度方面，m l w d f 调度需要计算每个用户的权重并进 行查找，复杂度高于m a xc i 算法。 2 3b 3 g 系统的调度模型 本节将给出移动通信系统的资源调度模型，包括资源模型、业务特性以及性能指标等。下文将 主要针对b 3 g 移动通信系统中单个小区范围内下行链路的资源调度进行讨论f 4 。8 】。 2 3 1 资源模型 b 3 g 移动通信系统的基带处理部分和无线接入网络的物理层将引入m t m o 、o f d m 和多载波等 全新的技术。这些新技术将，“泛采用时间信号处理、频率信号处理、编解码处理和空间信号处理技 术，从而b 3 g 移动通信系统的资源会在时间、频率和空问具有多维的性质。图2 - 5 给出了b 3 g 移 动通信系统在时间、频率和空间范畴内的无线资源的示意图。其中每根天线中单个子载波上的一 个时隙可以看作是移动用户能够使用的最小无线资源单元( r r u ，r a d i or e s o u r c e u n i t ) 。 2 3 2 业务类型 图2 - 5b 3 g 移动通信系统无线资源示意图 随着i p 技术与移动通信网络的融合，i n t e m e t 接入、家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、视频会 议、v o i p 电话、家庭银行( h o m eb a n k i n g ) 、网络游戏、电子教学( t e l e t e a c h i n g ) 、视频流媒体广播 都将出现在未米的移动通信系统中。不同业务的q o s 要求可以通过吞吐量、延时、f e r 和b e r 等 参数来区分。无线网络能够基于无线接口的特征能够提供固定网络和无线网络混合式的0 0 s 保障。 i t u 根据各种业务的q o s 需求，将未来移动通信系统承载的业务分成会话、流、交互和后台业务四 种类型【1 6 1 ： 会话类型 会话类型业务的常见代表就是语音电话业务。随着n t e m e t 和多媒体技术的发展而兴起的一些 新的应用，例如i p 语音电话、视频会议、以及其他时延敏感应用( 如交互游戏) 都可以归类 4 会话 类型的业务集合中。会话类型业务的为了满足人们的感觉对传输时延的限制非常严格，如果延时过 大会降低服务质量。此外，会话类型业务通常具有变化的数据速率，由于传输时延的限制使得在通 信系统中不能使用过大的数据缓冲区来弥补数据速率的变化。 流类型 流类型业务就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后存放到视频传送服务器上，由视频传 9 东商大学颂上学位论文 送服务器把节目传送到网络，用户在客户端通过播放器就可实时观看节目。在网络上传送的一系列 相关的数据包称为“流”。流类型业务运行信息传输过程中存在时延，使用数据缓冲区可以补充传输 抖动( 1 i t t e r ) 和网络数据的暂时丢失。流类型业务的数据虽然没有传输时延的具体要求，但是需要 保证源端和目的端的传输抖动。 - 交互类型 交互类型业务就是终端用户( 人或者机器) 在线获取远程的非音频和视频类数据的业务，包括 w e b 浏览、数据库检索和服务器接入等。交互类型业务也是一种终端用户请求响应模式的数据 通信机制。终端发出请求后，会在一定时间内等待应答，因此传输时延也是此类业务的关键特征。 并且，该类业务的数据的传输过程要求尽量地的误码率( b e r ，b i te r r o rr a t i o ) 。 后台类型 后台类型业务的典型用户是机器，自动在后台收发数据文件。主要应用是e m a i l 传送、数据库 下载、测量数据接收等。后台类型业务的特征是对数据传输过程的延时不敏感但是需要较低的传输 错误率。 上面四种类型业务之间的主要区别是对传输延迟的敏感程度，其中会话类业务是传输敏感程度 最高的，而后台类型业务是传输敏感程度最低的。下表给出了四类业务类型的主要0 0 s 要求参数的 比较： 表2 - 1 四类业务特性比较 2 3 3 系统性能指标计算 研究者一直都在寻找最恰当的系统性能测量指标，来衡量移动通信系统中资源管理算法性能的 优劣，早期衡量移动通信系统中的通信链路质量好坏最主要的性能指标是基站或移动台的发射功率 与接收到的信噪比。研究面向数据业务系统时，人们通常采用吞吐量和传输延迟作为衡量算法好坏 的尺度，而面向语音业务系统的研究则用特定业务负载下的呼叫阻塞率或呼叫掉话率来衡量。 考虑到随着i p 技术与移动通信系统的逐步融合，分组数据业务将占据b 3 g 移动通信系统的主 要地位。本文将选择吞吐量和传输数据丢包率作为衡量系统性能的指标。 系统吞吐量是从源地址发送到目的地址的数据总量本文用系统达到稳定状态后每秒钟内传输 的数据量来表示，单位b p s ( b i t sp e rs e c o n d ) 。 流类型业务的数据需要在规定期限内送达目的端，超过该有效期，数据将失去利用价值被丢弃。 同样，其他类型的业务对传输时延也有着一定的要求，业务数据需要在规定期限内到达。为了保障 崩户的q o s 要求，移动通信系统需要尽量在规定时间内传输该类数据。本文中，数据丢包率定义为 被丢弃的数据占据数据源发送数据总数的比例，为0 - 1 之间的实数。 2 4 p b f s 和s p b f s 算法 本节将针对b 3 g 移动通信系统给出一种新的基于优先级的公平调度算法，并从工程实现角度考 虑进行简化。在b 3 g 移动通信系统中需要一种同时兼顾数据包的时延、信道状态变化和等待数据量 的资源调度算法，因为： 首先，b 3 g 移动通信系统主要承载豁较大业务量是流媒体等分组数据业务。与传统1 p 数据业 务相比，流媒体对数据包时延的要求更为严格。为了保障用户的q o s 要求调度算法需要充分考虑 调度过程中各数据包时延的变化。 1 0 第二章移动通信系统的调度算法 其次，为了提高用户的峰值传输速率，b 3 g 移动通信系统需要开发频率更高的无线资源，由此 会带来更加复杂的无线链路的变化情况。为了增强信道适应性、充分利用信道资源提高吞吐量，调 度算法应该增强适应无线链路变化的功能。 第三，调度算法还应该顾及各用户等待传输数据量的情况。因为用“流”的形式传输数据时， 信道质量好的队列对应的等待数据量可能较少，仅调度该队列就无法充分利用信道资源，造成系统 传输效率的降低。 2 4 1 调度优先级与信道状态和等待数据量的关系 假设在每个时隙内信道的状态不发生改变，调度器根据信道估计器的结