（通信与信息系统专业论文）协作中继系统中资源调度算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 在无线协作中继网络中，由于中继节点的引入，系统的资源调度与原 来蜂窝网络中有所不同，主要体现在：一、中继将原来的单跳链路分割成 两跳或者多跳链路，造成了通信过程中链路瓶颈出现；二、由于正交频分 多址技术的应用，引进子载波概念，造成了资源调度复杂性的增加。而如 何改进资源调度算法，从而改善系统性能，已经成为目前的研究热点。 针对上述问题本文做了以下工作： 现有的研究仅在基站( b s ) 处应用调度器对用户进行资源调度， 或者同时在基站( b s ) 处和中继节点( r s ) 处使用调度器，却仅 使用某一种现有的算法，而不曾考虑过将现有算法进行改进后，或 将几种算法结合起来，对用户进行调度，以达到更好的系统性能。 即在实际通信系统中，用户数不定及时变的无线通信信道情况下， 调度算法面临着如何兼顾系统频谱效率与用户公平性的问题。本文 提出一种改进的最大载干比和比例公平( e m a xc i & e p f ) 调度算 法，以达到权衡系统频谱效率和公平性。该算法首先根据到基站的 距离，划分b s 域和r s 域，然后分别在b s 域和r s 域内采用改进 的最大载干比( e m a xc i ) 算法和改进的比例公平( e p f ) 算法， 并与部分比例公平( p p f ) 算法、两跳比例公平( t h p f ) 算法以及 改进前的算法进行比较。仿真结果证明，本文提出的算法( e m a xc i & e p f ) ，在系统频谱效率性能和公平性之间达到较好的权衡。 现有的研究大部分没有考虑在信道状态瞬时的情况下，对混合业 务，如何使用资源调度算法，使系统性能更优。本文提出了改进的 ml w d f 算法和改进的p f 算法，并在瞬时信道状态信息情况下仿 真了对混合业务分别采取两种算法时的系统性能。首先根据用户所 在位置选择适当的通信方式( 直传或者协作传输) ，然后根据混合 业务通信中业务的时延特性，对通信业务进行分类，并改进 ml w d f 调度算法和p f 调度算法，最后在瞬时c s i 情况下，以改 进后的ml w d f 算法和p f 算法分别调度实时业务和非实时业务 用户，并对算法性能进行评估。仿真表明，改进后的调度算法对调 度的类型业务用户更优，且能得到较好的系统性能表现。 关键词：协作中继，资源调度，瞬时信道状态信息，频谱利用率，公平性 i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ew i r e l e s sc o o p e r a t i o nr e l a yn e t w o r k ，t h er e s o u r c es c h e d u l i n go ft h e n e ws y s t e mi sd i f f e r e n tf r o mt h ec e l l u l a rs y s t e mb e c a u s eo ft h ei n t r o d u c t i o no f r e l a yn o d e s t h em a i n d i f f e r e n c e sa r ea s f o l l o w s f i r s t l y , t h eo r i g i n a l s i n g l e - h o pl i n ki nt h ec o o p e r a t i o nr e l a yn e t w o r ki sd i v i d e di n t ot w o - h o p so r m u l t i - h o pl i n k sb yt h er e l a yn o d e s ，w h i c hc o u l dc a u s et h ec o m m u n i c a t i o nl i n k b o t t l e n e c k s e c o n d l y ，d u e t ot h e a p p l i c a t i o n o fo f d m a ( 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 ea c c e s s ) t e c h n o l o g yt h ei n t r o d u c t i o no ft h e c o n c e p t o fs u b c a r r i e r sw i l li n c r e a s et h e c o m p l e x i t y o ft h er e s o u r c e s c h e d u l i n g h o wt oi m p r o v et h er e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m st oe n h a n c e s y s t e mp e r f o r m a n c eb e c o m e so n eo ft h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u s e s t h e f o l l o w i n gw o r k sa r ed o n ed u r i n gm y t h e s i sw o r k ： i nt h el i t e r a t u r e ，t h er e s o u r c es c h e d u l i n gi sj u s ts t u d i e df o rb a s es t a t i o n ( b s ) o rf o rb o t hb a s es t a t i o n ( b s ) a n dr e l a ys t a t i o n ( r s ) f u r t h e r m o r e ， o n l yo n ee x i s t i n gr e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi s u s e d i tw a sn o t d i s c u s s e di nt h el i t e r a t u r eh o wt oi m p r o v et h ee x i t i n gs c h e d u l i n g a l g o r i t h m so rh o wt oc o m b i n es e v e r a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m st og e t b e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e u s u a l l y , i nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st h e r e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sh a v et h eq u e s t i o no fh o wt ob a l a n c et h e s y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c ya n du s e rf a i r n e s s ，w h e nt h en u m b e r o fu s e r s i sv a r i a b l ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e li st i m e v a r y i n g i nt h i s t h e s i sw ep r o p o s e da ne n h a n c e ds t r a t e g yo fm a xc ia n dp fs c h e d u l i n g a ! 一 , o r i t h m f o rt h ec o o p e r a t i o nr e l a ys y s t e mt oa c h i e v et h eb a l a n c eo f t h es y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt h eu s e r s f a i r n e s s f i r s t l y , t h er e l a y s y s t e mc e l l u l a ri sd i v i d e di n t ob sz o n ea n dr sz o n ea c c o r d i n gt ht h e d i s t a n c ef r o mb s s e c o n d l y , t h ee n h a n c e dm a xc i ( e m a xc i ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n de n h a n c e dp f ( e p f ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi n t h eb sz o n ea n dr sz o n ea r eu s e d ，r e s p e c t i v e l y a tl a s t ，t h es y s t e m p e r f o r m a n c ea m o n gp a r t i a lp r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ( p p f ) s c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，t w o h o p p r o p o r t i o n a l f a i r n e s s( t h p f ) s c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，a n dt h eo r i g i n a lm a xc ia n dp fs c h e d u l i n ga l g o r i t h ma r e c o m p a r e d s i m u l a t i o n ss h o wt h a t t h e p r o p o s e de m a xc i & e p f i u 重庆邮电大学硕士论文a b s 缸a c t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m c a np r o v i d eat r a d e o f fb e t w e e n s p e c t r a l e f f i c i e n c ya n du s e r s f a i r n e s s t h em o s te x i t i n gr e s e a r c hw o r k sd i d n tc o n s i d e rh o wt om a k et h e s y s t e mp e r f o r m a n c eb e t t e rb yu s i n gr e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o r h y b r i ds e r v i c ew i t ht h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n t h e i m p r o v e ds t r a t e g y o fm l w d fa n dp f s c h e d u l i n g a l g o r i t h m i s p r o p o s e di nt h ec o o p e r a t i o nr e l a ys y s t e m s t h es y s t e m sp e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e da l g o r i t h m sf o r h y b r i ds e r v i c e sw i t ht h ei n s t a n t a n e o u s c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o ni s s i m u l a t e d ，r e s p e c t i v e l y f i r s t l y ，t h e p r o p e rc o m m u n i c a t i o nm o d e ( d i r e c to rc o o r d i n a t i o nt r a n s m i s s i o n ) i s c h o s e na c c o r d i n gt ot h el o c a l i z a t i o no fu s e r s t h e n ，t h ec o m m u n i c a t i o n s e r v i c e si sc l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h ed e l a yc h a r a c t e r i s t i co fs e r v i c e s i nt h eh y b r i ds e r v i c e sc o m m u n i c a t i o n a n dt h eb o t h a l g o r i t h m so f m l w d fa n dp fa r ei m p r o v e d a tl a s t ，t h er e a l t i m eu s e r sa n d n o n - r e a l - t i m eu s e r sa r es c h e d u l e db yt h ei m p r o v e dml w d fa n dp f a l g o r i t h m s w i t ht h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e ls t a t u s i n f o r m a t i o n ， r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o n s a r ed o n et oe v a l u a t et h e a l g o r i t h m p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h m s h a v eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a no r i g i n a la l g o r i t h m sf o rt h es c h e d u l e d s e r v i c et y p ea n dc a na c h i e v eap r e f e r a b l es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c o o p e r a t i o nr e l a y , r e s o u r c es c h e d u l i n g ，i n s t a n t a n e o u sc h a n n e l s t a t u si n f o r m a t i o n ，s p e c t r a le f f i c i e n c y ，f a i r n e s s i v 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早殖下匕 在现有蜂窝网络中引入中继节点，利用协作中继以及o f d m a 技术， 解决下一代移动通信系统中，由于多媒体应用的增多而带来的资源不足等 问题，已经成为当前移动通信系统的研究热点之一。随着移动通信的向前 发展，用户对多媒体业务应用越来越大，对通信质量的要求也越来越高， 而有限的无线资源和用户的高要求通信存在矛盾。如何在现有无线通信基 础上，以最小的代价追求最大的通信质量，是未来通信的发展方向。在蜂 窝网络中引入中继节点，以此保证在满足多媒体应用的基础上，改善网络 边缘的通信质量，是解决此问题的一个方向。但是中继的引入，导致未来 移动通信系统中的资源调度与现有蜂窝网络中的有所不同，主要体现在： 一、中继将原来的单跳链路分割成两跳或者多跳链路，造成了通信过程中 链路瓶颈出现；二、由于o f d m a 技术的应用，引进子载波概念，造成了 资源调度的复杂性。 无线中继的基本思想是使用中继节点将基站的信号重新处理后再发 送出去，移动节点即用户可以选择从基站直接接入网络，或通过一个或多 个中继节点接入网络。中继节点在接收到信号后，可以直接放大转发信号 ( a f ) ，也可以经过复杂处理后再转发，如译码转发( d f ) 。将中继引入 到传统的蜂窝网络中，有助于扩大小区的覆盖范围，提高系统吞吐量，改 善小区边缘用户的性能。基于中继技术在无线网络可伸缩性和健壮性方面 的出色表现，下一代w i m a x 系统标准i e e e 8 0 2 16 j 以及l t e a 把基于中 继多跳协作传输的蜂窝移动通信系统作为主要的下一代无线通信网络构 架进行研究。 资源调度作为无线网络的关键技术之一，所需解决的关键问题就是用 户多样的q o s 需求与受限的无线频谱资源以及时变的无线信道之间的矛 盾，其目标包括两个方面：提高无线资源的利用率和无线网络的容量和保 证系统所接纳用户的各种业务的q o s 要求，为不同需求的用户提供令其满 意的服务【l 】。目前资源调度的目标主要有：最大化系统吞吐量、最大化系 统公平性或最大化系统公平性与系统吞吐量的权衡折中。相应的，常用的 调度算法主要包括：轮询( r r ) 算法，最大载干比( m a xc i ) 算法，比 例公平( p f ) 算法等。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 研究现状 现阶段，国内外对协作中继系统中无线资源调度问题的研究主要集中 在两个方面，一是将资源调度算法与新的通信技术或者社会热点结合起 来，以达到改善系统性能或者实现社会热点的目的，二是对资源调度算法 策略本身的改进，从而达到改善系统性能的目的。而已有文献中，这两个 方面通常是交叉结合研究的。下面，将从这两个方面介绍目前协作中继系 统中资源调度的研究。 与新的通信技术或社会热点的结合。文献 1 与节能结合，针对带宽及 链路容量提出了覆盖范围延伸、吞吐量改善和功率节省之间无法同时最优 的矛盾、怎样分配带宽给用户以及关于b s r s 链路和r s m s 链路间容量 不对称非线性等问题，并基于o f d m a 两跳中继网络，提出了节能比例公 平( e n e r g y s a v i n gp r o p o r t i o n a lf a i r ，e s p f ) 调度方法。通过定义基于不同 服务类型的时延上限和每比特的能量消耗以及包调度算法和灵活的资源 分配方法以避免资源的浪费。此算法可以在满足不同服务类型的q o s 要求 的同时，有效减少系统能量消耗并提高系统的吞吐量。文献 2 与实现的复 杂度结合，针对能量消耗问题提出了多媒体应用的增加需要更高容量的无 线链路，导致功率消耗的增加、电池技术的过慢发展，导致需求的能量和 电池提供容量之间的差距增加、收缩设备规模将进一步加剧电池容量的设 计限制等问题，并设计了低复杂度能量高效链路自适应和资源分配方法。利 用时间平均每焦耳比特数能效度量以获得选择信道中上行链路的闭合形 式链路自适应和资源分配方式，此方法不仅有低复杂度而且接近全局最优 解。文献 3 与子载波分配结合，针对资源调度算法本身提出了资源分配算 法过多关注系统容量最大化而忽略了系统公平性且即使考虑了公平慧，却 仅用他来计算不同中继中的负载率公平性的问题，并提出了基于比例公平 约束的子载波分配。此算法首先考虑无p f 约束的子载波分配问题的最优 解；然后据此提出带p f 约束的两种次优方法，这将子载波分配分离到多 用户调度和子载波相配步骤上以降低复杂度。提出的两种方法都能得到明 显的系统传输速率增益并保持和常规仅p f 调度方法几乎相同的公平性能， 且先调度用户然后匹配子载波可以得到更大的系统传输速率增益。 对调度算法本身的改进。文献 4 】与调度器分布位置结合，针对调度器 所处的位置提出了在中继网络中，中继站仅转发信息，而不允许机会调度， 则两跳传输的有效数据速率受限于两链路中较差信道状态链路，从而导致 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 无线资源浪费的问题，并研究了一种基于中继的o f d m a 网络的联合机会 子信道和功率调度方法。在b s 和r s 中同时使用机会调度，则可能有效分 配无线资源，此算法满足每一个m s 的q o s 要求的同时最大化系统平均总 速率，能够显著改善系统性能。文献 5 与节点设置结合，针对网络的传输 率提出了中继链路通过一些由无线信道衰落和时变特性引起瓶颈链路的 问题，并提出了缓冲器被两个中继节点共同利用的一种新的策略。通过有 效利用信道状态较好的链路，以排队时延为代价吞吐量有很大的提高。文 献还制定了两个规则以选择合适的阈值，用来保证吞吐量的改善和容忍的 平均时延，最终目标是达到吞吐量和平均时延之间的权衡折中。文献 6 】 与q o s 要求结合，针对系统总吞吐量和每条链路吞吐量同时优化提出了联 合协作分集与调度( j c d s ) 牺牲部分总吞吐量以换取各条链路上的吞吐量 改善，且多用户分集的应用导致低q o s 的问题，并提出了联合协作分级与 比例公平调度( j c p f s ) 算法，此算法是一种实现多径、多用户、协作分 集且同时提高q o s 的强大技术，可以随着用户数的增加同时提高总体和各 条链路吞吐量。 从以上文献中可以看出，即使与社会节点结合，或者使用了新的通信 技术，在协作中继通信系统中，现有的研究仅在基站( b s ) 处应用调度器 对用户进行资源调度，或者同时在基站( b s ) 处和中继节点( r s ) 处使用 调度器，却仅使用某一种现有的算法，而不曾考虑过将现有算法进行改进 后，或将几种算法结合起来，对用户进行调度，以达到更好的系统性能。 即在实际通信系统中，用户数不定及时变的无线通信信道情况下，调度算 法面临着如何兼顾系统频谱效率与用户公平性的问题。同时，现有的研究 都是基于理想的通信环境下，而没有考虑在信道状态瞬时的情况下，对于 混合业务时，如何使用资源调度算法，使系统性能更优。 1 3 本文的贡献 本文从改进资源调度算法和混合业务角度出发，对协作中继系统中的 资源调度算法进行了研究，本文的创新点及贡献如下： 将现有的m a xc i 算法和p f 算法分别进行优化，将之同时运用到 两跳中继网络中，基于w i n n e ri i 通信环境建立仿真模型，并与 优化前的两种算法以及两跳比例公平( t h p f ) 算法和部分比例公 平( p p f ) 算法进行比较。对系统的吞吐量和公平性进行了仿真评 估。仿真结果表明，提出的改进算法( e m a xc i & e p f ) 能够在系 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 统频谱效率性能和公平性能之间达到较好的权衡。 为了更真实的反映调度算法在通信环境中的性能，在协作中继系统 中将混合业务进行分类，通过增加算法中的占用子载波的比率因子 和功率及信道因子，分别以改进的m l w d f 算法调度实时业务和 改进的p f 算法调度非实时业务，并在瞬时信道状态信息情况下仿 真了对混合业务分别采取两种算法时的系统性能。仿真结果表明， 提出的方法在改善系统性能上可行。 1 4 论文结构安排 本文其他部分的结构安排如下： 第二章对无线资源调度算法进行概述。首先介绍原蜂窝网络中，各资 源调度算法准则，并仿真比较其性能优劣，然后讨论了在无线中继网络中， 资源调度算法面临的问题及挑战。 第三章对两跳中继系统中改进的调度算法进行比较。以原有的m a x c i 算法和p f 算法为基础，改变其算法准则，分别应用于b s 域和r s 域 内，对其公平性和频谱效率进行评估，并与改进前算法进行比较。 第四章对瞬时c s i 下混合业务调度算法性能的仿真实现。为了更接近 真实的通信环境，在瞬时c s i 情况下，针对混合业务调度算法，将业务类 型进行分类、加权，分别以不同的算法进行分别调度，达到改进系统性能 的目的。 第五章对全文进行总结，并展望未来的工作。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 第二章中继资源调度算法原理介绍 协作中继系统是在原有的蜂窝系统中，通过增加中继节点，以达到扩 大小区的覆盖范围，提高系统吞吐量，改善小区边缘用户的性能为目的而 产生。作为无线网络的关键技术之一，资源调度算法也面临着新的问题。 本章首先介绍中继的引进，然后简单介绍了几种常见的资源调度算法，再 介绍中继选择原理，接下来介绍协作中继系统中资源调度算法面临的问 题，最后进行小结。 2 1 中继的引进 在2 g 蜂窝网中，由于路径损耗等原因，使得小区边缘的通信质量差， 导致用户通信不畅，甚至出现通信死角，且随着社会以及通信技术的快速 发展，用户对通信质量要求的提高，以及多媒体业务的大量使用，这些问 题凸显的更加严重。为了扩大小区的覆盖范围，提高系统吞吐量， i e e e 8 0 2 16 、w i n n e r 以及l t e a 等相继提出中继的概念。 2 1 1 中继的分类 根据不同的标准，中继可以被划分为不同的种类，下面介绍几种简单 的中继分类方法。 根据工作时的位置不同，中继可以被分为移动中继和固定中继。其中， 移动中继主要使用在高速运行的物体上，比如公交车、高速列车等，随之 高速移动，以实现全程高效通信和小区间的无缝切换，以解决负载平衡和 热点切换等问题；而固定中继主要应用于小区边缘或者是障碍物多的地 区，其位置固定不变，以达到扩大小区覆盖率，提高系统吞吐量等目的。 根据实现的功能不同，中继可以被分为简单中继和复杂中继。简单中 继相当于现在广泛应用于室内的直放站，具有功率放大功能，信号只能在 中继节点进行扩大转发，如a f ( a m p l i l y i n ga n df o r w a r d i n g ) 扩大转发中 继，简单中继功能单一，操作简单，相对成本也较低。复杂中继中，从基 站发送过来的信号可以在中继节点中进行一定的处理，如解码、功率控制、 路由选择以及资源调度等，如d f ( d e c o d i n g a n df o r w a r d i n g ) 解码转发中 继等，与简单中继相比，复杂中继的最大特点是可以实现控制功能。 根据中继处理接收信号的方式不同，中继的工作机制被分为以下三 种：放大转发( a f ：a m p l i l y i n ga n df o r w a r d i n g ) 、译码转发( d f ：d e c o d i n g 5 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 a n df o r w a r d i n g ) 和估计转发( e f ：e s t i m a t i n ga n df o r w a r d i n g ) 。对于a f 机制，中继站是一个模拟中继器，只起放大和重传信号的作用。由于放大 了衰减的信号和噪声，导致接收端的信号进一步恶化；对于d f 机制，中 继站是一个数字中继器，可以对接收到的信号进行解调和译码，经重新编 码调制后再发送出去。在这种情况下，转发的信号不会进一步恶化。对于 e f 机制，中继站不对接收到的信号进行译码，而是量化后再编码，然后再 发送出去。值得注意的是，固定中继，移动中继，简单中继以及复杂中继 均可以采用这三种工作机制。 本文主要考虑固定中继，如下图所示。 图2 1带有固定中继站的蜂窝网 2 1 2 中继信道模型 本节中，主要介绍在中继网络中，只考虑源节点，目的节点和一个中 继节点的情况，即三节点中继网络，在此网络中只有一个中继被用来帮助 实现源节点和目的节点间的信息传输。三节点中继网络是研究协作中继网 络的基础，中继节点是小区中任一可选用节点。其信道模型如图2 2 所示。 图2 2 三节点中继信道模型 6 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 可以看出，源节点s 既可以直接发送数据给目的节点d ，也可以通过 中继节点r 转发数据给目的节点。而在此过程中，中继节点作为辅助节点， 自身并没有需要发送的数据。不失一般性，假设中继节点工作于半双工模 式，半双工模式能够通过在不同的时间或频段发送和接收信号来实现，也 可以利用相互正交的信号来实现。在t d d 模式中，接收和传送在同一频 率信道( 即载波) 的不同时隙，用保证时间来分离接收和传送信道。本文中 中继节点工作在时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ) 模式。 如图2 3 所示，o f d m a 系统中协作中继通信过程分为两个时隙。在 时隙一( s l o t l ) 中，基站b s 发送信息，中继节点r 和移动台m s 同时接 收信息；在时隙二( s l o t 2 ) 中，基站b s 和中继节点r 均发送信息给移动 台m s ，即m s 接收信息。其中t t i ( t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l ) 表示发 送时间间隔，也可以看作为一个调度周期。 资源单元 黟了鬻罗嬲嘲 b s r s fb s 7 刀- m s 魄蔷。灞 b s m sr s m s s l o t ls l o t 2 t t i 图2 30 f d m a 中继信道模型 2 1 3 中继相关协议 在不断进行的中继通信技术的研究过程中，大批的学者们提出了可行 的中继协作协议，主要可分为以下几种。 协议一。在时隙一中，源节点s 同时发送信号到中继节点r 和目的节 点d ；在时隙二中，源节点s 和中继节点r 同时发送信号到目的节点d 。 需要注意的是，在此协议中，时隙二中，源节点s 发送的信号是经过处理 后，有别与时隙一时所发送的信号。如图2 4 所示： 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继资源调度算法原理介绍 s l o tl s r s d s 1 0 t2 s 一一d r 一一d 图2 4 协议一 协议二。在时隙一中，源节点s 同时发送信号到中继节点r 和目的节 点d ；在时隙二中，仅有中继节点r 发送信号到目的节点d 。如图2 5 所 示： s 1 0 t1 s r s d s l o t 2 r d 图2 5 协议二 协议三。在时隙一中，源节点s 仅发送信号到中继节点r ：在时隙二 中，源节点s 和中继节点r 同时发送信号到目的节点d 。与前两种协议相 比，此协议能获得更高的频谱利用率。如图2 6 所示： s l o tl s r s l o t 2 r d s 一一d 图2 6 协议三 协议四。在时隙一中，源节点s 发送信号到中继节点r 和目的节点d ； 在时隙二中，如果协作成功，源节点发送协作伙伴的奇偶校验信号，如果 协作不成功，源节点和中继节点各自发送自己的奇偶校验信号。这就是编 码协作。编码协作中，中继节点传输的数据信号增加了冗余，而不再与源 节点的数据信号相同。如图2 7 所示： 8 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 s 1 0 t1 s r s d 2 2 资源调度算法介绍 s l o t 2 可以协作 r d 不可以协作 s d 图2 7 协议四 2 2 1 轮询( r r ，r o u n dr o b i n ) 算法 轮询调度算法的基本思想是小区内的用户在等时间内循环的获得通 信服务。即每个用户对应一个队列存放待传数据，调度时用户对应的非空 的队列以循环的方式接受服务以传送数据。 该算法遵循以下原则： 1 ) 调度前，按照到达时间的先后，每个用户占用一个队列，以存放 用户待传数据； 2 ) 调度时，每个用户对应的非空队列以循环的方式接受通信服务。 3 ) 调度后，已接受过服务的队列被清除。 在轮询调度算发中可以发现，当某个用户再次被调度时，说明其他所 有的用户均已接受过一次服务，或者此时仅此一个用户等待通信服务。 轮询调度算法的优点是，在通信过程中，用户循环的接受服务，没有 优先级的设定，这就较好的保证了用户间的长期和短期公平性，没有所谓 的“饿死 现象出现；该算法缺点是完全没有考虑到用户在小区内位置不 同，则用户间的无线通信信道状态也不同，从而使得系统吞吐量很低由 此可见，此算法是最公平的，但同时其吞吐量也是最低的。也可以说轮询 调度算法是用户间公平性的上界，系统吞吐量的下界。 2 2 2 最大载干比( m a xc i ) 算法 最大载干比算法的基本思想是在任意时刻保证总是拥有最大载干比 的用户接受通信服务，即它总是在找一个使系统吞吐量最大化的瞬间。 该算法遵循以下原则： 1 ) 调度前，每个用户占用一个队列，以存放用户待传数据，； 2 ) 调度时，以载干比作为优先级，每个用户的相应队列按降序排列， 查找优先级最高的用户队列接受通信服务。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 3 ) 调度后，已接受过服务的队列不被清除，按照优先级继续等待通 信服务。 即依据其接收信号载千比预测值，对所有待服务移动台排序，并依次 进行调度。调度准则用公式可表述为： k = a r g 吲m a x 。 ( c o ，( f ) ) ( 2 1 ) 在最大载干比算法中可以发现，当某个用户在一段时间内均拥有最大 的载干比时，此用户可以被连续服务。 当某些移动台距离基站较近或信道状态较好时，应用最大载干比算 法，可以使它们得到更多的传输机会，这就意味着离基站较远或者信道状 态较差的用户在信道条件变好，成为最高信噪比用户之前，得到的传输机 会将很少，从而导致“饿死 现象的出现。由此可知，该算法的公平性往 往无法实现，但是因为它永远在寻找系统吞吐量最大化的瞬间，故相较其 他调度算法而言，它可以获得最大的吞吐量。也就是说，最大载干比算法 是吞吐量的上界，公平性的下界。 2 2 3 比例公平( p f ，p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ) 算法 比例公平调度算法的基本思想是小区内每个用户分配一个相应的优 先级，优先级最大的用户接受服务。通常情况下，用户优先级的设定以高 速率为准则，即发送数据的速率越高，用户拥有的优先级越高，接受服务 的几率越大。需要注意的是，此时的高速率是在过去某个时间段内，相对 于用户自身的平均获得速率而言的，因此比例公平调度算法更倾向于将资 源分配给拥有较好速率且有在较长时间内有数据积压的用户。 用户优先级计算公式如下： p r i , ( f ) = 笺 ( 2 2 ) 厂kl z ， 其调度准则表达式为： 七= a r g m a ) 【掣 ( 2 3 ) 。，t 【f j 其中， ( t ) 表示用户k 在t 时刻时的即时数据速率， r k ( f ) 表示用户k 在t 时刻前的一个时间窗口( 即过去的某个时间段) 中获得的平均数据速率。一般情况下，t ( t ) 采用自回归滑动平均( a r m a ， 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 a u t or e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e ) 滤波器方式，根据如下数学表达式来更 新计算用户的平均速率： ，t ( t ) = 1 f 1 f f 一1 ) + 吾( f ) 七= 七 ( 2 4 ) 卜1 ) k k 式中彳表示平均用户速率更新的频率，一般采用时隙的整数倍值。 在比例公平算法中可以看出，当用户连续通信时，t ( t ) 逐渐变大，从 而使该用户的优先级变小，无法再获得服务；而某些用户虽然拥有的瞬时 速率较小，但通过较长时间的等待，其r k ( t ) 值较小，使得用户优先级变大， 从而获得更多的通信服务。 比例公平调度算法的优点是它分配链路给即时速率高的用户，使得资 源有效，从而保证了系统吞吐量；同时在一定时间接收到较差服务的用户， 将通过r t ( t ) 的减少，使得这部分用户因为权重提高而获得通信服务，从而 保证了用户公平性，因此非常适用于非实时业务。 2 2 4 改进的加权时延( ml w d f ，m o d i f i e dl a r g e s tw e i g h t e d d e l a yf i r s t ) 算法 改进的加权时延算法的主要思想是平衡考虑用户的数据包的时延状 况和数据相对传输速率情况。其基本原理是以相对队列时延和信道状况为 优先级为准则，选择那些拥有时延相对较长且在一定时间内信道状况最好 的用户作为优先服务对象。 该算法用户优先级计算公式为： p r i , ( f ) = - 1 0 9 ( 苁) 掣祟 ( 2 5 ) 1 tr k u ， 其调度准则表达式为： k 。= a r g m a x 尸：瓯( f )( 2 6 ) 其中， 九表示用户k 分组业务超出q o s 要求的时延限制的最大概率。 w k ( f ) 瓦表示用户k 在t 时刻的分组时延相对大小； ( f ) 表示用户k 在t 时刻的即时数据速率， 瓦( f ) 表示用户k 在t 时刻前的一个时间窗口( 一定时间内) 获得的平均 数据速率。采用与p f 算法一致的自回归滑动平均滤波器方式来更新。 m l w d f 算法是针对高速率业务流而提出的，广泛应用于h s d p a 、 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 e v d o 、4 g 等系统中。从算法中可以看出，用户的优先级由等待时延和传 输速率因子共同构成，当一个用户被服务时，说明其待传输队列在被调度 瞬间达到了q o s 时延和系统吞吐量最优。 m l w d f 算法在p f 算法的基础上，考虑了分组业务的q o s 时延要求， 这对时延要求严格的实时业务来讲更优，在保证公平性的同时，能够有效 降低了丢包率，提高吞吐量，故对于实时性业务来说ml w d f 调度准则 是在保证时延q o s 要求下吞吐量最优准则。 2 3 中继选择原理 在协作无线中继系统中，由于中继节点的加入，资源调度算法相应的 增加了中继选择的环节，而如何选择中继以得到更优的系统性能，也成了 资源调度算法的基础。资源调度算法另外两个环节是资源分配和分组调 度。本节将简单介绍几种基本的中继选择方案。 2 3 1 基于距离的中继选择 一般情况下，不考虑地形干扰随机因素的影响，接收信号功率与信源 和信宿之间距离的一刀次方成正比，n 的取值一般为2 5 的常数，接收信号 p 表示为： 只瑙芳 q - ) 其中表示信号发射功率，d 表示信源与信宿之间的距离，k 为常数。 假设移动台m s 从b s 处接收到的信号为e 。，从r s 处接收到的信号 为e ：，则： p r l - 争 v r 2 - 争 9 ， d l 与如分别表示m s 到b s 和r s 的距离。在边界节点( m s 从b s 与r s 处接收到的信号功率相等) 处有e ，= p ：，则： i k p b s ：了k p r s ( 2 1 0 ) d ：d ： j 一 在本文中取，z = 4 ，上式化简得： 霉：孕( 2 1 1 ) 。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继资源调度算法原理介绍 力j 求出边界用尸阴轨迹，假设迈夼用尸i f j 坐杯刀u ，少j ， 为( 五，咒) ，r s 的坐标为( 屯，y 2 ) ，则： 最精筹= j 卺一c c 撒，( x 一恐) 2 + ( y 一儿) 2v 、 化简得边界用户的轨迹方程为： ( x 4 - 普) 2 + ( y + 骅) 2 - 曙) 2 + 喈) 2 - 型笔竿盟 由此可知圆心坐标为( 一号云孕，一普) ，半径r 为： 由此可知圆心坐标为( 一孚，一生7 半) ，半径 为： 尺= c 等) 2 + ( 訾) 2 _ 堡笔芋垃 b s 的坐标 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 若用户到圆心的距离小于半径r 则采用中继传输，否者采用直传，如 图2 8 所示，当用户在r s 覆盖的区域内采用中继传输，在边界上可以采 用中继也可以采用直接传输，在r s 覆盖以外的区域采用直接传输。 图2 8 基于距离中继选择示意图 2 3 2 基于路径损耗的中继选择 基于路径损耗的中继选择算法的系统吞吐量优于基于距离的中继选 择方法，这是因为在路径损耗算法中，除了考虑距离对中继选择的影响外， 还考了阴影衰落对中继选择方案的影响。 假设中继和基站b s 之间的链路是足够好的，因此在进行中继选择时 仅考虑第二跳如何选择中继。路径损耗算法步骤如下： 在一个小区的六个中继中，选择距离用户最近的两个中继r 1 和r 2 ； 分别计算移动台m s 到中继r 1 和r 2 的路径损耗，和m s 到基站b s 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章中继资源调度算法原理介绍 的路径损耗，选择具有最小路径损耗的节点( r 1 ，r 1 或b s ) 来为移动 台m s 传输信号。 甩。= a r g m i n ，一历 ( 2 1 5 ) p 其中仫为被选择的节点，= 1 0 1 0 9 。o 皆) 。气和p r e l 分别表示基站和中 1 t e l 继的发射功率。，：和户k 分别表示用户到r s1 ，r s 2 和基站的路 径损耗。 2 3 3 基于信噪比的中继选择 基于信噪比的中继选择算法在系统性能方面优于基于路径损耗和基 于距离的中继选择算法，因为该算法中不仅考虑了路径的各种衰落同时还 考虑了噪声和干扰对中继选择的影响。基于信噪比的中继选择方案的具体 步骤如下： 在一个小区的六个中继中，选择距离用户最近的两个中继r 1 和r 2 ； 分别计算移动台m s 到中继r 1 和r 2