（通信与信息系统专业论文）lteadvanced系统中下行链路资源分配技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 近些年，移动用户对高速率数据业务的需求日益增长，促进了无线通 信系统的快速发展。2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准化终于接近于完成之时， 一个在l t e 基础上继续演进的项目l t e a d v a n c e d 又在3 g p p 拉开了序 幕。l t e a d v a n c e d 系统下行链路中，如何解决有限的无线资源与不断提高 的q o s 需求之间的矛盾，是一个亟待解决的问题。所以，研究基于 l t e a d v a n c e d 系统下行链路的无线资源分配课题，对未来宽带无线通信系 统的发展具有重要意义。 本论文的研究工作是围绕l t e a d v a n c e d 系统下行链路资源分配这一 课题进行的。论文首先阐述了移动通信的发展史及l t e a d v a n c e d 系统的 主要技术参数，分析了l t e a d v a n c e d 系统下行链路的特点。然后研究 l t e a d v a n c e d 系统下行系统与资源分配相关的关键技术，主要包括自适应 o f d m a 技术，跨层r r m 思想，多业务q o s 的要求，自适应调制编码技 术a m c 等。随后分析了几种经典的保证单业务和保证混合业务q o s 的资 源分配算法，并进行性能分析。 与经典算法相比，当前一些基于效用函数的算法使资源分配更合乎用 户的主观需求，具有很大的性能增益，但是目前大多数此类算法并没有考 虑到业务满意度。本文从业务主观满意度出发，考虑不同业务的q o s 要求 和不同用户的业务体验，建立业务满意度评价模型，提出基于混合业务满 意度保证的跨层资源分配算法。最后搭建仿真平台，比较了不同算法下吞 吐量，业务满意度，公平性，q o s 等各个性能，仿真结果表明基于业务满 意度的算法不仅能保证时延敏感业务的时延需求，还能保证非实时业务的 公平性以及系统的整体性能。 关键词：l t e a d v a n c e d ，满意度，正交频分多址，资源分配，混合业务 q o s 重庆邮电大学硕士论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n c r e a s i n gd e m a n do fh i g hd a t ar a t es e r v i c e sf o rt h e m o b i l eu s e r sp r o m o t e st h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nm a r c h2 0 0 8 ，l t e - a d v a n c e dw h i c hi sac o n t i n u i n ge v o l u t i o no nt h eb a s i so f t h el t ep r o je c to p e n e dt h ep r e l u d ei n3g p pw h e nt h es t a n d a r d i z a t i o no fl t e h a df i n a l l ya p p r o a c h e do fc o m p l e t i o n i nt h ed o w n l i n ko ft h el t e - a d v a n c e d s y s t e m s ，h o wt os o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h el i m i t e dr a d i or e s o u r c e sa n dt h e i n c r e a s i n gd e m a n d so fq o si s as e r i o u sp r o b l e m t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h b a s e do nt h ed o w n l i n ko fl t e - a d v a n c e ds y s t e mo fr a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o n h a s g r e a ts i g n i f i c a n c e t ot h ef u t u r e d e v e l o p m e n t o fb r o a d b a n dr a d i o c o m m u n i c a t i o n i nt h i s p a p e r ，t h e r e s e a r c hs u r r o u n d st h es u b je c to ft h ed o w n l i n k r e s o u r c ea l l o c a t i o no ft h el t e - a d v a n c e ds y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e rd e s c r i b e s t h ep h y l o g e n yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h el t e - a d v a n c e ds y s t e ma sw e l la sa n a l y z e st h ef e a t u r e so ft h ed o w n l i n k l t e - a d v a n c e ds y s t e m s e c o n d l y , i ts t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h e d o w n l i n k s y s t e m a n dr e s o u r c e sa l l o c a t i o no fl t e - a d v a n c e d s y s t e m s ， i n c l u d i n gt h ea d a p t i v eo f d m at e c h n o l o g i e s ，t h ec r o s s - l a y e rr r mt h i n k i n g ， t h eq o sr e q u i r e m e n t so fm u l t i s e r v i c e s ，t h ea d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g t e c h n i q u e sa m c ，e t c t h i r d l y ，i ta n a l y z e st h e r a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mc o n t a i n i n gm - p fa l g o r i t h m ，m l w d fa l g o r i t h m ，w h i c hc a ne n s u r e m i x t u r eb u s i n e s sq o sa n di n t r o d u c e sa ni m p r o v e m e n ts e a r c hb a s e du p o n m - p fa l g o r i t h m ，m l w d fa l g o r i t h m c u r r e n t l y , m a n ya lg o r i t h mb a s e do nt h eu t i l i t yf u n c t i o n sh a v eb e t t e r p e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ht h ec l a s s i c a la l g o r i t h m b u tm o s to ft h i sk i n do f a l g o r i t h md o n tc o n s i d e rt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed a t af r a m e i nt h i sp a p e r ， b a s e do nt h er e l a t i o no ft h ed a t af r a m e ，w er e s e a r c ho nt h er e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h ed i f f e r e n ts e r v i c e s s a t i s f a c t i o n t h e nf r o mt h eu s e r s s u b j e c t i v e s e n s a t i o no na l l o c a t i o nr e s o u r c e st h a ti st h eu s e r ss u b je c t i v e s a t i s f a c t i o n sf o rt h er e c e i p ti n f o r m a t i o n ，c o n s i d e r i n gd i f f e r e n ts e r v i c eq o s r e q u e s t s a n de x p e r i e n c e s ，w ep r o p o s eac r o s s l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o n 重庆邮电大学硕士论文 a l g o r i t h mb a s e do ng u a r a n t e eh y b r i db u s i n e s ss a t i s f a c t i o n f i n a l l y , w eb u i l d t h es i m u l a t i o np l a t f o r mt oc o m p a r et h ev a r i o u sp r o p e r t i e ss u c ha st h r o u g h p u t ， b u s i n e s ss a t i s f a c t i o n ，f a i r n e s s ，q o se t c u n d e rd i f f e r e n t a l g o r i t h m s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mn o to n l yc a ne n s u r et h en e e d so fl a t e n c yf o r d e l a y s e n s i t i v eb u s i n e s s ，b u ta l s oc a ne n s u r et h ef a i r n e s so fn o n r e a l t i m e s e r v i c e k e yw o r d s ：l t e a d v a n c e d ，s a t i s f a c t i o n ，o f d m a ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ， m u l t i s e r v i c eh y b r i dq o s i i 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 随着移动通信技术不断发展，以及近十几年来移动通信技术和无线通信市场的 飞速发展，正在进行的i m t - a d v a n c e d 的研究活动具有长远意义。同时，个人通信 的迅猛发展极大地促进了个人通信设备的微型化和多样化，个人通信设备结合多媒 体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足 了个人通信和娱乐的需求。移动用户对高速率数据业务的需求，促使了无线移动通 信系统的快速发展。 g s m 网络演进到g p r s e d g e 和w c d m a h s p a 网络以提供更多样化的通信 服务和数据业务。降低无线数据网络的运营成本，已成为g s m 移动运营商的必经 之路，但这也仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始。 3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 对3 g 移动系统演进的工作开始于 2 0 0 4 年1 1 月2 日3 日在加拿大多伦多举办的无线接a n ( r a n ) 演进研讨会，会议 的主旨是收集关于3 g p p 版本6 之后的无线接入网的演进意见。在这种背景下3 g p p 启动了3 g p p “长期演进项目，简称3 g p pl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目。该项目 【l 】旨在通过不断演进的3 g 系统，提供更强大的数据业务支持，为用户提供更全面 的服务质量。l t e 标准化接近于完成之时，2 0 0 8 年3 月，在l t e 基础上继续演进 的项目l t e a d v a n c e d 又在3 g p p 拉开了序幕【2 】。l t e a d v a n c e d 标准是3 g p p 在更 长远的i m t - a d v a n c e d 时代保持相对其他无线通信标准的竞争优势的关键一步。 该标准以正交频分复用( 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 i n g ) 为 基础，引入了若干新技术，能够提供数倍于3 g 系统的峰值速率。l t e a d v a n c e d 重 点考虑的新技术包括多频段协同与频谱整合，中继( r e l a y ) 技术，协同多点传输， 家庭基站带来的挑战，物理层传输技术的改进等。 未来移动通信系统中，无线资源( 包括频谱、时隙、码字、功率和天线等) 相当 稀有宝贵，对它们进行合理有效的调度使用不仅是满足不同业务q o s 要求，提高系 统整体性能的关键，也是基于o f d m 关键技术的l t e a d v a n c e d 系统、以及未来的 无线个人通信系统都必须深度思考的问题。 综上所述，针对l t e a d v a n c e d 系统下行链路的资源分配的研究具有十分重要 的价值。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2l t e a d v a n c e d 概述 一种新标准的提出一般有两种模式：第一种是对原来标准的继承、发展之后 进一步做出改进和完善，第二种是对原有标准革命性、颠覆性地进行创新。l t e 相对于w c d m a 、t d - s c d m a 等3 g 技术而言，其革命性和颠覆性较强，尤其是 在物理层做出了极大的创新。而l t e - a d v a n c e d 对l t e 的增强相对来讲，继承性则 较强，它保留了l t e 的核心，在此基础上进行了许多外围扩展，比如增加带宽、 空间维度上的进一步增强等【2 】。 作为向下一代移动通信系统演进的主流技术，l t e 改进并增强了3 g 的无线接 入网络，下行物理层做了彻底的技术演进，打造了基于正交频分复用( o f d m ) 和 m i m o 的全新物理层。这两项技术代表了未来宽带无线技术的发展趋势，大大提 高了通信系统传输速率和频谱使用效率。 作为l t e 的增强技术l t e a d v a n c e d ，其主要技术参数如下【3 】【4 】 带宽：最大1 0 0 m h z ； 峰值速率：下行1 g b p s ，上行5 0 0 m b p s ； 峰值频谱效率：下行3 0 b p s h z ，上行1 5 b p s h z ； 针对室内环境进行优化； 有效支持新频段和大带宽应用； 峰值速率大幅提高，频谱效率有限改进； l t e - a d v a n e e d 标准是3 g p p 在更长远的i m t - a d v a n c e d 时代保持相对其他无线 通信标准的竞争优势的关键一步，必定会被设定很高的技术指标。但考虑到l t e 产业化对标准稳定性的要求，l t e a d v a n c e d 应该在现有l t e 核心技术的基础 上尽可能平滑的演进【5 1 。由于学术界在物理层信号处理技术方面的技术储备已 基本耗竭，l t e - a d v a n c e d 的重点工作方向将放在r r m 技术和网络架构优化方 面。 1 3 无线资源分配 1 3 1 概述 资源分配的主要目的是根据用户的实时状态，分配系统的有效资源，以提高 系统资源的利用效率，系统的有效资源主要指时间、空间、频率、功率等。在 l t e - a d v a n c e d 系统中，下行链路利用o f d m a 的方式传输数据，同一时刻在频域 可以传输多个用户的数据，这就需要对于系统中的时间和频率资源进行有效分配。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 无线资源分配是无线网络的关键技术之一。其目标包括两个方面：一是从无 线网络运营商角的度出发，提高无线资源的利用率和无线网络的容量；二是从用户 和业务的角度出发，保证系统所接纳的用户各种业务的服务质量要求，为不同需求 的用户提供令其满意的服务。其需要解决的关键问题在于各用户多样的业务服务质 量需求与受限的无线频谱资源以及时变的无线信道间的矛盾。 1 3 2o f d m a 系统的资源分配 1 ) o f d m a 传输机制 l t e - a d v a n c e d 系统采用o f d m a ( 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 a c c e s s ，正交频分多址接j k ) 作为下行传输方案【6 】，将整个频带分割成许多子载波， 将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动 环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱，o f d m 能够提供较高的频谱 利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波，o f d m a 提 供了天然的多址方式，并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，避免了 系统中的多用户多址干扰。同时，o f d m a 可支持两种子载波分配模式：分布式和 集中式。在子载波分布式分配的模式中，可以利用不同子载波的频率选择性衰落的 独立性而获得分集增益。 2 ) o f d m a 系统资源帧结构 在o f d m a 系统中，资源是一个时频二维结构：在时域方面，无线资源可以划 分为多个时隙，每个时隙包含若干个o f d m 符号；在频域方面，无线资源可以划 分为多个子信道，每个子信道包含多个子载波。如图1 1 所示，在o f d m a 系统中 分配的基本资源单元是时频格( 即一个时隙对应一个子信道) 。由于0 f d m a 系统资 源的时频二维特性，o f d m a 系统资源分配有很大的灵活性，动态的分配资源，可 以产生时频分集增益。 在o f d m a 系统中，我们令每个可供用户使用的时频格为最小资源划分单位， 称为资源块( r b ，r e s o u r c eb l o c k ) 。这样带来的好处有： 若干个r b 可以灵活分配给用户，可以支持更大的速率范围，满足各种业务q o s 的需求； 通过二维的资源划分，系统资源分配的粒度更精细； 通过二维调度，充分利用了无线信道在时频域的特性，提高了系统的频谱效率； 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 i s l o t 资源单元 i 缀萎 j ； 5 l o ：； 主薹 ：，- ：二一， ! ：；：； 彰笏 。；： r 磊 ，； ： | ；! | ! 蟊 褫萎i 耋；i ；：；， ； 雾戮 ；| ! 图1 1o f d m a 系统资源帧结构 另外，对于相同的子信道，用户的移动造成每个用户在其上经历的衰落是独立 的。假如有一个用户在此子信道上经历深度衰落，那么其他用户则很有可能在这个 子信道上增益较好，这样若合理的分配资源，还可以产生多用户分集效果。综上， 动态分配o f d m a 系统资源是高效利用无线资源的关键。 3 ) o f d m a 的资源分配 在o f d m a 系统中，每个r b 可以动态的分配给任意一个用户，该r b 最终被 分配给哪个用户将由分组调度准则决定。一个r b 可以分配给任何一个用户，一个 用户可以得到多个r b ，但是同一个r b 不能同时分配给多个用户。如果将同一个 r b 同时分配给多个用户，这些用户之间将形成同频干扰，严重影响系统的性能。 为了避免同频干扰，每个r b 在一个1 1 1 内只分配给一个用户，可以用以下数学模 型表示： g ”n q ；“) = g ，v i ，且u 硝”s q ( ” 式( 1 1 ) 。 f 甚 i 。 其中，硝“表示在第，1 个r m 分配给用户f 的r b 集合；q 似) 表示第刀个玎i 系 统的可用r b 集合；人印) 表示第刀个阿有数据需要传输的用户集合。 资源分配的目标就是在式( 1 1 ) 的约束条件下，按照一定的准则将r b 分配给不 同的用户。为了减小反馈信息和控制信息量，本文的研究基于上一小节描述的，将 系统的相邻的若干个子载波分成一组构成一个“子信道”，通过反馈链路返回子信 道增益及可以传输的数据速率，基站收到这些信息后，再进行子信道分配。 1 3 3 资源分配需要解决的主要问题 因为无线网络提供给用户的带宽受到带宽资源的限制，只有通过更加有效的方 法进行无线资源的调配，才能使系统提供高速数据通信的能力和对多媒体业务的支 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 持。在提供给用户更多服务内容的同时，还必须保证用户的q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ， 服务质量) 。无线网络同有线网络相比具有很大的特殊性，所以要将有线网络中的 分组调度算法有效地引入无线网络，就必需充分的考虑无线网络的特殊性。这些特 殊性主要有下面列举的这些： a 高误码率和突发错误： b 无线链路容量与位置和时间相关； c 有限的带宽； d 用户的移动性； e 功率受限。 基于无线网络以上的一些特殊性及分组调度本身的目标，下面将对资源分配算 法设计中涉及到的主要问题进行阐述f 7 】【8 】。 无线链路的时变性 无线网络和有线网络最大的不同就是传输链路的时变性。由于干扰、衰减等因 素，无线信道的质量有很高的时变性。另外因为位置的不同，移动台与基站的通信 质量也大有不同。此外，移动台的移动性增加了链路的时变性。这要求设计的资源 分配算法必须有动态的机制来处理这些与时间和位置有关的信道质量变化。 公平性 公平性问题在无线资源分配中比较复杂，由于链路出错的原因可能导致一个流 暂时损失了分配给它的带宽。为了确保公平性，当链路状态恢复过来后，需要补偿 这个受影响的流的损失。 服务质量 无线网将为不同类型的业务提供服务，对这些不同类型的业务需要提供不同的 q o s 。因此，在系统中必需保证不同业务获得了不同的q o s 支持。为了达到这个目 标，相应的机制必须集成到资源分配算法里面。 数据吞吐量和信道利用率 对于无线网络来说最重要的资源就是带宽。一个有效的资源分配算法必需尽量 的减少在恶劣的信道条件下进行的无效传输，同时必须尽量增加有效的服务分配和 无线信道的带宽利用率。 功率限制和简单性 在蜂窝无线网中，资源分配算法主要是运行在基站上。基站用于计算的功率是 不用加以考虑的。然而对于移动台来说功率是受限的，所以一个好的资源分配算法 应该使用最少数量的控制信息，以减少移动台发送这些信息的功率开销。 此外资源分配算法还必须满足简单的原则，不能过于复杂，这样才能高速调度 各种业务，满足其不同的q o s 要求。 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 本文研究内容与创新性 本文主要研究对象为未来l t e a d v a n c e d 系统中多用户调度和无线资源分配的 相关理论和算法，它是决定无线通信系统整体性能的关键因素之一，重点研究多用 户混合业务的资源分配的公平性和有效性。本文主要研究工作及创新性如下： 1 ) 研究当前移动通信系统的发展现状以及未来核心技术发展方向，介绍了 l t e a d v a n c e d 技术的系统要求与关键技术，分析了对无线资源( 包括频谱、时隙、 码字、功率和天线等) 进行合理有效的使用是满足不同业务q o s 要求，提高系统性 能的关键。 2 ) 分析l t e a d v a n c e d 系统资源分配相关的关键技术，尤其是下行链路的处理 流程和传输方案，进一步说明了o f d m a 作为l t e a d v a n c e d 系统下行链路多址接 入技术的选择理由和其对资源分配技术的要求。 3 ) 分析现有的几种经典的保证单业务与保证混合业务资源分配算法以及基于 经典算法的改进，对它们的各项性能，如系统吞吐量、平均时延、用户公平性等进 行了仿真分析。 4 ) 考虑到业务不同的q o s 要求和用户对接收到服务的主观满意度，研究典型业 务( 如v o i p 、实时视频、f t p ) 的满意度评价准则，得到基于业务满意度保证的跨层 资源分配算法。 5 ) 建立了l t e a d v a n c e d 下行链路仿真平台，对本文改进的算法与经典算法进 行仿真比较，总结了改进算法的优势与不足，该算法不仅能保证实时业务的时延需 求，还能保证非实时业务的公平性以及系统的整体性能。 6 ) 对全文进行总结，分析了下一步工作的方向和未来移动通信系统中资源分配 的要求。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e - a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 第二章l t e a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 l t e a d v a n c e d 作为l t e 的增强技术。主要目标是提高传输速率以适 应移动宽带通信市场的应用需求，保持3 g p p 标准在移动通信领域的竞争 力。l t e a d v a n c e d 继续沿用l t e 系统的物理层技术，包括正交频分复用 ( o f d m ) 技术和多天线( m i m o ) 技术等。重点工作方向将放在r r m 技术和 网络架构优化方面。 2 1l t e a d v a n c e d 系统技术要求 l t e a d v a n c e d 能够提供广泛的无线通信业务，由移动和固定网络 支持日益增加的基于包传输的先进的移动业务。支持由低到高的移动 性的应用和很宽范围的数据速率，满足多种用户环境下混合业务的需 求。因此提出了更高的系统技术要求。 2 1 1 系统带宽 l t e a d v a n c e d 通过对频域进行扩充，进一步提高带宽。因为 i m t - a d v a n c e d 峰值速率的指标要求支持最大i o o m h z 的带宽。而l t e 的 最大带宽【5 】是2 0 m h z ，远不足以达到i m t - a d v a n c e d 的要求，所以需要扩 充到更高带宽，比如4 0 m h z 、6 0 m h z ，甚至更高。提高带宽和峰值速率的 方法之一是对频域进行扩充，即把几个基于2 0 m h z 的l t e 设计捆绑在一 起，通过“频谱聚合( s p e c t r u ma g g r e g a t i o n ) 的方式将多个离散的频谱联 合在一起使用来增强带宽。 o f d m 物理信号传输需要占用一定的信道带宽，l t e a d v a n c e d 系统中 物理资源以物理资源块的形式定义，单个物理资源块占用1 8 0 k h z 的传输 带宽，在具体的传输信道环境中，物理资源块与信道带宽之间有如下关系 【2 】： 7 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 嚷疆带宽t 蚓彀 图2 i下行带宽配置结构 如图2 1 ，在一定的信道带宽中可以配置若干物理资源块( r b ) ，一般 来说，配置物理资源块的传输带宽之和并不等于信道带宽，而是留有冗余， 主要考虑了不同信道边界的隔离保护。而且就分配的传输带宽中的子载 波，也不是全部利用，比如在带宽中心位置上的载频处所对应的子载波， 由于对应基带信号的直流( d i r e c tc u r r e n c y ，d c ) 分量，为了避免对接收滤 波带来的影响，常常空置。系统还考虑了保护带，即边缘处对应基带信号 高频分量位置被空置。 表2 1 系统带宽与资源块数目的关系 子载波数目 系统带宽 物理资源块数目 ( 含d c ) 1 4 m h z 7 36 5 m h z3 0 l2 5 1 0 m h z6 0 l5 0 2 0 m h z1 2 0 l1 0 0 在3 g p p 协议中定义了下行系统带宽从1 4 m h z 到2 0 m h z 可选，以适 应不同应用场景【4 1 。系统带宽不同时对应的资源块数和子载波数对应关系 如表2 1 所示，可以看到，并不是系统带宽上的所有载波用于传输，而是 留有一定冗余，用于系统保护带。 2 1 2 频谱效率 l t e a d v a n c e d 系统需要更高的频率效率，其主要技术参数为上行 3 0 b p s h z 和下行1 5 b p s h z 。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 增加天线数量可以显著提高峰值频谱效率，即利用空间维度进行扩 充。目前这方面最直接的方法是在基站站点上增加天线即采用更高阶 的m i m o 技术，在l t e 阶段可以做到在基站侧设置4 个天线，终端侧设 置4 个接收天线和2 个发射天线，为了进一步提高峰值频谱效率， l t e a d v a n c e d 基站侧将增加到8 个天线、终端侧增加到8 个接收天线和4 个发射天线，这样就可以做到下行8 发8 收、上行4 发8 收。 除了以上方法，对空域的扩充还有其它的两个方法协同多点传输技术 和r e l a y ( 无线中继) 技术。协同多点传输又称分布式天线，是从“小区 分裂 出发考虑的新型网络架构，通过插入大量的新的站点拉近天线 和用户的距离，实现“小区分裂，获得更高的频率复用。r e l a y 技术 就是基站不直接将信号发送给u e ，而是先发给一个中继站( r e l a y s t a t i o n ，r s ) ，然后再由r s 转发给u e 。这两种技术也是进一步利用空 间的维度进行扩充，其设计思路更加开阔。 2 1 3 无线资源管理 无线资源管理通过对无线资源的协调和分配，在物理层传输技术支持 下，确保有效地使用有限的无线资源，通过一些调度机制和分配算法使得 e u t r a n 尽最大可能地来满足用户对无线资源管理的要求。可以有效提 高系统的数据传输速率，增强系统的整体性能。 e u t r a n 对无线资源管理要求： 增强的端到端q o s 的支持。e u t r a n 提供改进和优化q o s 的控制 机制，来满足服务、应用和协议对无线资源的要求。 对高层传输的有效支持。 不同无线接入技术之间负载共享和测量管理的支持。 本文针对l t e a d v a n c e d 系统下行链路无线资源分配进行研究，目的是 保证l t e a d v a n c e d 系统混合业务q o s 要求，满足系统传输数据速率要求。 综合考虑l t e a d v a n c e d 系统下行链路的特性，进行l t e a d v a n c e d 系统下 行链路无线资源分配改进和优化。 2 2l t e a d v a n c e d 系统下行链路分析 2 2 1l t e a d v a n c e d 下行链路物理层帧结构 l t e - a d v a n c e d 在空中接口上支持两种帧结构：t y p e l 和t y p e 2 ，其中 9 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e - a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 t y p e l 用于f d d ；t y p e 2 用于t d d ，无线帧长度为1 0 m s 。在f d d 中1 0 m s 的无线帧分为1 0 个长度为l m s 的子帧( s u b f r a m e ) ，每个子帧由两个长度为 0 5 m s 的时隙( s l o t ) 组成【4 1 。 i r a d i of r a m e = 1 0 m s 陶懈笮计 。 例咖匝 工工 口 ! 工 口 工工 t y p e 2t d d 二! 堕，l 7 1 m s 卜刊 i 团i豳i 孕 3 4 了 89 ，i d w p t sg pu p p t s ，l、 d w p t sg pu p p t s 图2 2l t e a d v a n c e d 无线帧结构 在t d d 中1 0 m s 的无线帧由两个长度为5 m s 的半帧( h a l f f r a m e ) 组成， 每个半帧由5 个长度为l m s 的子帧组成，其中有4 个普通的子帧和1 个特 殊子帧。普通子帧由两个0 5 m s 的的时隙组成，特殊子帧由3 个特殊时隙 ( u p p t s 、g p 和d w p t s ) 组成。l t e a d v a n c e d 的t t i 长度为1 个子帧，即 l m s 。两种帧结构如图2 2 所示。 上述两种帧结构中，t d d 模式帧结构与t d s c d m a 系统帧结构类似， 都包含d w p t s ，g p 和u p p t s 特殊时隙，这也是考虑到l t e a d v a n c e d 系 统对t d 的兼容性要求。在t d d 帧结构中，上下行时隙配置有多种方式， 上下行转换周期分为5 m s 和1 0 m s ，如图2 3 所示： 5 m s 周期 “羞 om s ， x l m s j l _ 旺i 下行 _ _ _ i 二 l 墨圈_ _ 圈_ _ 即 二】_ _ 口上行 图2 3t d d 帧结构上下行配置方案 1 0 3 2 1 5 1 c - o 4 5 b b b b u u u u l 二j l l d d d d ，ii-jti_【 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e - a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 2 2 2l t e a d v a n c e d 下行链路多址接入方式 l t e a d v a n c e d 下行物理层采用正交频分复用( o f d m ) 的多址传输方 案，大大提高了频谱利用率和数据传输速率。o f d m 基带调制，其简单流 程如下图【4 】： l + f 苗业l 子载 斗 波映i h 叮 慷糍h 。哪黜孙 串- 并 射 啼 l _ l _ o f d m 调制 图2 4 下行o f d m 调制过程 域 将经过编码调制后的符号数据流，串并变换后映射到频域的子载波上， 经过i f f t 变换得到时域采样信号，加入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 后完 成o f d m 调制。在l t e a d v a n c e d 下行系统中，设计了正常循环前缀( n o r m a l c p ) 和扩展循环前缀( e x t e n d e dc p ) ，分别用于一般小区和广域覆盖小区情 况。 根据上述o f d m 调制特性，下行物理资源将是时频二维的，即子载波 个数和符号数。在下行信号时频结构中，最小单位为物理资源单元 ( r e s o u r c ee l e m e n t ) ，即一个o f d m 符号内的一个子载波。l t e a d v a n c e d 中在进行下行数据传输时，将时频域物理资源单元组成资源块( p h y s i c a l r e s o u r c eb l o c k ，p r b ) ，作为进行调度与分配的物理资源单位。 图2 5 反映了普通循环前缀( n o r m a lc p ) 下物理资源块的时频分布。一 个p r b 在频域上包含1 2 个连续的子载波，子载波间隔1 5 k h z ( 在m b s f n 情况下可能为7 5 k h z ) ，在时域上包含7 个连续的o f d m 符号( 在扩展循环 前缀情况下为6 个) ，即频域宽度为1 8 0 k h z ，时间长度为一个时隙，即o 5 m s 。 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 警 誉 髑 粪 堆 2 i i 墅 弼 辅 m 端 蜊 专 一个下行时隙死。= o 5 m s 口 i o f d m 符号 i ；0 图2 5 用于l t e a d v a n c e d 系统下行链路时隙资源块结构 2 2 3l t e a d v a n c e d 下行链路物理层信号流程 图2 6 表示的是l t e a d v a n c e d 系统下行链路o f d m a 处理流程图1 4 j ， 即基站( e n o d e b ) 端根据物理层协议( 3 6 2 1 1 ) 完成下行链路发射端通用处理 流程。模拟数据源随机产生的0 ，l 比特经过信道编码、加扰后通过调制 生成数据符号。l t e a d v a n c e d 下行支持b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 四种调制方式，用于不同物理信道和不同传输速率。然后数据符号根据下 行发射多天线模式，通过与不同组合的层映射和预编码矩阵相乘，完成空 时编码过程，对单天线发射而言，这一过程可以省略，数据符号直接进入 下一步骤。下行参考信号d m r s 根据协议产生，产生的参考信号首先进 行正交码扩频，然后映射到系统配置的资源块和符号上。而后，数据符号 将映射到没有被参考信号占用的资源单元上。物理资源映射后，经过i f f t ， 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 加循环前缀后通过不同天线发射。 下行链路t x 上传输模块 t b c r c 插入 ，传输模块+ c r c t b 分割 二 二丕芯 c b c r c 插入 分割模块桕t c t u r b o 编码器 卷积编码器l 二 二五 速率匹配器 二 二五 调制 蟓样( 频域) 层映射器 二 二互主s 邺l 岱 资源映射l 同步插入i 1 熹鼍舭i f f t + c p 插入 下行链路r x 传输模块 t b c r c 校核 二 二至凶c t b 重新组装 二 二五e c b c r c 校核 r 磊赢c t u r b o 解码器， 维比特解码器 层去映射器 a n t e m mi os a m p l e s 资源 去映射i o f d ms y m b o t s i 高 + 同步 图2 6l t e a d v a n c e d 系统下行链路o f d m a 处理流程 接收端( u e ) 接收到经信道后的数据，去掉c p ，经f f t 变换得到o f d m 解调数据，然后进行解映射，信道估计，信号检测，解调，解扰和信道解 码等逆处理过程，得到接收数据，完成下行物理层接收端处理。 2 3l t e a d v a n c e d 系统下行链路资源分配关键技术 无线移动通信系统的主要瓶颈之一是频率资源有限，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 ) 技术是使频谱资源能够得到有效利用 的重要途径。在l t e a d v a n c e d 移动通信系统中，o f d m a 系统必须具备 处理多种多媒体业务的能力，这些业务具有不同的q o s 级别和业务特征， 从而对资源分配算法提出了更多的挑战。 无线资源管理的目标是：在满足用户q o s 要求的条件下，在有限的带 宽上最大限度提高频谱效率与系统容量，同时要避免网络拥塞。 对多业务的支持使得无线资源管理成为未来移动通信系统研究的重 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a d v a n c e d 系统发展及其下行链路分析 点内容。在l t e a d v a n c e d 移动通信系统中，支持不同传输速率的分组数 据业务、特别是高速率的多媒体业务是发展趋势，同时传统的话音业务将 在系统中长期且大量存在，因此使用无线资源管理对多业务环境中的容量 进行优化成为必然。 图2 7l t e - a d v a n c e d 系统下行资源调度流程图 如图2 7 所示的l t e a d v a n c e d 系统资源调度流程图1 5 】。在 l t e a d v a n c e d 系统资源调度中，由基站下行调度器根据缓存数据量，用 户的q o s 要求，公平性以及反馈上来的信道测量报告做出调度决定，基站 把调度结果通过控制信令发送到各有关用户并根据调度结果发送数据。用 户根据调度信令中指定的资源块，以指定的调制编码方案，天线选择方案 接收下行数据。未来l t e a d v a n c e d 系统中，为了满足不同用户不同业务 的q o s 需求，无线资源管理不再局限于简单的无线资源分配，它还包括功 率