（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中分组调度算法的研究(2).pdf

摘要 移动通信系统中分组调度算法的研究 摘要 第二代移动通信系统，如g s m ，促使语音业务走向了无线传输 方式。在无线通信市场最为发达的一些国家，移动电话的数量已经超 过了固定电话的数量，并且移动电话的普及率超过了8 0 。然而，随 着移动通信的发展，移动通信用户数和i n t e m e t 用户数急剧增加，人 们期望新代移动通信系统不仅具有更大的容量，还要支持移动多媒 体业务，除了提供话音业务外，还支持低高速数据、图像等非话音 业务的传输。第二代移动通信系统的数据处理能力有限，+ 目前的第三 代移动通信系统能够提供高比特数据业务来传输和接收高质量的图 像和视频，并且还能以高数据速率接入全球网络。 不同业务有不同的服务质量( q o s ) 要求，如对时延、误比特率、 数据速率的要求不同。无线蜂窝网络设计有两大目标：一是保证各类 业务的q o s 要求，二是使网络的资源利用率达到最大，这需要借助 于无线资源管理。移动通信系统的无线资源管理主要包括呼叫允许控 制、切换控制、功率控制、负荷控制、分组调度等。本文重点研究了 移动通信系统的分组调度算法。分组调度算法作为无线资源管理的一 个重要组成部分，针对分组数据业务，根据不同的q o s 需求，在各 类业务之间合理分配系统可用资源，满足服务质量的同时提高频谱利 用率和系统吞吐量。 北京邮电大学硕士学位论文摘要 首先，本文介绍了有线通信系统中的分组调度算法，并探讨了无 线通信系统和有线通信系统的区别，阐述了无线通信系统中分组调度 算法必须具备的特性。 其次，本文介绍了c d m a 2 0 0 0 移动通信系统中三种分组调度算法： 最大c i 算法，轮循算法，正比公平算法，而且通过仿真比较了算法 的性能；并根据3 g p p 的公平性准则，研究了两种改进算法，这两种 算法均可以通过调节参数来改变吞吐量和公平性性能，仿真结果表明 能够在吞吐量和公平性之间达到一种合适的折衷。 然后，本文简要地介绍了o f d m a 系统，并结合多载波技术展开 分组调度算法的研究；介绍了两种适合多载波方式的调度算法，分别 是k & h 算法和多载波正比公平( m p f ) 算法；并结合两种算法的优 点，研究了一种新的调度算法( k & h m p f 联合算法) ，仿真结果表 明，新算法在公平性和吞吐量方面的性能都很好，是比较适合 o f d m a 系统的一种调度算法。 最后，总结全文并对未来的研究做出展望。 关键字：分组调度，c d m a 2 0 0 0 ，o f d m a ，多载波，公平性， 吞吐量 北京邮电大学硕= l = 学位论文 摘要 t h ei 乇e s e a r c h0 f p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s i nm o b i l ec o 呱仉】j n i c a t l 0 ns y s t m e s a bs t r a c t t h es e c o n dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s u c ha s g s m ，e n a b l e dv o i c et r a f f i ct og ow i r e l e s s t h en u m b e ro fm o b i l ep h o n e s w i t h8 0 p e n e t r a t i o ne x c e e d st h en u m b e ro fl a n d l i n ep h o n e si nc o u n t r i e s w i t ht h em o s ta d v a n c e dw i r e l e s sm a r k e t h o w e v e r ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，m o b i l eu s e r sa n di n t e m e tu s e r sa r ei n c r e a s i n g d r a m a t i c a l l y p e o p l ee x p e c tt h a tn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sc a np r o v i d el a r g e rc a p a c i t y a n ds u p p o r tm o b i l em u l t i m e d i a s e r v i c e s b e s i d e sp r o v i d i n gr e a l - t i m es p e e c hs e r v i c e ，n e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r er e q u i r e dt os u p p o r tn o nr e a l - t i m e s e r v i c e ss u c ha sl o w h i g hr a t e d a t a , p i c t u r e s e t c t h ed a t ah a n d l i n g c a p a b i l i t i e s o fs e c o n dg e n e r a t i o ns y s t e m sa r el i m i t e d ，n o wt h es e c o n d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ea b l et op r o v i d eh i g hb i t r a t es e r v i c e st h a te n a b l eh i g hq u a l i t yi m a g e sa n dv i d e ot ob et r a n s m i t t e d a n dr e c e i v e d ，a n dt op r o v i d ea c c e s st ot h ew e bw i t hh i g hd a t ar a t e s h e t e r o g e n e o u ss e r v i c e sh a v e d i f f e r e n tq 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 ，f o re x a m p l e ，t h er e q u i r e m e n t so f t i m ed e l a y ，e r r o rb i tr a t e ， 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 a n dt r a n s m i s s i o nr a t ef o rh e t e r o g e n e o u ss e r v i c e sa r ed i f f e r e n t i a t e d t h e r e a r et w om a i no b je c t sf o rw i r e l e s sn e t w o r kd e s i g n ，o n ei st og u a r a n t e e q o sr e q u i r e m e n t so fh e t e r o g e n e o u ss e r v i c e s ，a n dt h eo t h e ri st om a k e r e s o u r c eu t i l i z a t i o nm a x i m i z e d t m sr e c u r st or a d i o r e s o u r c e m a n a g e m e n t( r r m ) r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t f o rm o b i l e c o r m n u n i c a t i o ns y s t e m si n c l u d e sc a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，h a n d o f fc o n t r o l ， p o w e rc o n t r o l ，l o a dc o n t r o la n dp a c k e ts c h e d u l i n g t h i sd i s s e r t a t i o np a y s a t t e n t i o nt op a c k e ts c h e d u l i n gi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i f f a nw o r k sa so n ep a r to fr r m t oa l l o c a t er a d i or e s o u r c e f o rp a c k e tu s e r ss u c ha sb i tr a t e 、t r a n s p o r tc h a n n e l sa n dt r a n s m i s s i o n p o w e rt op r o v i d et h es p e c i f i cq o s ，a n da tt h e s 。d i l et i m e ，o p t i m i z et h e f r e q u e n c ye f f i c i e n c ya n di n t e r f a c et h r o u g h p u t f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m si n w i r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，d i s c u s st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e w i r e l e s ss y s t e m sa n dw i r es y s t e m s ，a n dd e p i c tt h ec h a r a c t e r i s t i c 也a tt h e p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss h o u l d h a v e s e c o n d l y ，t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c ea n dd i s c u s st h r e e p a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nc d r n a 2 0 0 0s y s t e m s ，w h i c hi n c l u d em a x i m u m c i a l g o r i t h m ，r o u n d r o b i na l g o r i t h ma n dp r o p o r t i o n a lf a i r n e s s a l g o r i t h m , a n dc o m p a r et h ep e r f o r m a n c e w i t hs i m u l a t i n g ；u n d e rt h e f a i r n e s sc r i t e r i ao f3 g p p ，ir e s e a r c ht w oa m e l i o r a t e da l g o r i t h m s t h et w o i v 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 a l g o r i t h m sb o t hc a nc h a n g et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed a t at h r o u g h p u t a n df a i m e s st h r o u g ha d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r sa n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n i n d i c a t et h ea l g o r i t h m sa c h i e v et h ea p p r o p r i a t et r a d e o f fb e t w e e nt h ed a t a 。r f t h r o u g h p u ta n df a - k r n e s s t h i r d l y ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e so f d m as y s t e m sb r i e f l y ，a n d s p r e a d st h er e s e a r c ho 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 i t hm u l t i - c a r r i e r t e c h n o l o g y ；ii n t r o d u c et w os c h e d u l i n ga l g o r i t h m s f i tf o rm u l t i - c a r r i e r s y s t e m ，w h i c ha r e k & ha l g o r i t h ma n dm u l t i - c a r r i e r p r o p o r t i o n a l f a i r n e s sa l g o r i t h m ；a n dw ep r o p o s ean e ws c h e d u l i n ga l g o r i t h m c o m b i n i n gt h e e x c e l l e n c eo ft h et w oa l g o r i t h m s ，w h i c hi sc a l l e dj o i n t k & h m p fs c h e d u l h i ga l g o r i t h l n t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ej o i n t k & h m p fa l g o r i t h mb e h a v e sw e l li nb o t hf a i m e s sa n dt h r o u g h p u t a tl a s t ，f l a i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ew h o l ea r t i c l ea n ds h o w st h e p o t e n t i a lf u t u r er e s e a r c ho np a c k e ts c h e d u l i n g k e y w o r d s ：p a c k e ts c h e d u l i n g ，c d m a 2 0 0 0 ，o f d m a ，m u l t i - c a r r i e r ， f a i r n e s s ，t h r o u g h p u t v 北京邮电大学硕= l 学位论文第一章绪论 图表目录 图1 1基站中无线资源管理算法的基本模型- 4 图2 1无线网络调度器位置1 2 图3 1 分组数据业务呼叫建立模型1 6 图3 2 轮循算法的吞吐量和距离的散点图2 1 图3 3 最大c a 算法吞吐量和距离的散点图2 1 图3 4 正比公平算法吞吐量和距离的散点图2 2 图3 5 三种算法吞吐量对比图2 2 图3 - 6 理想状态下调度用户选择的概率密度分布函数图2 6 图3 - 7 用户调度时隙占有率图2 7 图3 8 单个用户吞吐量图2 8 图3 - 9 系统平均吞吐量图。2 8 图3 1 0 各种调度算法的吞吐量累计分布函数曲线3 0 图3 1 l 轮循c i 算法调度流程图i 3 2 图3 一1 2 速度受限的最大伽算法调度流程图3 4 图3 1 3m = o 5 ，n = o 5 时的最大c i 算法+ 轮循算法的吞吐量散点图3 5 图3 1 4 根据m ，n 取值不同的c d f 曲线图：3 6 图3 一1 5 根据m ，n 取值不同的吞吐量曲线图3 7 图3 - 1 6r m a x = 3 r a v e r , r m i n = 0 2 r a v e r 的吞吐量散点图3 8 图3 1 7 速度上限、下限取值不同时的c c l f 曲线3 9 图3 1 8 速度上限、下限取值不同时的吞吐量曲线3 9 图4 1o f d m a 下行链路数据传输模型4 7 图4 2 无线资源的划分4 8 图4 3o f d m a 系统分组调度仿真流程图5 4 图4 4 三种算法的系统吞吐量随用户数的变化情况，t = 2 ，d = - 0 1 ，s n r = 1 2 d b 5 5 图4 5 用户数为1 0 系统中三种算法的系统吞吐量与平均信噪比的关系( t - - 2 ，d = 0 1 ) 5 6 图4 - 6 用户数为1 0 的k & h 算法吞吐量和距离散点图( f = 2 ，d = - 0 1 ，s n r 号1 2 d b ) 5 6 图4 7 用户数为1 0 的m p f 算法吞吐量和距离散点图( f = 2 ，d = - o 1 ，s n r = 1 2 d b b ) 5 7 图4 8 用户数为1 0 的m p f k & h 算法吞吐量和距离散点图( t = 2 ，d = 0 1 ，s n r = 1 2 d b ) 5 7 图4 - 9用户数为l o 系统中e d f 曲线( t = 2 ，d = - o 1 ，s n r = 1 2 d b ) 5 8 图4 1 0 用户数为1 0 时延约束t 和参数d 对算法吞吐量的影响( s n r - 1 2 d b ) 5 8 图4 1 1 用户数为1o 时参数d 对算法公平性的影响( s n r = 1 2 d b ，t = 2 ) 5 9 图4 1 2 用户数为l o 时参数t 对算法公平性的影响( s n i 净1 2 d ：b ，d = - 0 0 1 ) 5 9 表3 - 1c d m a 2 0 0 系统仿真参数表2 0 表3 - 2c d f 准则2 9 表3 3m 和n 的不同取值表3 6 表3 - 4 速率最大、最小值的取值表一j 一3 8 表4 1o f d m a 系统仿真参数表5 5 v i l l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：阉华 本人承担一切相关责任。 日期：2 1 1 笸! ；= 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期： 日期： z 口。又j ，砂j 北京邮电大学硕士学位论文 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 的通信摆脱了时问、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，最后介绍了 论文的内容安排。 1 1 无线移动通信系统概述 移动通信发展的最终目标是实现这样一种理想的通信境界：“任何人 ( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时间( w h e n e v e r ) 可以同任何人( w h o e v e r ) 进 行任何形式( w h a t e v e r ) 的通信”。目前的通信系统正在由第二代向笫三代过渡，从 以一话音业务为主的移动通信系统过渡至话音业务和高速数据业务的混合业务 移动通信系统，向着这个最终的理想境界大步迈进。 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 - 2 0 0 k h z o 。 第1 页 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 9 0 年，美国高通( q u a l c o m m ) s l 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。19 9 2 以时分多址( 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 ) 技术为基础的筇二代数字蜂窝移动移动通信系统( g s m 、d a m p s 、j d c ) 相继投 入使用，可支持语音和低速率数据通信。 1 9 9 3 年美国q u a l c o m m 公司提出了码分多址技术( c d m a ，c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，扩频、软切换、功率控制、语音编码等关键技术使得它除了能 为网络提供清晰、高质量的话音服务，也极大地提高了频谱利用率。第一个商用 部署的c d m a 系统实现的话音容量是第一代模拟蜂窝技术的1 0 到2 0 倍，超过 g s m 和t d m a 系统三至四倍，具有无法比拟的优势。因此，国际电信联盟( i t u ) 决定将c d m a 作为第三代( 3 g ) 移动通信系统的技术平台。随着1 s 一9 5 标准( 属于 2 5 代移动通信系统，即由2 g 向3 g 的过渡型移动通信系统) 在全世界范围投入 商用，移动通信正在经历着2 5 g 并朝着3 g 的时代演进。 第三代( 3 g ) 移动通信系统i m t 是i t u 在1 9 8 5 年提出的，当时称为陆地移动 系统，即f p l m t s 。1 9 9 6 年正式更名为i m p 2 0 0 0 。它要将综合宽带网业务尽量 延伸到移动环境中，能够传送高达2 m b p s 的高质量图像。它与现有的第二代移 动通信系统相比，其特点可概括如下： a ) 全球普及和全球无缝漫游 b ) 具有支持多媒体业务及i n t e r n e t ( 即数据业务) 的能力，这是其最主要 的特点 c 1 便于过渡和演进 d ) 高频谱利用率 目前，国际上最具代表性的第三代移动通信技术标准有三种：c d m a 2 0 0 0 ， w c d m a 和t d s c d m a 。c d m a 2 0 0 0 1 x 是c d m a 2 0 0 0 的第一阶段，支持15 3 6 k b p s 的数据速率。为了在c d m a 2 0 0 0 1 x 的基础上进一步增强数据业务能力( 即 c d m a 2 0 0 0 i x 演进系统) ，3 g p p 2 于2 0 0 0 年9 月完成了l x e v - d o 的标准化，并 于同年1 0 月由t i a 颁布为i s 8 5 6 标准。在2 0 0 1 年8 月的国际电联i t u r w p b f 会议上，l x e v - d o 被正式批准成为3 g i t m 2 0 0 0 标准的。部分。 我国从1 9 8 7 年开始提供蜂窝移动通信业务，到1 9 9 9 年底，移动电话用户超 过4 0 0 0 万，而截至2 0 0 3 年8 月，已达2 5 亿用户。人们利用移动电话，最初只 是双方通话，而现在则还用来发送短消息、发送图片、上网、下载图片音乐、移 动q q 甚至看电视。国内最大的两家移动通信运营商一中国移动和中国联通分别 第2 页 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 推出了各自的2 5 代通信系统。中国移动选择的是g p r s ( 通用分组无线系统) ， 下一步向3 g 的w c d m a 升级；中国联通选择的是e d m a 2 0 0 0 一l x 系统，下一步向 c d m a 2 0 0 0 一i x 演进系统升级。2 0 0 2 年1 0 月，中国移动在全国率先开通多媒体“彩j 信”业务；中国联通也在2 0 0 3 年8 月推出“互动视界”业务，拥有g p r s 或j c d m a 1 x 彩屏摄像头手机的用户，可以拍照片作为短信发给朋友们，可以在没 有网线和电话线的地方通过手机浏览i n t e r n e t ，可以插上耳机静静欣赏手机上的 m p 3 音乐。由此可见，越来越多的多媒体数据服务成为了移动用户的基本需求， 第三代移动通信系统成为了移动通信发展的必然趋势。 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 动用户能使用的多媒体业务，是能够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 f l 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，就需要建立能最优地传输t c p ，i p 业务，完全不同于 2 g 、3 g 无线网络结构的新系统。 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 无线移动通信系统的无线资源管理概述 移动通信从8 0 年代初投入商用系统以来，已经经历了从模拟通信向数字通 信的转变。随着移动通信的飞速发展，传统的以话音业务为主的第二代地面移动 通信系统已逐渐不能满足人们的要求，而新兴的数字业务，如e m a i l 、视频传输、 文件下载等将成为移动通信中不可或缺的业务组成。因此，各大移动运营商都在 积极地部署第三代移动通信系统，国外已有3 g 系统投入商用，这其中主要包 括以欧洲和日本提出的w c d m a 、北美提出的e d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a 。 目前，三代系统正逐渐走向商用化，如何实现现有的系统由二代系统向三代系统 的平稳过渡，如何避免重新建站，布网带来的成本的极大提高，现有资源的极大 浪费，如何在现有网络的基础之上实现未来的多媒体通信，如何在多媒体通信中 的各种业务之问实现资源的有效合理配置，挖掘出现有网络的最大潜能，正是无 第3 页 北京邮电大学硕= 匕学位论文 第一章绪论 线资源管理所要解决的。由于实际情况的限制，不可能对一个通信系统进行实际 的试验。本课题只是对无线资源管理中的分组数据调度进行理论上的分析与假 设，并就所提出的方案进行计算机仿真，根据相应的性能指标对提出的方案进行 评价。 无线资源管理技术是无线移动通信系统中的关键技术之一，它直接关系到移 动用户的服务质量和通信系统的性能，主要分为以下几个部分：呼叫接纳控制算 法、切换控制算法、容量分析、负荷控制、功率控制算法、小区设计、分组调度 以及无线传播环境等。功率控制用来维持在空中接口的最低干扰电平，提供需要 的服务质量。在蜂窝通信系统中，在用户从一个覆盖区域向另一个移动时切换处 理用户的移动性。目前国内外的大部分研究都主要集中对单业务模型的无线资源 管理方案进行分析。但是在i n t e r n e t 日益普及的今天，无线通信发展的趋势必 将是多种业务在通信网络中并存。将来的无线网络除了要承载纯粹的话音业务 外，还必须能够对数据业务，视频业务等提供服务。这些业务不同于话音业务， 他们具有不同的数据传输速率，不同的发送功率，对网络资源的占用也不同于话 音呼叫。如何利用有限的频率资源来最有效地配置各种不同速率、不同q o s 要 求的业务，在保证服务质量的前提下使现有网络发挥出最大的效益，获得最大的 系统吞吐量，是无线资源管理策略的关键。下面对无线资源管理的各个具体方面 的算法进行总结分析。图1 1 描述了基站中无线资源管理算法的基本模型。 一一 ；由资源估计器对无线资源管理算法的控制，用户的业务流和相应信恩 图1 1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。 功率控制技术一般包含开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。开环 第4 页 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 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其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 ) 呼叫接入控制 呼叫接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。接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。接入控制实体位于基站中，接入算法必须对上下两个方 向进行评估，请求的承载仪当上、下链路的接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。接入控制的限制条件由无线规划 来设置。 ( 6 ) 拥塞控制 第5 页 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 无线资源管理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做得足够好，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。 1 3 本文的主要工作及论文结构 本文的研究工作主要可以分为两大部分：( 1 ) 对于c d m a 2 0 0 0 移动通信系 统的分组调度算法进行了研究和分析，并对几种基本算法进行综合考虑，介绍并 研究了几科- 改进算法，并进行了仿真、对比和分析。( 2 ) 对于o f d m a 移动通 信系统中适用于多载波的分组数据调度算法进行了研究，并研究了一种折衷的算 法并进行了仿真分析；最后结合3 g p p 中的公平性准则进行了评价。 第二章首先对有线网络中的分组数据调度算法进行了介绍，接着指出了无线 网络特性对分组数据调度算法的影响，并指出了无线网络调度算法的特点，最后 对移动通信系统中分组数据调度作了简要介绍。 第三章对c d m a 2 0 0 0 移动通信系统的分组数据调度算法进行了比较详细的 讨论。从经典的分组数据调度算法开始介绍和研究，对已有算法进行了研究和仿 真，对借鉴3 g p p 中的准则进行了评价；最后针对基本算法的优势和劣势进行总 结，研究了几种改进算法，并进行了仿真和分析。 第四章针对o f d m a 移动通信系统对适用于多载波的分组数据调度算法进 行了研究和仿真。首先对o f d m a 移动通信系统进行了简要的介绍，接着介绍 并研究了针对多载波的分组调度算法，并研究了一利一改进算法，最后对这些算法 进行了仿真和分析。 第五章对全文进行总结。 第6 页 北京邮电大学硕士学位论文第二章分组数据调度综述 第二章分组数据调度综述 由于未来的移动通信系统是以数据业务传输为主，所以对数据业务进行资源 管理的无线分组调度算法( w i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n g ) 是无线资源管理的重要组 成部分，它成为近几年研究的热点之一。无线分组调度算法的功能是判决在什么 时间分配给哪些用户什么样的无线资源来进行通信。这种判决是以最大化系统吞 吐量为目标，以保证用户间公平性为前提，以确保不同业务流的服务质量要求 ( q o s ) 为基础。 显然，对于不同的业务流，由于其服务质量要求不同，无线分组调度算法的 执行也有所不同。如w w w 数据业务虽然是对时延不敏感的，但对传输差错的 要求很高，所以算法的执行有很大的自由空问；而语音业务虽没有很严格的传输 差错要求，但对传输的实时性要求极高，基本上是在满足传输差错要求的基础上 以先来先服务的规则获取服务的。从以上的讨论不难看出，当无线网络中同时存 在实时性要求不同的业务流时，实时性要求高的业务流应当首先获取服务，余下 的资源再分配给实时性较不敏感的业务。 由于数据业务主要集中在下行链路，所以我们以下讨论的无线分组调度算法 也是主要针对下行链路而言的。 在无线分组调度算法成为研究热点以前，有线网络的分组调度算法的研究已 经趋于成熟。有线网络的分组调度算法对于研究无线分组调度算法起到一定的借 鉴作用。但与有线系统相比，无线链路具有其特殊性，从而使得有线网络的调度 算法不能直接应用于无线网络。从这个角度出发，下面先介绍有线网络中的经典 调度算法，然后讨论对无线分组调度起到重要影响的无线网络特性，再分析无线 网络中的分组调度算法的特性，最后对蜂窝通信系统中的无线分组调度作一下简 要的介绍i 2 1 有线网络中经典分组调度算法 在有线分组网络中，分组调度算法研究得比较成熟。有线分组网络的调度算 法主要集中在队列调度上。为了便于叙述和比较，根据调度算法的服务规则、调 度目标，下文把目前有线网络己出现的队列调度算法按如下四类典型调度算法进 第7 页 北京邮电大学硕士学位论文第二章分组数据调度综述 行介绍1 ： ( 1 ) 基于轮循的调度算法 传统的轮循( r r ：r o u n dr o b i n ) 算法对不同队列( 业务流) 进行无区别的循环调 度服务。这样，如果不同的队列具有不同的分组长度，则分组长度大的队列可能 会比分组长度小的队列接受更多的服务，使队列之间产生不公平的现象；而且， 这种算法不能对业务提供时延保证。为了改进r r 算法的时延特性和其在变长分 组环境下的不公平性，出现一些改进型的算法，如加权轮循、差额轮循( d r r ： d e f i c i tr o u n dr o b i n ) 、紧急轮循( u r r ：u r g e n c yb a s e dr o u n dr o b i n ) 。这些算法力 图在尽量保持r r 算法实现简单性的同时，从不同的方面改善r r 算法的时延特性 和其在可变长分组环境下的不公平性。 ( 2 ) 基于g p s 模型的p f o 调度算法 广义处理器共享( g p s ：g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g ) 是一个理想化的流模 型。它根据各队列的共享比例对所有的活动队列同时服务，所以能使各业务流真 正公平地共享链路带宽。g p s 对每个队列业务流保证有明确的端到端的时延上 限，而且与其他队列业务流无关。g p s 模型是流系统，但是实际的系统都是分组 系统：在任何给定的时刻只能有一个分组可以得到服务，分组的传输是不能被抢 占的。因此出现了一类用来逼近基于流的g p s 模型的分组算法：分组公平排队 ( p f q ：p a c k e tf a i rq u e u i n g ) 算法。 ( 3 ) 基于时延的调度算法 基于轮循和g p s 模型的调度算法可以看成是基于速率的调度算法，这种算法 通常为每个队列提供一定的速率保证来达到提供时延保证的目的。而基于时延的 调度算法则是以为各队列直接提供时延保证为目的，这类算法的代表是最早期限 优先( e d f ：e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 以及h z h a n g 等人提出的r c s ( r a t e c o n t r o l l e d s e r v i c e ) 调度算法。 ( 4 ) 基于服务曲线的算法 g p s 模型的局限性在于业务只用了一个参数( 速率) 来指定，使得时延与