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摘要 采用自适应天线阵列宽带无线接入系统的 下行分组调度技术 摘要 以d s - c d m a ( d i r e c ts e q u e n c e - c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 为基础的3 g ( 3 一g e n e r a t i o n ) 通信将不能满足用户数和用户业务增 长的要求，因此研发具有更大容量和更高比特传输速率的下一代宽 带移动通信是必然的发展。为了在无线网络中真正实现各种用户对 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的需求，全球范围都在进行基于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 ) 技术的后3 g 技术研 发，以期在更高的载频上，实现比3 g 快几十甚至几百倍的吞吐率， 口 口 口口口口口口口 k b p s 韵谖韶蛆 侈萍喂卿甸通弦嬲颜捌务o f d m 或者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 i t p l e a c c e s s ) 技术的下一代宽带 无线通信系统中的下行分组调度技术展开研究。对于采用自适应天 线阵列的o f d m 系统，分组调度技术最主要的目的是利用系统的 时间分集增益和频率分集增益，并且将天线分集增益与这两种增益 很好的结合，使得这些增益能够最终转化成系统各种性能指标的提 高。 1 i i 北京邮电大学博士论文 当前对分组调度技术的研究多是针对某些具体算法，或者是某 些算法的改进上，而没有综合从根本的原因上进行分析。设计分组 调度算法时需要考虑的因素很多，但是决定性因素只有三个：第一 个是业务的变化；第二个是信道的变化；第三个为公平性。本文将 基于这三个根本的原因对分组调度技术展开研究，通过数学模型， 仿真验证得到改进的分组调度算法。 本论文的主要工作和贡献如下： - 对无线通信系统的仿真进行全面阐述，给出了无限大场景， 移动性，物理层和业务等各种数学模型和仿真结果。一方面 验证了仿真平台的准确性，另一方面对于全面了解无线通信 系统的仿真具有一定意义。 - 对基于时隙的分组调度算法进行分析和比较，并且阐述了采 用分组调度算法的多用户分集系统的三个效应：用户数效 应，分组调度增益效应和分组调度公平性效应。对于更加深 入的理解分组调度技术对系统性能影响具有重要意义。 - 将基于时隙的分组调度算法应用到o f d m 系统中，提出 一种o p f ( o f d m p r o p o r t i o n a lf a i r ) 调度算法。o p f 可以 有效的改善系统吞吐率和业务分组时延。 一基于已有的算法，将各种算法进行总结，阐述了时间公平性 和效用公平性的概念，并且提出一种在时域和频域进行二维 i v 北京邮电大学博士论文摘要 调度的i o p f ( i m p r o v e do f d mp r o p o t i o n a lf a i r ) 调度算法， i o p f 调度算法是一种综合考虑用户时延要求和用户速率 要求，利用o f d m 时域和频域信道变化特性的调度算法。 i o p f 在吞吐率和时延方面的指标优于已有算法，并且适用 于各种业务。 - 比较了三种自适应天线阵列下行波束赋型技术，并且在不同 的角度扩展中进行验证，从而得到各种波束赋型技术的性能 指标，以及其在系统中应用的相关性能。 - 提出了自适应天线和分组调度算法结合的必要性，以及三种 结合方法：( 1 ) 分组调度选择用户，自适应天线服务用户； ( 2 ) 自适应天线参与选择用户，并且自适应天线服务用户， 使用分组调度算法来维持用户间的公平性；( 3 ) 采用空分的 方式来选择用户，并且采用自适应天线服务用户。针对每种 结合方法，进行深入分析，得到各种结合方法的性能结果。 自适应天线阵列和分组调度算法的结合提高了系统的吞吐 率，改善了业务性能，其中结合方法( 2 ) 和( 3 ) 性能较优。 关键词：宽带无线接入系统，o f d m ，分组调度，自适应天线阵列，波束赋 型，宽带无线系统仿真 v 北京邮电大学博士论文 d o w n l i n kp a c k e ts c h e d u l i n gt e c h n o l o g i e sd e p l o y i n g a d a p t i v e a n t e n n a a r r a yi nb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s n e t w o r k s a b s 。i r a c i t h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k sc a l ln o ts a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，s oi t i sn e c e s s a r yt od e v e l o p n e wm o b i l et e c h n o l o g i e st op r o v i d eh i g h e rc a p a c i t ya n dh i g h e r t h r o u g h p u t s e r v i c e st ou s e r s s of a r , r e s e a r c ho nb e y o n d3 g t e c h n o l o g i e si sw i d e l ys p r e a da r o u n dt h ew o r l d t h i sd i s e r t a t i o np r e s e n t sr e s e a r c hr e s u l t so nt h ep e r f o r m a n c e o fp s ( p a c k e ts c h e d u l i n g ) a l g o r i t h m sw i t ha d a p t i v ea n t e n n aa r r a y t e c h n o l o g i e si no f d ms y s t e m s o u ra i mi st o a n a l y z e t h e c o m b i n a t i o no ft i m ed i v e r s i t y , f r e q u e n c yd i v e r s i t ya n da n t e n n a d i v e r s i t y a n df i n dt h eb e s tc o m b i n a t i o no ft h e s e d i v e r s i t y t e c h n o l o g i e s c u r r e n tr e s e a r c ho np st e c h n o l o g i e si s f o c u s i n g o ns o m e s p e c i f i ca l g o r i t h m s ，w h i l ei th a sn o ts t a t e dt h er o o tr e a s o n s f o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h e r ee x s i s t st h r e er o o tr e a s o n s w h i c hs h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nw h e nd e s i g n i n gp s a l g o r i t h m s t h ef i r s tr e a s o ni st h a tt h e u n c e r t a i n t y o ft h et r a f f i c t h es e c o n do n ei s t h e u n c e r t a i n t y o ft h ew i r e l e s sc h a n n e l i n o f d m ，t h ec h a n n e l su n c e r t a i n t ye x i s t si nb o t ht i m ea n df r e q u e n c y d o m a i n t h et h i r do n ei st h ef a i r n e s s p ss h o u l dc o n s i d e rt h eu s e r s v i 北京邮电大学博士论文 a b s t r a c ! r e q u e s to ft h r o u g h p u ta n dd e l a y , i no r d e rt op r o v i d e f a i ra n d d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e st od i f f e r e n tu s e r s t h i sd i s e r t a t i o nw i l l a n a l y z ep sa r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h mf r o mt h e s et h r e er o o tr e a s o n s p si st om a k eu s eo ft h e s ef a c t o r st oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s e r t a t i o ni s ： - m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o no fw i r e l e s sb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si ss u n n n e r i z e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e s h o w n t h i sp r o v i d e sac o m p r e n h e n s i v ev i e wo ns i m u l a t i o no f w i r e l e s sn e t w o r k s 一s l o tb a s e dp sa l g o r i t h m sa r ei n v e s t i g a t e d a n dt h e i r p e r f o r m a n c ei no f d ms y s t e m si s a l s oc o m p a r e da n da n a l y z e d t h r e ee f f e c t s ，w h i c hi s u s e rn u m b e re f f e c t ，p sg a i ne f f e c t a n d p sf a i n e s se f f e c t ，a r ea n a l y z e d t h i sw i l lg i v em o r ei n s i g h ti n t o p sa l g o r i t h mr e s e a r c h 一p r o p o s eo p f ( o f d mp r o p o r t i o n a lf a i r ) a l g o r i t h m s o p f c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v es y s t e md e l a ya n dt h r o u g h p u t 一p r o p o s ei o p f ( i m p r o v e do f d mp r o p o t i o n a lf a i r ) a l g o r i t h m i o p fu s e sp a c k e td e l a yt od e c i d ew h i c hu s e rw i l lb es e r v e d a n d t h ec o m p a r i o no fi o p fw i t ho t h e ra l g o r i t h m si sm a d ea n dt h e s i m u l a t i o nr e s u r sa r ep r e s e n t e d w i n d o ws e l e c t i o ns t r a t e g i e so f i o p fh a v eb e e na n a l y z e df o rd i f f e r e n ts e r v i c e s i o p fs h o w sb e t t e r p e r f o r m a n c e o n d e l a ya n dt h r o u g h p u tc o m p a r e d w i t ho t h e r a l g o r i t h m s p r o p o s ea n dc o m p a r et h r e et y p e so fa a a - b f ( a d a p t i v e a n t e n n aa r r a yb e a mf o r m i n g ) a l g o r i t h m sf o rf o r w a r dl i n k a n d m e i rp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n ts e e n a r i o si st e s t e d 北京邮电丈学博士论文 i n v e s t i g a t et h ec o m b i n a t i o no fa a a a n dp s i ti ss t a t e dt h a t t h e r ee x i s tt h r e et y p e so fc o m b i n a t i o n ：( 1 ) p ss e l e c t su s e rw i t h o u t a a aa n dp ss e r v e si tw i t ha a a ：( 2 ) p ss e l e c tu s e rw i t ha a aa n d p ss e r v e si tw i t ha a a ；( 3 ) u s es d m a ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) t os e l e c tu s e r ( s ) ，a n da a a s e r v e su s e r ( s ) p e r f o m a n c eo f t h e s et h r e es c h e m e sh a v eb e e nc o m p a r e d t h i sp r o v i d e sd e e p e r i n s i g h ti n t ot h ec o m b i n a t i o no f p sa n da a a k e yw o r d s ：b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m ，o f d m ，p a c k e t s c h e d u l i n g ，a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y , b e a m f o r m i n g ，s i m u l a t i o no f b r o a d b a n dw i r e l e s ss y s t e m v i l l 北京邮电大学博士论文 表目录 图目录 图1 1d s c d m a 原理2 图1 - 2d s c d m a 和频率选择性衰落2 图1 3m c c d m a 原理 图1 - 4m c c d m a 和频率选择性衰落 图l 一5 无线信道传播特性 图1 - 6 无线信号的多径传播 图1 7 时延扩展与符号间干扰 ：! 4 ! ； 5 图1 - 8 多普勒频移的产生。6 图1 - 9 多普勒功率谱 图1 - 1 0 传统频分复用系统与o f d m 系统的带宽利用比较。1 0 图1 - 1 1 单用户o f d m 系统发射机和接收机框图 图2 - 1 宏小区环境1 8 图2 - 2 反弹模型的小区结构 图2 3 计算相关阴影衰落的模型2 2 图2 _ 4 阴影衰落的自相关函数 图2 - 5 水平天线模式2 3 图2 - 6 自适应天线阵列的辐射模式 图2 7 层次化的仿真框架2 5 图2 - 8 物理层仿真器的框图 图2 - 9 仿真平台网络模型2 7 图2 1 0 链路级仿真平台模型 图3 - 1r r 调度算法的流程图3 2 图3 2m a x c i 调度算法流程3 4 图3 3r r + m a x c i 调度算法原理3 6 图3 - 4 比例公平性调度算法流程图3 8 北京邮电大学博士论文表目录 图3 - 5 统一调度算法的操作原理 图3 - 6r i lm a x c i 和p f 算法吞吐率比较( 用户数4 0 ) 图3 7 吞吐率随用户数变化 3 9 4 1 4 2 图3 8r r , m a x c i 和p f 分组时延比较4 3 图3 - 9r r ，m a x c i 和p f 公平性比较( 用户数4 0 ) 4 4 图4 - 1 通过子载波群来减少反馈开销 图4 - 2o r r 算法流程图 图4 _ 3o m a x c i 调度算法流程图。 图“o r l lo m a x c i ，o p f 算法吞吐率比较。 4 9 5 0 5 1 5 5 图4 5r ro r l lm a x c i ，o m a x c i ，p f , o p f 有效吞吐率比较5 6 图4 6o r r , o m a x c i ，o p f 分组时延比较5 7 图5 1i o p f 调度框架6 9 图5 2i o p f 算法的二维调度7 0 图5 3 不同窗口值情况下平均吞吐率的下降7 3 图5 - 4o p f 和i o p f 吞吐率比较7 7 图5 5o p f 和i o p f 流型业务时延比较7 7 图5 - 6i o p f 会话型业务时延比较7 8 图6 1 三个点源下的肼个阵元的天线阵列8 0 图6 - 2 三个阵元的线性阵 图6 3 天线阵列8 2 图6 43 个阵元和一个点源的天线阵列示例8 4 图6 5 三阵元线性阵主瓣方向为1 2 0 0 的辐射场型8 5 图6 - 6 多径传播环境8 9 图6 7 移动台1 和2 的信道脉冲响应8 9 图6 8 宏小区环境一从移动台角度9 l 图6 - 9 宏小区环境一从基站角度9 l 北京邮电大学博上论文 表目录 图6 1 0g b s b 圆模型9 2 图6 1 1g b s b 圆模型a o a 的p d f 9 2 图6 1 2g b s b 椭圆模型9 3 图6 1 3g b s b 椭圆模型a o a 的p d f 9 4 图6 - 1 4 线性等间距天线阵列9 5 图6 1 5 下行波束赋型算法原理9 5 图6 1 6 自适应天线阵列的三种下行权重产生方法9 7 图6 1 7 信道模型。9 7 图6 - 1 8 角度扩展为4 度下不同波束赋型算法的性能9 8 图6 1 9 角度扩展为1 6 度下不同波束赋型算法的性能9 9 图7 3 采用自适应天线阵列情况下，信道可以在同一个小区重用。1 0 3 图7 _ 4 宏小区下的散射情况。1 0 3 图7 5 最小角度间隔1 0 4 图7 - 4 两个同小区共信道用户1 0 5 图7 5 为了保证足够的s i r 的收发距离1 0 6 图7 - 6r f o 调度算法流程图1 0 7 图7 7f f o 调度算法流程图。1 0 8 图7 8b f o 调度算法流程图1 1 0 图7 - 9o r r , o m a x c i 和o p f 算法吞吐率比较1 1 2 图7 1 0o r i lo m a x c i 和o p f 分组时延比较。 1 1 3 图7 111 0 2 p f 和i o p f 吞吐率比较11 4 图7 1 2i o e p f 和i o p f 时延比较1 1 4 图7 1 3r f o f f o b f o 吞吐率比较1 1 5 图a 1 交互型非实时业务的特征1 2 1 图b 1b s c 模型 图b 2b s 模型。 1 2 3 1 2 3 北京邮电大学博士论文 表目录 图b 3 移动台模型 图c 1 实时流型业务源1 2 5 图c 2 实时流型业务源的瞬时和平均数据发送情况1 2 6 图c 3 非实时交互型业务源1 2 6 图c - 4 非实时交互型业务源的瞬时和平均数据发送情况1 2 7 图c 5 移动台经历的阴影衰落1 2 7 图c 6 阴影衰落的p d f 图c 7 移动台和归属基站的路径损耗值1 2 8 图c 8 移动台在1 0 0 分钟内的移动轨迹 图c 9 移动台s i r 的变化 图c 1 0 移动台s i r 的c d f 曲线1 3 0 北京邮电大学博士论文 表目录 表目录 表2 - i 移动模型参数 1 9 表2 - 2 不同环境中阴影衰落参数2 1 表2 - 3 各种业务参数 表2 4 仿真平台配置参数 2 4 2 7 表2 - 5 仿真平台配置参数2 8 表2 - 6 各种调制编码方式可以达到的速率， 表3 - 1 仿真配置4 0 表3 2 仿真配置 表4 1 仿真配置 表5 - 1 各种分组调度算法比较 。4 2 表5 2 仿真配置 表7 - 1 仿真配置 表a - 1 会话型低时延业务参数 表a 2 流型高时延实时业务类型的参数 表a 3 交互型非实时业务参数 6 7 。7 6 1 1 l 1 1 9 1 2 0 1 2 1 表a - 4 背景型非实时业务参数1 2 2 北京邮电大学博士论文 声明 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 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期：丕盈! 竺：型 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：塑z ：丝：璺 日期：囊哕4 l 卜 北京邮电大学博士论文 第1 章简介和概述 第1 章简介和概述 1 1宽带无线通信系统概述 从模拟到数字；从窄带到宽带；从频分多址，时分多址到码分多址再到正 交频率复用多址，无线通信和自然界的其它事物一样，不断的演进。 从第二代移动通信( 2 g ) 开始，移动多媒体业务等逐渐发展起来，并且在 不断地培植新业务和发展更多用户。第三代移动通信( 3 g ) 将进一步支持高速 数据和移动多媒体应用，可提供所有无线环境下1 4 4 k b p s 和室内低速移动环境 2 m b p s 的传输速率。到目前为止，3 g 在全球部分范围内已经部署，和3 g 相 关的标准化以及研究工作逐渐趋于成熟。而3 g 就其技术本身而言，虽然和2 g 采用截然不同的物理层技术，但是对业务的支持却并没有达到用户真正的需求。 它并不能支持一些更高速率业务对于吞吐率以及时延等的要求，这也使锝3 g 在全球的部署遇到了一些阻碍。随着信息社会的发展，移动用户数会进一步增 大，第三代移动通信将不能满足要求，所以发展具有更大容量和更大传输速率 的第四代移动通信( 4 g ) 是发展的必然。为了在无线通信中实现各种用户对 q o s 的需求，全球范围内都在进行3 g 长期演进( l t e ) 的标准化制定和后3 g 或4 g 技术研究工作，以期实现比目前3 g 快几十甚至几百倍的吞吐率，支持的 业务种类从几k 的语音业务到1 0 m 的实时视频业务。 大多数人认为4 g 的物理层会基于o f d m 或者m c - c d m a 4 】 5 】 2 9 】。 3 g 的物理层主要基于d s c d m a ，图l 一1 显示了d s c d m a 的原理 1 】 2 】， 通过将比数据速率快p g 倍的正交扩频码和原始数据进行相乘，将信号的频谱 在频率域进行扩展。因为不同的扩频码在码域是彼此正交的，可以用不同的扩 频码来区分用户，从而实现码分多址。但是由于4 g 支持的数据速率越来越高， 甚至达到上g b p s ，占用的频带宽度也越来越大。多径造成的频率选择性衰落， 以及r a k e 接收机性能的下降，部导致d s c d m a 并不适合4 g 的更大带宽， 更高传输速率的要求。 北京邮电大学博士论文第l 章简介和概述 图1 - 1d s - c d m a 原理 图1 - 2d $ - c d m a 和频率选择性衰落 以o f d m 以及m c c d m a 为代表的多载波调制技术应运而生。通过串 并变换，加长了符号持续时间，使得符号间干扰得到很好的抑制。另外由于多 载波调制技术将较宽的频带拆分成较窄的子载波，每个子载波上信道的变化可 以认为是平坦的，这样很好的解决宽频带上的频率选择性衰落的问题。图1 3 显示了m c c d m a 的原理。扩频后的不同码片通过i f f t 调制到不同的正交子 载波上 3 】【4 】 5 】【6 】。 图1 3 m c c d m a 原理 图l - 4m c c d m a 和频率选择性衰落 作为4 g 研发较为超前的日本m 盯d o c o m o 分别针对上行和下行，基于 m c c d m a 和m c d s c d m a 提出了v s c r f c d m a 和v s f o f c d m 的技 2 北京邮电大学博士论文 第1 章简介和概述 术。而其在下行提出的v s f o f c d m 技术由于采用可变的频域和时域扩频的 概念，使得系统具有更好的业务和信道的自适应性【5 】【7 】【8 】【9 】。 o f d m 和m c c d m a 的出现，使得物理层可分配的资源更加丰富，包括 ( 时隙，扩频码，子载波，功率，以及调制和编码方式) 。这也使得分组调度算 法的灵活度更大。 除了4 ( 3 大多数将采用多载波调制技术外，另一个比较显著的特点，在收 发双方都将采用多天线技术。而多天线技术以自适应天线阵列波束赋型 ( a a a b f ：a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y b e a mf o r m i n g ) 和多入多出( m i m o ： m u l t i p l et n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 为代表1 1 0 【1 1 】【1 2 。 a a a b f 的主要目标是减少基站的发射功率，同时保持基站的覆盖和链路 的质量。对于4 g 要达到1 0 0 m b p s l g b p s 的吞吐率，链路不仅是干扰受限的， 也是功率受限的。因为传播损耗和f ( 一般2 妖3 ) 成正比 2 9 1 ，而发射功 率和数据速率和传播损耗的乘积成正比，在3 g 中基站的发射功率一般为2 0 w ， 发送的峰值速率为2 m b p s ，载频为2 g h z ，而如果想在5 g h z 的载频上实现 1 0 0 m b p s 的下行传输速率，设k = 2 ，则需要( s 2 ) 2 ( 1 0 0 2 ) 2 0 = 6 2 5 0 w 的 功率进行数据的发送。4 g 的组网需要保证基站的覆盖，因此a a a b f 对于实 现4 g 的组网至关重要。 1 2 无线衰落信道 为了理解o f d m 技术的特点，首先需要了解无线衰落信道的传播特性 【1 】。无线信道是一种复杂的时变信道，无线电波通过多种方式从发射天线传 播到接收天线，传播方式包括直射，反射、折射、散射，再加之移动台的运动， 使得基站与移动台之间的无线信道更加多变。因而信号通过无线信道时会经历 各种衰落的影响，接收信号的功率可以表示为： p ( d ) = j d l l s ( d ) r ( d ) ， 式( 1 - 1 ) 其中d 表示向量距离，旧表示移动用户与基站的距离。参看上式，无线 信道对信号的影响可分为三部分： 自由空间的路径损耗k r ：该损耗是i d i 的函数，描述的是大尺度区间 ( 数百米或数千米) 内接收信号强度随发射机与接收机之间的距离变化的函数， n 的取值一般为3 4 ； 阴影衰落双刃：由于传输环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对无线电 波的阻塞或遮蔽而引起的衰落，描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电 平中值的慢变特性，阴影衰落又被称为慢衰落或长期衰落； 多径衰落r ( ；由于无线电波的传播方式包括直射、反射、折射、散射， 北京邮电大学博士论文 第1 章简介和概述 导致信号可能经过多条路径到达接收端，且每路信号分量的幅度、相位和时延 都不相同，因此多路信号分量叠加时，会出现同相增加，异相减少的现象，因 而多径衰落描述的是小尺度区间( 几个或几十个波长) 内接收信号场强瞬时值 的快变特性，多径衰落又被称作小尺度衰落。 以上三种衰落如图1 5 所示。另外，在移动通信中，由于移动台的不断运 动，基站接收到的载波频率将随运动速度的不同，产生不同的频移，通常把这 种现象称为多普勒效应。 图1 - 5 无线信道传播特性 下面主要介绍一下多径衰落和多普勒频移。 1 2 1 多径衰落 无线移动信道的一个显著特征就是多径传播，即接收机收到的信号是通过 不同的直射、反射、折射等路径到达接收机的。每个信号分量的时延、幅度和 相位都各不相同，在接收端多个信号分量叠加时，同相叠加会使信号幅度增强， 而反相叠加则会削弱信号的幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化， 从而产生衰落。多径传播及由此产生的信号衰落如图i - 6 所示。 如果基站发射一个窄脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延不同， 移动台接收到的信号波形将比原脉冲展宽，如图1 7 所示。信道的这种特性称 为时间弥散性，由信道的时间弥散性导致的信号波形的展宽称为时延扩展。在 传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其它符号 当中，造成符号间干扰( i s i ) 。为了避免产生i s i ，符号宽度要远远大于信道的 最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。 在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，实际应用中通 4 北京邮电大学博士论文第1 章简介和概述 常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即： 只* 圭。 式( 1 _ 2 ) 图1 - 6 无线信号的多径传播 霎蓉萋蓉舅量囊# 恤o k 图1 7 时延扩展与符号问千扰 从频域角度看，衰落又可以分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰 落，后者又称为平坦衰落。频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) ，即对 信号中的不同频率成分，无线信道会呈现不同的随机响应。由于信号中不同频 率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形会发生畸变。而平坦 衰落( f l a tf a d i n g ) 是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传 输后，各频率所遭受的衰落具有一致性，因而衰落波形不失真。 当信号的速率较高，信号带宽大于信道的相干带宽时，信号通过无线信道 后各频率分量的变化不一致，引起信号波形失真，造成符号问干扰，此时发生 了频率选择性衰落；反之，当信号的传输速率较低，信号带宽小于相关带宽时， 信号通过无线信道后各频率分量的变化一致，因而衰落波形不会失真，没有符 号间干扰，则认为信号经历了平坦衰落。由于相干带宽是无线信道本身的特性， 因而信号通过无线信道时是经历平坦衰落还是频率选择性衰落将取决于信号本 身的带宽大小。 k 歧 北京邮电大学博上论文 第1 章简介和概述 1 2 2 无线信道的时变性与多普勒频移 信道的时变性是指信道的传递函数随时问变化，发送信号在前一时刻经受 的衰落与下一时刻经受的衰落可能不同。时变性的具体体现之一就是多普勒频 移( d o p p l e rs h i r ) 。 由于移动用户与基站的相对运动，基站接收到的载波频率将随运动速度的 不同，产生不同的频移。由运动引起的接收信号的频移称为多普勒频移。如图 1 8 所示，假定移动台在接收远端信号源发出的信号时，正在以恒定速率v 沿x 点与y 点之间的长度为d 的路段运动。来自信号源的电波到达位于点z 和点 y 的移动台时所经历的路径长度差为mz d c o s 8 = v a t c o s 0 ，其中缸是移动台 从点x 运动到点y 的所需的时间。假设信号源距离很远，可以认为信号到达 点x 和点y 的角度口相同，那么由路径长度差所引起的相位差为： 巧：2 z a ：兰! ! 竺c o s 口。式( 1 3 ) 频率的视在变化，即多普勒频移为： 力= 芴1 百a # = 云c o s 口= 等c o s 曰= 厶c o s p ， 式( 1 - 4 ) 其中，五为载波波长，z 为载波频率，c 为光速，v 为移动台的速度， 厶为最大多普勒频移。 圈1 - 8 多普勒频移的产生 从多普勒频移的表达式可以看到，当移动台向入射波方向运动时，多普勒 频移为正，即移动台接收到的信号频率会增加；如果移动台背向入射波方向运 动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于存在多普勒 频移，所以当单一频率( f o ) 信号到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率 轴五处的单纯艿函数，而是分布在( f o 一无，f o + 厶) 内的、存在一定宽度 的频谱。信道的这种特性称为频率弥散性。 6 北京邮电大学博士论文 第1 章简介和概述 | t 一| 氕 孔+ h 图1 9 多普勒功率谱 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念是相干时间，即： 乙a 万1 。 式( 1 - 5 ) 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也就是说，相干 时间指在一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号 带宽的倒数，一般指符号宽度大于信道的相干时间，那么信号的波形就可能发 生变化，造成信号畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落：反之，如果符 号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。 1 3多用户分集和分组调度 分集在无线通信中的意义是消息在不同的随机信道中进行传输，如果一个 信道的情况不好，造成传输失败，而其他的信道的情况仍然良好，可以使得消 息正常的接收。不同的信道在无线通信中可以是不同的频率( 频率分集) ，不同 的发送和接收天线( 天线分集) ，不同的时隙( 时间分集) 【1 】。多用户分集的 意义是多个用户发送和接收数据，每个用户的信道都是变化的 1 3 1 ，多用户分 集可以通过让信道条件相对较好的用户来发送和接收数据。对于多用户分集来 说，一个基本的性质就是多用户分集的增益随着用户数的增加而增加。 分集存在的必要性是由于无线信道的不确定性。这种不确定性也称为衰落。 在前一节中已经对无线信道的各种衰落进行了叙述，在此不再赘述。 多用户分集最初的研究是在信息论领域，在【1 4 】中研究得到在时变的信 道情况下，如果每个用户能在信道条件最好的时候发送数据，则系统的容量将 最大化。在该文中也提到了对于状况较好的信道设置更高的发射功率，这和传 统的使用功率控制来补偿状况较差的信道是不相同的。在后面要研究的最大载 干比调度算法和该文中的思想是一致的，不同的是采用自适应调制编码来替代 功率控制。相关的多用户衰落信道下信道容量问题在【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 】【1 9 】 2 0 】 也作了研究。 北京邮电大学博士论文 第1 章简介和概述 多用户分集指的是系统本身的一个特性，而分组调度则是实现多用户分集 增益的方法。为了利用多用户分集，信道必须分配给瞬时信道条件好的用户。 调度策略通过将信道资源分配给信道条件最好的用户来极大化系统的容量。但 是极大化吞吐率的调度策略显然对于那些处在慢深衰落下的用户是不公平的。 因此提出了比例公平性调度算法( p f 调度算法) 2 1 】，p f 调度算法将在后续 章节进行分析，它被使用在美国的i s 8 5 6 标准中【2 2 】 2 3 】。 在多用户分集系统中，调度器必须知道用户的瞬时信道情况。在时分双工 ( t d d ) 系统中，上下行采用相同的频段。下行信道的质量可以通过不同时隙 的上行信道质量估计获得。在频分双工( f d d ) 系统中，上下行采用不同的频 率。不同于t d d ，下行信道质量很难从上行信道质量获得。替代的方法是将 下行信道的质量通过上行信道反馈到调度器。这将使得f d d 系统需要更多的 信令开销。 1 4o o s q o s 是英文q u a l i t yo fs e r v i c e 的缩写，意思是服务质量，通常是指用户 对网络所提供服务的满意程度。q o s 的目的是向用户提供端到端的服务质量保 证，q o s 有一套度量参数指标，包括时延、时延抖动、带宽以及丢包率等。简 而言之，q o s 就是指网络为了保证通信服务的质量而提供的一种端到端的处理 机制。 标准化组织( 如i e t f ) 已经提出了应用于有线网络的多种q o s 保障机制 解决方案，包括综合服务资源预留协议( i n t s e r v r s v p ) ，区分服务( d i f f s e r v ) ， 多协议标签交换( m p l s ) 等。这些技