（信号与信息处理专业论文）基于ofdm的针对多种业务的跨层调度算法的研究.pdf

基于o f d m 的针对多种业务的跨层调度算法的研究 摘要 目前，跨越物理层和m a c 层的整体设计和优化的无线资源分配 和包调度策略越来越受到人们的关注。 本文主要阐述了一种简化的分层调度机制，它是基于效用调度 的，例如文中提到的m a x d e l a y u t i l i t y ( m d u ) 调度算法。在这种机制 中，将调度分为两步宏观调度和微观调度。在宏观调度中，根据 预先确定的不同业务的调度顺序确定某一中需要调度的业务的效用 函数。而后，在微观调度中，对先前在宏观调度中确定的那种业务进 行用户间的调度。通过在多用户正交频分复用网络中的仿真，表明这 种简化的分层m d u 调度机制可以有效的解决多种业务类型并满足多 种q o s 需求，并且从效用、时延、吞吐量、公平性角度来看，可以 达到和m d u 调度机制几乎一样的效果。此外，和m d u 调度机制相 比，这种简化的分层m d u 调度机制拥有较低的计算复杂度和近乎一 样的效用值。 文章首先对总体研究目标以及无线资源管理等相关背景知识进 行简要的介绍，然后介绍了常用的业务源和无线信道的建模方法。接 下来介绍了我们所提出的分层调度算法的系统建模和设计思想，并且 展示了我们的仿真结果及分析。最后，总结了我们所得出的结论，并 阐述了进一步研究的方向。 关键字：o f d m ，m a x d e l a y u t i l i t y ( m d u ) ，调度，效用方程 t h er e s e a r c ho fc r o s s - l a y e r e ds c h e d u l i n gs c h e m ef o r m u l t i t r a f f i c sb a s e do n0 f d m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c r o s s l a y e r e dd e s i g na n do p t i m i z a t i o na c r o s st h ep h y s i c a l a n dm a c l a y e r sa r ed e s i r e df o rw i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o na n dp a c k e t s c h e d u l i n g ，a n di tb e c o m e st h ef o c u so fp e o p l e i nt h i sp a p e r , as i m p l i f i e dl a y e r e ds c h e d u l i n gs c h e m ei sp r e s e n t e d ， w h i c hi sb a s e do nu t i l i t y b a s e ds c h e d u l i n g ，s u c ha sm a x - d e l a y - u t i l i t y ( m d u ) s c h e d u l i n g i nt h i sp a p e r i nt h i ss c h e m e ，t h es c h e d u l i n gi sd i v i d e d i n t ot w os t e p s _ 一m a c r oa n dm i c r os c h e d u l i n g i nm a c r os t e p ，t h eu t i l i t y f u n c t i o n so ft r a f f i c sa r ed e f i n e d ，a c c o r d i n gt ow h i c ht h es c h e d u l i n go r d e r o fv a r i o u ss e r v i c e si sd e t e r m i n e d t h e ni nm i c r os t e p ，t h es c h e d u l i n gi s a m o n ga l lu s e r so ft h et r a f f i ct y p ew h i c hi sd e t e r m i n e di nm a c r os t e p b y s i m u l a t i o ni nam u l t i u s e ro 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 ( o f d m ) n e t w o r k ，i ti s d e m o n s t r a t e dt h a tt h es i m p l i f i e dl a y e r e dm d u s c h e d u l i n gc a ne f f e c t i v e l yh a n d l em u l t i p l et r a f f i ct y p e sw i t hd i v e r s eq o s r e q u i r e m e n t sa n da c h i e v ea l m o s tt h es a m ep e r f o r m a n c ef r o mt h ev i e wo f u t i l i t y , d e l a y , t h r o u g h p u t a n df a i r n e s sa sm d ud o e s m o r e o v e r , t h e s i m p l i f i e dl a y e r e d m d us c h e d u l i n gh a sm u c hl o w e rc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t yt h a nt h em d us c h e d u l i n ga n da l m o s tt h es a m eu t i l i t yv a l u e s t h et h e s i si n t r o d u c e dt h et a r g e to ft h er e s e a r c ha n dt h eb a c k g r o u n d k n o w l e d g es u c ha sw i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n t ，t h e ni ts h o w e dt h e t r a f f i c sa n dw i r e l e s sc h a n n e l sm o d e l s n e x t ，i td e s c r i b e dt h es y s t e m m o d e l i n go ft h el a y e r e ds c h e d u l i n gs c h e m ea n dd i s p l a y e dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n da n a l y s i s i nt h ee n d ，w ec o n c l u d e dw h a tw eg o ta n di n t r o d u c e d t h en e x tr e s e a r c hc o n t e x t k e yw o r d s ：o f d m ，m a x d e l a y u t i l i t y ( m d u ) ，s c h e d u l i n g ，u t i l i t y f u n c t i o n 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图表目录 2 一l ：r r m 模块在各通信实体中的位置。5 2 - 2 ：基本的跨层设计思想l l 2 3 ：跨层无线资源管理结构。l l 2 4 ：多业务无线调度的系统模型13 2 5 ：跨层无线调度机制的分类1 4 2 - 6 ：无线分组调度的基本原理1 6 3 一l ：o f d m 系统框图2l 3 2 ：多用户o f m a 系统( 下行) 2 4 3 3 ：无线资源的划分。2 4 3 4 ：自适应多用户o f d m 系统框图2 5 4 - 1 ：分组业务的统一参考模型一2 6 4 - 2 ：语音业务的状态图。2 8 4 - 3 ： 语音精选的o n o f f 模型2 9 4 _ 4 ：无线网络游戏模型。3 0 4 5 ：网页结构3 l 4 石：w w w 业务源模型。3 2 4 - 7 ：w w w 业务的数据封装过程3 2 4 - 8 ：w 、v w 业务的o n o f f 模型3 3 4 9 ：视频流业务的整个过程3 4 4 - 10 ：帧长分布3 5 4 1l ：帧长的自相关特性3 5 5 1 ：总体设计框图4 1 5 - 2 ：m d u 调度总体设计框图。4 3 5 - 3 ：分层调度总体设计框图4 4 6 1 ：两种算法的平均效用函数值。4 8 6 - 2 ：v o i p 和h 1 t r p 的平均时延4 9 每3 ：v o i p 和h t r p 的平均吞吐量4 9 6 - 4 ：v o l p 和h t r p 对于每个用户的时延( 1 4 个用户) 5 0 6 1 5 ：每个用户的v o l p 业务的吞吐量( 1 2 个用户) 一5 0 6 - 6 ：每个用户的h t t p 业务的吞吐量( 1 2 个用户) 。5 0 表2 - 1 ： 表3 - 1 ： 表4 1 ： 表4 2 ： 表4 - 3 ： 表“： 表4 - 5 ： 表6 - l ： 三种基本算法的简单比较19 o f d m 系统里的无线资源2 5 语音业务的参数表2 8 f t p 参数表2 9 无线游戏业务的参数表3 0 w w w 业务源模型的参数表3 2 w w w 业务源模型参数表3 4 仿真参数4 7 5 7 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 创新性说明 本人声明所呈交的论文史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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 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是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、缩印或其他 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年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：皇堑：3 ：型 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1总体目标 第1 章概述 在无线网络中，稀缺的无线频谱资源由许多个用户共享，因此资源的管理和 分配对于无线网络是十分重要的。在当前的主流分层网络体系中，每一层的设计 和操作是独立的，用来支持层间的传输。在这些层中，物理层掌管着比特流的传 输，m a c 层控制着多用户对共享资源的接入。然而，信道存在时变的多径衰落， 而且不同用户的信道统计特性是不同的。这种体系结构的次优性和不灵活性，使 得无线网络中的资源无法充分利用。我们需要一个整体的跨越不同层的设计。因 此，无线资源分配和包调度就需要这种跨越物理层和m a c 层的整体设计和优化 【l 】。 在跨层优化中，基于信道状态的调度是传输速率自适应的，动态无线资源的 分配是基于信道状态信息( c s i ) 的。基于信道状态的调度的主要思想是选择一个 信道条件好的用户传输信息 2 】。通过利用信道状态对于不同用户是独立的特性， 随着用户数的增长，基于信道状态的调度可以通过多用户分集确实的提高网络性 能。为了保证资源分配的公平性并采用多用户分集，网络经济中的价格效用体系 结构也在调度设计中受到了青睐 3 。 网络数据业务和多媒体业务的增长，需要高速率的传输和有效的资源分配。 为了避免符号间干扰，高速无线通信需要正交频分复用( o f d m ) 技术 4 】。基于 o f d m 的系统传统上是用来对抗频率选择性衰落的。然而，从资源分配的角度 来说，由于子载波可以分配给不同的用户，因而使得o f d m 系统拥有使m a c 更高效的潜质 5 f 6 】。 这篇论文中我们要解决的基本问题是如何在基于i p o f d m 系统下行链路中 进行有效的资源分配，并利用信道状态信息c s i 和信道传输特性提高频谱效率并 保证o o s 。我们的目标是建立一个理论体系，并提出无线多用户网络中基于跨层 优化的有效的资源分配算法。重点集中在两个方面，一是对兼顾有效性，公平性 和保证q o s 的机制的研究，二是在多用户频率选择性衰落环境下资源分配算法 的改进。 1 2 背景和相关工作 这一节，我们回顾无线资源分配的技术发展状态，包括多用户分集，机会通 信，o f d m 网络中的资源分配，以及网络经济学。 1 2 1 无线资源管理 在移动通信系统中，无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，r r m ) 负责 空中接口资源的利用。从确保移动通信系统的服务质量q o s 、获取规划覆盖区域 北京邮电大学硕士研究生学位论文 和提高系统的容量的角度来看，它是移动通信系统中一个必不可少的重要组成部 分。 无线资源管理一般包含以下3 个基本组成部分：资源控制，它包含接入( 纳) 控制、负荷( 拥塞) 控制、切换控制、功率控制、速率控制等；资源分配，它包含 基站( 小区) 分配与选择、信道分配、队列分配、资源预留、功率分配等；资源调 度，它包括时隙( 对列与分组包) 调度、码资源调度，切换小区调度、自适应链路 调度等。 1 2 2 多用户分集和随机通信 最近，多用户下行链路和m a c 层的设计已经从传统的点对点的观点转化为 多用户网络的观点。时变特性是无线信道独有的特点。对于点对点的链路，在信 道质量好的情况下采用自适应编码调制，可以以很高的速率传送更多的数据。然 而，在深衰落的情况下带宽的利用率仍是低的。在【7 】中，作者研究了在发送端 和接收段都已知信道状态信息c s i 的情况下的上行衰落信道的总容量，并且得到 了两个重要的结论。第一，只选择一个信道状态最好的用户是一种最优的策略。 第二，总容量随着用户数的增加而增加，这被称为多用户分集。 上述结果表明，考虑多用户分集意味着采用简单的调度技术以及信道状态信 息c s i 的反馈可以显著得提高频谱效率【2 】。实际上，多用户分集的思想来源于 不同用户的独立的信道变化。当一个系统中有多个用户被服务的时候，由于不同 用户在信道中的衰落是独立的，因而信息可以以很高的速率进行传输。从用户的 观点来看，信息通过基于信道状态的调度在系统中以一种随机的方式进行传输， 这被称为随机通信( o p p o r t u n i s t i ct e l e c o m m u n i c a t i o n ，以下简称o t ) 3 1 。 目前，多用户分集受到了越来越多的关注。基于它的思想，基于信道的动态 包调度被用于c d m a 2 0 0 01 x e v 和h s d p a 中。此外，除了蜂窝网，多用户分 集也被用于分布式系统中。 1 2 3 基于o f d m 的网络资源分配 o f d m 将整个信道分为多个正交的窄带子信道( 子载波) ，用以对抗频率选择 性衰落并支持高的数据速率。在基于o f d m 的无线网络中，不同的子载波可以 被分配给不同的用户来提供一个灵活的多用户接入机制并且采用多用户分集。 在o f d m 系统的无线资源管理的领域还存在着许多值得探索的领域。由于 信道的频率响应因用户的不同而不同，因此，每个子载波上的速率自适应，动态 子载波分配( d s a ) ，和自适应功率控制( a p a ) 可以提高o f d m 网络的性能。 另一方面，在多用户环境中，不同用户的信道特性几乎是独立的；某个子载 波对某个用户可能会产生深衰落而对另一个用户则不会；因此，在多用户的 o f d m 无线网络中，对于每个子载波来说，总有那么一些用户在其上传输具有 好的信道特性。通过动态的子载波分配，网络可以通过多用户分集而受益。 1 2 4 资源分配中的网络经济学 如前所述，采用多用户分集可以显著提高频谱效率。除了频谱效率之外，对 北京邮电大学硕士研究生学位论文 无线网络中的资源分配来说公平性和q o s 也是非常重要的。通常，同时达到频 谱效率，公平性和q o s 的最优化是不可能的。例如，调度机制的目的是最大化 系统总容量，这对于那些离基站较远或者信道条件不好的用户来说是不公平的。 另一方面，绝对的公平可能导致低的频谱效率。因此，无线资源分配就需要在效 率，公平性和q o s 之间进行权衡。 高效和公平的资源分配问题已经在经济学中得到了很好的研究，其中效用函 数的概念被用来衡量某种资源的使用。类似的，效用函数理论可以用在网络中衡 量网络对用户的业务的服务的一个满意程度，而不仅仅是从系统为中心的指标上 来衡量，比如吞吐量，丢包率，功率等等【8 】。价值效用结构的基本思想可以把 资源利用( 带宽，功率等) 或者性能标准( 数据速率，时延等) 映射为综合的效用或 者价值标准，并且优化和建立价值效用体系。 在有线网络中，效用和价值机制已经被用于流量控$ j 1 1 9 1 1 0 ，拥塞控$ 1 1 1 1 l 】， 和路由选择 1 2 】。在无线网络中，c d m a 中的上行功率控制的衡量已经在 【1 3 1 4 1 5 】【1 6 亡p 进行了研究。在 1 7 】【1 8 】【1 9 】中也提到了c d m a 系统中下行链 路中语音和数据业务的基于效用函数的功率分配。为了保证q o s 并且采用多用 户分集，价值效用结构已经应用到机会通信o t 中【3 】。 总之，网络经济学成为现在网络设计中越来越重要的部分，特别是在无线网 络中的跨层优化设计中。 1 3 总体方案 这篇文章中，我们主要采用一种分析手段和运用仿真来支持我们的理论结 果，并说明我们这种机制在实际环境中的性能。在物理层和m a c 层结合的跨层 优化体系中，我们主要采用了两种资源管理机制：通过自适应调制，编码和包调 度来研究时变的频率选择性衰落的无线信道，以及通过网络经济学来研究资源分 配。此外，由于不同子载波可以映射到不同的用户，o f d m 为资源分配提供了 良好的保证。通过用效用方程来衡量资源分配中的用户满意度，我们建立了 o f d m 网络中的资源分配的效用优化结构，并且基于信道条件和调制编码等技 术使得网络效用从应用的角度达到最大化。 在基于效用函数的跨层优化中，已经提出算法有引用新型有效的d s a 算法 2 7 】，以及由此延伸出基于信道状态和队列信息相结合的调度算法一一 m l w d f p f 算法 2 8 2 9 】，它是由综合比例公平( p f ) 算法和最大时延( m l w d f ) 算法提出的结合信道和队列信息的综合调度算法。这些算法的设计思路是，首先 根据侧重数据速率的效用方程，可以为尽力传输业务设计出基于信道状态的调 度；并且揭示了一种具体效用方程和公平性之间的通用关系；再基于已有的设计 原则，提出了一种基于信道和队列状态的调度机制，使得考虑平均时延的情况下 整体效用函数的最大化。由于时延敏感业务占很大比重，因此排队系统中的稳定 性问题也需要仔细研究了。最终可以证明，基于效用的结构体系可以满足不同业 务的q o s 。 从传统观点来看，跨层设计通常被认为是复杂且不可实现的。因此，上述这 些算法的复杂度也是相当高的，我们这篇文章就是要尽可能的简化，减小系统的 处理开销。 在利用效用方程的跨层优化中，我们对已有的算法m d u 进行简化，我们要 北京邮电大学硕士研究生学位论文 提出一种分层调度的基本理念：首先对业务分类，进行整体的宏观调度，这是基 于各种不同业务的基本特性以及不同程度和侧重点的q o s 要求；其次在对同一 种业务的各个用户进行调度，我们称为微观调度。 1 4 论文内容 论文的主要内容： 第l 章对文章的总体研究目标以及相关背景进行简要的介绍。 第2 章介绍了无线资源管理的基础理论知识：跨层设计思想，多用户分集， 随机调度，以及经典的调度算法。 第3 章介绍了o f d m 技术，以及o f d m a 系统的基本概念和资源描述。 第4 章介绍了常用的业务源和无线信道的建模方法。 第5 章介绍了我们所提出的分层调度算法的系统建模和设计思想。 第6 章展示了我们的仿真结果及分析。 第7 章总结了我们所得出的结论，并阐述了进一步研究的方向。 最后是参考文献，附录以及致谢等等。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章无线资源管理及其跨层设计 2 1 无线资源管理 移动通信技术面临用户数量急剧增加，移动业务逐步走向多元化，用户对服 务质量的要求不断提高等问题，如何更有效的管理和使用无线资源已成为运营商 最为关心的问题之一。因此，无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，r r m ) 作为一种关键技术提出，成为衡量一个标准是否可行，系统服务质量优劣，是否 被运营商所接纳的重要性能指标。 无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供服 务质量( q o s ) 保证，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道 衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活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。无线资源管理包括切换控制、功率控制、接入控制、信道分配以及调度技 术等。 2 1 1 无线资源管理组成概述 r r m 的主要功能有：计算功能、控制功能和资源配置功能，相对应的组成 模块包括：算法模块、决策模块、资源分配模块、无线资源数据库模块和对外接 口模块等。其中起决定作用的模块是算法模块，常用的r r m 在通信实体中的分 布如图所示： 回圈圆 圈围圈圈圈 厂丽、磷、 整垫g ! ! 图2 一l ：r r m 模块在各通信实体中的位置 功率控带t j ( p c ) 模块：主要作用是在维持链路通信质量的前提下尽可能小的小 行功率资源，从而将空中接口部分的相互干扰降至最低水平，延长终端电池 的使用时间，并提供所要求的q o s ； 切换控n ( n c ) 模块：在蜂窝移动通信系统的小区模型中，为保证移动用户经 过小区边界时通信的连续性，或者给予网络负载和操作维护等原因，需要用 切换控制操作来将用户从当前的通信链路转移到其他小区，甚至其他系统； 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 接入控$ 1 j ( a c ) 模块：当新用户和切换的用户发起呼叫时，网络执行接入控制 过程，其目的是维持网络的稳定性和已接纳用户的q o s ： 负载控$ j j ( l c ) 模块：主要功能是判决一点时间内的网络的负载信息，并将该 负载信息提供给其他模块。当网络出现过载情况时，l c 联合r r m 其他模块 的综合作用将网络恢复到正常的状态； 动态信道分配( d c a ) 模块：主要功能是负责将信道分配n d , 区、信道优先级 排序、信道选择、信道调整和资源整合。 资源管理( i 洲) 模块：包括码分配( c a ) ，逻辑信道资源和传输信道资源的管理 等； 分组调度( p s ) 模块：主要功能是用于服务分组数据业务，其具体的调度速率 由网络负荷决定。 无线链路检狈, i j ( r l s ) 模块：负责监测无线链路的质量，当检测到通信链路质量 变坏时，向相应的r r m 模块报告，并进行恶化恢复处理。 2 1 2 无线资源管理的关键技术 2 1 2 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。 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。传统的功率控制技术是以语音服 务为主，这方面的研究已经相当多，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。目前功率控制的研究集中 在数据服务和多媒体业务方面，多为综合进行功率控制和速率控制研究。功率控 制和速率控制两者的目标基本上是互相抵触的，功率控制的目标是让更多的用户 同时享有共同的服务，而速率控制则是以增加系统吞吐量为目标，使得个别用户 或业务具有更高的传输速率。如何满足用户间不同的q o s 要求和传输速率，同 时达到公平性和高吞吐量的双重目标，是目前较为热门的课题。 用在电路交换网络的功率控制技术已不能适应i p 传输和复杂的无线物理信 道控制，当i p 网络成为核心网络，如何在分组交换网络进行功率控制就成为功 率控制研究的主要内容。针对基于突发模式( b u r s t m o d e ) 功率控制的通信网络的 研究和连续突发模式( b u r s t b y - b u r s t ) 的通信系统的设计已引起很大的注意。结合 功率控制和其他新技术，如智能天线、多用户检测技术、差错控制编码技术、自 适应编码调制技术、子载波分配技术等方面的联合研究，提高系统容量也是比较 热门的研究课题。 2 1 2 2 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 ( f c a ) 、动态信道分配( d c a ) 以及随机信道分配( r c a ) 。 f c a 的优点是信道管理容易，信道间干扰易于控制：缺点是信道无法最佳 化使用，频谱信道效率低，而且各接入系统间的流量无法统一控制从而会造成频 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 谱浪费，因此有必要使用动态信道分配，并配合各系统间做流量整合控制，以提 高频谱信道使用效率。f c a 算法为使蜂窝网络可以随流量的变化而变化提出了 信道借用方案( c h a n n e lb o r r o w i n gs c h e m e ) ，如信道预定借用( b c o ) 和方向信道锁 定借用( b d c l ) 。信道借用算法的思想是将邻居蜂窝不用的信道用到本蜂窝中， 以达到资源的最大利用。 d c a 根据不同的划分标准可以划分为不同的分配算法。通常将d c a 算法分 为两类：集中式d c a 和分布式d c a 。集中式d c a 一般位于移动通信网络的高 层无线网络控制器( r n c ) ，由r n c 收集基站( b s ) 和移动站( m s ) 的信道分配信息； 分布式d c a 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。根据d c a 的不同特点可以将d c a 算法分为以下3 种：流量自适应信道分配、再用划分信道分配以及基于干扰动态 信道分配算法等。d c a 算法还有基于神经网络的d c a 和基于时隙打分( t i m es l o t s c o r i n g ) 的d c a 。最大打包( m p ) 算法是不同于f c a 和d c a 算法的另一类信道分 配算法。d c a 算法动态为新的呼叫分配信道，但是当信道用完时，新的呼叫将 阻塞。而m p 算法的思想是：假设在不相邻蜂窝内已经为新呼叫分配了信道，且 此时信道已经用完，倘若这时有新呼叫请求信道时，m p 算法( m p a ) 可以将两个 不相邻蜂窝内正在进行的呼叫打包到一个信道内，从而把剩下的另一个信道分配 给新到呼叫。 r c a 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。为使纠错编码和交织技术取得所需得 q o s ，需要通过不断地改变信道以获得足够高的信噪比。 2 1 2 3 调度技术 未来移动通信系统的主要特征之一是存在大量的非实时性的分组数据业务。 因为不同用户有不同速率，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，因此必须要有调度器( 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。 最近调度技术开始与其他技术相结合，如调度技术和功率控制整合，调度技 术和软切换技术相结合，软切换技术和呼叫准入控制技术相结合等，且调度技术 也扩展至实时性数据( r e a l t i m ed a t a ) ，提出了新的应用。另外，为了在i n t e m e t 中提供q o s ，如i n t s e r v 或d i f f s e r v 服务，调度技术也起重要的作用。 2 1 - 2 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 系统问切换。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，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。 未来移动通信系统中切换技术与移动性管理结合得越来越紧密，由于未来移 7 北京邮电火学硕士研究生学位论文 动通信系统的核心网为口网，这势必会给移动用户的切换带来新的问题和挑战。 现有的切换算法针对蜂窝移动通信系统设计，而i n t e m e t 协议开始并不是针对无 线通信环境所设计，要使得未来移动通信系统中切换技术得以实现，就必须对现 有的切换技术进行修改。i e t f 在移动性管理方面做了许多工作，提出并制订了 一些相关的标准：如宏移动( m a c r o - m o b i l i t y ) 和微移动( m i c r o - m o b i l i t y ) 的标准。 2 1 2 5 呼叫准入控制 以语音业务为主的呼叫准入控制决定是否接受新用户呼叫是相当简单的问 题，在基站有可用的资源时即可满足用户的要求。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。第三代及未来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较为复杂。 未来移动通信系统中呼叫准入控制的要求是：在判决过程中，使用网络计划 和干扰测量的门限，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。呼叫准入控制算法给出 传送比特速率、处理增益、无线链路发起质量参数、误码率( b e r ) 、信噪l 匕( e b n o ) 和信干比( s i r ) 。呼叫准入控制管理承载映射、发起强制呼叫释放、强制频率间 或系统间的切换等功能。 目前正在研究的呼叫准入控制算法主要有以下几类：基于q o s 的呼叫准入 控制算法，该算法对接入的呼叫业务进行分类，如分为实时性业务和非实时性业 务，然后再分别对其执行不同的呼叫连接；交互式呼叫准入控制算法；基于等效 带宽的呼叫准入控制算法；基于容量的呼叫准入控制算法；基于功率的呼叫准入 控制算法；分布式呼叫准入控制算法等。 随着未来移动通信系统对数据、图像、视频等多媒体业务的支持，其业务的 传输速率也越来越高，这就要求研究新的适合于高速移动通信系统的呼叫准入控 制算法。此外，在考虑移动通信系统的呼叫准入控制时，拥塞控制策略也是通常 需要考虑的一个方面，因此常将呼叫准入控制与拥塞控制进行结合研究。 2 1 3 无线资源管理与端到端q o s 保障 传统的i n t e m e t 网络提供是“尽力而为”( b e s te f f o r t ) j 艮务，i p 层无法保证业务 的q o s 要求，端到端q o s 保障要通过传输控制协议( t c p ) 层来实现。尽管t c p 层可以保障一定的q o s ，如减少分组丢失率，但是仍无法满足高实时性要求的图 像、视频等多媒体业务在无线系统中传输的端到端q o s 要求。而且未来移动通 信系统的核心网络将是基于i p 的网络，这就给如何在移动i n t e r n e t 网络上为未来 高速多媒体业务提供可靠的端到端q o s 要求提出了新的问题。 目前对移动i p 业务的服务质量( q o s ) 的保证方法，大多没有考虑到端到端 q o s 保证。下一代高速无线移动网络要求能够接入i n t e r n e t 、支持各种多媒体应 用并保证业务的q o s 。但由于用户的移动性和无线信道的不可靠性，使得q o s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 保证问题比有线网络更复杂。传统i p 网络无法保证用户业务的q o s ，这已经成 为i n t e r n e t 向前发展的巨大障碍，为此i e t f 为增强现有i p 的q o s 性能提出了两 种典型的保障机制即：综合业务资源预约协议( i n t e r s e r v r s v p ) 和区分业务 ( d i l i s e r v ) 。 在无线网络中，传统的流量控制并不适应用来提供q o s 保证，因为会把无 线信道传输过程中的分组丢失当作网络拥塞来处理。u m t s 定义了4 类q o s 类 型，即对最大传输迟延有严格的要求的会话类别，对端到端数据流的迟延抖动有 一定要求的流类别，对往返延迟时间有要求的交互式类别，对延迟敏感性要求很 低的后台类别。网络根据不同q o s 类型的业务分别为其分配不同信道资源。此 外还有其他几种解决q o s 的算法，如无线链路层解决方案、t c p 连接分离方法、 t c p 迭加解决方案、套接1 2 1 网关解决方案等。 2 2 跨层无线资源管理 在传统的无线通信系统中，空中接口的高层协议是简单的分层结构，每层进 行独立的设计和操作，各层间的接口是静态的。这种设计方法简化了网络设计， 具有较好的通用性。但是由于无线信道的空时频变化特性和随机性，传统的分层 设计方法不能很好地适应这些特点，以及现代多业务q o s 保证的需求，也就无 法实现有限的无线资源的最优化利用。为此人们提出了跨层的无线资源管理的设 计思想，在r r m 功能模块和其它协议的各层之问直接交换用户的q o s 、队列状 态、无线信道状态、小区的负载、系统的干扰等信息，在保证业务的q o s 的前 提下使得系统的吞吐量最大化。 2 2 1跨层无线资源管理概述 无线通信系统大都是干扰受限系统，同时也是资源有限的系统。由于商用的 无线蜂窝通信系统的频谱大都是通过购买的形式获得，非常昂贵和稀缺。同时无 线通信系统的基本设施和设备也是非常昂贵的，所以如何充分利用无线通信系统 中有限的频率和硬件资源，在保证接入业务质量的前提下，提供尽可能高的容量 和频谱效率，为运营商提供最大利润，是系统设计和优化最为关心的问题。为了 达到这个目的，除了在物理层采用先进的技术之外，无线资源管理是最重要的环 节。无线资源管理对无线通信系统中有限的无线资源进行协调和管理，包括分配 功率、信道等资源，监控整个系统的状态，避免系统的拥塞和不稳定，最大化系 统资源的利用效率。无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线 用户终端提供业务质量保障的同时尽可能地提高系统频谱效率。其基本出发点是 在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰落和干扰而起伏变化等情况下，灵 活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。无线资源管理涉及的内容主要 包括以下几个部分：接纳控制、负载控制、信道分配、功率控制、切换等。 在传统的无线通信系统中，空中接口的高层协议是简单的分层结构，每层进 行独立的设计和操作，各层间的接口是静态的。这种设计方法简化了网络设计， 具有较好的通用性。但是由于无线信道的空时频变化的随机性，以及用户业务和 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 整个网络的动态变化特性，这种设计方法已经不能很好地适应无线通信的特点， 以及多业务q o s 保证的需求，也就无法实现对无线资源的最优化利用。 为此我们很有必要采用跨层的无线资源管理设计思想，在r r m 功能模块 和其它协议的各层之间直接交换用户的o o s 、队列状态、无线信道状态、小区的 负载、系统的干扰等信息，最大限度地获得无线系统中的空时频多用户分集的增 益，在保证业务的q o s 的前提下使得系统的吞吐量最大化。 2 2 2 未来业务的需求 由于无线频谱的不可再生，适合蜂窝通信的无线频谱变得越来越少。而同时 人们对无线数据通信业务的需求却在不断地增长。为了满足这些需求，推动无线 通信向前发展，无线通信领域的研究者们在w w r f 内展开了对未来无线通信系 统的技术和需求的广泛研究，逐渐形成了b 3 g 、4 g 系统的概念。在未来的通信 系统中，业务的种类繁多，q o s 的变化范围很大。所以保证系统接入用户的q o s 并最大化系统的吞吐量是系统设计面临的一大挑战。 新的空中接口要求能够确保在无线链路上集成数据、语音、音频、视频业务。 然而，不同业务的不同特性或同一业务的不同部分，需要不同级别的质量保障 ( q o s ) 。对实时多媒体的传输，如音频、视频，要求低延时，但容许一些错误； 非实时多媒体传输，如w e b 接入和下载文件，需要可靠性，但容许一定的延时。 另外，在用户间的多媒体通信有可能包含不同q o s 需求的语音、视频和数据， 为有效地利用无线信道传输多媒体业务，应支持多媒体流和不同的q o s 。支持多 媒体流，即同一个数据源能同时支持不同q o s 需求的流。而同时有几种不同q o s 需求的业务系统面临的主要困难是：在可变的信道中，不容易把这些质量标准结 合为单一的性能测量标准以达到理想的质量。在无线通信系统中保证不同业务的 q o s ，r r m 必须遵循以下的基本原则： 稳定的业务质量：当网络状态改变时，用户的业务质量也必须得到保证，而 不能因为网络负载的改变和用户的移动而恶化。 有效性：充分利用有限的无线资源，根据用户的业务的动态变化，灵活配置 资源；根据用户的瞬时速率高时配置更多的资源，而用户的瞬时速率降低时 就减少用户占用的资源，做到资源的动态分配，最大化系统的容量和频谱效 率。 公平性：同一种应用在网络中公平获得无线资源和服务。 不同的优先级别：在不同的应用之间有不同的服务优先级，优先级高的先得 到服务，而优先级低的用户后得到服务；同时优先保证优先级高的业务的 q o s 。 系统吞吐量的最大化：在保证不同业务的q o s 的前提下，最大化系统的吞吐 量。 2 2 3 跨层设计思想 为了达到未来通信系统设计的目标，优化系统资源，提高系统的频谱利用率， 降低业务延迟，无线通信领域的研究者们提出了跨层设计的思想。在设计网络时， 为了应对无线通信信道的挑战，各网络功能( 即o s i 的各层) 必须统一考虑。各种 北京邮电大学硕士研究生学位论文 应用的q o s 需求变化，要求网络层在优化网络输出时考虑物理层设计。另外， 不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处，随即出现了模糊层间界限的设计 方案，它试图跨过层间功能进行优化。 在跨层设计思想的基础上，我们提出基于m i m o o f d m 技术的跨层无线资 源管理模块，如图2 - 2 所示。和传统的分层协议结构相比，跨层无线资源管理模 块跨越m a c 、r l c 和网络层等协议层，可以在r r m 模块和其它层之间直接交 换必要的信息和控制命令。 图2