（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统分组调度算法研究.pdf

摘要 随着通信技术的快速发展，移动通信用户急剧增加，而可使用的无线资源非常 有限。如何在保证用户服务质量的同时尽可能地提高系统资源利用率，成了无线 资源管理需要解决的重要问题。 本文以时分一同步码分多址接入( t d s c d m a ) 系统为背景，对无线资源管理的 分组调度( p s ) 算法进行了深入的研究。首先，对整个系统的结构和功能做了扼要介 绍，分析p s 算法和其它无线资源管理算法的作用和各自分工。接着，在介绍三种 典型分组调度算法的基础上，详细阐述t d s c d m a 系统p s 算法的调度原理和应 用。重点对影响p s 算法效率的三个关键参数一无线链路控制层缓冲区占用量( r l c b o ) 、分组调度门限值和c e l lp c h 状态支持用户数进行仿真和分析，通过综合 性能比较，给出合适的建议取值。 关键词tt d s c d m a 无线资源管理分组调度参数选取 a b s t r a c t t h en u m b e ro fp e o p l eu s i n gm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nh a sb e e ns h a r p l yi n c r e a s i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h o w e v e r , t h er a d i o r e c o u r s e sa r el i m i t e d i th a sb e c o m eap r i m a r yp r o b l e mn e c e s s a r yt ob es o l v e dt h a th o w t or a i s et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fs y s t e mr e s o u r c ew h i l ee n s u r et h eu s e r q u a l i t yo fs e r v i c e b a s eo nt d - s c d m as y s t e m ，p a c k e ts c h e d u l e ( p s ) a l g o r i t h mf o rr a d i or e s o u r c e s m a n a g e m e n ti si n t e n s i v er e s e a r c h e db yt h i sa r t i c l e f i r s to fa l l ，t h ec o n s t r u c t i o na n d f u n c t i o n so ft h ew h o l et d s c d m a s y s t e ma r ed e s c r i b e dt ot h ep o i n t ，t h e 劬c t i o na n d w o r kd i v i s i o no ft h ep sa l g o r i t h ma n do t h e rr a d i or e s o u r c e sm a n a g e m e n ta l g o r i t h m sa r e a n a l y z e d b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h r e et y p i c a lp sa l g o r i t h m s ，t h et h e o r yo f p s a l g o r i t h mo ft d - s c d m ai se x p a t i a t e di nd e t a i l a f t e r w a r d s ，a st h et o p d r a w e rp a r to f w h o l ea r t i c l e ，t h r e ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s r a d i o sl i n kc o n t r o ll a y e rb u f f e ro c c u p a n c y ( r l cb o ) ，p st h r e s h o l da n dn u m b e ro fc e l l p c hs u p p o r tu s e ra r ee m u l a t e da n d a n a l y z e d b ys y n t h e t i cc o m p a r i s o n ，t h er a t i o n a lv a l u e s o ft h r e ep a r a m e t e r sa r e r e c o m m e n d e d k e y w o r d ：t d - s c d m a r a d i or e s o u r c e sm a n a g e m e n tp a c k e ts c h e d u l e p a r a m e t e rs e l e c t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育 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 献均已在论文中做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 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：禹赴 导师签名： 日期麴兰! ：! 里 日期 堡聋：! ：! ! 第章绪论 第一章绪论 本章介绍分组调度算法的研究背景、意义和国内外研究进展，阐明本文研究 内容的重要性。在1 3 节介绍本文研究的主要内容和整篇文章的结构安排。 1 1 研究背景和意义 在通信发展历史上，移动通信的发展非常迅猛，特别是近二十年来，移动通 信系统的发展及更新换代让人眼花缭乱。移动通信的最终目标是实现任何人可以 在任何时间、任何地点与其他任何人进行任何方式的通信。只有移动通信才能满 足人们日益增长的随时随地进行信息交流的需求。 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音传输发 展到语音与文字图像的结合。人们可以利用手机进行上网、看电视、视频会议等 多种业务。由于移动通信的优势远大于传统的固话通信，手机用户迅猛增加，对 资源的需求量越来越大，而系统可用资源是非常有限的，资源紧缺问题日益严重。 基于此，很多有效的无线资源管理方法被相继提出。 无线资源管理主要实现对通信系统中无线资源的分配和管理，它的核心问题 是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。其基本出发点是在网络内业 务量分布不均匀，用户需求具有多样性且信道状态因信号衰落和干扰而起伏变化 等情况下，设法灵活地分配和及时调整可用资源，尽量让更多用户获得更好的服 务。分组调度算法正是无线资源管理中非常重要的一种提高资源利用效率的方法。 1 2 分组调度算法研究进展 分组调度是无线资源管理中一种关键的算法，而它并不是t d s c d m a 网络独 创的。在有线网络中，资源分配方法和分组调度算法对提供服务质量起到了重要 的保障作用。调度算法包括加权轮循等基于帧结构的算法以及与广义处理器共享 相关的公平排队算法。公平排队算法可以保证各个连接的基本带宽以及对时延的 要求，所以有线网络调度算法的研究主要集中在公平排队算法上。 然而这些算法并不能直接应用于无线网络，同有线网络相比，无线网具有很大 的特殊性。有线网络具备高质量的传输介质，在分组数据的传输中可以获得很低 的误比特率，几乎可以做到无差错传输。无线网络和有线网络最大的不同就是， 由于干扰、衰减等因素，无线信道的质量有很高的可变性。在某些高突发错误的 t d s c d m a 系统分组调度算法研究 状态下，无线链路有可能恶化到一个数据包都不能成功的传送。此外，无线链路 容量还与位置和时间相关。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，就必须充分的考虑无线网络的这些特殊性。 在c d m a 无线网络系统中，分组调度分为时分和码分。时分调度方式中，多 个用户以时分的方式使用系统资源，在某一时刻系统容量只分配给一个或很少的 几个用户，因此每个用户可以得到很高的比特率，但是只能在很短的时间片内使 用，同时当系统中用户数增加时，每个用户需要等待的时间变得很长。码分调度 方式中，多个用户可以同时以较低的比特率使用信道，当用户数增加时，每个用 户的比特率会降低，但其传输时间可以比时分调度长。 到了第三代通信系统中，我国自主提出t d s c d m a 标准，并被国际电信联盟 ( i t u ) 批准成为移动通信国际三大标准之一，加入第三代合作项目( 3 g p p ) 。另外两 大标准欧洲提出的w c d m a 和美国的c d m a 2 0 0 0 系统，都有各自的分组调 度算法，以期最大化的利用非常宝贵的带宽资源。t d s c d m a 系统在借鉴其他系 统的基础上，充分考虑自身的特点，提出多种基于t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 特点 的资源管理算法。本文研究的p s ( p a c k e ts c h e d u l e ) 算法，就是一种根据u e ( u s e r e q u i p m e n t ) 状态进行实时调度的资源管理方法。 1 3 本论文主要内容和结构 本文丰要研究t d - - s c d m a 系统中无线网络控制器( r u q c ) 的分组调度( p s ) 算 法，介绍了p s 算法的应用背景、发展、原理、参数选择方法等。并对该算法的三 个关键参数进行了仿真分析。文章结构如下： 第一章简要介绍了论文题目的研究背景和国内外研究进展。 第二章介绍t d - - s c d m a 系统以及其中无线网络控制器的结构。同时介绍了 无线资源管理的几种算法。 第三章首先给出几种典型的分组调度算法，并通过比较其优劣，迸一步讨论 适合t d - - s c d m a 系统的调度算法。接着详细阐述这种算法的调度策略。 第四章是本篇论文最重要的部分。平均r l cb o ( r a d i ol i n kc o n t r o ll a y e r b u f f e ro c c u p a n c y ) 值、分组调度门限值、c e l l _ p c h ( c e l lp a g i n gc h a n n e l ) 状态支持 用户数是影响调度算法效率的三个关键参数。本章设定合适的仿真模型，对不同 参数值进行仿真。先通过对平均r l cb o 值进行仿真分析，得出其分布规律，为 选择分组调度门限值提供准备。接着对几组p s 算法门限建议取值进行仿真，最终 确定一个最合适的分组调度门限值。之后针对c e l l p c h 状态支持用户数进行仿 真，并通过分析结果，给出合理的参数选择建议。 第五章对整篇论文进行总结。 第二章t d s c d m a 系统介绍 第二章t d s c d m a 系统介绍 本章介绍t d s c d m a 系统的组成结构及其中r n c 的位置和功能。并介绍了 r n c 的重要组成部分一无线资源管理。 2 1t d s c d m a 网络介绍 2 1 1t d s c d m a 标准的形成 从i t u 向全世界征求i m t - 2 0 0 0r t t 方案开始，我国开始意识到对第三代移 动通信技术标准研究的重要性，积极参与3 g 标准的研究和制订。t d s c d m a 第 三代移动通信标准是大唐移动通信设备有限公司根据多年的研究提出的具有一定 特色的3 g 通信标准。该标准文件在我国无线通信标准组( c w t s ) 最终修改完成后， 经原邮电部批准，于1 9 9 8 年6 月代表我国提交到i t u 和相关国际标准组织。 t d s c d m a 系统全面满足i m t - 2 0 0 0 的基本要求。采用不需配对频率的t d d 工作方式，以及f d m a t d m a c d m a 相结合的多址接入方式。同时使用1 2 8 m c p s 的低码片速率，扩频带宽为1 6 m h z 。t d s c d m a 系统还采用了智能天线、联合 检测、同步c d m a 、接力切换及自适应功率控制等诸多先进技术，与其它3 g 系 统相比具有频谱安排灵活、频谱利用率高、设备成本低等较为明显的优势。 1 9 9 9 年1 1 月在芬兰赫尔辛基召开的国际电信联盟会议上，t d s c d m a 被列 入i t u 建议i t u rm 1 4 5 7 ，成为i t u 认可的第三代移动通信i 盯主流技术之一。 2 0 0 0 年5 月世界无线电行政大会正式接纳t d s c d m a 为第三代移动通信国际标 准。从而使t d s c d m a 与欧洲、日本提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 并 列为三大主流标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美国加里福尼亚州举行的3 g p pt s g u t r a n 第1 1 次全会上，将t d s c d m a 列为3 g 标准之一，包含在3 g p p r 4 ( r e l e a s e 4 ) q b 。这表明该标准已经被世界众多的移动通信运营商和生产厂家所接 受。这也是t d s c d m a 的完全可商用版本的标准，在这之后，t d s c d m a 标准 进入了稳定并进行相应改进和发展阶段。 2 1 2t d s c d m a 网络结构 从功能上看，t d s c d m a 网络分成一些不同功能的子网，主要包括核心网( c 和u m t s 陆地无线接入网哪t r a n ) 两部分。核心网主要处理系统内部所有的话音 4 t d s c d m a 系统分组调度算法研究 呼叫、数据连接和交换，以及与外部其它网络的连接和路由选择。u t r a n 完成所 有与无线有关的功能。这两个子网与用户终端设备一起构成了完整的t d s c d m a 系统，其结构如图2 1 所示。图中u t r a n 与c n 之间的接口为i u ，与用户终端设 备之间的接口为u u 。 u t r a n 负责移动用户终端和核心网之间传输通道的建立与管理。它由一组 r n s ( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m s ) 组成。每一个r n s 包括一个r n c ( r a d i on e t w o r k c o n t r o l l e r ) 和一个或多个n o d e b ，n o d e b 和r n c 之间通过i u b 接口进行通信。r n c 之间的接口为i u r 。 c n i u 一一i u u t r a n r n s r n s r n c i r n c i i l l 夕l u bi u b n o d e bn o d e bn o d e bn o d e b 上u u l u e 图2 1t d - s c d m a 网络结构 2 2r n c 在接入网中的作用 r n c 是具有对一个或多个n o d e b 进行无线资源的控制和管理的功能实体。在 逻辑上对应g s m 网络中的基站控制器( b s c ) 。r n c 可以分为三类，控制n o d e b 的 r n c 称为该n o d e b 的控制r n c ( c r n c ) ，c r n c 负责对其控制小区的无线资源进 行管理；服务i c ( s r n c ) 管理u e 和u t r a n 之间的无线连接，无线接入承载的 参数映射到传输信道的参数，是否进行越区切换，开环功率控制等，一个与接入 网相连的u e 有且只能有一个s r n c ；还有就是漂移r n c ( d r n c ) ，除了s r n c 以 外，u e 所用到的其它r n c 称为d r n c 。一个用户可以没有，也可以有一个或多 个d r n c 。 r n c 完成的功能有： 第二章t d - s c d m a 系统介绍 1 、传输用户数据 r n c 和n o d e b 一起提供空中接口u u 到i u 接口的用户数据传输功能。 2 、系统接入控制 ( 1 ) 接纳控制。基于负载、干扰、无线资源利用情况、功率、优先级等，接 受或拒绝新的用户、新的r a b ( r a d i oa c c e s sb e a r e r ) 、新的无线链路( 比如在切换情 况下) 等。 ( 2 ) 拥塞控制。对系统负载情况进行监测，当发生过载或过载预警时，采取 适当措施，尽量使系统恢复到正常状态。 ( 3 ) 系统信息广播。向u e 提供接入层和非接入层信息，以便u e 能够正确 地在网络中工作。 3 、安全保密 对空中接口传送的用户信息进行加密解密，防止第三方窃听；对r r c ( r a d i o r e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 信令进行完整性检查，防止第三方诱导u e 。 4 、与移动性相关的功能 ( 1 ) 切换。基于无线测量或q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 参数，控制u e 在小区间 切换。切换可以发生在t d s c d m a 小区之间，也可以发生在t d s c d m a 和g s m 小区之间。t d s c d m a 小区间的切换可以是接力切换，也可以是硬切换。 ( 2 ) s r n c 重定位。 ( 3 ) 寻呼。当u e 处于i d l e 、c e l lp c h 、u r ap c h 状态时，通过寻呼信 道唤起u e 与网络联系，或当l i e 处于c e l ld c h 、c e l lf a c h 状态时，通过 r r c 连接通知u e 与i u 的某个域联系。 ( 4 ) 定位。获知u e 的地理位置。 5 、无线资源管理与控制 ( 1 ) 无线资源配置。配置无线网络的资源，如小区、公共传输信道等，对资 源进行闭锁、解锁等。 ( 2 ) 无线环境的估测。控制对无线信道( 本小区和临小区) 的测量，通过测量 报告估计无线信道的质量。这些测量包括接收信号强度、误码率、干扰等。 ( 3 ) 无线承载( 1 也) 分配。根据r a b 要求的q o s 参数，为u e 配置空中接口 层2 参数，分配物理信道等。 ( 4 ) 动态信道分配( d c a ) 。包括快速d c a ( f d c a ) 和慢速d c a ( s d c a ) 。s d c a 根据小区、时隙负荷分布情况为用户在不同的小区、时隙中分配物理信道。f d c a 根据小区、时隙负荷分布情况，对用户进行信道调整，或对无线资源进行整合。 ( 5 ) 功率控制。包括上行外环功率控制、下行外环功率控制、上行开环功率 控制等。 ( 6 ) 信道编码、解码控制。 6 t d s c d m a 系统分组调度算法研究 6 、多媒体广播多播 使用点到点或点到多点信道，为用户提供多媒体广播、多播服务。 7 、u e 跟踪 可以跟踪l i e 相关的事件和活动。 8 、数据量报告 向c n 报告未应答数据的数量，以便c n 进行计费处理。 2 3 无线资源管理算法介绍 t d s c d m a 系统的无线资源包括码字、频率、功率、时隙和空间角度。因为 该系统综合使用了时分、频分、码分和空分以及其它多种新技术，所以频谱利用 率较高。无线资源管理( r r m ) 是r n c 的重要组成部分，其作用丰要包括三个方面： 确保用户申请业务的q o s ，包括误块率( b l e r ) 、误码率( b e r ) 、时间延迟 ( d e l a y ) 、业务优先等级等。 确保系统规划的覆盖。 充分提高系统容量。 从功能角度来分，r r m 的作用有：计算功能、控制功能和资源配置功能。它 的组成结构包括：算法模块、决策模块、资源分配模块、无线资源数据库和对外 接口模块。其中起决定作用的是算法模块，包括的算法有： 功率控制( p c ) ，主要功能是在维持链路通信质量的前提下尽可能小的消耗功 率资源，从而降低网络中的相互干扰和延长终端电池的使用时间。 切换控制( h c ) ，主要功能是为保证移动用户通信的连续性，或者基于网络 负载和操作维护等原因，将用户从当前的通信链路转移到其它小区。 接纳控制( a c ) ，当新的用户和越区切换的用户发起呼叫时，网络执行接纳 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 。 分组调度( p s ) ，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 络负荷和l i e 情况决定。 负荷拥塞控f l 割 ( l c c ) ，主要功能是连续计算网络的负荷信息，并将该信息提 供给其它模块。当网络出现过载情况时，l c c 通过r r m 中其它模块的综合作用 将网络恢复到正常的状态。 动态的信道分配( d c a ) ，主要功能是负责将信道分配到小区、信道优先级 排序、信道选择、信道调整和资源整合。 无线链路监测( r l s ) ，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 模块发出报告。 第三章分组调度算法原理 第三章分组调度算法原理 本章首先介绍三种经典的分组调度算法，并讨论各种算法的优缺点。在此基 础上，接着讨论t d s c d m a 系统的p s 算法，对其调度原理作详细阐述。 3 1 几种典型分组调度算法介绍 3 1 1 轮询调度算法 在考虑公平性时，一般都把轮询调度算法( r o u n dr o b i na l g o r i t h m ) 作为衡量的 标准，该算法是最简单和最容易实现的。此算法的基本思想是循环地调用每个用 户，一次循环中每个用户被调用的概率都相等，也就是说每个用户以相同的概率 占有可分配的时隙和功率。算法认为不同用户的传输优先级是同等的，因而实现 了用户间的最佳公平性。 轮询算法的优点是，不仅可以保证用户间的最佳公平性，并且实现简单。这 就是为什么一些实际系统采用轮询算法的原因。 但是轮询算法没有考虑到不同用户无线信道的具体情况，因而极低的吞吐量 成为它致命的缺点。 通常，人们认为轮询算法是最公平的，因为它保证所有用户占用等量的时间 进行通信。同时该算法是性能最低的，因为它的系统吞吐量在实际系统中是最低 的。也就是说，轮询算法是公平性的上界以及算法性能的下界。 3 1 2 最大载干比调度算法 最大载干比调度算法( m a xc ia l g o r i t h m ) 按信道瞬时状况好坏区分优先次序 向终端发送数据，调度规则为： 宰每个用户对应一个队列，以存放待传数据 宰在调度时，所有非空队列以用户的c i 为优先级从高到低进行排列 任意时刻接收服务的用户总有最高的c l 如果在时刻t 有k 个用户同时请求传输数据，此刻每个用户的c i 为( c ，) ，( f ) ， 则最大c i 调度算法选中的用户为 k = a r g m a x l ( c i i ) 雕) 式( 3 1 ) t d s c d m a 系统分组调度算法研究 当系统采用自适应调制编码技术时，采用最大载干比算法的无线系统可获得 最大的系统吞吐量，无论采用任何别的调度算法，吞吐量都不可能超过它。通常 把采用该算法得到的系统吞吐量看作系统吞吐量的上界。 但是因为在无线移动通信中，每个用户所处的位置不同，其所接收的信号强 度不同。按照最大c i 调度算法，必然更多地照顾了离基站较近的用户，他们得到 更多的传输机会。而处于小区边缘的用户c i 较低，得到服务的概率也会较低，甚 至会出现所谓的“饿死现象”，从占用系统资源的角度来看，这种调度算法是最不 公平的。 3 1 3 正比公平调度算法 原则上，系统吞吐量的降低会使公平性有更多的保障。因此，在两者之间必 须进行权衡。正比公平调度算法( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s sa l g o r i t h m ) 就是在吞吐量和公 平性二者之间折中产生的。在正比公平分组调度算法中，每个用户被分配一个相 应的优先级。任意时刻，小区中优先级最大的用户接受服务。该优先权如式( 3 2 ) 所示， p r i 咄f ) - 等扣1 2 ，k ( 3 - 2 ) 其中( c t ) 。( f ) 指第后个用户在，时刻的载干比，而r 。( f ) 指该用户在时隙t 内的 平均传输速率。在这种调度下，每个用户获得的机会是比较公平的。如果用户的 信道条件较好，( c i ) 。( t ) 就大，则该用户的优先级高。当该用户连续进行通信时， r 。( ，) 逐渐变大，从而使得该用户的优先级变小，无法再获得服务。如果用户因为 信道条件较差，特别是由于它处于小区边缘，( c i t ) 。( f ) 长时间较低，得不到传输 机会，则其平均传输速率就会减小，这同样会使其优先级提高并获得传输机会。 因而，正比公平算法实现了使系统吞吐量最大化与尽可能保持各用户之间公平性 的折中。 3 2t d s c d m a 系统分组调度算法 3 2 1t d s c d m a 系统p s 算法的提出 以上三种调度算法代表了三种典型的应用环境，各有优劣。而他们有一个共 同点是存在一个调度周期。在一个调度周期开始时，根据用户数、信道环境等， 将空口( 空中接口，即u e 和接入网的接口) 资源重新分配给各个u e 。这种集中 调度的方式带来一些问题。 第三章分组调度算法原理 9 首先，由于调度周期的引入，在调度周期点，需要和i j e 、n o d e b 进行集中的资 源释放、申请过程，这样就会在信令处理方面有可能产生瞬时高峰负荷。 其次，在每个调度周期结束后，首先释放目前u e 占用的资源，这样才能将资 源在下一个调度周期内分给其他u e 。释放资源的过程比较复杂，需要和u e 、n o d e b 都存在交互，如果有一个u e 的资源释放不成功，将直接影响下一个调度周期内的 可用资源数量。 第三，在每个调度周期开始时，需要根据算法将资源分配给不同用户，资源的 分配过程也很复杂，需要和u e 、n o d e b 都存在交互，如果一个u e 资源分配不成功， 要么造成这个资源在周期内被闲置，要么重新将资源在u e 中进行分配。 t d s c d m a 系统分组调度算法克服了这种缺点，取消了调度周期概念，从集 中调度改为分散调度，也就是u e 各自完成调度( 需要参考整个小区的状态) ，而 不是在小区内统一调度，这样就不会产生信令的瞬时高峰负荷。 3 2 2 业务模型介绍 在第三代移动通信系统中定义了四种业务类型：会话类、流类、交互类和背 景类业务。会话类和流类业务主要用于实时类业务，通过实时连接的方式在无线 接口进行传输。t d s c d m a 系统分组调度算法应用于交互类和背景类等非实时分 组数据业务。日常生活中，交互类和背景类的业务有w w w 、e m a i l 、f t p 等。 下面介绍这三种业务的模型，以了解业务特点，为p s 算法设计提供依据。 一、w w w 业务 通常情况下，一个网页中的一个连接包括一个或多个u r l ( u m f o n i lr e s o u r c e l o c a t o r ) 请求。当一个用户发送一个u r l 请求时，w w w 服务器执行一个用户端 程序来给用户产生响应。用户端程序可能根据页面的内容产生附加的请求，例如 页面内的图片等。这些附加的请求将建立新的t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 联接， 这些联接可能相互交错并行产生，也可能顺序产生，这与h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) 的版本有关。与u r l 相关的请求完成后，用户将有一段时间来浏览该网 页，然后再发送一个新的请求。所以，w w w 业务到达过程不是简单的p o i s s o n 到 达过程，可以用一种改进的o n o f f 模型来描述，如图3 1 所示。图中，a c t i v eo n 代表页面单个文件的下载，a c t i v eo f f 代表下载组成一个页面的不同文件之间较 短的时间间隔，i n a c t i v eo f f 代表用户下载完一个页面后的浏览时间。其中a c t i v e o n 时长与所下载的文件大小有关，而文件大小服从p a r e t o 分布。a c t i v eo f f 时长 服从w e i b u l l 分布，i n a c t i v eo f f 时长服从p a r e t o 分布。 二、e m a i l 业务 通常情况下，当用户运行其e m a i l 软件登录到它的e m a i l 服务器上后，先下 1 0 t d s c d m a 系统分组调度算法研究 载e m a i l 的头信息，然后用户根据这些头信息下载各个邮件，也可能直接从服务 器上删除。每下载一个e m a i l ，用户要浏览e m a i l 的内容。然后可能回复该e m a i l ， 也可能下载下一个e m a i l 。单个用户的e m a i l 流量可以用o n o f f 模型来描述， 如图3 2 所示。图中，o n 代表信件的下载时长，o f f 代表一个信件下载完毕到下 一个信件开始下载之间的间隔，也就是用户阅读信件的时间，它服从p a r e t o 分布。 三、f t p 业务 f t p 类业务的模型相对比较简单，其过程可以概括为，首先用户发送请求数 据分组，得到确认后，以后的文件传输就无需再进行确认。有时在获取文件之前， 用户经常会产生一些路径或目录查询的分组。其业务源模型和e m a i l 的模型类似， 单个f t p 用户所产生的流量也服从o n o f f 模型。每个会话通常包括一组文件传 输，每个文件之间的传输间隔为用户阅读时间。图3 3 给出f t p 类业务的参考模 型。 a c t i v e9 胂a c t ，i r eo f f * j i n a c i r eo f f 臣二】曲二囫二盈卫- 图3 1w w w 业务模型 图3 2e m a i l 业务模型 一次会话会话间隔一次会话 皿皿皿口田町 _ 卜9 啼 文件1 的分组文件2 的分组文件3 的分组阅读时间 图3 3f t p 业务模型 3 2 3p s 算法中的空口协议模型和u e 状态 在介绍分组调度原理前，先介绍两个概念，空口协议模型和u e 状态。 一、空口协议模型 空中接口也叫无线接口，是l i e 和u t r a n 之间的接口。整体协议结构如图 3 4 所示。 第三章分组调度算法原理 物理层通过传输信道为媒质接入控制层( m a c ) 提供相应的服务。m a c 层通 过逻辑信道承载r l c 的业务。r l c 通过业务接入点( s a p ) 为上层提供业务。业 务接入点指示了r l c 层处理数据的方式，如是否使用自动重发请求( a r q ) 功能 及如何处理数据分组。 m a c 层位于物理层之上，主要是在物理层提供的传输信道和向r l c 层提供 服务的逻辑信道之间进行信道映射，同时也为逻辑信道选择合适的传输格式。通 过s a p 接受来自于r r c 的配置消息，同时向r r c 层反馈状态测量报告。 挽磁竿函绞专 用户平瑷馈誊 逻辚偿短 l 。2 眦a c 馋姥倍邋 l i 图3 4 空中接口协议结构 r l c 为用户和控制数据提供分段和重传业务。在控制平面，r l c 向上层提供 的业务为无线信令承载( s r b ) ；在用户平面，当p d c p ( p a c k e td a t ec o n v e r g e n c e p r o t o c 0 1 ) 和b m c ( b r o a d c a s t m u l t i c a s tc o n t r 0 1 ) 协议没有被该业务使用时，r l c 向上层提供无线承载( r b ) ；否则r b 业务由p d c p 或b m c 承载。 p d c p 只存在于分组域，主要是对分组数据进行头压缩，以提高空口的传输 效率，以及对诸如i p v 6 等其他网络协议进行转换，使其能够通过u t r a n 网络进 行传输而又毫不影响u t r a n 网络协议本身。b m c 用于在空中接口上传递由小区 广播中心产生的消息，主要是源于g s m 系统的短消息小区广播业务。 r r c 同样也是通过业务接入点为上层提供业务。u e 侧，高层通过s a p 和r r c 交互消息；在网络侧，i u 口协议通过s a p 和核心网进行交互。所有高层指令都被 篡 既 盼 。 一 一 一 乏 t d s c d m a 系统分组调度算法研究 封装成r r c 消息，u t r a n 透明地在空中接口发送。r r c 层和底层所有协议实 体之间都存在控制接口，r r c 通过这些接口对他们进行配置和传输一些控制命 令，如命令底层进行特定类型的测量。同时底层也通过此接口报告相应的测量结 果和状态。 二、u e 状态 u e 有两个基本的操作模式：空闲模式和连接模式。连接模式又可以进一步分 为c e l l d c h 、c e l l j 、a c h 、c e l l p c h 和u r a p c h 几种状态。这些状态定 义了u e 使用的物理信道种类、测量和移动性管理任务，以及发生状态转移时的 动作。 u e 开机之后，选择一个小区驻留，此时能够接受系统信息和小区广播消息， 处于空闲模式。若l i e 发起r r c 连接建立请求，就会进入连接模式。下面详细介 绍连接模式下几种状态的特征。 ( 1 ) c e l l d c h l i e 被分配专用的物理信道，并且r n c 能够知道u e 所在的小区。在此状态 下，u e 可以使用专用传输信道、上下行共享信道或者两者的组合。 u e 进行测量，并根据从r n c 接收到的测量控制信息发送测量报告。 ( 2 ) c e l l j l a c h u e 没有专用的物理信道，可以使用r a c h f a c h ( r a n d o ma c c e s sc h a n n e l f o r w a r da c c e s sc h a n n e l ) 信道传递信令或少量的用户数据。 u e 进行测量并向网络发送测量报告。默认情况下，u e 根据接收到的系统消 息进行测量；网络也可以通过专用的测量控制消息告知u e 执行的动作。当二者不 完全一致的情况下，后者具有更高的优先权。 u e 持续监控下行的f a c h 信道并读取有效的系统信息。系统将消息变更的通 知通过f a c h 报告给u e ，根据该通知，u e 可以在b c h ( b r o a d c a s tc h a n n e l ) 信道上 读取新的系统消息。 在c e l l j a c h 状态下，u e 根据小区选择的规则进行小区重选，并通过小区 更新的消息来告知u t r a n 终端目前的位置。如果u e 选择了一个属于其它系统的 小区，u e 将进入空闲模式，然后根据相应的规范要求接入另外的系统。 ( 3 ) c e l l - p c h 在c e l l - p c h 状态下u e 没有专用的物理信道。u e 将根据网络提供的算法选 择p c h 信道，并使用非连续接收监控与之伴随的寻呼指示信道读取寻呼信息，以 达到终端节电的目的。 在c e l u c h 状态下u e 没有任何激活的上行链路，如网络希望启动任何动 作，需要通过寻呼通知u e 随后的下行动作，或通过上行接入迁移到c e l lf a c h 状态。 第三章分组调度算法原理 u e 能够监听b c h 上的广播消息。支持小区广播业务的u e ，在此状态下也可 以接收b m c 消息。 u t r a n 通过u e 最后次上报的小区更新消息确定其位置。在此状态下，小 区重选动作必须要迁移到c e l lf a c h 状态。在此期间没有引发其他动作，过程 结束之后，u e 将重新迁回c e l lp c h 状态。该状态下的l i e 不能接收到专用的测 量消息，所有的测量动作都是根据接收的系统消息来执行。 在u e 的活动性很低的情况下，u t r a n 可以命令u e 迁移到u r ap c h 状态 以减少不必要的小区更新过程。此动作的执行要经过c e l lf a c h 状态。 ( 4 ) l i r a p c h u r ap c h 和c e l lp c h 状态下具有非常类似的特征，如信道特征、系统消 息的读取和测量动作等等。 u t r a n 通过u e 最后一次上报的小区更新消息确定其位置。在此状态下，u e 也可以进行小区重选，重选之后不执行小区更新，而是从b c h 中读取u t r a n 注 册区( l i r a ) 标识：仅当u r a 发生变更的时候，u e 才将其位置信息重新通知r n c 。 此过程是通过切认更新完成的。同c e l lp c h 一样，此动作必须也要迁移到 c e l lf a c h 状态。如果在此期间没有引发其他动作，过程结束之后，u e 将重新 迁回u r ap c h 状态。 u r a 由一个或多个小区组成，多个u r a 在地理上可以重复覆盖，这种重叠 区域的设置在一定程度上避免了网络乒乓效应。一个小区可以属于多个u r a ，只 有当l i e 在小区u r a 中没有找到匹配的标识，才会启动u r a 更新过程。 3 2 4p s 算法原理 t d s c d m a 系统的分组调度是由r n c 来完成的，针对每个l i e 调整其空口速 率，以合理分配资源。 目前，p s 算法有三种调度策略：基于链路质量的分组调度、基于小区负荷的 分组调度和基于业务量的分组调度。 一、基于链路质量的分组调度 基于链路质量的分组调度由无线链路检测算法触发。打开无线链路检测算 法( r l s ) 开关，当分组用户的链路质量恶化之后，为了保证数据传输质量，会触发 速率调整。 打开r l s 开关，此时就触发了测量控制。r n c 向u e 下发m e a s u r e m e n tc o n t r o l 消息，u e 收到质量测量的m e a s u r e m e n tc o n t r o l 消息后，将根据消息中规定的控制 信息进行测量，当l i e 测量到的循环校验码错误数目大于给出的门限值时将上报 m e a s u r e m e n tr e p o r t 消息。 t d s c d m a 系统分组调度算法研究 r n c 收到相关的m e a s u r e m e n tr e p o r t 消息之后，就认为无线链路质量发生恶 化。如果恶化的无线链路承载有分组业务( 包括单分组业务、实时业务与分组业 务的组合等情况) ，则认为分组业务质量恶化。 无线链路质量恶化之后，就可以触发分组调度。对这种情况的处理原则：触 发速率下调。可下调一档或者几档速率，推荐下调一档。所谓一档如：系统支持 3 8 4 k ，2 5 6 k ，1 2 8 k ，6 4 k ，3 2 k ，8 k ，若业务当前速率为3 8 4 k ，那么下调一档调 整为2 5 6 k 。 二、基于小区负荷的分组调度 l c c 检测到小区拥塞后，若操作维护( o & m ) 配置了降速率的处理策略，那 么l c c 会针对非实时业务触发分组调度的降速率过程。l c c 会告知分组调度下调 后的新速率，而分组调度的处理就是检测l c c 请求的新速率是否符合要求，并触 发相应的空口过程完成降速率处理。当小区拥塞时，不触发分组上调速率。 三、基于业务量的分组调度 从3 2 2 节的分析可以看出，非实时业务的一个共同特点就是突发性强，数据 量波动较大。一个u e 在某个时间段数据传输可能很小( 比如阅读下载的数据时) ， 而在有些时间段需要传输的数据量可能突然增加到很大( 比如下载数据时) 。 当非实时业务接入之后，r n c 通知u e 和本地m a c 进行业务量测量报告。业 务量测量采用事件触发的测量报告机制，上下行彼此独立。上行的业务量由u e 上 报，下行业务量由r n c 报告。l i e 和i 矾c 分别通过检测自己空口k l c 层b o 值 获取业务量信息。如果传输信道业务量高于指定阈值，则上报4 a 事件，如图3 5 所示。如果传输信道业务量低于一定门限，则上报4 b 事件，如图3 6 所示。 e v e n t4 a 图3 54 a 事件 c v cn t4 b c vc t4 b 图3 64 b 事件 第三章分组调度算法原理 1 、对4 a 事件的处理流程如图3 7 所示。r n c 收到4 a 事件报告，如果l i e 所 在的小区状态正常，无线链路正常，并且有可用的资源，则触发速率上调。上调 可以根据b u f f e r 情况具体