（信号与信息处理专业论文）多用户ofdma系统资源分配的研究.pdf

北京邮电大学硕士毕业论文 摘要 多用户o f d m a 系统资源分配的研究 摘要 下一代移动通信系统需要支持高速率、高可靠性的数据传输，提供端 到端的服务质量( q u a l i t ) r o f s e r v i c e ，q o s ) 保证。o f d m a 系统应具备提供 多种多媒体业务的能力，这些业务具有不同的q o s 级别和业务特性，因此， 调度算法必须提供完整的q o s 支持机制。本论文主要研究o f d m 系统中保 证用户q o s 需求的资源分配算法问题。 论文首先总结了3 g p p l t e 中与资源调度相关的问题，包括调度器总体 构架、调度器功能、调度应考虑的因素、调度分类等，接着，对o f d m a 下行链路传输方式和系统参数选择进行了初步研究，并通过仿真得出其对 系统性能的影响。 论文然后研究了具有q o s 保证的系统资源调度问题，通过引入“基于 信道信息和队列信息”的系统资源调度算法一最大时延u 函数( m a xd e l a v u t i l i 吼m d u ) 算法，使具有不同信道质量的用户获得相似的时延o o s 保证， 同时我们对原有算法进行改进，利用收端吞吐量作为资源分配的考虑因素 之一，仿真结果表明改进后的算法能够更有效地为各用户提供吞吐量o o s 保证。 论文最后主要研究多业务系统中如何保证不同用户的时延o o s 和吞吐 量q o s ，通过引入业务加权因子区分不同业务的q o s 要求，仿真结果表明 改进后的m d u 算法能够有效地为不同种业务提供时延和吞吐量o o s 保证， m d u 算法的低实现复杂度预示了它将会是未来基于i p 的分组数据传输网 络资源调度的重要解决方案之一。 关键词：正交频分复用( 0 f d m ) 、服务质量( q o s ) 、资源分配、信道信息、 队列信息、多业务系统 北京邮电大学硕士毕业论文 b s t r a c t r e s e a r c ho ni t e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r n h m s f o rm u it i u s e ro f d m as y s t e m s a b s t r a c t t h en e x t 唱e n c r a t i 加m o b i l ec o m m l l n i c a t i o ns y s t e m sa r er o q u i r o dt 0 p r o “d el l i g h d a 吣r a c e 1 1 i g h 他l i a b l et r a 璐m i s s i o n 姐dg i l 撇m d - t o e n dq o s 0 f d m as y s t 锄i s c 0 砸i d e r e dt oh a v et l l ea b i i 时t 0p r o 懈s i i l gm u l 血1 e d i as e r “c 鹤，w h i c hh a v ed i tq o s r e q u i r e m 锄临，s oi h es c h e d u l i i 唱a l g o r i t l l mm u s hp r o v i d ca n 协t e 粤丑t e d ( sm e c h a l l i s m 。t i l i s t h 舒i sm a i n l y 咖d i 黜t l l em a i l lk e yp r o b l 锄，n a m e l yr 韶o l ea l i o c a t i o na 1 9 0 r i t l l mw i t l lq o s s a t i s f h c t i o n f i r s t l yw em a k eas u m m a r i z a t i o no ft c c 岫c a lr c p o r t sr e l a t e dt 0r 器o u r c ea l l o c a t i o ni n 3 g p pm ，i l l c l u d 崦s c h e d u l 盯戤l l i t e c t i 】i ，s c h e d u l e r f i l l l c t i o i l ，s c h e d u h n g 劬岫， s c h e d m i i 玛d 勰s i f i c a t i o l l ，缸dt l l e nw em a k eap i l o ts n j d yo nd o w l l l i r l i 【仃啪i 鹳i o ns c h 锄eo f o f d m a 锄ds y s t 咖p 缸柚c t e 侣c h o i c c ，g e t t i i l g l ee 廊c to f 砌c ht 0 ”s y s t 锄p e r f 0 皿a n c e b ys i l l l u l a t i o i l 1 1 1 e nw ed om s e a r c h 彻s y s t 锄r e u r c ea l l o c a t i o n1 i t l lq o ss a t i s 盘c t i o n b yi i l h 硼u c i n g “c h 咖e l - a w a 佗锄dq u 即e - a w a r e ”s c h e d u l i n ga 1 9 0 一t h i n - m a ) 【d e l a yu t i l 崎( m d u ) a 1 9 0 一t l 皿， w 盯c q u i p i i l 钮t s 、i t hd i f f 如n tc h 锄e lq l l a l m e sm a y h a v es 岫i l 盯d e l a y ( ss a t i s f h c t i o n ，t l i 饥 w em a k es o m ei m p r o 嘲n e n tt ot h i sa l g o r i t l l m - c o n s i d 咖gu s i n gt h er e c e i v i l l gt h r o u g h p u t 鹤 o n eo ft h ef e u r c ea l l o c a t i f 融。陪，s i m u l a t i o n s u l t sd 锄o m 仃a t e 也a tt l l ei l i l p r o v c d a l g 喇l n lc 锄e 侬c t i v e l yi 叫p r 叫et h et l l m u 曲p u t ( ss a t i s f h c t i o nt oe a c hu s 既 a tl 蹈tw em a l ( es o m es t u d yo n ( 如ss a t i s f h c t i o nf o rh c t 啪g m e 0 璐虹a 伍c ，b yi i l 仃0 d u c i r i g 们伍cp o w 盯胁c o rt 0t h em d ua l g o 删1 i i l ，d i 疗醣e n tt f a 伍ch 勰d i 彘r e n t 埘耐s i m u l a t i r 铷l t sd 锄o 璐眦t h a tm d ua l g o t 1 1 mc 姐a l s op c r f o 衄、v e ui nm u l t i 仃a f i i cs y s t 锄孤d p r o “d 韶d d a y 趾dt h m u 曲p u tq o ss a t i s f a c t i o nt od i 仃柏l t 的佑c s t kl o wi n l p l 锄面gc o m p l e x 时姐dh i 曲e 伍d 髓c yo f m d u a l g o r i t l l i nm a k ei t 仰eo f t l l es o l 嘶o n so f 瑚o u r c ca l l o c a t i o ni n 翩：u 坤i p b 勰e dp a c k c ts 惭t c t l i n gn e t 、v o r k k e y w o r d s ：o f d m ，q o s ，r 嚣o u r c c 砧l o c a t i o n c h 锄n e lh l f o m a t i o n ，q u e i l ei i l f o m a t i o n h e t e g 。o 髑s y s t 锄 北京邮电大学硕士毕业论文 符号说明 c ( 厂) ： 信道频域响应 d 刀： 离散傅立叶变换 倒：符号间干扰 m ： 子载波个数 正： o f d m 系统时隙 j v 驴) ： 岛陆，一】： ： q k 】： m ： 符号说明 加性白噪声的功率谱密度，单位是瓦，赫兹 第f 个用户的第七个子载波在时隙捍的酿艉 设用户f 的平均比特到达率为 用户f 队列在时刻 时的比特数 在第以个时隙内基站对用户f 的服务速率 v 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：孪壳 日期：塑12 ：三： 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：查安 导师签名： 篆 期 期 日 日 北京邮电大学硕士毕业论文第1 章绪论 1 1 无线通信现状 第l 章绪论 当代通信技术的发展，极大地提高了人们传递信息和获取信息地能力。尤其在最近 几十年，由于光纤的出现，使得数据传输率成百倍地增长，以光纤和电缆为介质的有线 传输技术取得了长足的进步。与此同时，随着数字技术在无线传输领域的广泛应用，蜂 窝移动通信、卫星通信等无线传输系统也都得到了很大的发展。宽带化和多媒体化成为 了两种传输方式的共同目标。 无线传输有着有线传输无法替代的优点。由于无线电波充满整个空间，无线传输可 以真正实现在任何地点的通信。在一些人迹罕至或无法铺设光缆、电缆的地方，无线通 信是唯一的通信方式。另外，无线传输也给人们的日常生活带来了方便，随时随地与他 人保持联系正是依赖于移动通信的发展才得以实现的。灵活性弥补了无线传输质量不高 的缺点，使其成为不可或缺的传输方式之一。 无线通信无疑已经成为近几十年来发展最为迅速、最受关注的领域之一。人们对于 无约束通信的需求、硬件和数字信号处理技术的飞速发展以及通信理论在实际系统中的 成功应用，造就了从模拟到数字的第一代( 1 g ) 、第二代移动通信系统( 2 g ) 。如今， 基于c d m a ( c o d e - d i “s i o nm u l t i p l e a c c e 船) 技术的第三代移动通信系统( 3 g ) 已经在 全球范围内开始得到大规模商用，人们正在向自己期待中的“任何人可以在任何时间、 任何地点进行任何方式的通信”的目标步步逼近。然而，无线通信之所以吸引如此多研 究者目光的一个重要原因也正是其中还有很多尚待解决的问题，对于在“非常恶劣”而 又“变化无常”的无线环境中要满足人们近乎“贪婪”的需要，存在的挑战还很多。3 g 系统虽然在极限条件下可以达到2 m b p s 的数据传输速率，即使在高速移动环境中，也可 以实现1 4 4 k b p s 的数据速率。但是，它也有其明显的缺点：首先，由于c d m a 技术固 有的干扰问题的限制，3 g 系统的数据速率很难达到诸如5 0 - 1 0 0 m b p s 这样的范围：其次， 3 g 系统目前还难以保证不同用户对于不同服务质量( q u a l 时o f s e i c c ，q o s ) 的要求， 难以支持多速率业务。因此，正当3 g 的广泛应用尚且“犹抱琵琶半遮面”时，对于未 来蜂窝移动通信系统b 3 g ( b e y o n d3 g ) 或4 g 的研发已经如火如荼地展开了。 目前，人们对于4 g 的具体技术和架构还没有统一的严格定义，但是在一些问题上 已经形成了普遍共识，那就是： ( 1 ) 4 g 系统要为用户提供高频谱效率、高可靠性的数据和语音服务，其空中接口应 该能支持1 0 0 m b p s 以上的数据传输速率； ( 2 ) 4 g 系统应该能有效支持全范围的多速率业务，并能满足用户对于服务质量的不 北京邮电大学硕士毕业论文第1 章绪论 同需求； ( 3 ) 4 g 系统应该能够融合目前存在的多种无线接入技术，如无线局域网、b l u e f o o t i l 、 3 g 蜂窝系统等，使用户的终端设备能够在不同的制式之间透明地切换； ( 4 ) 4 g 系统需要支持个性化服务等等。 为了能够实现这些目标，多项技术已经被人们所看好，将很有希望成为未来移动通 信系统架构中的关键技术，这其中就包括能有效克服多径衰落，提高传输速率的正交频 分复用( o r t h o g o n a lf r e q u c l l c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n 岛o f d m ) 技术，能有效改善系统性 能或显著提高系统容量的多进多出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，m i m 0 ) 技术，以及 随着信道的变化调整系统传输参数和结构以适应无线环境的自适应技术等。 1 2 无线资源调度 无线通信系统中频谱资源的稀缺决定了无线系统中必须有较高的资源利用率，因 此，资源调度在无线通信系统中显得尤为重要，4 g 中以分组数据业务为主，分组型业 务通过接入选择与控制( 即选择了服务基站( 小区) 和接入信道) 后进入一个按业务优 先级队列排队机制和一个时分( 或码分、正交频分) 资源调度器，经过速率与功率控制、 分配后调度后输出。分组业务的排队机制主要是按业务的优先等级进入不同队列，排队、 等待和获得服务，队列调度算法主要依据队列等级、信道状态、业务q o s 需求及对有限 的无线资源估计，对通过调度以后的业务再进行功率、速率控制( a m c ) ，实现自适应 链路传输。为了更好地实现无线资源的动态管理，还必须考虑到系统对有限的无线资源 的估计，它包含系统吞吐量与公平度以及对不同业务的o o s 需求。对有限的无线资源估 计的目的主要是提高系统的有效性，即增大系统吞吐量，同时还包含必须满足对每个用 户接入与传输的公平性要求。因此，资源调度必须考虑不同的业务类型，q o s 需求、信 道状态、干扰情况及小区负荷等因素。 1 3 论文的主要内容和结构 以上介绍了无线通信的现状与无线资源调度在4 g 通信系统中的作用，4 g 中对于无 线资源调度的研究尚属开始阶段，3 g p pu e 中资源调度也是热点研究课题，因此，本 文拟对4 g 系统中资源分配存在的一些问题，如资源分配的公平性、对于不同业务q o s 的保证、如何提高系统的资源利用率等进行研究，并通过仿真实验得出一些结果，本文 的后续章节安排如下： 第2 章主要对3 g p pl t e 中资源调度的研究进行概述，主要包括调度器总体构架、 调度器功能、调度应考虑的因素、调度分类、m a c & p h y 层复用结构等。 第3 章主要对o f d m a 下行链路传输方式进行研究，3 g p pi u n l 定义的d i s m b u t c d 2 北京邮电大学硕士毕业论文第1 章绪论 和l o c a l i z c d 两种传输方式如何在下行链路中进行复用是目前研究的一个重要课题，本章 对于不同的d i s 埘b u t e d 传输方式进行研究，并给出仿真结果。 第4 章，主要对多用户0 f d m a 系统资源调度进行分析研究，如采用不同的调度算 法、不同的用户数目、调度时采用的时频资源块大小、h a r q 次数的不同，并通过仿真 得出这些因素对资源调度的影响。 第5 章，主要研究基于用户公平性的资源调度算法，算法综合利用了各用户信道信 息和队列信息，使不同信道质量的用户获得了相对的资源分配公平性。 第6 章，主要研究多业务系统中( 如v o i p 、h r r p 、d c os 仃舶m ) 系统资源的合理 调度，由于不同业务具有不同的q o s 要求，如v 0 口侧重于时延q o s 保证而 r 丌p 则侧 重于吞吐量q o s 保证，因此，设计合理的算法，满足不同业务的q o s 要求，是本章研 究的主要内容。 第7 章给出了全文总结及对未来工作的展望。 3 北京邮电大学硕士毕业论文 第2 章3 g p pl t e 资源调度箍述 2 1 前言 第2 章 3 g p pl t e 资源调度概述 随着共享信道( s c h ) 的引入和数据信道( d c h ) 的去除，资源调度在3 g p pl t e 中将会起到越来越重要的作用，传统调度算法已经不能适应3 g p p l t e 系统发展的要求， 因此，3 g p pt s g i u nw g 2 中对于调度的研究也日趋白热，本章拟对目前3 g p p 中关 于调度的研究现状做简要总结，包括调度总体框架、调度器功能、影响调度的因素、与 调度相关的信令参数、c o i 信息控制和资源调度策略，同时指出其中亟待解决的问题。 2 2 调度总体框架 对于i i t r a nl t el l 层和l 2 层的功能划分十分必要，图2 1 显示调度器在协议栈 中的位置 1 】，图2 2 则显示了调度器功能的层次划分 2 】，层次划分不会影响调度算法的 灵活性，反之，它有着如下优点： 一 层间交互清晰明了，简化了3 g p p l t e 的工作； - 层内测试工作可单独进行； 一优化后的c q i 信令信号能够适应不同的资源分配方案并且支持依赖于信道信息 的调度方案： 一 支持依赖于业务类型的调度方案。 图2 1 调度总体框架 4 北京邮电大学硕士毕业论文 第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 图2 2 调度器的两层结构 图2 3 显示了l t e 中下行链路共享信道的一次调度过程，每个u e 通过接收由n o d c b 周期性发出的下行链路导频信号进行信道质量的测量，进而上报测量结果，n 0 d eb 根 据信道质量指示和q o s 需求、队列长度等因素决定那些u e 需要进行调度，并将结果和 必要的解码信息通过共享控制信道传输给相应的u e ，数据通过共享业务信道进行传输， u e 接收数据后进行解码并发送a c k n a c k 用于确认数据传输是否成功。 2 3 调度器功能 图2 3 下行链路共享信道调度过程 5 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度溉述 3 g p p t r2 5 8 1 4 对调度器的功能描述如下： “位于节点b 的调度器为每个用户动态分配时频域资源，通过下行链路控制信令 通知每个用户所分得的资源以及相应的传输方式。调度器同时选择最佳的资源复用方 式，如l o c a l i z e d 或d i s m b u t e d 传输方式，资源块选择和多用户复用同时影响了调度算法 的性能，调度需同链路自适应和h a r q 紧密结合。” 根据目前3 g p pl t e 中对调度的研究现状，调度应具有的功能如下： ( 1 ) 优先级处理 b s 资源调度器根据业务q o s 要求、缓存容量、c q i 等决定不同用户的调度优先级。 ( 2 ) 资源选择和分配 b s 资源调度器决定u e 的传输方案( 1 0 c a l i z c d 或d i s 砸b u t e d ) ，同时决定每个用户所 分得的资源数、资源所处位置、占用的有效时间。 ( 3 ) c o i 报告控制 b s 资源调度器应该控制上行链路的c q i 上报频率。 ( 4 ) 资源调度周期选择 下行链路资源调度周期应为一个t t i ( 0 5 m s ) 。 此外，调度器是否应具有如下功能尚在讨论中：调度器对资源进行调度和分配是否 应考虑u e 的速度、u e 在小区中的位置( s i e m e n sz 如c 胄2 d 6 d j d d ) ，是否应考虑c q i 的自适应以优化以减小控制信令传输开销、提高链路自适应的性能( i p w i r e l e s s 砌c r 2 d 卯韶，) ，在状态为l t ea c t i v e 的u e 中选择需要调度的u e ，具有决定重传和缓存 管理的功能( e t l uz 锄c r 2 一d 卯9 部) ，调度器是否负责m c h 信道和b c h 信道的资源分 配，资源分配周期应当是动态的( 若干个t t i ) ( n o k s i e m 佃s ，z 如cj 配d 6 9 d ) ，对 于不同的业务类型应采用不同的调度策略( e t l t i 砌c u 一酊2 7 9 d ) 。 2 4 调度应考虑的因素 3 g p p t r2 5 8 1 4 中指出了调度器在进行决策时应考虑的因素 - 不同业务的q o s 要求； - 下行链路调度时n o d e - b 缓存中的数据量： - 尚未收到回复的重传； - u e 的容量： 一u e 休眠周期和测量周期； 6 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 其它系统参数如系统带宽和受干扰程度。 2 5 与调度相关的信令信号 ( 1 ) 下行链路l l l 2 控制信令 下行链路资源调度信息 一 资源分配指示( 包括u ei d ，资源分配信息和有效时间) 一 传输格式( 包括调制方案，负载大小) 一 与h a r q 相关的信息 上行链路调度答复 一 资源分配( 包括u ed ，资源分配信息和有效时间) 一传输格式 - a c k n a c k ( 2 ) 上行链路l l l 2 控制信令 数据相关信令( 包括h a r q 相关的信息) c q i a c k ，n a c k 2 6 c q i 信息控制 2 6 1u e 上行链路反馈信道 u e 可以通过上行链路反馈c q i 用于协助调度器进行下行链路的资源分配 3 】，由于 各用户所经历的信道变化快慢不同，信道变化较慢的u e 能够反馈较为详细的信道状态 且置信度高，而信道变化较快的u e 不能及时反馈当前信道状态，因此必须对c q i 的反 馈周期和反馈信息作出相应调整，图2 4 显示了反馈信道在资源调度中的作用。 ( 1 ) c q i 反馈周期动态调整 c q i 反馈周期动态调整应依赖于e - n b ，纠惦根据以下信息做出决定： - e n b 方上行链路负载； - u e 移动性； - u e 下行链路q o s 要求； - u e 下行链路调度队列； 7 北京邮电大学硕士毕业论文 第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 例如对于信道变化较慢的u e 应分配较长的c q i 反馈周期，而对于变化较快的u e 应分配较短的c q i 反馈周期。动态调整c q i 反馈周期提高了上行链路的频谱利用率， 同时保证了下行链路的资源分配，图2 5 显示了这种调整方式与信道变化程度的关系。 图2 5 自适应反馈周期调整 ( 2 ) u e 反馈信息动态调整 u e 根据信道变化动态调整反馈信息，如果信道变化较慢则u e 选用频率选择性报 告：它将整个频带的状况反馈给e n b ，信道状态的更新每隔若干t t i 进行一次；如果 信道变化较快则u e 选用频率分散性报告：他将频带上的样点信息反馈给e - n b ，信道状 态的更新应比较快( 1 个或若干个t t i ) 。 2 6 2c q i 反馈信息模式改变 ( 1 ) e - n b 触发模式改变 4 】 e - n b 负责监视信道状态的变化，当需要进行模式调整时，它向u e 发送“调整反馈 s 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 模式”的指令，u e 收到后做相应调整，并发送“反馈模式调整完成”的响应，如图2 - 6 所示。 图2 6 由e 一舳触发的c o i 反馈模式改变 ( 2 ) u e 触发模式改变【4 】 u e 负责监视信道状态的变化，当需要进行模式调整时，它向e _ n b 发送“调整反馈 模式请求”的指令，e 小m 收到后向其发送。调整反馈模式”的指令，u e 收到后做相应 调整，并发送“反馈模式调整完毕”的响应，如图2 7 所示。 图2 7 由u e 触发的c q i 反馈模式改变 2 6 3 c q i 反馈信息传送策略 两种方案用于传送c q i 反馈信息【5 】：通过上行链路控制信道或利用m r qp d u ， 由于c q i 主要被用于e - n b 调度器进行资源调度，不同的调度方案对于c q i 大小的要求 也有所不同，通常情况下，l o c a l i z c d 调度方案需要比较详细的信道状态信息而d i s 砸b u t c d 调度方案则需要粗略或平均的信道状态信息，另外，u e 的容量也决定了c q i 的大小， 因此，通过h a r qp d u 传送c q i 更有利于c q i 大小的改变。另一个问题是在仅有下行 9 北京邮电大学硕士毕业论文 第2 章3 g p pl t e 资源调度慨述 链路传输的情况下如何反馈c q i 信息，这个问题目前尚在研究中，一种方法是利用 r a c h 或强制调度器定期为u l 分配用于传送c q i 的资源。 2 7 调度方案分类 3 g p p2 5 8 1 3 中尚未对调度机制做出具体的规定，但r a nw g 2 的会议报告中已经 有不少关于调度机制分类的提案和讨论，总体来说可将其归结为两类：根据业务类型划 分调度机制 6 】和根据信道变化快慢划分调度机制【7 】。 2 7 1 动态和固定方式资源调度 ( 1 ) 动态( d v n 锄i c ) 方式资源调度 这种资源调度方式需要在每个子帧产生一次调度信息，并且u e 在每次收到子帧的 初始均要读取调度信息，如图2 - 8 所示： 图2 8 动态方式资源调度 动态方式资源调度比较适合于非实时业务的资源分配和管理( 如h t t p 、f r p ) ，它 能够有效利用u e 反馈的信道状况进行资源调度，特别是对于数据块较大的传输业务， 虽然信令开销有所增大，但比起调度所带来的增益尚属于可容忍的范围之内。 ( 2 ) 固定( n x e d ) 方式资源调度 这种资源调度方式在连接建立时就确定资源分配方案，并在整个通信过程中不会改 变，如图2 9 所示： 1 0 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 图2 9 固定方式资源调度 固定方式资源分配比较适合于具有固定比特率的实时通信( 如v o 口) ，由于不需要 传输调度信息和信道信息，它将信令开销降至最低，缺点是未能利用信道状态信息，频 率分集增益和调度增益比较低，但是可以利用其它技术来弥补这些不足，如利用子载波 交织和m m i o 技术来增加分级增益。 综上所述，固定方式资源分配适用于对实时性要求比较高的业务如v o 口而动态方 式资源分配则更适用于一些非实时性的业务，考虑到调度器应适用于不同业务的o o s 要求，因此，两种资源分配方案都应在调度器的设计中体现： 一 对于实时业务如v o 口，固定方式资源分配能够明显减小甚至不需要信令开销； - 对于非实时业务如h r r p ，动态方式资源分配充分利用信道状态信息，使系统 吞吐量达到最大。 2 7 2 频率选择和频率分散资源调度 不同用户的移动性各不相同，他们所处的无线信道状况自然存在着差异，可以认为 信道变化的快慢( 即相关时间) 与用户的移动速度有关，速度越快，信道变化越快，而 只有低变化速率的信道信息才能够被调度器所使用，根据用户所经历的信道变化的快 慢，可以将调度策略分为两类： ( 1 ) 频率选择调度( f 陀q u e n c ys e i e c i i v es c h e d u n g ) 对于某个信道状态变化不大的u e ，如果该u e 需要传输某一数据块，则调度器可 以根据u e 上报的c q i 将数据块切割成子块在该u e 信道质量最好的子载波块上进行传 输，如图2 - 1 0 所示，这种调度方式使得调度器性能得到最大发挥。 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 图2 1 0 频率选择资源调度 ( 2 ) 频率分散调度( f 陀q u e n c yd i v e r s es c h e d u n g ) 对于信道变化速率较快的u e ，由u e 反馈的c q i 可靠性已经不大，故不再用其进 行调度选择，而是将需传输的数据块分割成为子块并将其分布在整个频带进行传输，这 种调度方式被称为频率分散调度，如图2 1 1 所示，它使得频域分集增益达到最大。 u曰贾置暾u巳贾器牌 子羹波序号 图2 1 1 频率分散资源调度 与动态和固定方式资源调度不同，频域选择调度和频域分散调度是根据用户信道变 化快慢对调度方式进行的划分，由于多用户系统各用户信道变化快慢各不相同，对信道 变化慢的用户采用频率选择调度能够充分利用信道信息，增大调度增益；对信道变化快 的用户采用频率分散调度使信令开销最小化，同时增大频域分集增益。 1 2 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 2 7 3 上下行链路联合调度 目前上行链路和下行链路调度器的功能是分离的，如h s dp ：a 中下行链路的调度器 根据链路功率、码字资源、c q i 和缓存状态等信息对不同用户的逻辑信道或同一用户的 不同优先级逻辑信道进行调度，调度过程中并未考虑上行链路的服务状态。h s u i ，a 中 上行链路的调度器根据链路干扰、用户缓存状态、传输时延等对资源进行调度，调度过 程中也未考虑上行链路的服务状态 8 】。 随着共享信道( s c h ) 的引入和数据信道( d c h ) 的去除，u e 中只存在一种服务： 包交换服务，所有类型的包交换业务都将在共享信道中进行调度，因此，如何有效利用 共享信道、保证不同用户和业务的q o s 成为亟待解决的问题。考虑如下情况：下行链路 以高速率发送数据时上行链路突然发生拥塞，这时下行链路调度器由于收不到上行链路 的反馈信号而不能继续以高速率发送数据。由于上下行链路的调度信息可以共享，联合 调度在u 卫中成为可能，它能够更好的保证不同业务的q o s 、协调上下行链路各用户的 数据发送和接收速率，从而提高资源的利用率。 2 8m a c & p h y 层复用机制 m a c & p h y 层复用( m u l t i p l 懿i n g ) 技术与调度机制联系非常密切，调度主要考虑 资源的有效分配而复用则考虑如何高效地传输数据，复用方式决定了资源调度器的行 为，3 g p p t r2 5 8 1 3 中尚未对复用构架做出详细的描述，一些问题仍在w g 2 的讨论之 中，图2 1 2 展示了一种m a c 层和p h y 层的复用结构总体框架【9 】，其中m i 3 的主要 功能是完成逻辑信道向传输信道间的复用映射以减小信令传输开销，m u x 4 的主要功能 是完成传输信道向物理层资源块的复用映射以提高资源利用率，以下我们针对图2 1 2 中m u x 3 和m u x 4 复用做简要总结。 1 3 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 掣甲甲甲孚 升目，m 调度优先级处理 “ 器? 严“j 器：， ij l j 叩l 譬l 叩l 奴一重叩8 警8 警 i l l i = 二 传输信遣) li il l ，1 ， 物理层映射( 复用4 j l 物理贾滴舟 物理凳薄r 2 8 1m a c 层资源复用方式 图2 一1 2 第三层和第四层复用结构 图2 一1 3 展示了m a c 层的复用结构【1 0 】。 姗3 复用4 m c 层用户平面 i m c 最控匍平面 图2 1 3 m c 层复用机制 1 4 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 上层通过m a c 层控制s a p 设置m a c 层调度器； 不同逻辑信道的服务数据单元( s d u ) 通过m a c 层数据s a p 进入m a c 层，每个 逻辑信道的q o s 需求和业务特性直接传给调度器； 调度器根据相关参数生成调度和复用信息。 - m a cs d u 分片：分片长度由业务属性决定； 一协议数据单元( p d u ) 产生：具有相同a r q 、h a r q 参数和物理层参数( 如相同 c r c 位数、编码速率等) 的分片通过复用形成p d u ； - 具有相同h a r q 参数和物理层参数的p d u 通过复用形成传输块( 1 r a n s p o nb l o c k ) 。 目前3 g p pt r2 5 8 1 3 中对于m a c 层多逻辑信道复用同一传输信道( 即p d u 向同 一传输块( t b ) 的映射) 的可能性给予肯定，而多逻辑信道复用多传输信道尚在研究中， 以下我们介绍三种复用方式【l l 】，【1 2 】，并讨论其优缺点。 ( 1 ) 与h s d p a 类似的解决方案( 具有可变大小的t b ) 这种复用方式与h s d p a 中的相似，每次只传输一个t b ，每个t b 只包含一个或若 干个具有相同优先级的m a cp d u ，如果t b 的大小与物理层资源块不符，则要对其进 行填充，如图2 1 4 所示。 优点：由于采用优先级队列和t b 的单一映射，降低了调度的复杂度，同时减小了 信令传输开销。 缺点：如果一个u e 具有多个具有不同优先级和q o s 需求的并行业务，则这些业务 的p d u 必须在不同t t i 中传输，时延必然增加，此外，这种复用方式降低了调度器的 灵活性，对于与物理层资源块大小不符的7 r b 需要对其进行填充。 ( 2 ) 与h s u p 类似的解决方案( t b 中含有不同0 0 s 流的m a c 层p d u ) 这种复用方式与h s u p a 中的相似，每次只传输一个t b ，每个t b 可包含若干个具 有不同优先级的m a cp d u ，如图2 1 5 所示。 优点：不同优先级的m a cp d u 可以复用同一个t b ，即可以在同一个t t i 中传输， 这样可以提高p d u 的传输效率，与方式( 1 ) 相比调度器具有更大的灵活性，并且降低 填充的概率。 缺点：对于每一个t b ，其传输功率和最大重传次数由它所包含的最大的p d u 发送 功率和最大重传次数决定，此外，信令传输开销将有所增大。 ( 3 ) 多传输信道解决方案 不同眦h 的t b 在同一1 1 1 内同时传输，每个t b 只包含一个或若干个具有相同 1 5 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g 即l t e 资源调度概述 优先级的m a cp d u ，如图2 1 6 所示。 优点：不同q o s 业务的数据包能够在同一t t i 内传输，这种方式弥补了方式一中的 不足，不同t b 可以采用不同的调制编码方式，极大提高了调度器的灵活性，重传时只 需选择错误的t b 进行重传，避免了无谓的资源浪费。 缺点：信令开销大，可行性需要i u n l 的进一步论证。 图2 1 4 每个丌i 中只有一个t b ，无优先级队列复用 图2 1 5 每个t t i 中只有一个t b ，具有优先级队列复用 1 6 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 图2 1 6 每个兀i 中具有多个t b ，无优先级队列复用 2 8 2 物理层资源复用方式 3 g p pt r2 5 8 1 4 中定义了两类物理层资源分配方式：频率选择性分配( f r c q u c y s e l c c 石v c a l l o c a t i o n ) 和频率非选择性分配( f r c q u c y n o n s e l e c t i v e a l l o c a t i o n ) ，频率选 择性分配又称为d i s n 协u t ea l l o c a t i ，它将频域上非连续子载波资源分配给单个用户， 频率非选择性分配又称为l o c a l i z e d l o c a t i o n ，它将频域上连续子载波资源分配给单个 用户，为了进一步区分这两种分配方式，2 5 8 1 4 中引入了虚拟资源块( r t i l a lr 啪u r c c b l o c k m ) 的概念，m 具有如下特征： - 大小在时频定义 类型l o c a l i z c d 或d i s 劬u t e d 所有的l o c a l i z c d 类m 大小相同，以l o c a l i z e d 方式映射到物理资源块( p h y s i c a l r e l l r c c b l o c kp r b ) 上，称为l m ，如图2 1 7 所示。d i s 伍b u t e d 类m 大小可以不同，以 d i s t r i b u t e d 方式映射到p r b 上，称为d 出，如图2 1 8 所示。 图2 一”虚拟资源块映射至物理资源块( d is t r i b u t e 方式) 1 7 北京邮电大学硕士毕业论文 第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 图2 1 8 虚拟资源块映射至物理资源块( 1 0 c a l z e d 方式) p h y 层复用是指在每一子帧中资源分配方式的复用，例如，每一子帧可以均是 l o c a l i z e d 方式的资源分配或d i s 砸b u t e d 方式的资源分配，亦或二者的结合，图2 1 9 展示 了p h y 层的复用结构 1 3 】。 图2 1 9 物理层复用机制 物理层应采用何种复用方式尚在讨论中，凡n 1 中已有不少关于复用方式的研究报 告，以下我们对上述报告中提出的复用方式进行概括总结。 ( 1 ) 每一子帧中只有i o c a 抬d 或d i s t r i b u 协d 复用方式1 1 4 j 这种复用方式比较简单，每一子帧只允许l o c a l i z c d 或d i s 砸b u t e d 的分配方式，如图 2 2 0 所示，优点是信令开销和调度器复杂度相对较小，缺点是未能充分利用资源，调度 灵活性小。 1 8 北京邮电大学硕士毕业论文 第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 式。 图2 2 0 每一子帧中只有1 0 c a l i z e d 或d is t r i b u t e d 复用方式 由于l o c a l i z e d 和d i s 研b u t e d 分配的子帧是独立的，时域可以采用图2 2 l 中的复用方 纯粹黼 纯粹 窝辨纯粹闷 篙 鬻j ：= d v r b ：骢魁 l 映射e ：嚷暂l映射眇：睡翳溺 映射 ；。；赫。i 氛“ 目麟# 瀚# 蕊i 稍k # 猢 - - - - - + 时间 子帧 图2 2 1 纯粹d v 舳和l v r b 映射下子帧的时分复用 ( 2 ) 先d v r b ，再l v r b ( 【1 5 】，f 1 6 】，【1 7 】a n d 【1 8 】) 在每一子帧中首先进行d i s 砸b u t e d 方式资源分配，然后在余下的符号中进行l o c a l i z e d 方式资源分配，这种复用方式有点像将l o c a l i z e d 方式分配的资源进行凿孔，在其中进行 d i s 研b u t e d 方式资源分配，如图2 2 2 所示。 1 9 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 图2 2 2 先d v r b ，再l v r b 这种复用方式的优点是能够带来较大的频域分集增益，如果预先定义凿孔方式则信 令开销只需花费在d i s 埘b u t c d 资源块的重构上，缺点是凿孔使l o c a l i z c d 用户的数据传输 速率等性能有所损失。 ( 3 ) 先l v r b ，再d v r b ( 【1 8 】，【1 9 j ，【2 0 】a n d 【2 1 】) 在每一子帧中首先进行l o c a l i z 。d 方式资源分配，然后在余下的资源块中进行 d i s 啊b u t e d 方式资源分配，如图2 2 3 所示。 北京邮电大学硕士毕业论文第2 章3 g p pl t e 资源调度概述 图2 2 3 先l v 髓，再d v 髓 这种复用方式的优点是l o c a l i z e d 用户和d i s m b u t c d 用户的资源块互不干扰，缺点是 d i s 砸b u t e d 频域分集增益有所降低，为传输资源分配信息的信令开销较大，一种解决方 式是固定d i s 踊b u t c d 分配方式的资源块以减小信令开销，但是这样会降低频域分集增益。 以上我们总结了三种物理层复用方式，对于低速u e 来说，由于其信道变化缓慢， 能够充分利用信道信息进行l o c a l i z c d 方式资源分配，从而提高系统的频谱利用率；对于 高速u e 来说，其信道变化剧烈，l o c a l i z c d 方式资源分配更有利于