（计算机应用技术专业论文）wcdma分组调度算法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 现有的e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg l o b a le v o l u t i o n ) 技术8 个时隙全部使用时总处 理能力可达4 7 3 6 k b p s ，基本可以满足大部分现有的分组业务，然而对于许多对流量和时 延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等业务，需要系统提供更高的传输速率和 更短的时延，需要更加合理有效地分配和利用有限的无线资源。分组调度是无线资源管 理的一个重要组成部分，分组调度器支配着无线资源在蜂窝中不同用户之间的分布，与 蜂窝资源分配的公平性相互作用，最终决定了蜂窝中不同用户的满意度。无线分组调度 的目的是最大化网络的吞吐量，同时减少传输时延，进而满足用户的q o s 要求。本文分 别从上行h s u p a 和下行h s d p a 两个方面研究了分组调度的基本原理，对目前比较常用 的几种调度算法进行了分析，提出了新的上下行链路的调度算法。 对于h s u p a ，目前h s u p a 快速调度算法的建模没有考虑业务类型，所有用户的业 务流通过无线信道进入分组调度器后，被统一进行调度，没有区分业务类型。并且由于 引入虚拟时间，使得算法的时间复杂度不能满足t t i 为2 m s 的间隔要求，导致工作于小 区边缘的用户不能使用2 m s 的t t i 进行传输。此外，由于上行链路中的码资源有限，因 码资源导致的延迟可能会使系统资源难以控制。本文从业务类型几计算复杂度c 和码资 源分配r 三个角度出发，基于信干比e 以公式，同时将码资源的分配也纳入调度算法的 考虑之中，提出了一种新的h s u p a 分组调度算法t c r 算法。仿真结果表明：t c r 算法中，分组的调度时延和u e 请求的成功率得到了一定程序的优化，特别是u e 请求接 纳的成功率提高了1 5 左右，系统的吞吐量也得到了改善。 对于h s d p a ，轮询算法保证了用户的公平性，但没有考虑不同用户无线信道的具体 情况，因此系统吞吐量很低。最大载干比算法可以优化系统的吞吐量，但是处于小区边 缘的用户由于c i 较低将得不到服务机会，又是最不公平的。正比公平算法在吞吐量和公 平性之间获得了很好的均衡，但是该算法没有考虑分组延迟，不能满足实时业务的q o s 保证。我们知道，时延的特性位于网络层，丢包率的特性取决于物理层，而分组调度是 作用在m a c 层，本文的思路是通过跨层设计的方法，利用马尔可夫链模拟信道环境，计 算分组的可能时延，再根据基于吞吐量和公平性设计的代价函数来计算传输的代价值， 最后根据代价值进行分组的调度，做到实时细粒度的调整和传输。仿真结果表明：本文 提出的d c s 算法的吞吐量和时延参数都优于r r 和p f 算法，有效的提高了分组调度的效 率，优化了网络吞吐量。 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 关键词：w c d m a ，分组调度，跨层设计，q o s ，无线通信 i i - 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h eg l o b a lm a r k e to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o na l w a y sk e e p st h eu p w a r dt r e n dt h i sy e a r w i mt h et i m eo fg r a n t i n g3 gl i c e n s e si sd r a w i n gn e a r , t h ew o n d e r f u ls e r v i c eo f3 gw i l lb e p r e s e n t e dt ou s m o b i l em u l t i m e d i ai st h ec o r ep o r t i o no f3 g s e r v i c e s t h e3 gp l a t f o r m sb r i n gu s af e wi n c r e m e n ts e r v i c e s ，c o m p r i s i n gm u l t i m e d i am e s s a g e s ，m u l t i m e d i ar i n g ，m o b i l eg a m e s ， v o da n d dv i s u a lt e l e p h o n e t h ee x i s t i n ge d g en e t w o r kc a np r o v i d ee i g h ts l o t sw i t ht o t a l b a n d w i d t ha b o u t4 7 3 6k b p s ，w h i c hc a ns a t i s f yt h em a j o r i t yo fp a c k e ts e r v i c e s b u ts o m e s e r v i c e ss u c ha sv i d e o ，s t r e a mm e d i aa n dd o w n l o a d i n ga r ed e m a n d i n gi nt h r o u g h p u t sa n dd e l a y t i m ea n dt h e yr e q u i r em o r et h r o u g h p u t s ，l e s sd e l a yt i m ea n dm o r er e a s o n a b l ed i s t r i b u t i v ea n d u t i l i z a b l ew i r e l e s sr e s o u r c e s p a c k e ts c h e d u l i n gi sa na b s o l u t e l yn e c e s s a r yp a r to fr a d i or e s o u r c e s m a n a g e m e n t i ti sr e s p o n s i b l ef o ra l l o c a t i n gt h er e s o u r c et o a l lm sw i t h i no n ec e l la n d i n t e r a c t i n gw i t ht h e f a i rr e g u l a t i o n t h et a r g e to fp a c k e ts c h e d u l i n gi st om a x i m i z et h e t h r o u g h p u ta n dm i n i m i z et h ed e l a yt i m ef o r t h es a k eo fg o o dq o s t h i sa r t i c l eh a sr e s e a r c h e dt h e t h e o r yo fp a c k e ts c h e d u l i n gf r o mt w oa s p e c t si n c l u d i n gu p l i n ka n dd o w n l i n ka n dp r e s e n t sa n o v e lp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do fs o m ec l a s s i c a la l g o r i t h m s f o rh s u p a ，i t sm o d e l i n go fp a c k e ts c h e d u l i n gh a sn o tc o n s i d e r e dt h ec l a s so fs e r v i c e s t h e p a c k e t so fd i f f e r e n tm s w i l lb es c h e d u l e da st h es a m er e g u l a t i o n t h e2 m st t ii su n s a t i s f i e d 、 ，i t ht i m ec o m p l e x i t yd u et ov i r t u a lc l o c k m o r e o v e r , l a c k i n go fc o d er e s o u r c e sw i l lr e s u l ti nt h e u n s t a b l es t a t u so fn e t w o r ks y s t e m w eb r i n gf o r w a r dah s u p ap a c k e t - s c h e d u l i n ga l g o r i t h m f r o mt h ec l a s so fs e r v i c e ，t i m ec o m p l e x i t ya n dc o d ed i s t r i b u t i o n f o rh s d p a ，r o u n dr o b i ns l o v e st h ef a i rp r o b l e m b u ti td o n tc o n s i d e rt h ef e a t u r eo f w i r e l e s sc h a n n e l ，s ot h et h r o u g h p u ti sv e r yl o w m a xc ic a no p t i m i z et h et h r o u g h p u t , b u tm s r o a m i n go nt h ee d g eo ft h ec e l lc a n n o ta c c e s sd u et ol o wc i 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 k e e pab a l a n c ei nf a i r n e s sa n dt h r o u g h p u t ，b u ti tc a n n o ts u p p o r tt h er e a lt i m es e r v i c e w ek n o w , t h ed e l a yo fp a c k e ti sb e h a v e di nt h en e t w o r kl a y e ro ft c p i ps t a c k ，l o s tr a t i n gp r e s e n ti t s e l fi n p h y s i c a ll a y e ra n dp a c k e ts c h e d u l i n gw o r k e di nt h em a cl a y e r i nt h i sa r t i c l e ，w ed i s c u s san e w h s d p a p a c k e t - s c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nc r o s s - l a y e rd e s i g na n dq o s k e y w o r d s ：w c d m a ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，c r o s s - l a y e rd e s i g n , q o s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 3 g 3 g p p e d g e w c d m a u m t s h s d p a h s u p a i m s o f d m m i m o p s r r 缩略词 英文全称 t h e3 r dg e n e r a t i o n 1 1 1 e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg l o b a le v o l u t i o n w i d eb a n dc d m a u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 译文 第三代 第三代合作伙伴计划 增强型数据速率g s m 演进 宽带码分多址 通用无线通信系统 h i g hs p e e dd o w n l o a dp a c k e ta c c e s s高速下行分组接入 h i g hs p e e du p l i n kp a c k a g ea c c e s s高速上行分组接入 i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m o l 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 m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t p a c k e ts c h e d u l i n g r o u n dr o b i n i p 多媒体子系统 正交频分复用技术 多入多出 分组调度 轮询算法 m a xc im a x i m u mc a r r i e rt oi n t e r f e r e n c e 最大载干比算法 p f t t i q o s m a c r n c r l c t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l q u a l i t yo fs e r v i c e m e d i aa c c e s sc o n t r o l r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i ol i n kc o n t r o l 正比公平算法 传输时间间隔 服务质量 媒体接入控制层 无线网络控制器 无线链路控制层 h s d s c h h i 曲s p e e dd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l高速下行共享信道 hshighs p e e d d e d i c a t e d p h y s i c a lc o n t r o l 高速专用物理控制信道 d p c c hc h a n n e l 5 l - 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 h s s c c h h i g hs p e e ds h a r e d c o n t r o lc h a n n e l e d c h c q i a m c h a r q e n h a n c e dd a t ac h a n n e l c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g ( 高速共享控制信道 增强的分组信道 信道质量指示 自适应调制编码 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t混合自动自传 u t r a nu n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k s 无线接入网 u eu s e re q u i p m e n t - 5 2 用户设备 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南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。 研究生签名：主鱼址日期：二盈；乙幺9 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生豁趣轧导师始燃期：趔：竺。弓 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 i i 研究背景 第一章绪论 目前，世界各国都在组织力量进行3 g ( t h e3 r dg e n e r a t i o n 第三代) 网络的研发和 相关产业化工作。3 g 带来的全新多媒体服务将创造巨大收益，成为移动通信产业新的发 展机遇。3 g 业务应用具有多样化、多媒体化、可订制化、个性化的特征，而且会随着需 求的变化层出不穷。在市场启动初期网络运营商、网络设备提供商、终端设备制造商和 内容提供商为展示自身实力，争取在新市场中的领先形象、甚至测试产品等都会有各自 不同的展示需求。移动多媒体将是3 g 业务的核心应用之一，彩信、彩铃、手机游戏、视 频点播、可视电话等都是架构在3 g 平台上的新兴移动增值业务。 据国际专业机构预测，到2 0 0 8 年移动通信领域多媒体应用将成为一个巨大的产业， 在手机游戏、短信、彩信等业务量迅速增长的同时，新的增值业务也会源源不断的衍生 出来，产业规模将达到上千亿美元。预计到2 0 1 0 年，3 g 用户将发展到2 亿户左右。意味 着从2 0 0 7 年到2 0 1 0 年，3 g 用户占整个移动用户的比重将由3 上升到4 0 左右。另据国 际专业机构预测，到2 0 0 8 年，全球手机游戏将达到1 7 5 亿美元、手机照片服务将达到 4 4 0 亿美元、手机彩信将达到6 0 0 亿美元、手机短信将达到2 5 2 亿美元、其他现存业务将 达到8 0 亿美元。面向国内市场，2 0 0 8 年的奥运会更将这一市场需求推到更高层面。 随着数字多媒体技术的进一步推进，在应用层面上正在渐趋实现各种多媒体应用近 在咫尺的。在不久的将来，人们将可以用手机摄像和进行视频会议，可以通过手机购物 和缴纳各种费用，可以用手机与朋友进行交互游戏，可以用手机传输各种文件，下载新 片预览，定制电视节目等。移动多媒体带来了一种全新的交流模式，人们可以通过拍摄 相片、下载图片、音乐和视频等移动多媒体应用来实现无线沟通。3 g 是全球通信界关注 的焦点问题。 随着2 0 0 7 年3 g 时代的脚步日益临近，中国的移动通信产业链正在发生着巨大的变 化。与以往技术相比，3 g 最大的不同是引入了移动多媒体业务，而在这个变化中，新的 移动多媒体业务无疑将成为整个移动通信产业链未来发展的关键和重要基础之一。因 此，对移动多媒体业务的承载是当前3 g 网络研究的热点和重点。 3 g 网络是无线通信发展的一个重要方向，它的一个重要目标就是以v o i p 方式提供 语音业务以及丰富多采的多媒体业务，并实现3 g 核心网与i p 网的融合统一。在第三代 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 移动通信的技术标准中，以欧洲主导的w c d m a 、美国主导的c d m a 2 0 0 0 以及中国主导 的t d s c d m a 为三大主流技术f l 】，其中w c d m a 标准化主要由3 g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c o 负责。3 g p p 是由e t s i 、c w t s 、a r i b 、t 、t t a 和t 1 等成员组成 的第三代合作组织，其目标是制定与g s m g p r s 相兼容、可以平滑演进的第三代移动通 信标准w c d m a ( 欧洲称为u m t s ) 。w c d m a 标准在发展中形成了r 9 9 、r 4 、r 5 、 r 6 、r 7 等版本，其中r 9 9 版本比较成熟，核心网仍然沿用了g s mm a p 标准，充分考虑 了对现有g s m 网络的向下兼容及投资保护。r 5 版本是全i p ( 全分组化) 的第一个版 本，引入了i p 传输作为a t m 外的第二种可选传输机制，并在无线部分引入了h s d p a 的 概念，使下行链路可以支持高达1 0 m b i t s ( 理论峰值1 4 4 m b i v s ) 的传输速率l 2 i ；另外， 其核心网增加了i m s 。r 6 版本在无线部分主要引入了h s u p a 的技术。r 7 版本引入了 o f d m 和m i m o 技术。 w c d m a 系统必须为用户提供清晰的语音、流畅的视频和准确快速的数据服务1 3 j ，这 些都需要占用更多的无线资源。但这一需求同无线资源的稀缺构成矛盾，使得应该以怎 样的方式来更加合理有效地分配和利用有限的无线资源，支持尽量多的用户而且保证业 务的服务质量等问题成为重要的研究方向。无线资源包括频率资源、码字资源、发射功 率资源和基站资源等【4 】。而分组调度( p a c k e ts c h e d u l i n g ) 是无线资源管理的一个重要组成 部分，从协议框架上来看它位于l 2 、l 3 层。无线分组调度是区分上下行的，上行与下行 链路数据传输有着根本差别1 5 1 。本文分别从上行h s u p a 和下行h s d p a 两个方面研究了 分组调度的基本原理，对目前比较常用的几种调度算法进行了分析，从存在的问题出 发，研究有效的上下行链路的调度算法。本文研究课题来源于8 6 3 计划项目“流量工程与 动态路由算法，编号 2 0 0 2 a a 7 1 2 0 3 7 】。 1 2 本文主要贡献及章节安排 本文的主要贡献是：本文分别从上行h s u p a 和下行h s d p a 两个方面研究了分组调 度的基本原理，对目前比较常用的几种调度算法进行了分析，从存在的问题出发，提出 了新的上下行链路的调度算法。该调度算法主要特点： 一方面从上行链路着手，解决了目前大部分算法的建模没有考虑业务类型，摒弃了 虚拟时间，使得算法的时间复杂度满足，兀i 为2 m s 的间隔要求，同时将码资源的分配也 纳入调度算法的考虑之中，从业务类型丁、计算复杂度c 和码资源分配尺三个角度出 发，提出了一种新的h s u p a 分组调度算法一c r 算法： 2 - 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 另一方面从下行链路着手，针对轮询算法( r o u n dr o b i n ，简称r r ) 系统吞吐量很低、 最大载干比算法( m a x i m u mc a r r i e rt oi n t e r f e r e n c e ，简称m a xc 田公平性非常差以及正比公 平算法( p r o p o r t i o n a lf a i r ，简称p f ) 没有考虑不同q o s 要求的分组时延情况，不适用于实 时业务这些问题，本文通过跨层设计的方法，并将业务的q o s 参数融合到调度算法的代 价函数中，在吞吐量、公平性和支持实时业务三个方面取得了相对均衡，提出一种新的 h s d p a 分组调度算法d c s 算法。 全文共分为四章，内容组织如下： 第一章是关于本文的研究背景、应用领域等方面的介绍。 第二章主要是综述了w c d m a 分组调度的技术以及经典的调度算法等有关内容。首先 介绍了w c d m a 网络的构架，接着阐述了分组调度的基本原理，然后对一些经典的w c d m a 分组调度算法进行了分析，最后总结了各种调度算法的优点和存在的问题。 第三章提出了基于跨层和q o s 设计的h s d p a 分组调度算法d c s 。首先简要概括了无线 t c p i p 层次模型，然后对跨层分析和设计进行了阐述，接着介绍了跨层分组调度的设计 思想，最后提出了新的分组调度算法，并通过实验仿真进行了分析。 第四章提出了基于业务类型a 计算复杂度c 和码资源分配r 的h s u p a 分组调度算 法t c r 。首先介绍了h s u p a 的原理，然后对h s u p a 的调度机制进行了说明，接着提出了新 的t c r 分组调度算法，并通过实验仿真进行了分析。 最后总结了本文所做的工作，并说明了本文下一步工作的重点。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 分组调度技术综述 第二章w c d m a 分组调度技术综述 2 1w c d m a 通信网络 近年来，全球移动通信市场一直保持快速发展的势头，其中以3 ( 3 业务为主的大数据 流业务将成为市场主导。第三代移动通信的3 种技术标准( w c d m a 、t d s c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 ) 都在向更高速率演进。w c d m a 无线接口的演进路线比较清晰，从r 9 9 的无 线接口技术演进到h s d p a ，再发展到目前渐热的高速上行分组接入( h s u p a ) 。3 g p p 仍 在致力于u t r a n 和u t r a 更长期演进的研究。h s d p a 属于r 5 中的内容，主要用于提 高下行分组数据速率。而在r 6 中，3 g p p 则制定了主要用于提高上行分组域的数据速率 的h s u p a 规范。h s u p a 和h s d p a 构成的w c d m a 的3 5 g 网络在无线传输速率上有了 重大突破，可以为用户提供下行1 4 4 m b i t s 和上行5 7 6 m b i t s 的最大速率。因此，h s u p a 和h s d p a 被认为是3 g 网络普及的两个重要的关键技术。下面我们将分别对h s d p a 和 h s a 的网络结构及其功能进行说明。 2 1 1h s d p a 技术 对高速移动分组数据业务的支持能力是3 g 系统最重要的特点之一【6 】。w c d m ar 9 9 版本可以提供3 8 4 k b i t s 的数据速率，这个速率对于大部分现有的分组业务而言基本够 用。然而，对于许多对流量和时延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等业务， 需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务，3 g p p 从这两方 面对空中接口作了改进，在r 5 版本中引入了高速下行分组接, x , ( h s d p a ) 技术。h s d p a 在大大增加网络容量的同时还能使运营商投入成本最小化，被誉为后3 ( 3 时代的主要解决 方案之一，为u m t s 向更高数据传输速率和更高容量演迸提供了一条平稳途径。图2 1 给出了用于h s d p a 的m a c 层协议框架，图中包括h s d s c h 的多个协议层，r n c 继续 支持无线链路控制层( r l c ) 的功能，诸如对从基站得到的h s d s c h 重传计数超过最大物 理层重传时的处理。尽管基站增加了新的m a c 层功能，r n c 继续保留r 9 9 和r 4 的功 能。基站的新m a c 层( m a c h s ) 的关键功能是a r q 功能、调度和优先级处理。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 分组调度技术综述 图2 - 1h s d p a 的协议结构 s r n c r l c m a c d f r a m e p r o t o c o l t r a n s p o r t 1 分组调度机制位于n o d eb 中，负责管理h s d s c h 资源 7 1 。根据用户设备的c q i 报 告，快速分组调度机制决定在某一个特定的2 毫秒时间间隔( t t i ) 应该调度给哪一个用 户设备。快速分组调度机制还负责为h s d s c h 数据包选择调制和编码方案及发射功率。 由于快速分组调度机制实时掌握广播信道的质量，因此可以利用多用户分集避免在破坏 性的信道衰减期间调度数据包。m a c h s 调度程序随后将存储在优先缓冲器中的数据传送 给l a y e r1 。m a c - h s 在作出调度决定时将会综合考虑以下参数：q o s 参数、来自用户设备 的用于指示空中接口质量的c q i 反馈、先前发送的数据块的a c k n a c k 情况、优先缓冲 器填充信息、运营商根据计费模式定义的不同用户优先权等级等。 快速分组调度算法 8 1 9 】作为n o d e b 功能的一部分实现，它把h s d s c h 资源( 如 时隙和代码) 分配给不同的用户。 以前为r l c 协议层和当前服务r n c ( s p c ) 预留的部分功能已经下移到m a c 协议层 及n o d e b 中。对时间要求比较严格的功能( 如h a r q 处理和分组调度) 接近无线接口至关 重要，因为h s d p a 指定的传输时间间隔( t t i ) 仅2 m s ，是r e l 9 9w c d m a 指定的最小 t t i 的1 5 。换言之，重传及调制方法和编码速率变化等，可能会每隔2 m s 发生一次。这 么低的t t i 显然要求n o d e - b 更快地对变化的信道条件作出反应，因此h s d p a 为高吞吐 量应用提供了更好的性能。 h s d p a 标准1 8 l 比h s - d s c h 更进一步，新增了下面两条传输信道和物理层信道： 1 ) 高速共享控制信道( h s s c c h ) ，是一条下行信道，用来提供与h s ，p d s c h 有关 的控制信息。它包括下一个h s d p a 子帧指向的移动终端标识、信息代码集信息，以及解 码h s d s c h 子帧使用的调制方案等信息。 - 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 分组调度技术综述 2 ) 高速专用物理控制信道( h s d p c c h ) 是一条上行控制信道，用来传送信道质量信 息( 由c q i 信道质量指示位携带) 及与n o d e b 中h a r q 操作有关的a c 妁，n a c k 消息。 h s d p a 不仅引入了新的传输信道和物理层信道，还对包括m a c 层的高层协议产生 影响。图2 2 显示了h s d p a 的第一层第二层协议结构。 图2 - 2i - i s d p al 1 l 2 协议结构 不同类型的m a c 实体用来识别不同类别的传输信道。3 g p pr e l 9 9 中区分专用传输 信道和共用传输信道，因此m a c 层包含一个m a c d 实体和一个m a c c 实体。h s d p a 的引入需要定义一个新的实体，称为m a c h s 。在r e l 9 9 规范中，m a c 层在r n c 中实 现，相比之下m a c h s 则用于n o d e b 中，考虑了标准高性能实现方式的要求。 n o d e bm a c 1 - l s l 2 0 1 负责处理与h s d s c h 有关的第二层功能，包括下述功能： 1 ) 处理h a r q 协议，包括生成a c k 和n a c k 消息。 2 ) 重新排列失序的子帧顺序。注意，这实际上是r l c 协议的功能，但这个协议层没 有在h s d s c h 的n o d e b 中实现。因此，m a c h s 必须接管r l c 的部分关键任务。由于 h a r q 的重传处理，子帧到达时可能会失序。 3 ) 复用多个m a c d 流到一个m a c - h s 流，以及从一个m a c h s 流解复用到多条 m a c d 流。 4 ) 下行分组调度。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 分组调度技术综述 2 1 2h s u p a 技术 为了支持快速分组调度与快速重传，h s u p a 在u e 的m a c 层引入了一个新的m a c 实体m a c e s m a c e f 2 1 1 ，负责处理h a r q 重传、调度信息s i ( s c h e d u l i n gi n f o r m a t i o n ) 与数据的复用以及e - t f c ( e d c ht r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o n ) 的选择：同时h s u p a 也 在n o d e b 中引入了一个新的m a c 实体m a c e ，负责处理h a r q 重传，资源调度和 m a c e p d u ( m a c e 协议数据单元) 的解复用。h s u p a 改进的m a c e 协议结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 h s u p a m a c 协议结构 u e 侧引入的m a c e s e 中的功能实体( 如图2 4 ) 包括： 1 ) i - l a r q 该实体的缓冲区存储m a c e p d u 的副本，在收到n o d e b 的对等实体 h a r q 的n a c k 信令后重传缓冲区的副本； 2 ) m u l t i p l e x i n g ：该实体负责将多个m a c d p d u 复用成m a c e s p d u ，再将多个 m a c e s p d u 复用成一个m a c - e p d u ，然后在下一个1 v r i ( 传输时间间隔) 传输； 3 ) e t f c s e l e c t i o n ：该实体根据n o d e b 端的调度指示选择e t f c ，控制m u l t i p l e x i n g 的功能，即决定不同m a c d 流到e d c h 上的映射关系。 7 拿一 言一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 分组调度技术综述 号 图2 4m a c - e s e 结构 n o d e b 侧引入的m a c e 中的功能实体【2 2 】( 如图2 5 ) 包括： 1 ) h a r q ：处理多个停止等待h a r q 进程，它产生a c k 或n a c k ，指示e d c h 上 传输的数据是否正确，在该实体中可以对重传次数进行统计，供e - d c hs c h e d u l i n g 实体 在调度时参考； 2 ) d e m u l t i p l e x i n g 该实体负责将m a c - e p d u 解成m a c e s p d u ，同时会把解出的 s i 存储起来，e - d c hs c h e d u l i n g 实体依据s i 进行调度： 3 ) e d c hs c h e d u l i n g ：该实体基于各个u e 的资源请求，依据某种规则为u e 分配资 源，并产生资源指示命令，通过下行信令通知u e 。 上行 n o d e b ：m a c - e e d c h d e - m u l t i p l e x i n g 、s c h e d u l i n g 、 ii 。 l ： r t a r qe n t 时 二二 - ： !- 图2 5m a c e 结构 传统的分组调度放在r n c ( 无线网络控制) 中进行，但是在r n c 控制分组调度会引入 一定的延时，不能快速地反映当前时变信道的状况，因此不能进行快速的链路自适应和 快速分组调度。在h s u p a 系统中，快速数据重传和快速调度功能不再由r n c 控制，而 - 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 分组调度技术综述 是被转移到n o d e b 中进行。将分组调度功能实体放在n o d e b 中，可以直接使用物理层实 时测量的信息、内部的统计信息( 重传信息等) 以及u e 报告的信息进行调度，这样可以及 时利用不同用户的信道状况和衰落特性，减少系统的传输延时。这种改进使网络可以更 快地对负载的变化做出反应，为各种应用分配更合适的速率，能有效地控制上行链路噪 声的变化率，并有可能减少上行链路为防止过载而预留的系统资源储备。 为了确定各用户的上行数据传输速率和发送功率，必须知道各用户的业务流队列的 状况，可用的功率等信息，这些信息称为s i 。h s u p a 标准采用周期性的方式报告s i ，并 将s i 与分组数据复用。报告周期一般是t t i 的整数倍。s i 要通过无线信道，不可避免地 会产生错误，因此这种报告并不是十分可靠；n o d e b 一般是采用周期性调度，到了调度 时刻，以前接收到的s i 中的信息不一定能反映调度时刻的u e 的状态。虽然分组调度可 以保证每次使用该时刻的s i ，但这不是实时和同步的。 2 2 分组调度的原理 分组调度( p a c k e ts c h e d u l i n g ，简称p s ) 是无线资源管理的一个重要组成部分1 2 ，分组 调度算法的性能直接关系到通信系统的整体性能。分组调度的顺序、规则和队列中等待 的时间都是设计分组调度算法的考虑重点。3 g p pr e a l e a s e 5 以前的版本一般将无线分组调 度算法放在r n c 上进行，但由于3 0 无线信道的快速时变特性，将分组调度算法放置在 r n c 侧不能很好的、自适应的、迅速的反映当前时变信道的传输信息，从而无法进行快 速的链路自适应( l a ) 和快速p s ，所以现代移动通信系统都把p s 放置在基站侧进行控 制，这样p s 可以及时的根据信道情况和衰落特性自适应改变调制方式或其它传输参数， 同时减少用户设备( l 厄) 的内存要求和系统的传输延迟。 经典的分组调度有六个要素【2 3j ：被调度对象、调度者、调度目标、调度规则、调度 代价和调度结果。在无线通信中，它们分别对应于下面六个实体： 被调度对象存放在队列中不同业务流的分组。 调度者网络节点或驻留在其中的一段程序。 调度目标q o s 保证及各业务之间享受服务的公平性。 调度规则调度算法，它是其余五个要素的纽带。 调度代价计算复杂度及缓存区资源占有情况。 调度结果经过调度算法控制后，各个业务实际所获的服务质量。 不同业务类型的分组( 语音、视频和数据等) 在进入调度队列后，分组调度算法根据控 制条件对分组进行顺序和资源的调整，然后再进行分组的传递，如图2 - 6 所示。分组调度 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 分组调度技术综述 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( 频率、时间、码道、甚至子 载波) 来进行通信。这种判决是以最大化系统吞吐量为目标，以保证用户间的公平性为前 提，以确保不同业务流的服务质量要求( q o s ) 为基础的。 * j分组调度算法 0 分 组1r 分 接 1 r 组 纳 输 控 y出 制 优先级队列 图2 - 6 分组调度示意图 在无线资源管理调度算法的研究中，需要考虑的两个重要因素是：吞吐量和公平性 口引。吞吐量包括小区吞吐量和用户吞吐量，公平性一般认为是各用户或不同分组业务占 用信道资源的统计结果。 分组调度要解决的基本问题：当多个分组业务流等待接受服务时，必须确定合理的 服务规则，安排流的服务顺序和服务时间，以满足各个业务流的q o s 要求。q o s 性能参 数包括分组时延( p a c k e td e l a y ) 、延时抖动( d e l a yj i t t e r ) 、吞吐量( t h r o u g h p u t ) 和分组丢失率 ( p a c k e tl o s sr a t e ) 等参数。 分组调度功能位于n o d e b 中新的媒质接入控制实体m a c h s ，从而将传统上r n c 完 成的调度功能搬到了n o d e b 中实现，更加接近用户设备，2 m s 的t t i 长度使得调度响应 更为迅速及时。分组调度算法的基本功能是从网络节点的每一个输出链路的队列中挑选 在下一个有效周期发送的分组。现在已提出的分组调度算法有很多种 2 4 - - 3 0 ，例如：先 来先服务( f i f o ：f i r s t 2 i n 2 f i r s t 2 0 u t ) ，静态优先级( s p s ：s t a t i cp f i o f i t ys c h e d u l i n g ) ，虚时 钟( v c - v i r t u a lc l o c k ) ，加权公平排队( w f q ：w e i g h t e df a i r q u e u e i n g ) ，自时钟公平排队 ( s c f q ：s e l f 2 c l o c kf a i rq u e u e i n g ) ，开始时间公平排队( s t f q ：s t a r t 2 t i m e f a i r q u e u e i n g ) ，最坏加权公平排队( w f + q ：w o r s t 2 c a s ef a i rw e i g h t e df a i rq u e u e i n g ) ，最早期 限优先( e d d ：e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) ，延迟最早期限优先( d e l a y 2 e d d ：d e l a ye a r l i e s t - 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 分组调度技术综述 d e a d l i n ef i r s t ) ，抖动最早期限优先( j i t t e r 2