（通信与信息系统专业论文）基于lte系统的调度算法研究.pdf

摘要 随着个人通信技术在过去2 0 多年中不断的发展，全球的无线通信用户已经超 过了1 8 亿，并且他们的需求j 下在快速转向分组数据业务。用户迫切需要传输速率 更快、时延更短、频带更宽以及运营成本更少的网络诞生。 首先，本文讲述了l t e 系统的基本构架，尤其对无线接口m a c 协议进行了 详细的介绍，包括m a c 子层的功能、逻辑信道和m a cp d u 格式。随后，讨论了 经典的调度算法。 然后，本文针对l t e f d d 系统的频率复用因子为1 的特性，介绍了协调小区 间干扰( i c i c ) 的算法，该算法的基本思想是将小区分为边缘区域和中心区域， 边缘区域的频率复用因子为3 ，中心区域的频率复用因子为1 。由于各个基站的小 区边缘频带彼此错开，从而达到了协调小区间干扰的目的。 最后，在研究i c i c 的基础上，本文研究了一种基于i c i c 的分段式联合调度 算法。该算法的基本思想是在一个时间窗口内，根据网络中的业务状态，分时段 的选择调度策略。在调度用户的时候，如果当前小区已经启动i c i c ，则判决用户 属于小区中心用户还是小区边缘用户，中心用户优先在小区中心频带调度，边缘 用户优先在小区边缘频带调度。通过系统级仿真可以看出该调度算法性能符合 3 g p p 规定的各种业务性能指标。 关键词： l t e 小区干扰协调分段式联合调度算法服务质量 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi nt h ep a s t2 0 y e a r s ，t h eg l o b a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n su s e r sh a v ee x c e e d e d1 8b i l l i o n ，a n dt h e i r n e e d sa r er a p i d l yt r a n s f e 币n gt op a c k e td a t as e r v i c e s u s e r sn e e du 唱e n t l yt h eb i n ho f m en e t w o r kw r h o s et r a n s m i s s i o ns p e e di sf a s t e r ，d e l a yi se v e ns h o r t b a n di sw i d e r ，a n d o p e r a t i n gc o s t si sl e s s f i r s to fa 1 1 ，t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h eb a s i c 仔a m e w o r ko ft h el t es y s t 锄，e s p e c i a l l y t h em a cp r o t o c 0 1 ，i n c l u d i n gt h em a cs u b - 1 a y e r 缸1 c t i o n s ，t h el o 百c a lc h a n n e la n dt h e m a cp d uf l o m a t t h e ni td i s c u s s e st h ec l a s s i cs c h e d u l i n ga l g o i l i t h m s s e c o n d l y ，d u et ot h ef a c tt h a tt h e 行e q u e n c yr e u s ef a c t o ri n 【t e - f d ds y s t e m si s1 ， t h i sp a p e rp r e s e n t sa ni n t e 卜c e l li n t e r f 打e n c ec o o r d i n a t e ( i c i c ) a l g o n t h m r h ec e l li s d i v i d e di n t ot w or e g i o n s ，t h ee d g ea n dc e n t r a lr e g i o n a tt h ee d g er e g i o nt h e 矗e q u e n c y r e u s ef a c t o ri s3 ，a n da tt h ec e n t r a lr e g i o nt h ef r e q u e n c yr e u s ef a c t o ri s1 f i n a l l y ；t h i sa r t i c l er e s e a r c h st h ej o i n ts u b t y p es c h e d u l i n ga l g o n t h mb a s e do ni c i c t h ea l g o r i t u s e sas u b t i m ep e r i o ds c h e d u l i n gs t r a t e g ya c c o r d i n gt ot h en e t w o r k s e r v i c e si nat i m ew i n d o w w h e nm a cs c h e d u l e rs c h e d u l e ss o m eu s e r s ，i ft h ec u r r e n t c e nh a ss w i t c h e do ni c i c ，m eu s e r sa tm ec e l lc e n t e rw i l lb esc _ h e d u l e dp r e f e r e n t i a l l yi n t h ec e n t e rb a n d ，a n dt h e nt h eu s e r so ft h ec e l le d g ew i l lb es c h e d u l e dp r e f e r e n t i a l l yi n t h ee d g eb a n d t h es y s t e m - l e v e ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep e r f o m a n c eo ft h e s c h e d u l i n ga l g o r i t h ms a t i s f i e st h e3 g p p s t a n d a r d s k e y w o r d ：l o n g 一1 r e r me v o i u t i o n i n t e r - c e i n t e r f b r e n c ec o o r d i n a t e j o i n ts u b - t y p es c h e d u i i n ga l g o r i t h m q u a l i 坶o f s e r 、，i c e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，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，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 至叠日期2 2 ：! 兰：! ! f 西安电子科技大学 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。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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 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： 导师签名： 日期全z ：! 鍪! 全一 日期里旦：! 圣：19 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍论文的选题背景，并且分别对l t e 的演进目标、关键技术以及 无线资源管理进行了概述。最后给出了本文的主要研究工作和内容安排。 1 1 研究背景 近年来，随着移动通信市场需求的蓬勃发展和无线通信技术的迅猛进步，各 种移动系统解决方案不断出现，也加剧了它们之间的竞争。为了保持市场竞争力， 3 g p p 启动了l t e 项目，其中提出了更高的系统需求，包括降低每比特成本、增 强业务能力、对于已有频段和新频段的灵活应用等方面。 为此，l t e 在系统设计过程中采用了双节点的扁平化架构、0 f d m ( 正交频分 复用) 、m i m 0 ( 多入多出) 、多用户调度、单频网( s f n ) 技术和小区间干扰抑制等 先进的无线通信技术。系统可以实现上行5 0 m b s 和下行1 0 0 m b s 的峰值速率，系 统频谱效率及用户吞吐量是3 g p pr e l e a s e 6h s x p a 的2 4 倍。 在全频率复用的条件下，提高小区边缘的数据率是l t e 系统需要解决的重要 技术难题之一。l t e 的各类建议方案分别通过改变通信信号的时问维、频率维或 者空间维属性抑制小区间干扰，而部分方案通过加入附加维实现有用信号和干扰 信号的区分。簇协作方法根据实际网络的部署特点，对于簇内的小区间干扰和簇 间的小区间干扰采取不同的处理方式，实现了小区f b j 干扰抑制性能的大幅度提升， 并简化了小区间干扰抑制方法的实现复杂度。 广播业务的强大市场需求已经成为广播网和移动网融合的直接驱动力，而广 播技术的成熟是广播网和移动网融合的前提条件。l t e 系统中采用了已经在传统 广播网中得到广泛应用的o f d m 和s f n 技术。在对业务用户透明的前提下，网 络的融合简化了系统和终端设备的设计难度，降低了网络规划和部署的难度，具 有很强的市场竞争力。 l t e 的出现加剧了移动宽带系统间的竞争，其中l t e 与移动w i m a x 之间的 竞争尤为激烈。移动宽带系统问采用的基本技术类似，但由于各种系统源于不同 的业务领域、侧重于不同的业务类型，导致彼此在各个方面的性能表现不尽相同。 技术和市场的共同作用使得共存、竞争和融合是近期内移动宽带系统发展演进的 主旋律。 1 23 g p pl t e 概j 查 为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务需求，第三代合作伙 2 基丁l t e 系统的调度算法研究 伴计划( 3 g p p ) 在2 0 0 4 年年底启动了其长期演进( l t e ) 技术的标准化工作。希望达 到以下几个主要目标： 保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势； 填补第三代移动通信系统和第四代移动通信系统之间存在的巨大技术差 距： 希望使用已分配给第三代移动通信系统的频谱，保持无线频谱资源的优 势； 解决第三代移动通信系统存在的专利过分集中的问题。 第三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 是领先的3 g 技术规范机构，它是由欧洲的e t s i 、 同本的a r i b 、t t c 、韩国的n a ，以及美国的t i 在1 9 9 8 年年底发起成立的， 旨在研究制定并推广基于演变的g s m 核心网络的3 g 标准，即w c d m a 、 t d s c d m a 、e d g e 等。中国的c w t s 也于1 9 9 9 年加入了3 g p p ，成为该组织的 伙伴之一。2 0 0 4 年1 1 月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求， 3 g p p 通过了关于“e v o l v e du t r aa n du t r a n ，又称为3 g p pl t e 的立项工作。 项目以制定3 g 演迸型系统技术规范作为目标，在时问上按照3 g p p 的工作流程 分为两个阶段：从2 0 0 4 年1 2 月到2 0 0 6 年6 月为技术可行性研究阶段。从2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为具体技术规范撰写阶段。按计划，2 0 0 7 年6 月3 g p p 将 完成项目，发布3 g 演进型系统的第一个版本的技术规范。但是由于一些问题仍 没有解决，研究阶段推迟到2 0 0 6 年9 月才结束。3 g p p 最近已经将其工作范围扩 大为3 g 系统的增强和演进，从而从规则上具备了制定i m ta d v a n c e d 标准的职 权。在2 0 0 8 年，3 g p p 将丌展l t e 的演进版本的标准化工作。 为了在未来移动通信技术竞争激烈的环境中处于有利位置，l t e 项目丌始以 后，作为技术研究工作的基础，在3 g p p 中对演进型系统的市场需求进行了详细 的讨论，从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络构架”、“业务支持能力”， 以及“与现有各个系统的演进和互通关系”等方面做了详细的描述。相比目前各个 第三代移动通信系统，该演进具有如下主要技术特点：提高通信速率和频谱效率， 系统的最大带宽为2 0 m h z ，在这样的带宽下，下行峰值速率为1 0 0 m b s ，上行峰 值速率为5 0 m b s ；分组交换与q o s 保证系统在整体架构上将基于分组交换，同 时通过系统设计和严格的q o s 机制，保证实时业务( v o i p 、视频点播等) 的服务质 量；支持各种系统带宽，除了2 0 m h z 的最大带宽外，还能够支持1 5 m h z 、3 m h z 、 5 m h z 、l o m h z 和1 5 m h z 等系统带宽，以及“成对”与“非成对”频段的部署，以保 证未来在系统部署上的灵活性。另外，还明确提出了“系统在支持高移动速率的基 础上，为低移动速率用户优化”、“提高小区边缘用户的吞吐量”等具体的系统需求。 这些市场需求比较全面地描述了l t e 系统在各个方向上的设计目标，为具体的系 统设计工作奠定了良好的基础。与第三代移动通信系统相比，3 g p pl t e 物理层 第一章绪论 3 在传输技术、空中接口协议结构层和网络结构等方面都发生了革命性的变化。 1 2 13 g p pl t e 的演进目标 3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统。具体目 标包括： 1 频谱带宽配置 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 5 m h z 、3 m h z 、 5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 的带宽设置，从技术上保证3 g p pl t e 系统可以使用第三代移动通信系 统的频谱。 2 小区边缘传输速率 提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3 g p pl t e 系统 的覆盖性能，主要通过频分多址和小区问干扰抑制技术实现。 3 数据率和频谱利用率 在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰值速率 5 0 m b s ；频谱利用率为h s p a 的2 一倍，用户平均吞吐率为h s p a 的2 _ _ 4 倍。 为保证3 g p pl t e 系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自 适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。 4 时延 提供低时延，使用用户面内部单向传输时延低于5 m s ，控制面从睡眠状态到 激活状态的迁移时延低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ， 以增强对实时业务的支持。 5 多媒体广播和多播业务 进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单 播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、层2 的信道结构和高层的无线资源 管理实现。 6 全分组的包交换 取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。但是， 对i p 语音业务的支持与低时延目标的实现导致了调度和层1 、层2 间信令设计上 的困难。 7 共存 实现与第三代移动通信系统和其他通信系统的共存。 1 2 23 g p pl t e 关键技术简介 支持3 g p pl t e 演进目标的关键技术主要包括： 1 o f d m a 和s c f d m a 4基于l t e 系统的调度算法研究 l t e 物理层下行的多址方式为正交频分多址( o f d m a ) ，上行为基于正交频分 复用传输技术的单载波频分多址( s c f d m a ) ，s c f d m a 为单载波传输技术，其 特点为低峰均比，子载波间隔为1 5 k h z 。这两种技术都能较好地支持频率选择性 调度。 2 多天线技术 根据信息论的结果，m i m o 信道的容量随着天线数量的增加而线性增大。也 就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道质量，在不增加带宽和天线发送 功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，同时也可以提高信道的可靠性，降 低误码率。l t e 系统将设计可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的m i m o 技术。目前l t e 已基本确定，天线的配置是下行2 木2 、上行1 木2 个天线，但为了 提高系统容量，同时也正在考虑更多天线配置的必要性和可行性。 3 混合自动请求重传技术 为了克服无线移动通信信道时变和多径衰落对信号传输的影响，可以采用基 于前向纠错( f e c ) 和自动请求重传( a r q ) 等差错控制方法，来降低系统的误 码率以确保服务质量。虽然f e c 方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低 了系统吞吐量；a r q 在误码率不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大， 不宜提供实时服务，为了克服两者的缺点，将这两种方法结合就产生了混合自动 请求重传( h a r o ) 技术。 4 链路自适应技术 链路自适应的核心技术就是自适应调制编码( a m c ) ，其基本原理就是根据当 前无线信道的变化情况，快速动态地确定当前的链路速率和调制方式，实现最大 限度的用户数据传输，改进系统容量，提高系统利用率。在使用a m c 时，信道 环境发生变化时并不是像以往那样改变终端的发射功率，而是随信道环境变化改 变调制和编码的方式，即调制编码方案( m c s ) ，以使得在不同的载干比区间信道 达到最大的吞吐量。这罩的信道质量由终端进行周期测量和报告。靠近基站的用 户，拥有高质量的信道条件，高阶m c s ( 如6 4 q a m ，r = 3 4 的t u r b o 码) 在载干比 高时具有较高的吞吐量，但是在载干比低时，由于误码率的增加使吞吐量迅速下 降；相反，处于小区边界的用户，信道衰落严重或存在严重干扰和噪声，低阶 m c s ( 如q p s k ，r = 1 2 的t u r b 码) 虽然在载干比高时吞吐量较低，但是载干比低时 由于具有较低的误码率，避免了数据的重传，吞吐量仍要高于高阶m c s ，因此随 信道环境选择适当的调制编码方式可以得到此信道环境下最大的吞吐量。a m c 调制编码技术具有以下的特点： a m c 技术随信道环境变化而改变数据传输的速率，不能保证数据固定的 速率和延时，因此不适用于需要固定数据率和延时的电路交换业务，比如可视电 话业务，仅适用于对数据率和延时不敏感的分组交换业务，比如网页浏览业务。 第一章绪论 a m c 技术发射功率保持恒定，仅随快衰落变化改变调制编码方案，从而 避免了快速功率控制技术存在的“噪声提升”效应，克服了一个用户对其它用户干 扰的变化问题，可以降低网络的干扰余量，从而提高了系统的吞吐量。 5 干扰协调技术 由于o f d m a 和s c f d m a 技术都能够提供颗粒度可分的无线物理资源块， 因此可以通过对空时频无线物理资源块的划分及分配，资源块发射功率的控制和 干扰抵消，补偿多小区干扰，提高用户在小区边缘的信息传输速率和频率复用因 子，l t e 中主要的多小区干扰补偿技术有：多小区干扰随机化技术、多小区干扰 抵消技术和多小区干扰协调技术。干扰协调的缺点是可用于小区边缘的频率资源 有限，限制了小区边缘的峰值速率和系统容量。干扰消除即在接收机采用多用户 检测消除相邻小区的干扰。在难以使用干扰消除和干扰协调的时候，还可以采用 干扰随机化技术，也就是将小区间的干扰随机化为白噪声，因此又称为干扰白化。 目前l t e 采用小区加扰来实现干扰随机化，这种方法可以取得最基本的小区间干 扰抑制效果。 1 3 无线资源管理 1 3 1 无线资源管理的主要内容 以移动通信为代表的无线通信系统都是资源受限的系统，而用户的数量却在 持续高速增长。如何利用有限的资源来满足同益增长的用户需求，已经成为移动 通信系统发展过程中急需解决的问题。无线资源的概念是很广泛的，它既可以是 频率，也可以是时间，还可以是码字。无线资源管理就是对移动通信系统的空中 接口资源的规划和调度，目的就是在有限的带宽资源下，为网络内的用户提供业 务质量保证，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，最大限度地提 高无线频谱利用率，防止网络阻塞，并保持尽可能小的信令负荷。如果没有好的 无线资源管理技术，再好的无线传输技术( r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n i q u er 1 r t ) 也无 法发挥它的优势，极端的情况甚至会导致系统无法j 下常运转。无线资源管理涉及 一系列与无线资源分配相关的技术，主要包括信道分配、分组调度、呼叫接入控 制、负载控制、功率控制和切换等。 信道分配 无线通信系统中，将给定的无线频谱按照彼此分丌或者互不干扰的原则划分 成信道，这些信道可以同时使用并保证一定的信号接收质量。通常使用的信道划 分技术有频分、时分和码分，实际的系统中往往会同时采用几种技术，如在g s m 系统中频谱首先采用频分技术划分成若干频段，然后再采用时分技术使多个用户 6基丁l t e 系统的调度算法研究 共享相同的载频。 对于无线系统来说，无线信道的数量是有限的，要提高系统的容量，就要对 信道资源进行合理的分配。按照信道分配方式的不同，信道分配技术可以分为固 定信道分配( f c a ) 、动态信道分配( d c a ) 和混合信道分配( h c a ) 。f c a 根据预先估 计的覆盖区域内的业务负荷将信道资源分给若干个小区，相同的信道集合在间隔 一定距离的小区内可以再次得到利用，f c a 的实施方式较为简单，但信道利用率 较低，无法适应空问或时间上的突发业务波动，不能很好地适应网络中的负荷变 化。在数据和多媒体业务占有相当比重的3 g 系统中，由于业务的多样性，使得 不同用户对于信道的需求有所不同。同时，由于小区半径变小，同样的服务区域 所划分的小区数目急剧增长，使得f c a 的实现愈加困难。因此，3 g 系统信道分 配方案将以d c a 为主。在d c a 系统中，信道资源不固定属于一个小区，所有信 道被集中分配，d c a 根据小区的业务负荷，通过信道通信质量、使用率和信道的 复用距离等因素选择最佳的信道，动态地分配给接入的业务。h c a 是f c a 和d c a 的结合，在h c a 中信道被分为固定和动态两个集合。各小区可优先使用分给它 的固定信道，当固定信道不够用时，再按d c a 方式使用空闲的动态信道。 分组调度 由于移动数据业务的增长，不少学者认为高速分组接入( h i 曲s p e e d p a c k e t a c c e s s ，h s p a ) 将是移动通信演进的必经之路。考虑到未来的移动通信系统 是以数据业务传输为主，为了适应这种需求，保证实时的、非实时的、高速的、 低速的不同业务的服务质量，并同时对无线资源加以优化使用，需要采用流量控 制技术，结合无线链路特性，通过先进的分组调度算法提高数据业务吞吐量、保 证用户公平性和满足业务q o s 。 无线分组调度算法是提高系统容量的一项关键技术，它以最大化系统吞吐量 为目标，以保证用户间的公平性为f j 提，以确保不同业务流的服务质量要求为基 础。无线分组调度算法主要是判决在什么时i 日j 分配给哪些用户什么样的无线资源 来进行通信，其中无线资源包括频率、时间、码字，甚至子载波。无线分组调度 的主要功能可以概括为：在分组用户之间共享可用的空中接口资源；确定用于每个 用户分组数据传输的传输信道；监视分组分配和系统负载。 呼叫接入控制 呼叫接入控制是指对于用户发起的呼叫连接请求，按照其服务质量要求，根 据整个网络资源决定是否被接纳。呼叫可以分为两类【l 】，新的呼叫和切换呼叫。 新的呼叫是移动客户需要通话时向基站发起的呼叫；切换呼叫是由于客户在通话 过程中从一个服务区域移动到另一个服务区域时发生切换时产生的。不管呼叫属 于哪种类型，其接纳过程都要不影响或尽可能少地影响正在通信的用户的服务质 量。 第一章绪论 7 对于语音和电路交换业务，如呼叫请求被接纳则经功率控制后就直接进行业 务通信：对于分组业务，如被接纳则被送到相应的队列中由分组调度技术进行控 制。一个好的接入控制策略，不仅可以保证新用户和已有用户的业务质量，同时 还能最大限度地提高系统容量，使业务分布更合理，资源分配更有效。 呼叫接入控制方案主要分为两大类：预留信道方案和设置等待队列方案。前 者为切换呼叫设置( 静态或动态的) 专用信道，后者在呼叫发现无空闲信道时，不 被立即阻塞而是先进入队列等待，一旦有呼叫结束，队列中的呼叫就可以得到服 务。等待队列方案由于需要排队，更加适合非实时的数据业务，如第三代移动通 信系统中的交互类( i n t e r a c t i v ec l a s s ) 和背景类( b a c k g r o u n dc l a s s ) 业务。对于实时性 要求较高的会话类( c o n v e r s a t i o n a lc 1 a s s ) 业务来说，预留信道方案更加适合。此外， 还有一些利用其他手段进行接入控制的方法。例如，根据网络当前的负载设置不 同的费率在小区内广播，通过费率的变化来控制新用户的接入请求【2 】；定期对传 播条件测量，根据测量值来决定是否接入新的呼叫，测量值可能基于信噪比或总 的干扰功率水平【3 j 。 负载控制 负载控制可以分为两个部分，f 常情况下负载控制的任务是确保系统在不过 载的情况下工作，并保持稳定。为了实现这个目的，负载控制必须和接入控制以 及分组调度技术紧密结合，如果能安排得当，过载就可以避免。一般称这种机制 为预防性负载控制算法。在特殊情况下，比如信道环境突然恶化，系统受到的干 扰突然增加，导致系统瞬时过载，负载控制此时的功能是使系统迅速并且可控地 回到无线网络所定义的目标负载值。 要进行负载控制，首先必须对系统的容量和负载进行有效的f 确评估。例如， 在c d m a 系统中，由于其具有“软容量”的特征，有必要从理论上分析系统的极限 容量，并且给出不同干扰时的容量和负载大小，作为负载控制的基础。为了降低 负载，可能采取的负载控制措施【4 】有：强制某些用户掉话；在同一基站的不同时 隙间进行负载均衡；下行链路执行快速负载控制，拒绝移动台发来的下行功率增 加命令；降低分组数据流的吞吐量；减少实时业务的传输速率；切换到另一个载 波：减小基站的发射功率，减小本基站的覆盖范围，迫使本基站内的部分移动台切 换到其他小区等。 功率控制 功率控制在无线通信系统的资源分配中占有重要的地位。一个好的功率控制 算法可以使系统容量大大地增加，从而提高系统的频谱使用效率。功率控制的主 要目标是使得所有的移动台以恰好能满足信号目标载干比要求的最低发射功率电 平发送信号，以此降低整个系统的同频干扰和邻频干扰，减小移动台的能量消耗， 同时使得基站接收到的本小区内的各个移动台的上行信号功率相同，以克服“远近 基于l t e 系统的凋度算法研究 效应”。 目前上行功率控制主要可以分为开环和闭环两种形式。利用移动台测得的基 站导频的发射功率，通过开环功率控制算法决定移动台的发射功率。如果上下行 链路是互易关系，比如时分双工( t d d ) 模式中上下行载频相同，则这种方式可以 较为精确的设定发射功率。但是在频分双工( f d d ) 的模式下，上下行之间有一个 较大的频率间隔，传输损耗可能会有很大的差别，这样利用下行链路估计上行链 路损耗的方法就不太适用了。所以在f d d 的模式下。开环功率只适用于上行开始 链路的初始化，在通话的过程中还是由闭环功率控制来完成。闭环功率控制算法 是根据基站接收到的信噪比，决定移动台的发射功率，以保证基站收到信号足够 强，同时对其它信道干扰最小。目前使用比较多的是基于信噪比的固定步长功率 控制方案，虽然收敛速度较低，但是占用的信令资源比较少。 切换技术 切换是一个重要的移动性管理功能，它是蜂窝系统所独有的，也是移动通信 一个重要特征，直接影响整个系统的性能。切换不仅要保证用户在穿越边界时能 正常通话，而且还要做到快速准确。这样有利于降低整个系统的干扰，减少掉话 率，提高系统容量。 伴随着未来移动通信的载波频率提高，小区覆盖范围将进一步缩小，切换也 会相应地变得比以往频繁。在这种情况下，快速有效的切换变的更加需要关注。 切换技术有硬切换、软切换和更软切换之分：软切换是指当移动台从一个蜂窝移 动到另一个蜂窝时不中断呼叫，移动台同时和多个基站连接；更软切换则是指一 种蜂窝内的切换，发生在两个扇区之间；硬切换是指在与新的基站建立连接前中 断与旧基站连接的切换方式，异频切换和系统间切换就是属于这种方式。 目前，在g s m 系统中使用的是硬切换，而在c d m a 系统中主要使用软切换 技术。对于t d s c d m a 系统来说，由于采用了智能天线技术，可以使用两个基 站对终端进行精确定位，针对这一特点，提出了“接力切捌5 】”的思想。接力切换 虽然具有上述的软切换功能，但又不同于传统意义上的软切换。在接力切换的过 程中，同频小区之问的两个小区的基站都将接收同一个终端的信号，并对其定位， 将确定可能切换区域的定位结果向基站控制器报告，这样就减少了候选小区的数 目，克服了软切换浪费信道资源的缺点。 1 3 2 分组调度和其他r r m 技术的关系 无线资源管理是一个密不可分的逻辑实体，各种技术之问相互关联、相互影 响。下面简单介绍分组调度与其他无线资源管理技术之间的关系，指出无线分组 调度的重要作用 分组调度和切换控制 第一章绪论 9 当移动台处于软切换状态时，分组调度控制器的工作必须考虑到激活集内所 有基站的物理资源和空中接口的负载状况。传输信道中只有专用信道才支持软切 换，所以当移动台在专有信道连接状态并处于软切换状态时，分组调度可以在所 有激活集小区中分别进行。因此，不同的分组调度控制器的响应，如调度得到的 比特速率可能各不相同，然而最终选择的比特速率是根据激活集内负载最重的小 区来确定的，它将按照最低的比特速率进行调度。 分组调度和负载控制 因为分组调度控制器的本身属于负载控制器的重要组成部分，所以分组调度 控制器和负载控制器紧密联系在一起。例如，如果检测到某小区内的负载超过门 限值，调度控制器通过减小该小区中用户的比特速率来降低负载：如果检测到该 小区负载很小，与预置的负载门限值差额很大，将通过增加小区中用户的比特速 率来增加小区的负载。这样，分组调度算法配合对非实时用户负载的控制，可以 将系统的负载保持在期望的水平。 分组调度和接入控制 因为来自非实时连接的可控负载可以根据需要自行减小，所以接入控制只需 要估计不可控的实时业务产生的负载即可。例如，如果用户申请视频连接，接入 控制先估计可以减小的可控分组数据业务数量，并判断是否可以通过减小分组数 据来支持视频连接，接入控制还决定连接的初始化参数，包括连接中可采用的比 特速率。 分组调度和功率控制 分组数据业务可以在不同类型的业务信道上进行传输，不同的信道对于支持 的功率控制方案也有所不同。例如在3 g p pl t e 标准中，支持分组数据传输的信 道有三种类型：上下行链路共享信道( p u s c h p d s c h ) 、上下行公共控制信道 ( p u c c h p d c c h ) ，随机接入信道( p r a c h ) 。 其中p u s c h p d s c h 和p u c c h p d c c h 支持快速闭环功率控制，而p r a c h 不支持快速闭坏功率控制【6 】，所以需要综合考虑快速闭环功率控制和外环功率控 制算法对业务信道的影响，而研究丌环功率控制对控制信道p r a c h 的影h i 匈。 1 4 本文主要研究内容与各章节安排 本文主要研究l t e 系统中的调度算法及其性能，并在预研样机中实现。在对 经典的调度算法分析之后，本文的主要贡献有两点： 1 介绍了一种设计与实现都相对简单的小区间干扰协调( i c i c ) 算法，该算 法有效地降低了小区间干扰。 2 提出了一种基于i c i c 的分段式调度算法，该算法核心是在i c i c 的基础上， l o 基于l t e 系统的调度算法研究 在不同的时间段内选择不同的调度策略，根据用户在小区中的位置选择合适的时 频资源进行调度。 各章节具体安排如下： 第一章简要介绍了l t e 的基本概念、演进目标、关键技术。 第二章简要介绍了l t e 体系结构和m a c 协议。 第三章在详细描述经典调度算法的基础上，对它们的性能和优缺点进行了系 统分析与研究。 第四章介绍并分析了l t e 系统中小区间干扰协调( i c l c ) 算法，并进行了系 统级的仿真验证。 第五章给出并分析了l t e 系统中基于i c i c 的调度算法，并进行了系统级的 仿真验证。 第六章总结了本文的工作，并对下一步将要继续进行的研究进行了展望。 第二章l t e 体系结构及无线接口m a c 协议简介 l l 第二章l t e 体系结构及无线接口m a c 协议简介 本章主要讲述l t e 的体系架构。首先介绍e u t r a n 的系统结构，然后对l t e 的m a c 层协议做了简单描述。 2 1e u t r a n 系统结构 2 1 1e u t r a n 的基本构架 本小节将全面讲述e u t r a n 的体系结构，包括逻辑网络元素和接口。 e u t r a n 系统顶层的基本构架，如图2 1 所示。 网络元素可以根据功能进行分类，也可以按照所在子网分类。 按照功能，网络元素被分成演进的无线接入网( e v o l v e d u t r a n ，e u t r a n ) 、 核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 和用户设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ) ，其中e u t r a n 负责处理所有与无线通信相关的功能；c n 负责对语音和数据业务进行交换和路 由查询，以便将业务连接到外部网络。 习e 图2 1e u t r a n 的基本构架 按照子网分类法划分子网可以使我们将一个单一的大型网络，至少( 逻辑上) 看上去如此，分成若干个较小的网络。 各个子网既可以独立地工作，也可以协同工作，并且通过唯一的标识相互区 别。这样的子网，叫做公众陆地移动网络( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ，p l m n 【7 1 ) 。 2 1 2e u t r a n 的结构 e u t r a n 由一个或者多个网络元素演进的基站( e v o l v e dn o d e b ，e n b ) 组成。 e n b 之间通过x 2 接口彼此互联，e n b 与c n 通过s 1 接口，而e n b 与u e 通过空 口互连。e u t r a n 的结构如图2 2 所示。 1 2基丁l t e 系统的调皮算法研究 e u t r a n 0 ) u e 图2 2e - u t r a n 的基本构架 e u t r a n 主要的丌放接口【8 】包括： s 1 接口：连接e u t r a n 与c n 。开放的s 1 接口，使得e u t r a n 的运 营商有可能采用不同的厂商设备来构建e u t r a n 与c n 。由此产生的市场竞争 j 下是g s m 成功的原因之一。 x 2 接口：实现e n b 之间的互连。此接口的丌放，可能会进一步激发这一 领域制造商之间的竞争。我们也有充分的理由相信由于此接口的丌放，基站的“平 民化”很快就要到来了 l t e u u 接口：是e u t r a n 的无线接口。u u 是u e 接入到系统的固定部 分的接口。因此，在用户的眼中u u 可能是e u t r a n 中最重要的接口。 在l t e 中，c n 也称为演进的分组核心( e v o l v e dp a c k e tc o r e ，e p c ) 。e - u t r a n 和c n 均包括一些逻辑网络元素，每个元素都有规定的功能，每个网络元素都是 在逻辑级上定义的。 2 1 3e u t r a n 内部的功能划分 e u t r a n 和e p c 之l 日j 的功能划分【9 】如图2 3 所示，其中厌色的方块代表逻辑 节点，实线白底长方形代表逻辑节点中的各层无线协议。 r _ l l j 第二章l 1 e 体系结构及无线接口m c 协议简介 二鲨 = 二 0 = = 尘鲨 0 誓= = = l 。怒滁删。 r _ = 烹 邕鲨 - 1 - l ：i = ：- 一 【_ _ _ _ ；- i _ i - ”：勰” l | = 焉 i - - _ _ _ _ _ _ _ _ 脚23e - u t r n 和e p c 2 间的功能划分 逻辑节点e n b 、移动性管理实体( m o b i l i t ym a n a g m e n te n t i t y ，m m e ) 、服 务叫关( s e i n g g a t e w a y ，s g w ) 和叫关( p d n g a 把w ay p - g w ) ，备自实现的 功能如f ： le n b 实现的功能 无线资源管理( r a d l or 舒o u r c em a n a z 哪e n t ，r r m ) 方面包括无线承载 控制( r a d i o b e a 斟c o n t r 0 1 ) 、无线准入控制( r a d i o a d m i s s l o n c o n t 呻1 ) 、连接移 动性控制( c o 皿c c t i o n m o b l l l t y c o n t r 0 1 ) 和u e 上下行的动态资源分配； 1 p 头压缩和用户数据流加密： u e 连接期i 训，选择m m e ，当无路由信息利片j 时，可以根划u e 提供的 信息束问接确定到达m m e 的路径： 路山用户平面数据到s g w ： 调度和传输寻呼信息( 来自m m e ) ： 调度和传输广播信息( 来自m m e 或者o m ) ； 就移动性和调度进行测量和测量报告的配胃。 2m m e 只体实现的功能 n a s 信令： 在3 g p p 访问网络之问移动时，c n 节点之间的信令传输； l d l e 模式r ，u e 的可达性： 黑 1 4基丁l t e 系统的调度算法研究 跟踪区域的列表管理( u e 的i d l e 模式和a c t i v e 模式) ； p g w 和s g w 的选择； m m e 选择，m m e 改变带来的切换； 承载管理，包括专用承载建立等。 3 s g w 具体实现的功能 为e n b 间的切换，进行本地的移动定位； 3 g p p 间的移动性管理，建立移动安全机制； 在e u t r a n 的i d l e 模式下，下行分组缓冲和网络初始化，这些动作是 由服务请求过程触发的： 在运营商之间交换用户和q o s 类别标识( q o sc l a s si d e n t i f i e r ，q c i ) 的 有关计费信息； 在上行和下行，进行传输级的分组标识； u e 、p d n 和o c i 的上、下行费用信息等。 4 p g w 具体实现的功能 用户的包过滤； u e 的i p 地址分配； 传输级的下行包标记； 上下行服务级计费、门控和速率控制； 基于总最大位速率( a g g r e g a t em a x i m u mb i tr a t e ，a m b r ) 的下行速率 控制。 2 1 4e u t r a n 结构与u t r a n 结构的比较 传统的3 g p p 接入网u t r a n 由n o d e b 和r n c 两层节点构成。l t e 采用单 层的无线访问网络结构，因为这样的结构有利于简化网络结构和减小延迟。 l t e 的e n b 除了具有原来n o d e b 的功能外，还承担了传统的3 g p p 接入网中 r n c 的大部分功能，如物理层( 包括h a r q ) 、m a c 层( 包括a r q ) 、无线资源 控制、调度、无线准入、无线承载控制、移动性管理和小区间无线资源管理等。 e n b 和e n b 之间采用网络( m e s h ) 方式直接互连，这也是对原有u t r a n 结构 的重大修改。核心网采用全i p 分布式结构。 3 g p p 采用“扁平”的无线访问网络架构，将对3 g p p 系统的未来体系架构走向 产生深远的影响。实际上，这种架构逐步趋近于典型的i p 宽带网络结构。 第二章l t e 体系结构及无线接口m a c 协议简介 1 5 2 2 媒体访问控制( m a c ) 协议 2 2 1m a c 子层提供的服务 1 m a