（通信与信息系统专业论文）基于lte系统的下行链路资源分组调度算法研究.pdf

中文摘要 摘要：第3 代合作伙伴计划启动的l t e 系统研究成为当下移动通信领域的热点。 为了进一步提高系统容量和无线频谱利用率，对l t e 系统中无线资源管理的研究 也越来越受到重视。分组调度技术是移动通信系统中无线资源管理的重要内容之 一，它能够在多个用户共享有限的系统无线资源的情况下，根据一定的机制对用 户业务进行优先级排队，确定服务次序，从而实现无线资源的灵活动态分配，最 大限度地提高移动通信系统无线资源利用率。本文对l t e 系统下行链路分组调度 算法进行了研究。 首先，从总体上研究了移动通信系统的最新发展l t e 系统，重点分析了 l t e 系统的演进目标和体系结构，简要介绍了l t e 系统的关键技术；系统地研究 了移动通信系统中的无线资源管理发展及其内容；分析了移动通信系统中分组调 度技术的原理和作用，结合下一代移动通信系统中分组调度技术的新特点对l t e 系统中分组调度技术相关的资源划分、调度器位置、上下行调度流程和调度方式 选择作了深入剖析。 其次，分析了无线通信系统中分组调度算法设计需要考虑的无线链路易变性、 公平性、q o s 保证等问题，阐述了l t e 系统下行链路分组调度算法的主要性能评 价标准，包括系统吞吐量、公平性和丢包率。并对轮询调度算法、最大载干比调 度算法和比例公平调度算法三种常用分组调度算法作了原理分析、流程设计、仿 真实现和性能比较，分析各自的特点，为本文提出的基于用户的分组调度算法提 供了性能比较对象。 最后，提出了基于用户的分组调度算法，其基本思想是e n b 中的下行调度器 使用m a xc i 调度算法的调度优先级因子，从用户的角度去选择合适的物理资源 块，每个用户按照一定的规则在不同物理资源块之间选择最佳的物理资源块。通 过改良基于用户的分组调度算法的调度优先级因子，将待调度用户过去一段时间 内的平均数据传输速率加入到算法调度优先级因子的考虑范畴，提出了改进型基 于用户的分组调度算法。通过原理分析、流程设计和l t e 系统级仿真实现，并对 算法的系统吞吐量、公平性和丢包率性能做出评估，结合与常用分组调度算法的 性能比较，结果表明改进型基于用户的分组调度算法在总体性能上优于具有实际 应用价值的比例公平调度算法，而且具有潜在的性能提升空间，对其进一步的研 究具有实际意义。 关键词：l t e ；下行链路；分组调度算法；吞吐量；公平性；丢包率； 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fl t es y s t e ms t a r t e db y3 g p pb e c o m e sah o t s p o ti i l c u 玳n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i no r d e rt o i m p r o v es y s t e mc a p a c i t ya n ds p e c t m m e f f i c i e n c y , w ep a ym o r ea t t e n t i o nt os t u d yo nt h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n to fl t e s y s t e m p a c k e ts c h e d u l i n g ，a sa ni m p o r t a n t r e s o u r c e st ou s e r s a c c o r d i n gt oac e r t a i n p a r to fr r m ，a l l o c a t e sl i m i t e ds y s t e mr a d i o m e c h a n i s m ，p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s d 眦r m i n et h ep r i o r i t ya n dt h es e r v i c eo r d e ro fu s e r so rt r a f f i c s a sar e s u l t ，s v s t e m r e s o u r c ec a nb ef l e x i b l ya l l o c a t e da n d d y n a m i cs c h e d u l e d ad e t a i l e da n a l y s i so fp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m so fl t ed o w n l i n ki sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , ah i g h - l e v e lo v e r v i e wo fl t es y s t e mi sg i v e n ，s u c ha se v o l u t i o n o b i e c t i v e s ， n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dk e y t e c h n o l o g i e s ，w i t hs p e c i a le m p h a s i so nt h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t sr e l a t e dt or a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tp a c k e ts c h e d u l i n go ft h en e x t g e n e r a t i o nm 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 s e c o n d l y , p r o b l e m st h a ts h o u l db ec o n s i d e r e dd u r i n gp a c k e ts c h e d u l i n ga 1 9 0 瑚u 1 1 d e s l g nmw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ep r o p o s e d t h r e em a i n p e 响珊a 1 1 c e e v a l u a t i o nc r i t e r i o n s ，t h r o u g h p u t ，f a i r n e s sa n d p a c k e tl o s tr a t i o ，a r ei 1 1 缸d d u c e d s o m e c j a s s i c p a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，r o u n dr o b i n a l g o r i t h m ，m a x i m 啪 c a r r i e r i n t e r f e r e n c ea l g o r i t h ma n dp r o p o r t i o n a lf a i r n e s s a l g o r i t h ma r ea n a l v z e d t h e a n a l y s i sf o c u s e so ns c h e d u l i n gt h e o r i e s ，o p e r a t i o np r o c e s s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u i t s t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ea l g o r i t h m sa r ea c q u i r e db a s e do n t h ep e r f o r m a n c ec o m p a d s o n f i n a l l y , u e - b a s e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n de - u es c h e d u l i n ga l g o r i t l m l0 nt 1 1 e b a s l so fi m p r o v i n gs c h e d u l i n gp r i o r i t yi n d e xa r e p r o p o s e d t h es c h e d u l i n gt h e o 矗e s ， o p e r a t i o np r o c e s sd e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fu e b a s e da n de u ea r ep r e s e n t e d ， 副t h ec o m p a r i s o nw i t hc l a s s i c a l g o r i t h m s i ti ss h o w nt h a tt h eo v e r a l lp e 晌m a i l c eo f e - u ea l g o r i t h mi sb e t t e ra n dc a nb e f u r t h e ri m p r o v e d e - u ep a c k e t s c h e d u l i n g a l g o r i t h mi sv a l u a b l et op r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：l t e ；d o w n l i n k ；p a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ： t h r o u g h p u t ；f a i m e s s ；p a c k e tl o s sr a t i o ； c l a s s n o ：t n 9 2 95 致谢 本论文的工作是在我的导师李兴华副教授的悉心指导下完成的，李兴华副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来李兴华老师对我的关心和指导。 荆涛教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向荆涛老师表示衷心的谢意。 霍炎老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，霍老师在学术 上高深造诣，尤其是在学风上严谨、细致和求实的态度，在科研工作中的丰富经 验，积极的创新精神，在科研工作和论文方面给了我莫大的启发和帮助，在此表 示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的同学们与我共同讨论科研工作中出 现的难题，并给予了我热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 最后再次对所有帮助我、关心我的人们表示真诚的感谢! j 匕立交适盔堂亟堂焦途塞 里! 言 1 引言 2 0 0 9 年1 月7 日，工业和信息化部为中国移动通信集团公司、中国联合网络 通信集团有限公司和中国电信集团公司发放了三张第三代( t h i r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 移动通信牌照，标志着我国正式步入3 g 时代。 第三代多媒体移动通信系统在技术和市场上取得了巨大的成功，前期的技术 驱动使得通信业务的种类和质量都发生了翻天覆地的变化。它不仅可以满足了人 们对高速移动条件下的高质量语音通话业务的需求，同时还可以为用户提供 i n t e m e t 网络服务、在线音频视频等无线数据业务，数据业务的发展大大促进了人 们对移动通信领域的兴趣和投入。但是，目前的3 g 标准仅仅能够支持高速移动环 境中6 4 k b i t s 和静止状态下2 m b i t s 的无线数据传输速率，相对于不断升级和跳跃 式发展的无线数据业务而言，3 g 移动通信系统还远远不能满足人们对无线通信的 要求。 随着3 g 移动通信系统逐步商用，面向第四代移动通信系统技术的研究成为当 下移动通信领域研究的热点。这其中，第3 代合作伙伴计划( t h e3 r d - g 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 t ，3 g p p ) 进行的通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，u m t s ) 技术的长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目尤其引人瞩目。 1 1移动通信系统发展历程 2 0 世纪8 0 年代初第一代( f i r s tg e n e r a t i o n ，1 g ) 模拟移动通信系统实现大规 模商用，它以模拟式蜂窝网为主要特征，主要采用模拟技术，多址方式采用频分 多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 技术。第一代模拟移动通信系 统的传输带宽有限，仅支持区域性移动通信，无法实现长途漫游。第二代( s e c o n d g e n e r a t i o n ，2 g ) 数字移动通信系统主要采用数字技术，多址方式采用时分多址 ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 技术和码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 技术，其主要业务是语音通话，主要特性是为用户提供数字化的 语音业务和低速数据业务。由于多种第二代数字移动通信系统采用了不同的制式， 移动通信标准没有得到统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内实现漫游功能， 而无法全球漫游。第三代( t h i r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 多媒体移动通信系统是由国际 电信联盟( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 于1 9 8 5 年提出，它的标 准化工作的主要目标是制定一个通用的网络架构，从而能够支持现有的和将来的 j g 立交适态堂亟堂僮论塞 互i 壹 服务。截至目前，3 g 系统技术标准主要包括欧洲提出的宽带码分多址( w i d e b a n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，w c d m a ) 技术、中国提出的时分同步码分多址 ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d s c d m a ) 技术、 美国提出的c d m a 2 0 0 0 技术和电气与电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 的8 0 2 1 6 e 这四种标准。第三代多媒体移动通信系统 具有5 m h z 以上的传输带宽，传输速率最低为3 8 4 k b p s ，最高可以达到2 m b p s ，同 时支持语音业务和高速数据业务，其主要特点是能够支持高速率数据传输和宽带 多媒体服务，但第三代多媒体移动通信系统仍是基于地面的、标准不统一的区域 性移动通信系统。 下一代移动通信系统的目标将是能够提供宽带移动多媒体服务，满足第三代 多媒体移动通信系统尚未达到的在覆盖、质量、造价等方面支持的高速数据业务 和高分辨率多媒体服务的需求。各标准化组织在对已有3 g 标准不断发展完善的同 时，都在大力推动后三代第四代( b e y o n d3 g 4 g ) 移动通信系统的标准化工作。 3 g p p 的w c d m a 、t d s c d m a 分别发展成为f d d l t e 和t d d l t e ，第三代合 作伙伴计划2 ( t h e3 r d - g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 ，3 g p p 2 ) 的c d m a 2 0 0 0 发展 成为超移动宽带( u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ，u m b ) ，i e e e 提出的移动全球微波接 入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 也发展成为一项 准4 g 技术。 1 2l t e 系统概述 针对3 g 技术的后续发展，3 g p p 先后引入了高速下行分组接入( h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 技术和高速上行分组接入( h i g hs p e e do p l i n k p a c k e ta c c e s s ，h s u p a ) 技术这两种增强型u m t s 技术，遗憾的是，虽然能够极 大的提高上下行数据传输速率，但是它们却是以牺牲小区吞吐量为代价的，而且 成本太高导致难以大规模应用。与此同时，w i m a x 技术的标准化工作却进展神速。 为了应对w i m a x 技术发展带来的挑战，同时为了降低比特成本、提高性能 目标以满足新型业务需求，2 0 0 4 年年底，3 g p p 启动了3 g 系统长期演进( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) 的研究项目。与之前基于3 g 系统的技术更新不同，l t e 引 入了“革命性”的技术，这其中标志性的就是改变了3 g 时期c d m a 的空中接口技 术，采用了基于正交频分复用( o 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 ，o f d m ) 的新的多址方式，同时引入了多输入多输出( m u l t ii n p u tm u l t io u t p u t ，m i m o ) 天 线技术。以o f d m 和m i m o 技术为核心的l t e 系统被称为3 9 g 系统，可以在更 高的带宽上实现更快的数据传输，同时又降低了系统时延，简化了通信网络结构， n - i p a 真正实现高速无线数据通信。与3 g 移动通信系统相比，l t e 在物理层传输技 术、射频载波频带、媒体接入控制层技术以及跨层自适应技术、网络架构等多个 方面都发生了革命性的变化。l t e 将作为向4 g 发展的工作基础，通过不断的技术 增强来满足i t u 对4 g 的要求，并最终作为3 g p p 向i t u 提交的4 g 候选提案。 1 2 1l t e 系统演进目标 面对宽带接入技术带来的挑战，2 0 0 4 年底，3 g p p 组织开始了l t e 技术的标 准化工作。其主要目标有【l j ： 1 维持3 g p p 在移动通信领域的领先优势； 2 填补3 g 移动通信系统与4 g 移动通信系统之间的技术差距； 3 重用3 g 移动通信系统频谱； 4 解决3 g 移动通信系统专利过分集中的问题。 在2 0 0 4 年1 2 月希腊雅典的会议上，3 g p p 确定了l t e 项目研究的总体目标是 高速率、低延迟和基于全分组数据包优化的无线接入技术。 为实现上述总体目标，l t e 项目首先定义了需求，主要需求指标包括【2 】： 峰值数据率： 在2 0 m h z 系统带宽下，实现下行瞬时峰值速率1 0 0 m b p s ，上行瞬时峰值速率 5 0 m b p s ； 提高小区边缘的比特速率： 提高小区边缘的传输速率，改善小区边缘用户的性能，增强l t e 系统的覆盖， 主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术来实现； 提高频谱效率： 在真实负载的网络中，下行频谱效率为3 g p pr 6h s d p a 的3 - - 4 倍，上行每 兆赫兹用户的平均吞吐量为3 g p pr 6h s u p a 的2 3 倍。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、自适应调制编码技术和基于信 道质量状况的频率选择性调度来实现； 支持灵活的频谱带宽配置： 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 4 m h z 、3 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 、 2 0 m h z 的带宽配置，可以重用第三代多媒体移动通信系统的频谱； 低时延： 零负载( 单用户、单数据流) 、小i p 分组条件下用户平面单向延迟低于5 m s ， 控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移延迟低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的 迁移延迟低于10 0 m s ； j e 塞窒通盔堂亟堂僮途塞j 址直 支持与现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作； 支持增强型的多媒体广播多播业务： 加强对多媒体广播多播业务( m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e ，m b m s ) 的支持，满足广播、多播、单播业务相互融合的需求，主要通过物理层帧结构设 计、层2 的信道结构设计和高层的无线资源管理功能来实现； 降低组网成本； 支持增强的i p 多媒体子系统( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，i m s ) 和核心网； 降低终端的成本和能耗： 支持后向兼容； 取消电路交换( c i r c u i ts w i t c h i n g ，c s ) 域，电路交换域的业务在分组交换 ( p a c k e ts w i t c h i n g ，p s ) 域实现； 优化低速移动条件下系统的性能，同时支持高速移动： 对0 1 5 k m h 低速移动条件下的系统性能进一步优化，1 5 1 2 0 k m h 高速移动 条件下实现高性能，1 2 0 3 5 0 k m h ( 在某些频段甚至应支持5 0 0 k m h ) 条件下能够 保持蜂窝网络的移动性； 同时支持成对( p a i r e d ) 和非成对( u n p a i r e d ) 频段； 尽量支持简单的临频同址共存和跨境并存； 为了实现上述目标，3 g p p u m t s 长期演进项目分成空中接口演进和核心网演 进两大部分。其中，有关无线接口技术和网络结构的部分被称为长期演进l t e 项 目，而侧重于核心网的功能和结构、系统整体结构演进的部分被称为系统体系结 构演进( s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s a e ) 项目。 3 g p p 技术规范版本r e l e a s e8 于2 0 0 8 年1 2 月通过并成为l t e 系统标准的基 础版本，为首批l t e 系统商用产品提供了重要基础。 2 0 0 9 年通过的r 9 版本在r 8 版本基础上增加了部分改进内容，成为l t e 系统 标准的增强版本，主要增加了支持多流b e a m f o r m i n g 、e m b m s 、s o n 、h o m ee n o d e b 等新功能。 1 2 2l t e 系统体系结构 l t e 系统对u m t s 系统进行了革新，对其陆地无线接入网( u m t st e r r e s t r i a l r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，u t r a n ) 部分和陆地无线接口( u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s ，u t r a ) 部分均作了演进。 下面对l t e 系统无线接入网体系结构和空中接口协议结构进行简要研究。 4 1 l t e 系统无线接入网体系结构 3 gu t r a n 系统总体架构如图1 一l 所示3 1 。 鹞弼 c x 0 t r a n 图l l3 gu t r a n 架构图 f i gl 一13 gu t r a n a r c h i t e c t u r e 3 g 系统网络由基站( n o d eb ，n b ) 、无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ， r n c ) 、g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 服务支持节点 ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，s g s n ) 和网关g p r s 支持节点( g a t e w a yg p r s s u p p o r tn o d e ，g g s n ) 组成。 其中，基站为用户设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 提供接入点并控制用户设备的 无线接入，同时负责对网络流量进行控制与管理；无线网络控制器主要负责对基 站进行整体管理，包括无线资源管理、网络相关功能和无线资源控制的维护和运 行、本地移动用户以及接入情况的控制与管理等；g p r s 服务支持节点负责对分组 交换数据流进行控制与管理，并在基站与网关g p r s 支持节点之间完成分组数据 的接收和发送；网关g p r s 支持节点负责连接核心网，是本地网与外部分组交换 网络之间的网关，g p r s 服务支持节点与网关g p r s 支持节点之间通过基于i p 协 议的骨干网相连接。 3 g 系统在基站控制器中实现与空中接口相关的功能，这就导致资源分配和业 务不能适配信道，其协议结构较为复杂，对系统的优化产生不利影响。 l t e 系统在接入网体系结构方面的设计主要是为了实现一个高数据速率、低 延迟、低复杂度、低成本、为分组业务优化的移动通信系统，从而可以提供更高 的系统容量、系统吞吐量，保证端到端的服务质量。鉴于最终所有业务将实现在 掣蠡珏疆 申u 2 1 ； l 飞；，；呲、 臼睫 j 量京交道太堂亟堂焦诠塞 互l 言 分组域传输，u t r a n 的网络已无法保证各种分组业务尤其是实时性需求较高业务 的服务质量，l t e 系统需对原有网络架构进行较大的调整4 1 。 e u t r a n ( e v o l v e d u t r a n ) 系统总体架构如图1 2 所示【5 1 。 固囝1 c n m m e s - g wm m e | s 。g w j t j、-。 ：j ， ； ；：jl 蚕蠢0 岍删 州弋嚣酬8 ； 图1 - 2 l t e e u t r a n 架构图 f i g1 - 2l t ee - u t r a n a r c h i t e c t u r e e u t r a n 由演进型基站( e v o l v e dn o d eb ，e n b ) 构成，e n b 之间底层采用 i p 传输，在逻辑上由x 2 接口互连，采用m e s h 网络结构，e n b 通过s 1 接v i 与核 心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 相连。s 1 接口的用户平面终止在服务网关( s e r v i n g g a t e w a y ，s - g w ) ，s1 接v i 的控制平面终止在移动性管理实体( m o b i l i t ym a n a g e m e n t e n t i t y ，m m e ) 。e n b 与u e 通过u u 接口相连。 在l t e 系统中，核心网也被称为演进型分组核心( e v o l v e dp a c k e tc o r e ，e p c ) 。 l t e 系统中的e n b 不仅具有3 g 系统中n b 的功能，还承担了3 g 系统中无线 网络控制器的大部分功能，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、无线接纳控制、无线承载控制、移动性管理和小区间无线资 源管理等功能。e n b 之间采用网格( m e s h ) 方式互连，采用i p 传输，便于支持 u e 的移动性，保证无缝切换。核心网采用全i p 分布式结构。 l t e 系统采用“扁平化”的网络架构，极大地降低了系统复杂度，减少了系统内 部相应的交互操作，系统时延必然明显降低。可以说，l t e 系统网络架构逐步趋 近于典型的i p 宽带网络结构。 自m j e 塞交道厶堂亟一翌位途塞 曼! 言 2 l t e 系统空中接口协议结构 e - u t r a n 和e p c 的功能划分如图l 一3 所示【( ) i 。 e n b 小区闻r 肺 无线承载控制 连接移动性控制 无线许司控制 n s 安全性 e 船剥里配置与提供 动态资源分配z a - e 状态移动性管理| ( 调度嚣) s a e 承戴控3u r 司 f p i ) c p p g ws g w 甩c l 黼 l 移动性诵毫f u ei p 地址：；j 酗 s 1 l 嘲 包辽豫 e u t r a h饿 0 图1 3e u t r a n 和e p c 的功能划分 f i g1 3f u n c t i o nm o d u l e so fu t r a na n de p c 其中，外部大框体表示逻辑节点，内部小框体表示逻辑节点中的各层无线协 议。 c n b 实现的主要功能有：无线资源管理功能；用户数据流的i p 头压缩和加密； 当终端附着时选择m m e ；路由用户平面数据到s - g w ；调度和传输来自m m e 的 寻呼信息；调度和传输来自m m e 或q & m 的广播信息：对移动性和调度的测量和 测量报告进行配置。 m m e 实现的主要功能有：n a s 信令的加密和完整性保护；i d l e 模式下u e 的可达性；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 的选择；m m e 变更导致的切换；承载控制，包括专用承载 建立等i7 l 。 s - g w 实现的主要功能有：对e n b 之i j j 的切换进行本地移动定位；在e u t r a n 的i d l e 模式下，缓冲1 - q ? 链路分组，初始化网络；在运营商之问交换用户和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 ) 的相关计费信息；在 ：行链路和下行链路进 行传输级的分组标识；u e 、p d n 和q c i 的上下行计费信息等。 p g w ( p u b l i cd a t an e t w o r kg a t e w a y ，p d n 网关) 实现的：卜要功能有：用户 j 塞交道太堂亟堂僮途塞 里l 言 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；基于总体最大比特速率( 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 下行速率控制等。 l t e 系统的用户平面协议栈如图1 4 所示。 u e e n 0 d eb p d c p ： ： p d c p r l c b： r l c m a c 圈： m a c p h y ： ：4 p h y 图1 4e u t r a 用户平面协议栈 f i g1 4u s e rp l a np r o t o c o ls t a c ko fe u t r a 用户平面协议包括分组数据汇聚协议( p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l ， p d c p ) 子层、无线链路控制( r a d i ol i n kc o n t r o l ，r l c ) 子层、媒体访问控隹j u ( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 子层和物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) ，它们在网络侧终止 在e n b ，分别实现头压缩、加密、自动重传请求a r q 和混合自动重传请求h a r q 功能。 l t e 系统的控制平面协议栈如图l 一5 所示。 e n o d eb 脏 n a s i ： ： n a s p d c p ： p d c p r l c ： ： r l c m a c ：l m a c p h y ： p h y 图1 5e u t r a 控制平面协议栈 f i g1 - 5c o n t r o lp l a np r o t o c o ls t a c ko fe - u t r a 图中包含非接入层( n o n a c c e s ss t r a t u m ，n a s ) 协议只是为了说明它是u e e p c 通信的一部分。分组数据汇聚协议p d c p 子层提供加密和完整性保护功能，无线 链路控制r l c 和媒体访问控制m a c 子层在控制平面中提供的功能与其在用户平 面中相同，无线资源控制( r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ，r r c ) 提供广播、寻呼、r r c 连接管理、无线承载控制、移动性、u e 测量上报和控制等功能。 8 j t 立交通太堂亟堂僮途塞 昱i 直 1 2 3l t e 系统中的关键技术 第三代移动通信系统的关键技术是c d m a ，l t e 系统虽然是3 g 系统的演进， 但从技术上来看却是一次革命。l t e 系统的关键技术是正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 和多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 天线技术。l t e 系统中还应用了其他一系列先进的技术，如混合 自动重传请求( 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 ，h a r q ) 技术、自适应调制编码 ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 技术、小区干扰抑制技术等，下面对它 们进行简要研究。 1 o f d m 技术 o f d m 技术于2 0 世纪6 0 年代中期被r w c h a n g 提出，重叠的子信道频谱使 其具有较高的频谱利用率。但是由于当时只能通过模拟电路实现o f d m 技术，系 统复杂度较高，导致成本难以降低，其应用受到了限制。1 9 7 1 年s b w e i n s t e i n 和 p m e b e r t 提出用离散傅里叶变换d f t 技术实现多载波传输，数字电路可以轻松实 现信号的正交调制，从而使多载波传输得以广泛应用。8 0 年代p e l e d 和r u i z 提出 在o f d m 系统中加上循环前缀可以消除o f d m 符号问干扰。与此同时，l j c i m i n i 研究了将o f d m 技术应用于移动通信系统中存在的问题和解决办法【8 】。 o f d m 技术是一种多载波传输技术，既可以将其看作是一种调制技术，也可 看作是一种复用技术。o f d m 技术的基本原理是在有效的带宽内，将传输信道分 成多个相互正交的子载波，对每个子载波使用不同的频率进行调制，从而将高速 传输的数据流分解为多个并行的低速数据流进行传输。o f d m 系统基本模型如图 1 6 所示。 图1 6o f d m 系统基本模型 f i g1 - 6b a s i cm o d e lo fo f d ms y s t e m 由于o f d m 系统中子信道的信号带宽小于信道的相关带宽，近似平坦衰落信 道，这样就可以消除信道波形问的干扰，从而达到降低多径衰落影响的目的。o f d m 9 系统中子载波之间相互正交，子载波之间的频谱可以相互重叠，提高了系统频谱 利用率。在o f d m 符号之间插入保护间隔( 大于无线信道的最大时延扩展) 可以 最大限度地降低多径所造成的符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，一般 采用循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 作为保护间隔。 l t e 系统中多址方式下行链路采用正交频分多址( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o f d m a ) ，上行链路采用单载波频分多址( s i n g l ec a r r i e r f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s c f d m a ) 。上行链路采用s c f d m a 是因为 s c f d m a 具有单载波的特性，可以降低发送信号的峰均功率比( p e a kt oa v e r a g e p o w e rr a t i o ，p a p r ) ，在上行链路功放要求相同的情况下，可以提高上行链路的功 率效率。 2 m i m o 技术 迄今为止，传统的无线通信技术对信号时域、频域和码域信息的利用已经达 到了一个前所未有的高度，但是随着无线通信需求的高速增长，寻求技术革新以 便进一步提高无线通信系统的频谱效率和通信质量迫在眉睫。m i m o 技术便是近 来研究的关键技术之一。 m i m o 技术在发射端和接收端同时使用多个发射天线和接收天线，利用发射 端和接收端之间空间信道的传播特性提高数据传输速率、降低误码率，从而改善 信号的传输质量。多个发射天线同时发送的信号占用的是同一个频段，从而能够 成倍地提升系统容量和频谱效率1 9 | 。 m i m o 技术主要分为发送分集技术和空间复用技术。若在不同的发射天线上 发送相同的信息，由于空间信道的弱相关性，同时结合时频域上的选择性，可以 提高信号传输的可靠性，我们称之为发送分集技术；若在不同的发射天线上发送 不同的信息，由于空间信道的弱相关性，可以提高信号传输的峰值速率，我们称 之为空间复用技术。 3 h a r q 技术 无线通信系统中采用基于前向纠错编码( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 和 自动重传请求( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 等差错控制技术，可以降低误码 率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) ，从而减小信道时变特性和多径衰落对信号传输带来的 影响，保证系统的服务质量。采用f e c 技术的系统时延较小，但其中的冗余编码 降低了系统的容量；在b e r 较小时，采用a r q 技术的系统吞吐量较为理想，但 时延较大，不适于实时( r e a lt i m e ，r t ) 业务。h a r q 将这两种技术相结合，克 服了它们各自的缺点：在a r q 系统中嵌入一个f e c 子系统，在f e c 可以纠正错 误的情况下，不需要用到a r q ；而当f e c 子系统无法正常纠错时，就会通过a r q 反馈重发错误码组的请求。 1 0 j b 塞交适太堂亟堂鱼诠塞 一监 4 a m c 技术 a m c 技术是链路自适应技术的核心，其基本原理是在接收端对无线信道进行 估计并反馈到发送端，发送端根据信道质量反馈确定当前的数据传输速率和调制 编码方式。固定调制编码方式( m o d u l a t i o nc o d i n gs c h e m e ，m c s ) 只能根据最差 的信道质量来确定数据传输速率和调制编码方式，而a m c 可以在保证服务质量 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 需求的前提下根据当前信道质量状况自适应地选择 m c s ，从而能够降低总的发送功率，提高系统平均吞吐量和系统资源利用率。 a m c 的本质就是在保持b e r 恒定的前提下，通过调整发射功率选择调制模 式；或者依据信噪比的动态变化，自适应地选择调制阶数。a m c 的关键参数有： 发射功率、编码速率和调制阶数。 l t e 系统中应用a m c 技术，在接收端通过对无线信道进行测量可以得到每个 子信道的信道响应信息或信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 估计，利用这些信 道状态信息就可以对每个子信道进行调制模式的选择并对信道编码进行码率调 整，结合h a r q 技术可以迸一步对链路的吞吐量做精细调整。与单载波系统相比， o f d m 系统可以根据信道响应灵活地选择调制模式和编码速