（通信与信息系统专业论文）未来无线通信系统中的调度算法设计.pdf

中文摘要 中文摘要 随着用户对移动业务需求的不断增长，越来越需要更加先进的无线传输技术 和网络优化理念。o f d m 技术因其可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰， 已成为未来高速无线通信中的核心技术之一；c d m a 技术作为3 g 系统的核心技 术，其良好的性能具有无可争辩的竞争力；多输入多输出( m i m o ) 技术能够在不 增加系统带宽和改变系统功率要求的情况下增加频谱效率，有效提高系统的数据 传输速率和信道容量，受到了极大的重视。 m i m o 技术与o f d m 技术相结合的m i m o o f d m 解决方案，在提高无线链 路的有效性和可靠性方面具有巨大潜力，是b 3 g 系统的一种解决方案；o f d m 技 术与c d m a 技术相结合构成的m c c d m a 方案，由于其优良的性能也被认为是 b 3 g 系统中最具竞争力的方案之一。 无线系统中的调度算法主要是结合无线链路特性，实现对无线资源的分配， 对整个系统性能的好坏具有重要的影响。对未来无线通信系统进行调度算法研究 是无线资源管理研究的一个重要方面，目前，利用效用函数和跨层理论进行性能 优化正逐渐受到研究人员的关注。 因此，论文主要针对m i m o o f d m 系统和m i m om c c d m a 系统的调度算 法进行了研究和仿真分析，工作内容包含以下几个方面。 首先，在单蜂窝m i m o o f d m 下行链路架构下，对r r 、q p f 、m c i 三种经 典调度算法的性能进行了仿真。通过仿真，从三种算法的吞吐量性能，吞吐量公 平性性能，服务机会公平性能，数据包时延以及天线数目变化对算法性能的影响 等几个方面进行了分析，给出了仿真曲线图。 其次，在单蜂窝m i m o o f d m 系统下行链路架构下，结合效用函数思想，设 计实现了基于效用函数的调度算法u b s ( u t i l i t yb a s e ds c h e d u l i n g ) ，并将算法性能与 r r 、q p f 、m c i 三种经典调度算法进行了对比，从算法的吞吐量性能、公平性性 能、丢包率性能和数据包时延性能等方面进行了仿真分析。结果表明，算法获得 了良好的性能，具有一定的实用价值。 最后，论文还在m i m om c c d m a 系统下行链路架构下，结合跨层设计理念， 设计实现了基于跨层理论的调度算法c b s ( c r o s sl a y e rb a s e ds c h e d u l i n g ) ，并将算法 性能与r r 、q p f 、m c i 三种算法进行了对比，通过仿真，对算法的吞吐量、丢包 率、数据包时延和公平性性能进行了分析。仿真结果表明，算法在吞吐量和丢包 率等性能上取得了较高的性能优势。 关键词：m i m o m c c d m a ；m i m o o f d m ；调度算法；效用函数；跨层设计 分类号：t n 9 2 9 5 3 3 a b s t r a c t a bs t r a c t a st h ed e m a n do fm o b i l es e r v i c e si sg r o w i n g , m o r ea d v a n c e dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r ko p t i m i z a t i o ni d e a sa r en e e d e d o f d mt e c h n o l o g y c a l le f f e c t i v e l ya g a i n s ti n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ec a u s e db ym u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，a n d h a sb e c o m eo n eo ft h ec o r et e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e h i 曲s p e e d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ；c d m at e c h n o l o g ya st h ec o r et e c h n o l o g yo f3 gs y s t e m s ，h a s c o m p e t i t i o nw i t hi n d i s p u t a b l ef o r c eb e c a u s eo fi t sg o o dp e r f o r m a n c e ；m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yc a l li n c r e a s et h es p e c t r u me f f i c i e n c ya n di m p r o v e t h es y s t e md a t ar a t ea n dc h a n n e lc a p a c i t yi nt h ec a s eo fn o ti n c r e a s et h es y s t e m b a n d w i d t ha n ds y s t e mp o w e rr e q u i r e m e n t s ，b yag r e a ta t t e n t i o n m i m ot e c h n o l o g ya n dt h ec o m b i n a t i o no fo f d mt e c h n o l o g ym i m o o f d m s o l u t i o n ，h a sg r e a tp o t e n t i a li ni m p r o v i n gt h ee f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l i t yf o rt h e w i r e l e s sl i n k ，i so n eb 3 gs y s t e ms o l u t i o n s ；o f d mt e c h n o l o g ya n dc d m at e c h n o l o g y c o n s t i t u t et h em c - c d m as o l u t i o n ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei sa l s o c o n s i d e r e do n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v ep r o g r a m si nb 3 gs y s t e m ， s c h e d u l i n ga l g o r i t h mo fw i r e l e s ss y s t e m sm a i nr e a l i z e st h er a d i o r e s o u r c e a l l o c a t i o nc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sl i n k s ，a n dh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c e o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r es y s t e m s c h e d u l i n ga l g o r i t h mr e s e a r c hf o rt h ef u t u r e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi sa ni m p o r t a n ta s p e c ti nw i r e l e s sr e s o u r c e m a n a g e m e n ts t u d y a tp r e s e n t ，u s i n gu t i l i t yf u n c t i o na n dc r o s s - l a y e rt h e o r yt oa c h i e v e p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na r eg r a d u a l l yb e i n gt h e c o n c e r n e db yr e s e a r c h e r s t h e r e f o r e ，t h ep a p e rm a i ns t u d ys c h e d u l i n ga l g o r i t h mo fm i m o o f d ms y s t e m a n dm i m om c c d m as y s t e m sa n dt h e nd os o m es i m u l a t i o n 矗n a l y s i s ，t h ew o r k i n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s to fa l l ，i nas i n g l ec e l l u l a rm i m o o f d md o w n l i n kf r a m e w o r k ，s i m u l a t e p e r f o r m a n c eo fr r ，q p fa n dm c is c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ， a n a l y s i st h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e ，t h r o u g h p u t f a i r n e s s p e r f o r m a n c e ，s e r v i c e o p p o r t u n i t i e sf a i m e s sp e r f o r m a n c e ，p a c k e td e l a ya n dt h en u m b e ro fa n t e n n a sa f f e c t i o n o nt h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e , t h e np r e s e n tt h e s i m u l a t i o nc u r v e s s e c o n d l y , i nas i n g l ec e l l u l a rm i m o o f d md o w n l i n kf r a m e w o r k ，c o m b i n e d w i t h t h eu t i l i t yf u n c t i o nt h o u g h t ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fu t i l i t yf u n c t i o nb a s e d s c h e d u l i n ga l g o r i t h mu b s ( u t i l i t yb a s e ds c h e d u l i n g ) ，a n da l g o r i t h mp e r f o r m a n c ew e r e v 北京交通大学硕+ 学位论文 c o m p a r e dw i t hr r ，q p f , m c it h r e ec l a s s i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，s i m u l a t i o na n a l y s i s o ft h ea l g o r i t h mt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e ，f a i r n e s sp e r f o r m a n c e ，p a c k e tl o s sr a t ea n d p a c k e td e l a yp e r f o r m a n c ea n do t h e ra s p e c t so ft h ep e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ea l g o r i t h mo b t a i n sag o o dp e r f o r m a n c e ，a n dh a sac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e f i n a l l y , t h ep a p e ra l s oc o m b i n e dw i t ht h ec o n c e p to fc r o s s l a y e rd e s i g n ，d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e dt h e o r yo fc t o s s l a y e rb a s e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mc b s ( c r o s sl a y e r b a s e ds c h e d u l i n g ) i nm i m om c c d m as y s t e md o w n l i n kf r a m e w o r ka n dt h ea l g o r i t h m p e r f o r m a n c ew e r ec o m p a r e dw i t hr r ，q p f , m c it h r e ea l g o r i t h m s t h r o u g hs i m u l a t i o n ， t h ea l g o r i t h mt h r o u g h p u t ，p a c k e tl o s sr a t e ，p a c k e td e l a ya n df a i r n e s sp e r f o r m a n c ei s a n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi nt h r o u g h p u ta n dp a c k e tl o s sr a t e p e r f o r m a n c ea c h i e v e dah i g hp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e s k e y w o r d s ：m i m o - m c - c d m a ；m i m o - - o f d m ；s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ；u t i l i t y f u n c t i o n ；c r o s sl a y e r c i a s s n o ：t n 9 2 9 5 3 3 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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。 签字日期：2 0 0 9 年5 月2 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 姚塌 签字日期：刁“月f 妒 导师签名： c 7 弓眵 签字日期：二。7 年6 月f 厂日 | 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来杨维 老师对我的关心和指导。 冯锡生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，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，吕轩、王秋菊、黄虎等同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1无线通信的研究现状和发展前景 2 0 0 9 年1 月7 日，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3 张第三代移动通信( 3 g ) 牌照，这标志着我国正式进入3 g 时代。 3 g 概念最早于1 9 8 5 年由总部设在r 内瓦的联合国标准化组织国际电信 联盟( r r u ) 提出，当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更 名为国际移动通信2 0 0 0 系统( i m t 2 0 0 0 ) ，亦即该系统工作于2 0 0 0 m h z 频段， 提供最高2 0 0 0 k b i t s 的数据速率，原定2 0 0 0 年左右开始商用。 第三代移动通信系统的核心技术是c d m a ，采用了c d m a 多址接入方式，移 动通信系统具有抗干扰能力强，保密性好，具有软容量，能够有效支持非对称通 信业务的优点。 但是由于同步不理想和码字不正交，c d m a 系统不可避免地存在多址干扰和 符号间干扰，这限制了系统容量的进一步提高，因此要求精确、迅速的多用户检 测技术和功率控制技术。另外，作为一个功率正反馈系统，在c d m a 系统中进行 告诉数据业务传输时会造成很大的系统内干扰，严重降低频带效率，因此需要高 效的传输速率分配技术的保证。 3 g 系统的局限性主要体现为i z j ： 缺乏全球统一标准 3 g 所运用的语音交换架构仍承袭了2 g 的电路交换，而不是完全i p 形式 由于采用c d m a 技术，难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多 媒体业务的需求 由于3 g 空中接1 3 标准对核心网有所限制，因此3 g 难以提供具有多种q o s 及性能的各种速率的业务 由于3 g 采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同的 软、硬件模块，而3 g 移动终端目前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无 法实现不同频段的不同业务环境问的无缝漫游。所有这些局限性推动了人们对下 一代通信系统的研究和期待。 目前，第四代移动通信系统或称为b 3 g 系统的研究已经成为世界各国研究的 热点，其中o f d m ( 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 ，币交频分复用) ， o f d m a ( 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 a c c e s s ，正交频分复用多址) ， m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 等技术被认为是b 3 g 的核心技术。 北京交通人学硕十学位论文 b 3 g 系统将对无线通信市场提供诸多优势，包括下行链路数据速率将超过 1 0 0 m b p s ，更低的时延，更有效的频谱利用率和更低的应用损耗。由于b 3 g 系统 可观的网络容量，可以为用户提供诸如高性能的视频和图片，高品质的会议等更 高水准的移动体验。 随着3 g 通信逐步开始商用，面向未来移动通信业务的b 3 g 系统技术研究成 为未来移动通信领域研究的发展趋势和重要需求。基于此，b 3 g 系统迫切需要能 够更有效地提高频谱利用率、传输速率和系统容量的先进技术，其中，m i m o 技 术、o f d m 技术和c d m a 技术得到了普遍重视，成为b 3 g 系统设计的关键技术， 本节主要对这些技术和系统跨层设计思想进行简要介绍。 1 1 1o f d m 技术概述 o f d m 的思想早在5 0 年代就已经提出，由于使用模拟滤波器实现起来的系统 复杂度较高，所以一直没有发展起来；7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散傅立叶 变换( d f t ) 实现多载波调制，为o f d m 的实用化奠定了理论基础；8 0 年代， l j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信中应用存在的问题和解决方法。从此以 后，o f d m 在移动通信中的应用才如火如荼地开展起来【3 】。 o f d m 技术可以看成是由传统的频分复用技术( f d m ) 发展而来的，它的核心 思想是采用并行传输技术降低子路上传输的信号速率，使得o f d m 符号长度比系 统采样问隔长很多，从而极大地降低了时间弥散信道引入的符号间干扰( i s i ) 对信号 的影响。如图1 1 为o f d m 系统收发端的典型框图。 图中的上半部分是发送机的框图，下半部分为接收机的框图，由于f f t 操作 类似于l f f t ，因此发射机和接收机可以使用同一硬件设备。近年来，o f d m 技术 因为其良好的抗多径能力受到大量关注，与传统的单载波系统和c d m a 系统相比， o f d m 系统的主要优势在于【4 】： 可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，与其他实现方法相比， o f d m 系统与i f f 聊f t 集合，使得系统实现复杂度较低； 在变化相对较慢的信道上，多载波系统可以根据每个子载波的信噪比来优 化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量； 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要大于上行 链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m 系统 可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率； o f d m 可以容易的与其他多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，其 中包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等等，使得 引言 多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 图卜1o f d m 系统收发机结构图 f i g u r e l 一1f r a m ec h a r to f o f d ms y s t e m st r a n s c e i v e r 但是o f d m 系统内由于存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子 信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 对频偏比较敏感。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性 提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频谱 偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子 载波之间的讵交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰( i c i ) ，这种对频率偏差 的敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加， 因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信 号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e r r a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求。 1 1 2c d m a 技术概述 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术是1 9 9 5 年推出的- 1 中新型数字蜂 窝技术，它利用数字传输方法，采用扩频通信技术，大幅度地提高了频率利用率， 具有容量大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突出优点，将移动通信技 术推向了一个新的发展阶段。 3 北京交通人学硕十学位论文 c d m a 给每一用户分配一个唯一的码序列( 扩频码) ，并用它对承载信息的信 号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始 数据，由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号 的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。c d m a 并非直 接分割信道，每一个多址用户都可以在任何时问占用同一载频或信道全部带宽， 进行各自独立的信息传输。由扩频调制原理，载荷各用户信息的p n 码之间的正交 关系，使信道同时可以传输多用户信息，可以认为提供了多个用户的码分子信道。 按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频( d s ) 、跳频扩频( f h ) 、 跳时扩频( t h ) 和复合式扩频，如图1 2 所示。 垂 啦 哑司 ! m t - c d m a i t 一一j 图i 2c d m a 扩频调制方式分类 f i g u r e l - 2s o r to f c d m as p r e a dm o d u l a t i o n 由于c d m a 技术所传信号的带宽必须远大于信息的带宽，其所产生的射频信 号的带宽与所传信息无关，与窄带信号相比，它具有一定的抗多径干扰的能力， 也具有较好的保密性能。 目前3 g 系统的方案都是基于c d m a 方式的，c d m a 技术具有无可争辩的竞 争力，但是，c d m a 的容量受限于多址干扰和频率选择性衰落引入的干扰，而 o f d m 技术对于符号问干扰具有很强的抵抗力，因此可以将o f d m 和c d m a 结 合在一起，兼具两者的优点，对多径效应引起的符号问干扰有很强的抵抗力，同 时继承了c d m a 的高用户容量的优点。 1 1 3m i m o 技术概述 m i m o ( 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 ，多输入多输出) 技术能够在不占用额外 4 频谱带宽的前提下，有效地提高信道容量，这使得这一技术成为近几年无线通信 领域研究的热点，并被公认为4 g 系统的核心技术之一。m i m o 系统能够充分利用 信号的所有时频域的特性，具有如下优点【5 】： 利用或减轻多径衰落。m i m o 技术能够充分采用多径的各种发射合成技术， 提高无线通信系统的性能。 消除共道干扰。m i m o 系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技 术对共道干扰进行有效抑制或消除。 提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰及增 大系统容量。 m i m o 技术作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分利用空 间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信理论和传输技 术显示了巨大的潜力和发展前景。 m i m o 和o f d m 技术相结合能够解决带宽效率和多径衰落问题。o f d m 通过 将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响。 而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，在不增加 系统带宽的情况下增加频谱效率，有效地提高了系统的传输速率。这样，将m i m o 和o f d m 两种技术结合，就能达到两种效果：一种是实现很高的数据传输速率， 另一种是通过分集实现很强的可靠性。研究表明，在衰落信道环境下，o f d m 系 统非常适合使用m i m o 技术来提高容量。 1 1 4跨层设计简介 跨层设计技术是在传统分层网络技术逐渐不能满足需要的情况下提出的，传 统o s i 网络设计的主要思想是：协议栈的层与层之间都独立设计和运行，层问由 静态的接口来完成通信，这些接口也独立于网络的限制和应用。这种思想大大简 化了网络的设计，在一段时期内为网络的设计提供了很好的解决方案。 然而，这种严格划分层次的网络结构缺乏灵活性，无线通信的各种不利因素 制约着现有网络的进一步发展。随着用户需求的增加，这种缺乏灵活性的网络架 构就成为了无线网络发展的瓶颈，这就需要在研究各网络、各层性能优化的同时 更要关注物理层、数据链路层或网络层以及上层之间的互相协调配合对网络性能 的影响，并且将分散在网络各个子层的特性参数协调融合，以提升网络的整体性 能。跨层设计的目的不是使网络在通信条件最为恶劣的情况下进行工作，而是自 适应的改变以适应信道的变化。 自适应是跨层设计的核心思想，所谓自适应就是指协议栈能够分析和提取所 5 北京交通人学硕十学位论文 需信息( 如信道状态信息、q o s 需求信息等) ，并根据这些信息做出正确反应的机制， 它既包括协议栈的上层对下层变化的自适应，也包括下层对上层要求的自适应。 跨层设计即是要求网络设计在模糊层次分隔和跨层优化功能上进行改革，通过在 协议栈的各层之间传递特定的信息来协调协议栈各层之间的工作过程，使之与无 线通信环境相适应，从而使系统能够满足各种业务的不同需求。 随着无线通信的发展，为了提供更好的性能，就必须对网络协议进行优化， 根据解决的问题不同，可以把跨层优化分为五类，分别为提高t c p 性能、降低功 率消耗、跨层保护策略，提供q o s 保证和安全性。 跨层设计思想可以为无线网络设计带来如下优势： 灵活性。跨层设计可以使每一层内针对每种可能的资源，以及多层之间的 需要快速地进行适配，更好地满足不同信道条件内更高数据速率的要求。通过与 信道状况相适应，并且相应地选择调制和编码方案，可以大大改善o f d m 等高速 物理层技术的性能。 动态优化。真正的优化不仅要求跨层设计，还要求有跨层适应性。跨层适 应性将允许所有网络功能在不同功能之间传送信息并适应，以便满足q o s 需求变 化、网络负载变化和信道条件变化的要求。不难看出，跨层网络设计要求网络各 层的静态优化，而适应性要求跨层动态优化。 无线网络跨层优化的设计思想仅仅提出并研究了一段时间，可以说还处在完 善阶段。虽然它能提高无线网络的总体性能，但同时也会存在一些问题： 1 ) 全网络设计和优化极其复杂，特别是试图进行实时动态优化时； 2 ) 优化时使用的尺度问题。网络各层( 功能) 传统上有各自隔离的优化准则， 例如物理层的设计基本上集中在减小误比特率，m a c 层的设计在于节点的数据通 过速率或信道的有效性，网络层的设计要求时延或路由效率。用什么尺度能代表 所有这些要求并且把这些要求一起优化是涵待解决的一个问题。 未来无线通信系统是一个动态的和自适应的系统，可以提高频率分配和管理， 适于结合动态及快速的自适应多层路由技术、智能无线电及自适应组网技术优化 系统性能，而跨层设计思想成为有力的助手。 1 2无线通信系统中的调度算法综述 对于移动通信系统来说，未来各种增值业务( 如视频点播、上网浏览等) 的 引入将会导致上下行链路的业务量相差较大，会以下行链路业务为主，其发展趋 势与固定的i n t e m e t 相似l 。 6 引言 无线资源管理功能主要由分组调度算法来实现，研究先进的分组调度算法是 提高数据业务吞吐量、保证用户间公平性、满足业务q o s 的根本方法。分组调度 要解决的基本问题是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。 1 2 1无线资源管理概述 无线网络是一个动态网络，随时都有用户发出呼叫、终止呼叫，并在网络内 部移动。因而，现代的无线资源管理技术应该是实时的并能充分利用网络内部的 有效资源，使得满足服务质量的用户数目最大化。 对于无线系统而言，无线资源既可以是频率，也可以是时间，还可以是码字， 它的概念是广泛的，由于移动通信系统都是资源受限的系统，而与此同时用户的 数量却在持续地高速增长，用户对于服务质量的要求却同渐提高，因而如何高效 地利用有限的无线资源来满足日益增长的用户需求，成为移动通信系统设计的重 要问题。 无线资源管理的目标就是在有限的无线资源下，对移动通信系统的空中接口 资源进行规划和调度，在保证一定覆盖和服务质量的情况下，尽可能多的接入用 户。无线资源管理的内容主要包括以下几个部分：接入控制、调度、功率控制、 切换等【i 】。 接入控制毒 接入控制决定的是一个呼叫是被接入还是被拒绝，在c d m a 系统中，由于对 频带的共享，若发生不可预测的过负荷，会影响整个系统的容量和服务质量，从 而对所有链路的q o s 产生负面影响。所以，设计好的接入策略不仅可以保证新接 入用户的服务质量，对整个系统的资源利用都有重要的意义。 调度 调度主要是结合无线链路特性，实现对无线资源的分配。在b 3 g 移动通信系 统中存在大量的分组数据业务，不同的用户有不同的q o s 要求，这就需要调度器 根据用户状态和服务要求进行资源的合理分配，调度算法的好坏对整个系统性能 的好坏具有非常重要的影响。 功率控制 功率控制的目标在于为每个用户提供合适的功率，同时减少对其他用户的干 扰。在移动通信中，系统的信道容量主要受限于其他系统的同频干扰和系统内其 他用户的干扰，所以进行功率控制要在保证通信质量的条件下，尽量减少发射信 号的功率，从而提高信道容量。 7 北京交通大学硕士学位论文 切换 切换技术主要保证移动用户中断在通话过程中，从一个基站覆盖区移动到另 一个覆盖区或者从一个移动交换中心的服务区到另一个服务区，用户的服务不中 断。切换不仅要保证用户在穿越边界时仍能进行j 下常的通话，而且还要做到快速， 有效，从而降低整个系统的干扰，减少掉话。切换技术主要包括：硬切换、软切 换、更软切换、频率间切换和系统间切换。随着未来移动通信系统所能服务的业 务种类越来越多，用户对通信质量要求的不断提高，对切换技术也提出了更高的 要求。 1 2 2调度算法的研究现状 调度算法是无线资源管理的一个核心机制，是解决多个业务竞争共享资源问 题的有效手段。分组调度实现对链路带宽的管理，按照一定的规则来决定队列中 选择哪个分组进行发送，使得所有输入业务能够按照预定的方式共享输出链路带 宽。 随着无线通信技术的发展，无线资源管理的内容逐渐被充实起来，也越来越 受到重视，分组调度算法作为无线资源管理的一个核心技术是b 3 g 通信系统研究 的热点之一。本文综述了调度算法的发展历程和目前的研究现状，分析了无线通 信系统调度算法的研究趋势并得出了结论。 无线资源管理功能主要由分组调度算法来实现，分组调度是解决多个业务竞 争共享资源问题的有效手段。分组调度算法的研究可以追溯到上世纪8 0 年代，这 时期的调度算法主要针对的是有线网络。 有线网络的调度算法研究过程中提出了很多非常有用的调度算法，主要有以 下几种【6 】【1 2 】：p q 和q l t 等基于静态优先级的调度算法；r r ，w r r ，d d r ，u r r ，s r r 等基于轮询的调度算法；w f q ，w f 2 q ，w f 2 q + 等基于g p s 理想化流模型的调度算 法；d e l a y - e d d ，j i t t e r - e d d ，r c e d f , d c e d f ，e e d f 等以提供时延保证为目的的 调度算法。 无线网络的调度算法研究是在有线网络的研究之后发展起来的，r r 等调度算 法的思想随后也逐渐被运用到无线通信系统中来。1 9 9 9 年，s o n g w ul u 等人在【。7 】 中，根据流公平队列( g p s ) 和加权公平队列( w f q ) 的模型，提出了针对蜂窝结构 无线网络分组调度问题的无线流公平队列( w f f q ) 和理想无线公平队列算法 ( i w f q ) 。i w f q 是基于无线信道状念的调度算法，在公平性和q o s 保证方面有 一些众所周知的优点，但是它也存在一些局限性，首先，由于最小结束时问的分 组拥有绝对的优先权，当对一个前面滞后的流进行服务补偿时，其他无误的流根 引言 本就不会被服务；其次，滞后的流从错误中恢复后可以得到更多的补偿，会导致 其他没有错误的流在更长的一段时间罩无法接受服务。 1 9 9 9 年，文蒯1 3 】对最大c i 调度算法进行了仿真分析，在这种调度算法下， 较高c i 值的用户比较低c i 值的用户具有更高的分组传输优先权。因为所有的信 道资源都可以分配给单个最好信道条件的用户，调度器以牺牲公平性为代价达到 更大的系统容量。由于其优良的吞吐量性能，很多文献将运用该调度算法获得的 吞吐量作为系统最大吞吐量的参考值。 2 0 0 0 年，j a l a l i 等人提出p f 调度算澍1 4 】，该算法是q u a l c o m m 公司提出用于 c d m a 2 0 0 01 * e v - d o ( h d r ) 的一种算法，这种算法兼顾了吞吐量最大化和公平性。 由于该算法所表现出来的良好性能，目前新一代无线通信系统中的调度算法多是 对该算法的一种改进，或者运用了该算法的某些设计思想。 根据近年来的相关文献，可以看出，目i j i f 无线通信系统的调度算法研究主要 有如下两个方面： 1 、对原有调度算法，例如对p f 、i w f q 等经典调度算法进行改进【阁。文献【1 5 】 提出一种修正的比例公平调度算法，利用自适应调制编码a m c 和有限信道状态信 息反馈，在最大化吞吐量的同时也能为多用户m i m o - o f d m 系统下行传输的多媒 体用户保证最小数据速率要求。 2 、结合现有新技术和新的设计理念进行调度算法设计。这主要有如下几个研 究方向：一是基于波束成型的调度算法研究，例如文献【16 】。【1 9 1 ，二是基于信道状态 信息的调度算法研究，例如文献【1 9 】【2 ，三是基于效用函数提供一定q o s 保证的调 度算法，例如文献【2 2 1 ，四是基于跨层思路考虑的调度算法，例如文献【1 6 】【1 7 】【2 3 】 1 2 4 1 。 对于m i m o o f d m 系统而言，目前的调度算法研究相对较为充实。文献【1 6 】研究了 基于波束成形多用户m i m o o f d m 系统的调度算法。利用波束成形向量来将 m i m o 信道转变为相应的s i s o 信道来发送数据包。然后自适应地分配物理层的无 线资源。算法在满足大多数用户的q o s 要求，获取系统高吞吐量的同时，在丢包 率，包延迟方面也具有很好的性能。文献【2 3 】是基于跨层的调度算法，为 m i m o o f d m 系统提出了一种联合设计物理层子载波，b i t 和功率分配以及数据链 路层的调度的跨层自适应资源分配和调度算法。算法在吞吐量，平均包延迟和系 统稳定性上获得了较好的效益。 这些调度算法从不同的角度出发研究如何提高系统性能，以及如何对用户提 供足够的o o s 保证。 1 2 3调度算法的研究趋势 9 北京交通大学硕士学位论文 未来的无线网络应用中，基于分组的多媒体业务将得以蓬勃发展。为了适应 这种需求，保证各种不同业务的q o s ，并同时对无线资源加以优化使用，需要结 合无线链路特性，对分组进行调度。 目前，与跨层思想相结合的调度算法是研究的热点，利用效用函数思想对算 法进行优化改进，也是调度算法研究的一个重要思路。针对不同的无线通信系统， 例如m i m o m c c d m a 系统，设计适合于该系统的调度算法亦是系统设计的一个 重要方面，有必要应用跨层、效用函数等思想设计相应合适的调度算法。 1 3 选题意义 在过去的几十年中，从建立在f d m a 基础上的第一代模拟移动通信系统，到 现在广泛应用的建立在数字蜂窝移动通信系统基础上的第二代移动通信系统，移 动通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大地推动了社会的发展。如今第 三代移动通信技术也已商用，各个国家和相关国际组织都纷纷着手第四代移动通 信系统的研究。在中国，研究后3 g 系统的工作也在如火如荼的进行着。 m i m o m c c d m a 系统和m i m o o f d m 系统都是未来移动通信中非常有前 景的方案，建立在这些体系上进行的无线资源管理算法研究具有十分重要的现实 意义。目前，对移动通信系统中的调度算法研究已有较长时间的积累，已经有部 分关于m i m o o f d m 系统下的调度算法研究，但是还没有专门针对m i m om c c d m a 系统的算法设计，本文着眼于这两个系统下的调度算法研究，具有重要的 意义。 1 4 本文的主要工作和结构安排 为突破3 g 核一i i , 技术的局限性，满足人们对高速、动态无线业务不断增长的需 求，未来移动通信在理念与核心技术上都将产生革命性的变革，使无线通信的频 谱效率、容量和速率比之3 g 取得突破性的提高。m i m o 和o f d m 技术的结合能 够解决带宽效率和多径衰落问题，是公认的未来无线通信系统的核心技术，而 m c c d m a 方案由于可以采用频率分集，其优良的性能是未来移动通信系统最具 竞争力的方案之一。 无线网络调度算法作为无线资源管理的一个核心机制，是下一代网络设计的 一个重要方面，在网络性能优化方面起着举足轻重的作用，调度算法的研究具有 i o 引言 十分的必要性。 基于上述背景，本文主要研究m i m o 0 f d m 系统和m i m om c c d m a 系统下 的调度算法，本人的主要工作包括以下几