（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中分组调度算法及呼叫控制信令的研究与实现.pdf

移动通信蜜家簧点实验室疑士学位论文隶i 轫失。璺 摘要 无线资源管理作为保证3 g 无线网络中q o s 的莺臻算法，一直是人们研究韵热点。而分组调艘 算法 乍为无线资源管理算滤的关键部分，在无线鼗据龅务澎成市场主流驰今天，其作用羧显褥更为 突出。本文重点韪在w c d m a 系统中研究分组调度算法，结台w c d m a 系统的实际情况，提出了 s d c d g p s 算法。贯， 还舔究了w c d m a 蟮叫控割程m s 翻黢实现撬髑。 论文首先介绍了有线通信的经典g p s 调度原理，由此引出一般的无线公平分组调度框架以及性 能评价措标，在戴框絮下仿真努橱了两种较为透孺静无线公平分组调馥算法c t f * 0 捐v w g p s ；想 这丽种算法没有考虑到c d m a 系统的功控罄问题，故无法在w c d m a 系统中采用。 在w c d m a 系统中，为每个业务流分配传输信道时必须考虑到连接所需要的发送功率。通道引 入功率搬数和名义窑量的概念，论文分析了c d m a 蓉统的分缌调度理论基础；概要介绍tw c d m a 标准建议的基于c i 的调度过程和r r 调度过程；通过对c c d g p s 调度算法的分析和仿真，发现裔 毖要赞跨一秘赣瓣分组谖攫尊法来宠黢c c d g p s 冀法无法实际应塌瓣缺点。本文提窭了一静改进 算法s d c d g p s 算法，该算法对时延敏感性业务流和麓错敏感性业务流区别对待，并根据 w c d m a 系鲮速攀分琵翁离敬整、各释盈努滚豹淫麓撂标稷菇醴及痞遴祭静静不同，综合考瘩各个 业务流的最终服务速率。仿真表明，s d c d g p s 算法通用于w c d m a 系统，性能优越。 在论支的最露，结台作者在赢丈通信公司参与毯家8 6 3 计划“第兰代移动通信系统片上系统” 重大专项的科磷与开发，研究了w c d m a 系统呼叫控制在m s 侧的实现，并完成了两种实用算法基 实现多窝体c c 模块。 【关键词 w c d m a ，分组调度，g p s ，c i f 。q ，v w g p s ，功率指数，名义容量，c - c d g p s ，s d c d g p s 殍删控涮，c c 多实律。 移动遗髂蕊家重点寓驻室灏士学位玲义 a b s t r a c 罩 隶渤太磐 i n t h i r d g e n e r a t i o n ( 3 g ) c e l l u l a r c o d e - d i v i s i o n m u t t i p l e - a c c e s s ( c d m a ) s y s t e m s ，r a d i o r e s o u r c e m a n a g e m e n tp r o t o c o l sr e q u i r ea ne f f i c i e n tc o n t r o ls c h e m ef o rp a c k e tt r a n s m i s s i o nw i t hn e g o t i a t e d q u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q o s ) 。o n eo f t h ep r o m i s i n ga p p r o a c h e st oe f f i c i e n t l ys u p p o r tq o sf o rp a c k e tt r a f f i ci st o e m p l o yar i g h ts c h e d u l e r , w h i c hc a r ld y n a m i c a l l ya l l o c a t eb a n d w i d t ht os e r v i c ef l o w si na c c o r d a n c ew i t h t h ev a r i a t i o no f t r a 币c1 0 a da n dc h a n n e lc o n d i t i o n s ，b a s e do nt h eb a c k g r o a n d d y n a m i cf a i rs c h e d u 】i r l gw i t h o o sc o n s t r a i n t si ss m d i e di nt h i sw o r k a sa n o t h e rl m p o r t a n tp a r to f t h ep a p e r , t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o n o f c o l lc o n t r o ls i g n a l i n gi nw c d m as y s t e mi sa l s os t u d i e d g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n 烈g p s ) i sa ne f f i c i e n t ，f l e x i b l ea n df a i rb u tu n r e a l i z a b l es c h e d u l e ro r i g i n a l l y p r o p o s e df o ru s ei nw i r e de r r o r - f r e ee n v i r o n m e n t s i no r d e rt oe m u l a t eg p si nw i r e l e s sn e t w o r k s 、ag e n e r i c f r a m e w o r kf o rw i r e l e s sf a i rs c h e d u l i n gw a sp r e s e n t e d a st w oi n s t a n c e s ，c h a n n e l c o n d i t i o ni n d e p e n d e n t f a i rq u e u i n 颤c i f - q ) a n dv a r i a b l ew e t 曲tg p s ( v w g p s ) a r ei i l u s t r a t e da n ds i m u l a t e d 。d d et ot h ea b s e n t c o n s i d e r a t i o no fp o w e rc o n t r o l 诬c d m as y s t e m s ，t h et w oa l g o r i t h m sc a n tb ea d o p t e di nw c d m a s y s t e m s a sj sk n o w n ，t h et r a n s m i tp o w e rm u s tb ec o n s i d e r e di ne v e r yr a d i ol i n kw h e nt r a n s m i t t i n gd a t ai nc d m a s y s t e m s t h ec o n c e p to fp o w e ri n d e xa n dn o m i n a ic a p a c i t ya r ee d u c e ds oa s t or e s e a r c ha n dd e s i g n a p p r o p r i a t es c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nc d m as y s t e m s 。a f t e rd i s c u s s i n gt h ec , qb a s e ds c h e d u l e ra n dr r s c h e d u l e rr e c o m m e n d e db yw c d m as t a n d a r d s ，c r e d i t b a s e dc o d e d i v i s i o ng p s ( c c d g p s ) a l g o r i t h mi s i l l u s t r a t e da n ds i m u l a t e d c - c d g p sa l g o r i t h m ，h o w e v e r , h a sn oc o n s i d e r a t i o no fd i f i e r e n te b n o r e q u i r e m e n t sa n dt h ed i s c r e t er a t ea l i o c a t i o nf o rv a r i a n tf l o w s s oam o d i f i e dc d g p ss c h e m ew i t ht h e g e n e r i c n a m es e r v i c e sd i f i e r e n t i a t e d c d g p s ( s d c d g p s ) j sp r o p o s e d 。w h i c hi n v o l v e ss e r v i c e s d i f i l e r e n t i a t i o nm o d e l ，n o m i n a lc a p a c i t yd y n a m i ca l l o c a t i o nm o d e la n dc o m p e n s a t i o nm o d e l s i m u l a t i o n r e s u l t sa r ep r e s e n t e dt od e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o v i d e ds d c d g p ss c h e m e si nt e r m so f d e l a y , f a i m e s sa n ds y s t e mu t i l i z a t i o n t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o u n d e dd e l a yc a nb e p r o v i s i o n e df o rd e l a ys e n n f i v es e r v i c e sa n ds h o r t 。t e r ma n dl o n g - t e r mf a i r n e s sc a nb ea s s u r e db yu s i n gt h e s d * c i n 3 p ss c h e m e s ，a l s ot h es d c d g p sa l g o r i t h mi se a s i e rt oi m p l e m e n ta n dm o r es u i t a b l ef o r w c d m a s y s t e r n s a st h es e c o n dp a r to f t h ep a p e r , d e t a i lr e s e a r c ho f c a l lc o n t r o l ( c c ) i sp r e s e n t e di nt h ep a p e r c ci st h ek e y a s p e c t o ft h en o n - a c c e s ss t r a t u m ( n a s ) a n di s r e s p o n s i b l e f o rc a l l s e t u p 、c o n n e c t i o n e s t a b l i s h m e n t m a i n t e n a n c ea n dc a l lc l e a r i n g t h ei m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s mo fc co nm ss i d e i s i n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s m ，t h ed e v e l o p m e n tr e s u l t ss h o wh i g hc o n f o r m a n c ew i t ht h e s t a n d a r d st w op r a c t i c a la l g o r i t h m st oi m p l e m e n tm u l t i p l ec ce n t i t i e sa r ep r e s e n t e dt ob r i n gt h e p a p e rt o a ne n d i n d e xt e r m s w i d e b a n dc d m a ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，g p s ，c i f 。q ，v w g p s ，p o w e ri n d e x ， n o m i n a lc a p a c i t y , c - c d g p s ，s d - c d g p s ，c c ，m u l t i p l ec ce n t i t i e s 1 i 学位论文独创性声明 本人声明所整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 袋。尽我所知，滁了文中特别加以标注和致谢的避方外，论文中不包含茭媳人愁经发表 戏撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学藏其它教育机构的学位戏证书面使用过 豹蟪精。与我一阕工痒瓣溺志怼本磅究繇鼗的任馋贡献鹭已在论文孛俘了鞠确懿谖羁著 鞭示了谢意。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科举技术信息研究所、国家图书馆有权保髓本人所送交学饿论文的 复印搏秘奄子文魈，霹黻采溺影印、缝帮或其键复裁手段镶存论文。零天电子文搂熬内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被套阅和借阅，可 获公布( 惫括铡登) 论文静全都或部分内容。论文静公雍( 包摇聪登) 授权东南大学磷 究生院办理。 勺彳l 日期：知以、 一一 ：篓! 兰鉴丝 _-_。_d一一一 第1 章绪论 第三代移动通信系统( 3 g ) 是在如下背景下提出的：2 g 的频谱赘源有限，频率利用率不高： 2 g 的锩镧混乱，不葡体制润弱漫游润题难珏解决；对于移动多媒诲、监务秘移动i m e m 虬、监务钓需求 明显。为此，在t m t - 2 0 0 0 的框架内，确定了三种主流标准：w c d m a c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 。 本论文在w c d m a ( f d d 模戏) 系统的基础上，磅变了确保韭势毅务霞璧( q o s ，q u a l i t y s e r v i c e ) 的关键闽题分组调度，探讨了移动台侧呼叫控制倍令的实现。本章着重讨论论文背景e 1 1u m t s 系统溉述 u m t s ( 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 ) 系统f l j 包含授多弼络元素，每个元素都帮 特定的功能。按照功能，网络元索被分成无线接入网( u t r a n ) 在3 g p p ( t h e3 “g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 中被称为w c d m a ，和核心网( c n ) 。u m t s 系统的基本缭秘见图1 1 。 执 l l l l i 备注；u e ：醛s e fe q u i p m e n t ； r n or 8 d i o n e t w o r kc o n t r o l l e r ； u q i r m 随u n h 删t e 心哺吐k a d l c a c c e s s n e t w o r k ；r _ n s = r a d i o n e t c , o r k s u b s y s t e m c nc o r en e t w o r k 强1 1u m t s 系统浆基本缝掏 作为u m t s 的空中接口部分。w c d m a 包括u t r a n f d d 和u t r a n t d d 两个含义吼表1 1 概摆了w c d m a 翁主要系绞参数。 表1 1w c d m a 的主要参数 项目项秘描述及参数 多址接a d s - c d i v l a ( 宽带喜扩码分多址) 基站同步异步方式 频谱努配f d d 壤式：上抒t 9 2 0 - 1 9 8 0 m h z ；下行2 lt 0 - 2 1 7 0 m h z 。 t d d 模式：上行1 9 0 0 1 9 2 0 m h z ；下行2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 。 载波间隔5 m h z 码菏速率3 8 4 m c h i p s s 无线帧长1 0 m s 调制方式( r 9 9 ) 上行：b p s k ；下行：q p s k 功率控制频率 1 5 0 0 h z 业务复用有不同服务质鬣的业务贸用到一个连接中 梭测 使蠲鼯藏薅号或公共导颧进行稳关捡涮。支持多嗣户检溺 q o s 控制 无线资源管理算法 移动遂德器寡重点实验室联j = 学氇论竞 秉t 匆欺擎 目前w c d i v l 存在r 9 9 、r 4 、r 5 、r 6 等多个版本i j n “，每个版本部在前版本的基础上增加了 裁的功能，核心丽两麓全l p 的溉络缝稳发爱。 r 9 9 版本子1 9 9 9 年4 月形成第一个版本，2 0 0 0 年3 月全部完成。r 9 9 的核心网继承了g s m 以 及g p r s 核心网的网络特征，在u t r a n 和c n 闻使用a t m 承载方式。 r 4 敝本子2 0 0 1 年3 茸完或定稿蔽本。r 4 翻最大变纯是诲m s c 拆分戏m s c 瓣务器和多媒体溺 关m g w 两个网元，实现了呼叫控制与承载的分离，开始向全1 p 的网络架构演进。 r 5 龌零予2 0 0 2 年9 月冻缝。r 5 ； 入了j p 多媒体子系统( i m s ) ，增加了坪叫控丧鼹务器( c s c f ) 、 媒体网关服务器( m g c f ) 、磁目网关控伟功能 0 ) ，设s x r ，t ) 是业务溅i 在，堰阃隔内获锝的暇务，楚始终有数 据在队剐中等候调度的业务流数日，则g p s 调度原则由下式确定： 黑拿i ，2 ，n ( 2 _ 1 ) s ，( r ，)妒， 。 、 校攥( 2 一1 ) 式遣务漉f 努酲嚣静激务速率# 至少为： i = r 睡，穆( 2 - 2 ) g p s 有两个强著的优点： 只簧、监务瀛i 激逮率t 接牧鼹务，溉g p s 蒇l 够严横陵裁娩务流i 端刭；赛弱瓣廷上疆； 最大公平性。它给所奄、监务漉提供了 嚣斡归一纯服务。邸巨业一! ! ! 型雀：。 o 但g p s 算法雉以物理实现，因为g p s 假定每个业务流的分组都能够被无限分割下去。 麓了蒺褥或遇逅g p s 熟睦髭，稷多算法竣挺了惑瘩。p g p s ( p a c k e t g p s ) 簿法秘( 也称w f q ： w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 就怒其中的一种。p g p s 引入了虚拟时间( v i r t u a lt i m e ) 函数v ( t ) 的概念，v ( t ) 跟踪记录了g p s 在忙期内所提供酌服务累计最。矿( f ) 按下式计算 y ( f ，一，+ f ) 慧y ( f ，+ t ) + f 影，疙，f s f ，一，、i ，歹= 2 3 ，a ，勘打胁? ：矿( o ) = o 。( 2 - 3 ) 移动透簿国家重点实验室磺士学位论文 秉l 务太警 班假设业务流f 鼓j 9 4 k 个分组露在名( p ? ) 对t 达，譬是岔分娟的长度。澄s ( ) 是该分组开 始姣收服务时的虚拟时间，即开始标记( v i s u a ls t a r t t a g ) ：设，( p ? ) 足分绡服务完成时的虚拟时问 郎完成标记( v i s u a lf i n i s h1 a g ) 。取z ) 和f ( 贫) 根据下戒计算 | s ( 露) 。m 然 y ( 奠( 霞) ) ，f ( 岔。) ) ，1 ；( 2 - 4 ) l f ( 群) = s ( 雳) + 茸砖，f ( o ) = 0 ， 鲻p g p s 篓法可攥述为：警一个分经至达潜，更薮纛季鼗对闻，将劳缝打：曩= 接轹逛稳完藏标记。 根据这些标记，调廉器首先服务具有最小完成标记的分组。 2 2 无线网络审的分缀调度 2 2 1 无媛分组调度器的基本结构 青线赣凌提蹬了报多调覆葬法，餐著不能蠢续逝翻予无线镁域。这整妇无线遵信区剐予有线通 信的特点所决定的，这些特点有：商差错率和突发错误：与协置有关的、时变的无线链路容量； 鞴有的带宽资源；用户妁移动性：移动终端鲍功枣限剁；茑等。 阁2 1典型的无线调度器 无线分组调度器示意强冤雷2 1 。通常在设计无线分组调度算法对涉及的模型有p j i q 口j ： 无差错业务模型( e l t o r - f l e es e r v i c em o d e l ) ：在无差错信道条件下，调度算法如何处理各地务流。 超蘸，滞后模型补偿时隙从备用的补偿信道中分配。s b f a 采用此方式。 两方式2 ( 在超前进务流和滞嚣避务濂之间交换时隙) 能更好实现无线公甲暇务吼 在不两静滞看鼗努流之薤势酝氇霹在3 方式： 具有最大t a g 的滞后业务流获得补偿时隙，c i f 。q 采用该方式。 避避维护业务流变成滞后的时刻，根据这些肘剡的先后顺序来补偿。i w f q 和s b f a 采用该方 式。 公平补偿每个滞稻业务流，即根据每个滞厉业务流的面g ，按比例分配。w f s 采用此方式。此 方式在短期公平性( s h o r t - t e r mf a i m e s s ) 方面熨具优势，但计辫复杂。 2 , 2 。1 4 信道袄态簸糍预测模型 光线信道的很多麓错都是突发锚误，相继时隙间相关性很强，似在某一长期时间内可能不相关。 因此，可以通过一个糟状态豹 p e ：p a c k e tc o r r u p t l o n p r o b a b i l l y 霸2 2 嚣凝悫m a r k o v 无线藩邀 一般常用两状惑离散m a r k o v 链来估计信道，见图2 2 。其中一步转移概率为： 孙。廿6 幻打妙 信道下一个状态是b a d 信道当前状态是g o o d ；巩g = p r o b a b i l i t y 信道下一 个状态楚g o o d l 信遴当静状态是b a d ) 。纹是努蜒傣输失败的概率，当信道处于g o o d 状态时，分缫 无差错传输( n = 0 ) ；当处于b a d 状态时，分组传输可能出现差错( 0 p 。蔓1 ) 。 巍m a r k o v 链楚予稳定菝态时，设信道鼹g o o d 状态穗态概率为吃，信遵的b a d 状态稳态概率为 耐2 誊无线通信系统中曲分组调度 b ，则有：圪= p 虹( p 舻十) ，吃= 段b ( p 曲+ 如) 。 2 2 i 5时隙队i i 和分组队列模型 在有线领域的公平排队算法中，分组一到达就被打上标记，在没有信道差错的情况下( 即分组 被成功发送窝接收) ，这罩申处理很合理；然蕊，在无线通信中，囊于售避条l 孛的时刻变他，蒺镬敏感 睫业务流的某些分组可能需要重传，若将这黪需要重转的分组樽打上标记只能使得它们摊在队列末 尾，显然这样会打乱分组的发送次序。 一般需要理确区分“糍薅发送下一令分缀( w h e nt os e n dt h en e x tp a c k e t ) ”秘“下一个渡发送灞 个分组( w h i c h p a c k e t t os e n dn e x t ) ”这两个问题，此时要将“时隙”( 信道分配的粒度) 和“分组” ( 数据发送的粒威) 分别开来。每个业务流产生两个队列：时隙队列和分维队列。当一个业务流的 分组到这分组酞翔螽，在辐应静对黻陵列中也同步产燕一个对隙，并校耀无线公平分组诵度算法打 上标记。每次调度时，调度器决定哪个时隙可以分配到信道中，并发送分组队列中对成的h o l ( h e a d - o f - l i n e ) 分嫒( 亦都分缎队列中鲍第一个分组) 。每个业务涟时骧敬到中鲍时臻数私分组队列 中的分组数总是一致的。著分组到j 发时的( 数蓬) 大小相同，在此模型下，差错敏感性业务流在h o l 分组发遴失败时不会删除h o l 分组，而时戤敏感性业务流在h o l 分组排队等候超过某一时延上限 蓐硬删除该h o l 分缝。 2 2 1 6 无线公平分组调艘算法的一般框桨 从上面可看出，在无线系统中进行公平分组调度掉法一般具有如图2 , 3 所示框架结构。 前葫瀛卜苫 一 、 e i 蝥无镑l ；广 立二一一 椒据无错参考镇骂! i 选择数据漶f l 慧 嚣 执行补偿算法 并琏择轻爰避 香 一 香 蠡堡 否0 挂攘“莛蒋璃精攘受” 勰名鹳 、迪移r i 嚣 发送f l 的 h o l 分组 发送弦聃 h o l 丹姻 圈2 3 无线公乎分缓递艘冀法静一簸挺繁 2 2 。2 无线分缀调度箕法的关注重点 评价一个无线分组调虞算法往往从以下几个方面祷手 9 移动递信莓家重煮实羚室臻土学控论文 隶 密太警 高效的链路利用率( e m c l e n tl i n ku t i l i z a t i o n ) ：算法必须有效利用无线信道。这意味着，在业务 渡处f 蓑链售遭时赣不为该监务渡分配对黻。 时延上限( d e l a yb o u n d ) t 对于时姬敏感性业务流要确保时延不能超过某一阂值。 公平性( f a i r n e s s ) ；算法要能保证资源在所衣业务流中公平分配。它应该在无差错信道条传下懿 、监务巍闻提彳荽鬟期公平饿( s h o r t 1 e r m 轻i m e s s ) ，在麓错信道条件f 的韭务流阊鼹供长期公平性 ( 1 0 n g l e r r nf a i r n e s s ) 。 吞吐鬟( t h r o u g h p u t ) ：算法能够旗保短期的霉睦量鞫长翘弱器睦量。 实现复杂度( i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y ) ：算法复杂艘要低。这在高速通信时尤为重要。 平滑的服务质量下降( g r a c e f u ls e r v i c ed e g r a d a t i o n ) ：当超前业务流放舞服务时爰确保服务能够 平浯下海。 2 3 典型无线分组调度算法 在无线网络中会存在两类差错：其一，“与位置有关的差错”( 1 0 c a t i o n - d e p e n d e n te d f s ，这类 差谨其与特是的移韵终端翡铬遭有关；其二，“信遭范强鹩差锋”( c h a u n e b 耕i f i e e r r o r s ) ，这粪麓错发 生在所有用户所共攀的信道上。 本节麓霪分拆了c 1 f q n 和v w g p s ( v a r i a b l ew e i g h tg p s ) 蕊静笼线分缀调痊算法。c i f - q 算法分析了“与位餐有关的差错”，而v w g p s 算法分析了“信道范围的差错”。 2 3 ，1 c i f q 篝法 8 1 文献1 8 l 认为：程无线避绩环境中，单凭g p s 舞法中的虚搬避润摄割甭是鞋实巍涌瘦功窝最大 公平性处理，这主蘩是因为无线信道的差错往往与位置宵暮。 要在与位置差错相关的光线环境中实现公平分组调度，须解决两个主要问题：( 1 ) 如何将处于 茔镶繇境下垃务渡鹣斑褥援务分配绘楚予无差镣环境下豹进务瀛? ( 2 ) 当过去链子差错环凌下翁韭 务流在信道状态转为无差错环境时，如何获得补偿以弥补失去的服务? 如下的c i f p l ( c h a n n e l c o n d i t i o ni n d e p e n d e n tf a i r ) 性质鳃答了这两个嘲题： 对延上疆帮吞醯藿缳证( d e l a y b o u n da n d t h r o u g h p u t g u a r a n t e e s ) ：信道簸于无差错状态鳓、证务流 的时殛不能超过一定上限，并要保证它们的吞吐