（通信与信息系统专业论文）tdhsupa的分组调度算法研究.pdf

摘要 j j i i i f l r f f i i l lr l i ii f lrl i ip i 删 y 2 0 6 6 9 5 9 高速上行分组接入( h s u p a ) 技术是当前t d s c d m a 系统演进方向上的阶段性 重要研究课题，随着t d s c d m a 网络应用的展开与发展，t d h s u p a 技术将得到 重要应用。为进一步提升网络上行性能和改善用户的业务感受，对分组调度技术 进行研究是很有必要的。 本文从i i ) h s u p a 技术的基本原理出发，重点讨论了快速分组调度技术，并 提出改进算法m m l w d f 算法。 首先基于非n o d eb 控制的调度模式下非调度资源不能被充分利用的现状， m m l w d f 算法在非调度资源空闲阶段将其归入到调度资源中进行数据传输。然 后针对经典分组调度算法没有考虑用户q o s 保证速率的差异性、缓存的有限性， m m l w d f 算法把m l w d f 算法中的用户平均吞吐量替换为由用户q o s 保证速 率定义的用户满意度，并引入了因队列满而造成的预测丢包率，从而提高了用户 公平性，降低了系统丢包率。 最后用m a t l a b 对m m l w d f 算法进行了性能仿真，从理论分析和仿真验 证两个角度论证了算法的优越性。 关键词。高速上行分组接入快速分组调度m l w d f 算法 a b s t r a c t t d h s u p at e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a n ts t a g e dr e s e a r c ht o p i ci nt h ec u r r e n t e v o l u t i o nd i r e c t i o no ft d - s c d m as y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft d s c d m a n e t w o r k , t d - h s u p at e c h n o l o g yw i l lo b t a i na l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o n t of u n l l e r e n h a n c et h eu p l i n kp e r f o r m a n c eo f n e t w o r ka n di m p r o v et h eu s e r s b u s i n e s se x p e r i e n c e ， r e s e a r c ho np a c k e ts c h e d u l i n gt e c h n i q u ei sn e c e s s a r y i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft d h s u p at e c h n o l o g yi si n t r o d u c e df i r s t t h e nw ef o c u so nt h ef a s tp a c k e ts c h e d u l i n gt e c h n i q u e ，a n dp r o p o s e 锄i m p r o v e d a l g o r i t h m m m l w d fa l g o r i t h m f i r s t , b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o nt h a tn o n - s c h e d u l i n gr e s o u l c ec a l l n tb et a k e n f u l la d v a n t a g eo fi nn o n - c o n t r o l l e db yn o d ebs c h e d u l i n gm o d e ，n o n s c h e d u l i n g r e s o r r c ei su s e da ss c h e d u l i n gr e s o u r c et ot r a n s p o r td a t ai nm m l w d fa l g o r i t h mw h e n i ti si ni d l ep h a s e b e s i d e st h i s ，c l a s s i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sd i d n tc o n s i d e rd i f f e r e n c e s b e t w e e nu s e r s q o sr a t e sg u a r a n t e e db ys e r v e ra n dt h el i m i t e dn a t u r eo fc a c h e ，s ot h e u 辩ra v e r a g et h r o u g h p u ti nm - l w d fa l g o r i t h mi sr e p l a c e db yc u s t o m e rs a t i s f a c t i o n d e f i n e d 谢mu s e r sq o sr a t e ，a n df o r e c a s t i n gp a c k e tl o s sr a t er e s u l t e db yq u e u e b e c o m i n gf u l li si n t r o d u c e di nm m - l w d fa l g o r i t h m ，t h u si m p r o v i n gu s e rf a i r n e s sa n d r e d u c i n gt h es y s t e mp a c k e tl o s sr a t e f i n a l l y , s i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fm m l w d fa l g o r i t h mu s i n gm a t l a b s o f t w a r e ，d e m o n s t r a t i n gt h es u p e r i o r i t yo ft h ea l g o r i t h mf r o mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n k e y w o r d s ：t d h s u p a f a s tp a c k e ts c h e d u l i n gm l w d f a l g o r i t h m 第一章绪论 第一章绪论 第三代移动通信系统简介 第三代移动通信技术( 3 g ) 是一种支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。它的 引入，是为了满足用户对高速率移动数据业务和多样化媒体形式的需求，同时也 更好地推动了三网融合的发展。3 g 网络是在原有的2 g 网络的基础上平稳演进过 来的。与2 g 技术相比，它的优势是全球无缝漫游、业务灵活、频谱效率高、容量 和覆盖范围广、每个连接可提供多种业务、网络规模经济等，大大方便了客户的 使用和选择。 第三代移动通信系统采用的多址方式是c d m a 。c d m a 是一种扩频技术，它 把需要传送的具有一定信号带宽的数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随 机序列进行扩频，使原来的数据信号的带宽展宽，再经过载波调制然后发送出去： 接收端则使用完全相同的伪随机码序列，与接收信号作相关处理，把宽带接收信 号还原成原始信息数据的窄带信号，即解扩，以实现数据通信i l j 。 第三代移动通信系统共有五种标准，其中主流的有三个：中国提出的 t d s c d m a 、欧洲和日本提出的w c d m a 及美国提出的c d m a 2 0 0 0 。 在第一、二代移动通信系统的发展过程中，由于中国起步晚，技术力量薄弱， 一直处于被动地位。具体表现为国内的企业在很大程度上只是帮国外的企业组装 产品，靠劳动力赚取很少的市场份额，而大部分的市场份额却被国外的公司轻松 占有。中国没有核心技术，就不得不使用别人的专利，就得给人家付上百亿美元 的技术专利和知识产权费【2 1 。随着经济的快速发展和国力强盛，我国越来越清醒地 认识到技术力量的巨大，并也有能力与资本来发展通信技术。于是在第三代移动 通信时代到来之际，我国紧抓时机，鼓励国内通信公司努力研发具有自主知识产 权的核心技术，最终提出了自己的技术标准。1 9 9 8 年6 月，t d s c d m a 技术标准 由我国信息产业部电信科学技术研究院提出。2 0 0 0 年5 月，在土耳其召开的国际 电联大会上，国际电联正式接纳t d s c d m a 并规定其为第三代移动通信系统三大 主流标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，3 g p pt s g r a n 第1 1 次全会在美国举行。会 上将t d s c d m a 被列为第三代移动通信系统标准之一包含在3 g p pr e l 4q 口t 3 j 。这 表明该标准已经被国内外众多运营商和设备厂商所接受。这是中国在世界通信领 域中提出的第一个技术标准，标志着我国已经在世界移动通信技术领域进入了先 进行列。 2 t d h s u p a 的分组调度算法研究 t d s c d m a 标准的参数如表1 1 所示，与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相比， t d s c d m a 系统不需要使用成对的频率资源，从而可以使用f d d 系统无法使用 的频段；支持上下行非对称的传输速率，可以灵活提供数据业务：上下行可以工 作在相同的频率上，具有对称的信道互易性，便于使用诸如智能天线等新技术， 从而可以提高系统性能；采用联合检测技术，能够有效地减弱和消除多址干扰， 弥补正交扩频码互相关性不理想所带来的消极影响；通过联合进行码域、时域、 频域和空域的动态信道分配技术，t d s c d m a 能将系统自身的干扰最小化；系统 设备费用较低，比f d d 系统大约低2 0 5 0 【4 】。 表1 1t d s c d m a 标准的参数 空中接口规范参数参数内容 双工方式 t d d 基本带宽 1 6 m h z 每载波时隙数1 0 ( 其中7 个时隙被用作业务时隙) 码片速率 1 2 8 m c h i p s 无线帧长 1 0 m s ( 每个1 0 m s 的无线帧被分为2 个5 m s 的子帧) 信道编码卷积编码、t u r b o 编码等 数据调制 q p s k ( 下行链路) 、b p s k ( 上行链路) 功率控制开环+ 闭环功率控制，控制步长为l d b 2 d b ，3 d b 功率控制速率2 0 0 次s 智能天线在基站端由8 个天线组成天线阵 核心网 g s m m a p 因此，作为具有我国自主知识产权的技术标准，t d s c d m a 技术为我国i t 产业实现实质性突破提供了机遇，同时t d s c d m a 的发展也引导了全世界3 g 及 后3 g 技术的演进。目前，基于t d s c d m a 的3 g 增强技术有t d h s d p a 和 t d h s u p a 。通过引入局部的先进技术，如h a r q 、a m c 、高阶调制、快速调度 机制等，取得明显的性能提升，以满足3 g 现有网络的快速升级和部署。 高速上行分组接入( t d h s u ) a ) 技术发展 与g s m 、i s 9 5 等2 ( 3 系统相比，第三代移动通信系统能够提供更大的容量、 更高的系统吞吐量、更高的频谱利用率和更加丰富的业务。随着许多对速率和时 延要求更高的业务出现( 如高速数据的下载和上传、多用户游戏、流媒体类业务等) ， 3 g 系统要求具有更高的传输速率、更小的传输时延和更好的服务可靠性。 因此，t d s c d m a 在r e l 5 中引入了下行增强技术h s d p a 。上行增强技术 第一章绪论 h s u p a 的标准化也在r e l 6 中启动。在2 0 0 6 年2 月的r a n l 第4 4 次会议上，完 成了t d h s u p a 技术的验证工作。2 0 0 6 年3 月在三亚召开的3 g p pr a n 第3 1 次 全会上，正式通过了由我国相关企业和研究单位提出的开展t d h s u p a 标准化工 作项目的建议。2 0 0 7 年6 月在韩国釜山召开的3 g p pr a n 第3 6 次大会上已经完 成了全部标准化工作【5 】。目前国际上对于h s u p a 技术的研究仍是热点之一。 3 g p p 研究h s u p a 的主要目标是：提高上行数据的峰值传输速率，显著提高 “移动通信系统的上行吞吐量，增加系统容量，扩大系统的覆盖面，同时减少上行 分组的传输延迟，降低误码率。从而更好地支持视频点播、可视电话、多媒体、 电子邮件收发、远程信息处理、多用户游戏等数据业务。 由于h s d p a 先于h s u p a 被提出，发展起步早。目前总体来说，h s d p a 技 术较h s u p a 技术成熟，移动通信系统的下行性能能较好地满足用户对高数据速率 和业务多样性的通信要求，而上行链路的性能在一定程度上已成为限制3 g 系统性 能优势更好发挥的瓶颈。所以上行链路的性能提升亟待解决。系统的无线资源管 理是提升系统性能的重要手段，因此在无线资源管理中有着举足轻重地位的无线 分组调度技术的性能直接关系到通信系统的整体性能。对t d h s u p a 无线分组调 度算法的研究已经成为提升系统性能的突破口。 本文工作安排 研究内容和主要创新点 - - 一。 本文从t d h s u p a 技术对m a c 层和物理层所做的协议改进出发，重点研究 该系统的关键技术n o d eb 分组调度。对四种经典的n o d eb 分组调度算法进行讨 论并进行调度性能分析，最后在综合性能较好的m l w d f 算法的基础上，引入队 列长度因素和用户满意度，并利用v o i p 业务的静默期增加调度资源，提出了本文 的改进算法m m l w d f 算法，并对其进行理论分析和性能仿真。 论文组织结构 在文章的结构上，作了如下安排： 第一章是绪论，主要是介绍课题研究的技术背景，即第三代移动通信系统主 要是t d s c d m a 的发展过程以及在此基础上发展起来的t d h s u p a 技术的发展 概况。 第二章中，主要讲述了t d h s u p a 系统的技术原理。重点阐述了系统的m a c 层协议体系结构，新增物理信道和系统采用的关键技术。 4 t d h s u p a 的分组调度算法研究 第三章中，首先对无线资源管理和无线分组调度作了简单介绍，随后重点介 绍了t d h s u p a 的无线分组调度并讨论了其现有的经典分组调度算法。 第四章中，主要从三个方面阐述了本文对t d h s u p a 分组调度算法的改进： 非n o d eb 控制的调度模式改进，基于用户缓存容量的改进以及基于用户满意度的 改进。 第五章中，用m a t l a b 仿真软件对本文提出的改进算法进行仿真，给出仿真 流程，仿真结果和性能分析。 最后对全文进行总结，概括全文重点并对课题后续工作提出了建议。 第二章t d h s u p a 技术原理介绍 第二章t d h s l 刀p a 技术原理介绍 在无线通信中，新技术的使用主要体现在物理层上，从g s m 到w c d m a 和 r d s c d m a ，再到目前的t d h s u p a 系统，核心网和终端非接入层基本没有发生 改变，甚至到了接入层的d p c p 、r l c 也得到了很好的延续。主要变化体现在u u 接口的物理层上，本章不对原有t d s c d m a 相关的物理层知识进行介绍，而是介 绍t d h s u p a 所涉及的新内容，包括t d h s u p a 新增加的各种物理信道和m a c 实体。 协议体系结构 h s u p a 的协议结构 图2 1 描述了e d c h 传输信道u t r a n 界面的协议总体结构【6 】【7 】。 咖嘲啪哪 i 疋伽d出lab哦 i u r s w c 图2 1t d - h s u p a 的协议结构 如图2 1 所示，e d c h 协议结构发生了一些变化，在r 9 9 结构的基础上添加 了m a c - e e s 等m a c 功能实体。 1 u e 侧：在m a c - d 实体的下面增加了新的m a c 实体( m a c - e s e ) ，它可以 将眦- dp d u 转换成m a c ep d u ，并通过u u 接口将其传递到n o d eb 中的m a c - e 实体，从而来处理h a r q 重传、调度、m a c e 复用以及e d c h t f c 选择。 2 n o d eb 侧：新增加了一个m a c - e 实体，用于处理h a r q 重传、调度、 m a c 解复用。 6 t d h s u p a 的分组调度算法研究 3 r n c 侧：新增加了一个m a c - c s 实体，负责对从n o d eb 接收过来的m a c - d p d u 进行重排序和软合并。 h s u p a 的m a c 层结构 由2 l 小节可知h s u p a 对t d s c d m a 的改进之处主要体现在m a c ( 媒体介 入控制) 层和物理层上，所以h s u p a 性能的提升，包括无线分组调度性能的提升 主要是由m a c 层来实现的。为了更好地理解t d h s u p a 的分组调度工作机制， 本节就对u e 侧和网络侧的新增实体进行介绍。 u e 侧m a c 层的新增实体 前文已介绍过t d h s u p a 在u e 侧新增了m a c - c s m a c - e 实体，它主要用于 处理e d c h 的相关功能。在u e 端m a c - e 和m a c - e s 之间的功能没有进行划分。 在图2 2 所示的模型中，m a c - e e s 包含如下的实体： a s s o d a t e da c k n a c k a s s o c i a t e d ( s i g n a l i n g ) e u 刖p l i c c n ks h i g e - h i c h n a i l i 旧 () e 刖h a s s o c i a t e du p l i n k s i g n a l l i n g e j r u c c h m a c c o n t r o l l ； ， 、 一一 图2 2l i e 侧m a c - d e s 实体结构 1 h a r q ( 混和自动重传请求) 实体：本模块处理与m a c 层功能相关的h a r q 协议。h a r q 功能实体负责存储并传输m a c - ep d u 的有效载荷，当传输 失败时还负责其重传。每个t t i 包含多个h a r q 进程，每一个进程都与 接收方n o d eb 的h a r q 功能实体的各个进程一一对应。h a r q 协议的详 细配置由r r c 通过m a c 控制s a p ( m a c 层控制的服务接入点) 提供。 h a r q 实体提供h a r q 进程i d 、e t f c 、重传序列号( r s n ) 以及l l 使用 第二章t d h s u p a 技术原理介绍 7 的p o w e r o f f s e t ( 功率偏移) 。h a r q 传输的冗余版本从r s n 推导得到。 r r c 信令也可以配置h a r q ，实体在每一次传输中都采用r v = 0 引。 2 复用实体：负责根据e t f c 选择功能指示，把多个m a c - dp d u s 合并到 一个m a c - c sp d u s ，把一个或多个m a c - e sp d u 复用到一个m a c - ep d u 。 复用实体还负责管理和设置每个m a c - e sp d u 中的每一个逻辑信道的 t s n 值。 3 e - t f c ( e - d c h 的传输格式组合) 选择实体：主要负责根据从u t r a n 接 收的调度信息( 绝对授权) 选择合适的e t f c ，以及对映射到e d c h 上 的不同的m a c 流进行仲裁。e t f c 选择实体的详细配置由r r c 通过m a c 控制s a p 提供。e t f c 选择实体用来控制复用功能。 4 调度接入控制实体：负责选择上行调度信息信令的传递途径，如果e d c h 资源已经分配，那么选择通过m a c - ep d u 传递；如果e d c h 资源没有 分配，那么通过e r u c c h 传递。调度控制接入部分还负责生成映射在 m a c - ep d u e r u c c h 上的消息。 网络侧m a c - e s 实体 由本文2 1 节可知，t d h s u p a 网络在u t r a n 侧m a c 层新增了2 个实体专 用于h s u p a ，其中m a c - e s 功能实体位于r n c ( 无线网络控制器) 中。每个u e 在 s r n c ( 服务r n c ) 中存在一个m a c - e s 实体，m a c - e s 子层处理与e d c h 相关且 n o d eb 中没有实现的功能。图2 3 详细描述了m a c - e s 实体细节，可知其主要由 以下几个功能实体组成： f r q m m a c i n n o d b 图2 3 网络侧m a c - e s 实体结构 8 t d h s u p a 的分组调度算法研究 1 重排队列分发( r e o r d e r i n gq u e u ed i s t r i b u t i o n ) 实体：指的是基于s r n c 的配 置，把m a c e sp d u 分配到正确的重排缓冲区。这样做的必要性是由上 文可知不同的m a c - e sp d u 来自于不同的逻辑信道，而只有对应于同一 个逻辑信道的数据包才能在同一个重排缓冲区进行重排序。 2 重排( r e o r d e r i n g ) 实体：本功能指的是按照接收的t s n 号对接收的m a c e s p d u 重新排列顺序。带有连续的t s n 号的m a c e sp d u s 被发送到拆分 ( d i s a s s e m b l y ) 功能实体。如果有更低的t s n 编号的m a c e sp d u s 丢失了， 则m a c - e sp d u 不会被发送到拆分功能实体。由s r n c 控制重排实体的 个数，每个逻辑信道都只有一个重排队列。 3 拆分( d i s a s s e m b l y ) 实体：当r n c 收到的m a c - e sp d u s 要交给上层进行进 一步处理的情况下，拆分实体负责对m a c - e sp d u s 进行拆分，即去除一 个m a c - e sp d u 的头部，然后把m a c - dp d u 抽取出来并且递交到m a c - d 实体。 网络侧m a c - e 实体 u t r a n 侧的另一个专用于t d h s u p a 的新增实体则位于n o d eb 中。每一个 u e 在所属的n o d eb 中都存在一个m a c - e 实体而且n o d eb 还有一个e d c h 调度 器。m a c - e 和e d c h 调度器共同处理n o d eb 中e d c h 相关功能。u t r a n 侧 m a c - e 实体如图2 4 所示，可知其由以下实体组成。 a s s o c i a t e d a s s o c i a t e da s s o c i a t e d u p k n k u p k n kd o w n | i n k s 畸n - 畸 s i o n a 帅8 1 0 n a m n g 图2 4 网络侧m a c - e 实体结构 第二章t d h s u p a 技术原理介绍 9 1 e d c h 调度( s c h e d u l i n g ) 实体：在多个u e 问进行e d c h 的小区资源的调 度与分配，调度基于u e 上传的调度请求信息和各小区的资源情况，来对 各个u e 进行资源分配。 2 e d c h 控$ ! j ( c o n t r 0 1 ) 实体：e d c h 控制实体主要负责接收u e 上传的调度 请求和向u e 传输分配的调度信息。 3 解复用( d e m u l t i p l e x i n g ) 实体：本功能实体主要是对从h a r q 进程中上传 上来的m a c - ep d u 进行解复用，把它分解为多个m a c e sp d u s ，然后通 过r n c 和n o d eb 之间的l u b 接口，传送给r n c 中相关的m a c - c s 实体。 4 h a r q 实体：一个h a r q 实体负责管理多个停止等待f t a r q 的实例，一 个r i a r q 实例可以看作是一个r a r q 进程，并且负责生成a c k 或n a c k 来指示m a c - ep d u 的状态。若u e 发射的数据被正确接收，则产生a c k 标识，反之则产生n a c k 标识。每个u e 在所属的n o d eb 中都对应一个 h a r q 实体，其管理的h a r q 进程数与u e 中的h a r q 实体所管理的进 程数相等，它们是一一对应的关系。 t d h s u p a 新增信道介绍 t d h s u p a 在网络构成上最大的改进就是引入了e d c h 传输信道，进而就要 引入相关的物理信道。t d h s u p a 引入了增强上行物理共享信道e p u c h 来承载 相应的传输信道e d c h 。同时，引入了e d c h 随机接入上行控制信道( e r u c c h ) 、 e d c h 绝对授权信道( e a g c h ) 、e d c h 混合重传指示信道( e h i c h ) 和e d c h 上 行控制信道( e u c c h ) 5 条物理控制信道，下面重点介绍其中三种物理信道i 叭。 1 e p u c h e p u c h ( e n h a n c e du p l i n kp h y s i c a lc h a n n e l ) 为增强上行物理信道，e p u c h 用 于承载m a c - ep d u 和e r u c c h 数据。调度传输中的e p u c h 的物理资源由 e a g c h 中的参数确定，而非调度传输的物理资源在h s u p a 的无线链路建立过程 中确定。 e p u c h 支持的有效扩频因子有1 6 ，8 ，4 ，2 ，1 ，帧格式为标准的t d s c d m a 帧结构1 1 0 】，如图2 5 所示。e p u c h 支持高阶调制( 目前可以达到16 q a m ) ，以及 h a r q 过程。其使用的资源包括功率、时隙、码道等，均由n o d eb 调度分配。并 且此信道支持非调度模式，此时功率、时隙、码道等资源可以由r n c 通过高层信 令消息通知n o d eb 和u e 。 l o t d h s u p a 的分组调度算法研究 r a d i of r a m e ( 1 0 r e s ) h - - - 1 卜 f r a m e # if r a m c # i + i s u b f r a m e ( 5 m s ) 。 。 s u b f r a m e # 2 is u b f r a m e # 2 i + 1 i m cs l o t ( (。、s ) t s ot s lt s 2t s 3t s 4t s 5t s 6 图2 5t d s c d m a 物理层的帧结构 e p u c h 以t t i ( 传输时间间隔) 为单位进行使用，一个t t i 的长度可以包 括多个时隙，但是在t d h s u p a 中的t t i 长度规定为5 m s ，也即个无线子帧。 在一个t t i 期间，终端只能上传一个m a c ep d u 数据分组，目前存在一种情况， 即一个时隙既处于调度传输t t i 内又处于非调度传输的t t i 内，则终端在该无线 子帧内只能上报非调度传输的m a c - ep d u 数据。 2 e a g c h e a g c h ( e d c ha b s o l u t eg r a n tc h a n n e l ) 信道也就是绝对许可信道i 这是一条 下行共享物理信道。n o d eb 分配给l i e 的传输资源和调度许可都通过此信道下发 给u e 。所以终端在配置了调度资源的情况下，需要实时监听小区内的一组 e a g c h ，判定该信道上是否带有自己的e r n t i ( u ei d ) 。当u e 识别出自己的 e r n t i 就对此信道上承载的调度信息进行解码。e a g c h 传输资源信息需要占用 2 个码道，而且它们必须放在一起进行解码。此外，e a g c h 上还会承载t p c s s 命令，以便于在调度模式下对用户进行内环功控和上行同步调整。如果用户处于 非调度传输模式，则不需要使用此信道，所需的t p c 和s s 命令将通过e h i c h 信 道来传输。 3 e h i c h e h i c h ( e d c hh y b r i da r qi n d i c a t o rc h a n n e l ) ，即e - d c hh a r q 指示信道， 是一条增强型的下行物理共享信道。i - i a r q 反馈的a c k n a c k 信息都由e h i c h 来承载和传输。e h i c h 信道是多个上行用户共享的一个物理信道，系统可以一次 对多个用户上传的e p u c h 数据信息进行确认。在调度传输模式下，系统可以一 第二章t d h s u p a 技术原理介绍 次性完成确认处理的用户可达8 0 个之多；而如果是非调度传输模式，系统最多可 以同时确认处理2 0 个用户。 一个小区内e h i c h 的数量由系统配置，调度用户和非调度用户的确认指示在 不同的e h i c h 上传输。一个调度用户的调度传输最多能够配置4 条e h i c h 。对 于非调度用户，则由高层通知，非调度用户的e h i c h 不仅承载确认指示而且承载 t p c s s 命令。由于一条e h i c h 信道承载多个用户的信息，所以要在o v s f 码的 基础上通过选择不同的正交比特序列来加以区分。 t d h s u p a 的关键技术 为了大幅度提高上行传输速率、扩大通信覆盖面、增加系统容量、减少分组 时延，t d h s u p a 系统参考了发展比较成熟且已成功商用的t d h s d p a 中采用的 各种新技术，同时结合上行自身的特点，综合研究之后主要采用了物理层的h a r q 快速重传、基于n o d eb 的快速分组调度、5 m s 短帧长等关键技术，使得通信系统 的整体性能得到了显著提高。 1 快速h a r q 簟 在无线传输环境下i l ，由于终端移动等因素而产生的信道时变性、多径传输 带来的衰落及其它用户带来的干扰等，使得信道的传输质量很差，数据传输有较 高的误码率。结合有线网络的重传机制和无线信道的自身特点，我们现在一般采 用自动重传请求( a r q ) 和前向纠错编码( f e c ) 两种基本方法相结合的方案h a r q ( 混合自动重传) 来保证数据传输的可靠性。f e c 是针对无线信道的特点提出的 方案，即在分组中增加额外的有一定特征的冗余比特来抑制各种干扰。它有恒定 的吞吐量和时延，但过多的冗余比特会使传输效率降低。自动重传请求( a r q ) 是有 线网提高传输可靠性的有效手段，即当一次数据传输失败时，就重新传输数据分 组。 使用h a r q 混合自动重传，发送端发送的数据分组不仅能够被检测出是否有 错误，而且还具有一定程度的纠错能力。接收端在收到码序列以后，首先检查有 无错误，如果没有错误就通过反馈信道发送a c k 进行正确确认。如果有错误且在 纠错码的纠错能力以内，就自动对数据信息进行纠错：如果数据信息的错误很多 以至于超过了纠错码的纠错能力，接收端就会通过反馈信道发送n a c k ，要求发 送端重新发送有错误的那部分数据信息。由此可见，采用h a r q ，既可以解决单 独使用f e c 时数据信息的错误超过纠错码的纠错能力时无法抑制误码率升高的问 题，又能弥补单独使用a r q 时，重传次数太多导致传输效率降低的缺点。总之， h a r q 可以在不降低链路传输效率太多的情况下提高链路的传输可靠性。 在t d s c d m ar 4 中使用的h a r q 机制是数据链路控制( r l c ) 模块的数据重 1 2 t d h s u p a 的分组调度算法研究 传，这样数据分组的收发和重传都需要经过n o d eb 和r n c 之间的i u b 接e l ，会 带来很大的传输和重传时延。对于对时延要求高的业务数据传输，i u b 接口的重传 时延是不可忍受的。而且在t d s c d m a 系统中，资源分配是由r n c 控制的，而 不是n o d eb ，每次进行数据重传时，都需要由r n c 重新分配资源并重传数据分组， 这是无法满足t d h s u p a 中进行快速调度的要求的。 曰园固田园曰 传输数据包 r i f 屡a 中断某些用户的通话连接； 降低小区中基站和用户的发送功率； 降低实时业务的传输速率； 迫使本小区的一部分用户切换到其他小区； 把小区业务切换到其他载波。 还有一些有效的控制措施，在这里就不一一赘述。 5 分组调度 随着移动通信技术的发展，通信系统所承载的业务越来越多样化，对业务传 输速率的要求也越来越高。如何能分别满足传输各种业务所需资源并保证其q o s ， 如何能充分利用网络资源最大化系统吞吐量，提高数据传输速率是现代通信技术 亟待解决的问题。这有赖于无线分组调度技术的研究。 无线分组调度是指在保证用户间公平性和小区覆盖面的前提下，把系统中有 限资源合理动态地分配给用户，确保用户的q o s 要求，最大化系统的吞吐量。通 过无线分组调度分配的无线资源包括频率、时间、码字，甚至子载波。具体地讲， 分组调度有以下功能： 在小区的不同用户之间共享系统中可用的物理资源； 1 8 t d - h s u p a 的分组调度算法研究 授权每个用户可以用来传输分组数据的传输信道； 监听分配给用户的资源和系统所承载的负荷。 所采用的无线分组调度算法是否合理有效是跟通信系统的多址方式，复用方 式等系统特性息息相关的。所以在选择分组调度算法时要综合考虑各种因素。 无线分组调度 无线分组调度原理 由上一节可知，分组调度的实质就是在每个调度时刻，调度器依据一定的规 则从等待队列中选择出合适的待传输分组进行传输的过程。所谓的分组调度算法 就是其中的调度规则。 分组调度一般包含以下六个要素： 被调度对象在缓存队列中等待服务的数据分组； 调度者网络中的某个节点或能够实现调度功能的一段程序； 调度目标满足用户的服务质量和公平性，最大化系统吞吐量： 调度规则调度算法，它是联系各个要素的纽带； 调度代价一算法复杂度及占用缓存区资源情况： 调度结果实施调度算法后，各用户所获得的服务质量和系统整体性 能。 下图是分组调度模型，清晰形象地反映了分组调度的工作机制。 调度器 图3 2 调度器模型 在无线分组调度算法的研究中，衡量算法好坏的两个重要因素是：吞吐量和 用户公平性。吞吐量不仅指小区吞吐量，还要考虑用户吞吐量。公平性一般指系 统分配给各用户的资源多少情况。 此外，分组调度算法还要满足各个用户的q o s 要求。q o s 参数包括：吞吐量 ( t h r o u g h p u t ) 、分组时t 垂( p a c k e td e l a y ) 、分组丢失率( p a c k e tl o s sr a t e ) 和延时抖动 第三章无线分组调度算法 1 9 ( d e l a yj i t t e r ) 等参数。 无线分组调度算法的特点 无线分组调度算法最初是参考有线网络的调度算法发展起来的。但无线网络 通信与有线网络相比有很大的差别，比如信道条件、通信环境等就比有线网络复 杂得多。所以无线分组调度算法要充分考虑无线网络的特点，才能更好地提升无 线系统的性能。 与有线网络相比，无线网络的特点是： 高传输误码率及错误突发性； 与位置相关且时变的无线链路容量； 带宽资源稀有； 用户移动性； 移动终端的发射功率受限。 这使得无线网络的分组调度问题十分复杂，一个高效的无线分组调度算法应 最小化错误链路上的无效传输，同时最大化无线信道利用率和有效服务传输。基 于无线网络的特性，一个良好的无线分组调度算法应该考虑以下因素： 1 无线信道条件的多变性， 无线移动通信的最大特点就是用户的数据信息以电磁波的形式在无线环境中 传输。无线环境是开放式的，十分复杂，可控性比有线传输低很多。无线信道本 身就会受到周围各种噪声的干扰，经历多种衰落，而且通信终端也是在移动的，： 所以无线信道的通信质量是时时刻刻都在变化的。设计无线分组调度算法时依据 的最重要的因素就是数据业务的信道条件，所以要求调度算法必需有动态的机制 来处理信道质量的时变性。 2 多种q o s 要求 现代无线网络中承载的业务具有多样性的特点。每种业务都有相应的q o s 要 求，包括吞吐量，时延，丢包率等参数。用户接受系统服务至少要保证用户的服 务质量要求。所以无线分组调度算法要对各个业务的q o s 加以区分并予以保证。 3 对分组调度区分上下行i u j 在蜂窝网络中，小区用户都是通过基站来进行相互通信的。上行通信和下行 通信都受基站控制。因此，基站自然地成为调度执行实体。对于下行方向，基站 很清楚每个业务流占用缓存资源的情况：而对于上行方向，用户的缓存分组数、 可用功率等信息对基站都是不可见的。除此之外，对于下行调度，系统的总功率 是一定的，用户的可用功率由基站来决定；而对于上行调度，每个用户都有自己 的可用功率，用户最终可以使用的发送功率是用户根据调度授权自己决定的。 t d h s u p a 的分组调度算法研究 所以无线网络中的上行通信和下行通信是有很大区别的，分组调度也要区分 上下行。 4 需要对链路质量进行测量和反馈 为了提高系统吞吐量，在进行无线分组调度时考虑的最主要的因素就是无线 链路的通信质量，所以要对链路质量进行测量和反馈。体现在调度系统中，就是 要将反馈链路信息的回路考虑在调度算法内。现有的调度算法在研究过程中，为 了简化问题，降低难度，都默认测量到的链路信息是精确的，而且也忽略了反馈 过程的时延。事实上，这种假设在实际应用中可能会产生问题，也会影响到调度 算法的性能。 5 功率限制和约束 移动终端由电池供电，是功率受限的。延长终端的待机时间一直是通信行业 追求的目标之一。所以一个有效的分组调度算法应尽量减少与调度相关的控制信 息，从而减少终端发送这些信息的功率开销。此外还要求给用户分配的功率是刚 好够用的，否则就造成了资源浪费。 由于流媒体等高速业务对时延要求很高，分组调度算法要高速执行。所以分 组调度算法不能太复杂，在性能满足要求的前提下，要尽量简化。 t d h s u ) a 的分组调度 t d h s u p a 的业务分类及q o s 简介 1 语音业务 语音业务的特点是端到端时延小，业务量上下行基本对称。为了保证话音类 业务的时延和时延抖动指标，通常将该类业务规定为最高优先级，并为其预留所 需带宽。 这类业务最典型的应用是通过电路交换实现的话音业务( 例如g s m 的话音业 务) 。对i n t e m e t 和多媒体网络来说，许多新的应用需要这种类型业务，例如视频 电话和i p 电话。对于会话类型业务，需要考察的q o s 指标主要是传输时延和时延 抖动。会话类业务提供多个用户( 通常是人) 之间的会话交流。由于人类自身的感官 限制，会话类业务的最大特点就是实时性。同时，时延抖动也是影响会话类业务 性能的重要指标，严重的时延抖动会导致会话无法正常进行下去。对于丢包率和 误码率，人类的耳朵却没有那么敏感，可以允许一些短暂的话音停顿和画面马赛 克现象。 2 流类业务 流类业务也是实时性的，但是由于它是单向传输，不需要进行交互，所以时 第三章无线分组调度算法 2 1 延要求没有会话类业务那么严格。同会话类业务一样，时延抖动也是影响流类q o s 的一项重要指标，并且允许一定的丢包率和错包率。但是事实上，流类业务对时 延抖动的可容忍度还和终端接收设备有关，如果用户的接收设备支持排队和缓存， 则可容忍较大的时延抖动指标。典型的流类业务是网络音频或者视频节日。 另外，流媒体的接收端要对接收到的数据按时间顺序进行排序，系统可容忍 的时延抖动门限取决于终端的排序能力。针对流类业务的这些特性，可以采用资 源预留的方法来保证业务的q o s 需求。 3 交互类业务 一 交互类业务是指用户( 人或机器) 和远程设备