（通信与信息系统专业论文）lte系统下行链路无线资源调度关键技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着通信技术的快速发展，移动用户数急剧增加，所支持的业务类型除了传统 的语音业务外，还包括低高速数据、图像等多种类型数据业务。多种和大量的数据 业务对数据传输的效率和时延提出了更高的要求。3 g p p 于2 0 0 4 年底启动了长期演进 ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 计划项目，l t e 采用了诸多新技术，致力于提供高速 数据传输速率、提高小区容量和降低系统延迟等。 3 gl t e 最大的特点在于采用了全新的空中接口，o f d m ( 正交频分复用) 技术 因其频带利用率高和抗多径干扰能力强而被广泛研究。本文对采用o f d m 技术的 l t e 系统下行链路无线资源管理作为研究的重点，同时结合a m c 和h a r q 等其他 l t e 关键技术，对l t e 系统下行链路的资源调度进行了深入的剖析。 本文首先在分析l t e 系统特点、关键技术及l t e 无线资源管理的内容和特点的基 础上，对基于信道状态( c s d 的非实时调度算法和基于信道状态( c s i ) 和队列状 态( q s i ) 的实时调度算法进行了研究分析，并利用公平调度的思想对l t e 下行链路 资源调度机制进行了改进设计。 其次介绍了经济学中的效用思想和效用函数，重点研究了时延和速率效用函数。 结合l t e 下行链路无线资源的特点，根据不同用户的信道状态，以及不同业务类型 的q o s 要求，提出了一种基于r b 和效用函数的l t e 下行链路混合业务跨层调度算法。 该算法对实时业务用户采用排队时延来衡量用户满意度，对非实时业务用户采用数 据速率来衡量用户满意度。分别为实时业务用户的排队时延和非实时业务用户的速 率构建相应的效用函数，以保障不同业务的q o s 要求。 最后建立l t e 系统仿真环境，对小区模型、l i e 移动模型、业务源模型等系统模 块做了介绍。然后对已有算法及上面提出的改进算法，从吞吐量、公平性及平均时 延等性能指标进行仿真比较。并总结了改进算法的优劣性，该算法不但能保证实时 业务的时延需求，还能保证非实时业务的吞吐量需求。最后进行了概括性的总结， 并明确了下一步有待进行的工作和未来的一些研究方向。 关键词：长期演进，无线资源调度，正交频分多址，效用函数 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，m o b i l eu s e r sa r e i n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y b e s i d e s t h et r a d i t i o n a ls p e e c hs e r v i c e ，t h ef u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a l la l s op r o v i d eo t h e rs e r v i c e s ，s u c ha sl o w h i g hr a t ed a t a ，v i d e o e t e v a r i e t ya n dal o to fd a t as e t c i t e sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ed a t a t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dd e l a y 3 g p ph a sa d o p t e dt h el o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) a b o u t t h ep r o j e c tw o r ka tt h ee n do f2 0 0 4 m a n yn e wt e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e db yl t et o p r o v i d eh i g h e ru s e rd a t ar a t e s ，t oi m p r o v es y s t e mc a p a c i t ya n dc o v e r a g e ，a n dt or e d u c e l a t e n c y t h em o s ts i g n i f i c a n t i mt r a i to f3 gl t ei st h a ti te m p l o y sm a n yn o v e la i r - i n t e r f a c e ， 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 ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l y r e s e a r c h e db e c a u s ei th a st h eg o o dc h a r a c t e r i s t i co fm u l t i - p a t h r e s i s t a n c ea n dh i g h s p e c t r u me f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e s o i lt h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t o fl t ed o w n l i n kb a s e do no f d mt e c h n i q u e ，c o m b i n e dw i t ha m ca n di - i a r qo ft h el t e o t h e rt e c h n o l o g i e s ，a n dm a k ead e e pa n a l y s i so fr a d i or e s o u r c es c h e d u l i n gf o rl t e d o w n l i n k t h ea u t h o r sr e s e a r c hf i r s t l yf o c u s e do ns o m en o nr e a l t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s b a s e do nc s ia n dr e a l - t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sb a s e do nc s ia n dq s i ，o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fl t es y s t e ma n dt h ec o n t e n t sa n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，t h e nm a d ei m p r o v e m e n ts e a r c hf o r s c h e d u l i n gm e c h a n i s m o fl t ed o w n l i n km a d eu s eo f p ft h o u g h t s s e c o n d l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eu t i l i t yt h o u g h ta n du t i l i t yf u n c t i o ni ne c o n o m i c s ， a n dg i v e sa ne m p h a s i s e di n t r o d u c t i o nt ot h eu t i l i t yf u n c t i o no ft i m ed e l a ya n dr a t e r e f e r r i n gt ot h ef e a t u r e so f l t ed o w n l i n kp h y s i c a lr e s o u r c e ，c o n s i d e r i n gc h a n n e ls t a t eo f d i f f e r e n tu s e r s ，a n dq o so fd i f f e r e n ts e r v i c e ，am i x e ds e r v i c ec r o s s - l a y e rs c h e d u l i n g a l g o r i t h mo fl t e d o w n l i n ko nt h eb a s i so fr ba n du t i l i t yf u n c t i o nw a sp u tf o r w a r d w a i t i n gd e l a yw a sm e a s u r e dd e g r e eo fs a t i s f a c t i o no fr e a l t i m es e r v i c ea n da v e r a g er a t e w a sm e a s u r e dd e g r e eo fs a t i s f a c t i o no fn o n - r e a l - t i m es e r v i co ft h ea l g o r i t h m ，t oa s s u r eq o s d e m a n d sf o rd i f f e r e n tu s e r s f i n a l l y , t h i sp a p e re s t a b l i s h e das i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rt h el t es y s t e m ，t h e n g a v eai n t r o d u c t i o n t ot h em o d u l eo fs y s t e m ，s u c ha st h ec e um o d e l ，l i em o b i l i t ym o d e l ， 重庆邮电盔堂巫主鲨窒 一些塑堕 _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - - - _ - _ i _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ 一一一一一 b u s i n e s ss o u r c em o d e l se t c t h i sp a p e rg a v eas i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o nt ot h ec l a s s i c a n di m p r o v e da l g o r i t h mt h r o u g hs o m ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，s u c h a st h r o u g h p u t , f a i m e s s ，a v e r a g et i m ed e l a ya n ds oo n , t h e ns u m m a r i z e dt h es u p e r i o r i t y - i n f e r i o r i t yo f i m p r o v i n ga l g o r i t h m t h ei m p r o v i n ga l g o r i t h mn o to n l yc a ne n s u r ed e l a yd e m a n do f r e a l t i m es e r v i c e ，b u ta l s oc a ne n h a n c et h r o u g h p u td e m a n do f n o tr e a l - t i m es e r v i c e s o m e c o n c l u s i o nt ot h ew h o l ed i s s e r t a t i o nw a sg i v e n , a n df u r t h e rr e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l e r e s e a r c hd i r e c t i o i l sw e r ep o i n t e do u t l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) ，w i r e l e s sr e s o u r c es c h e d u l i n g ，o f d m & u t i l i t yf u n c t i o n i 重庆邮电大学硕士论文 缩略词 缩略词 英文简称英文全称中文意义 a g wa c c e s sg a t e w a y接入网关 a m c a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制和编码 a r q a u t o m a t i cr e q u e s tf o rr e p e t i t i o n自动重发请求 k w g n a d d i t i v e 场i t eg a l l s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 b 3 g b e y o n d3 g 超3 g b e rb i te r r o rr a t e 误码率 b l e rb l o c ke r r o rr a t i o 误块率 b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 二相相移键控 b s cb a s es t a t i o nc o n t r o l l e r 基站控制器 c d fc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n 累计分布函数 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c q i c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r 信道质量指示 c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 e n o d e be v o l v e dn o d eb 演进型n o d e - b e p ce v o l v e dp a c k e tc o r e 演进型分组核心网 e - u t r a ne v o l v e du t ra n演进型u t r a n f f r f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n快速傅立叶变换 h a r qh y b r i da u t o m a t i cr e q u e s tf o rr e p e t i t i o n 混合自动重传要求 h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s 高速下行分组接入 h s u p a h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s 高速上行分组接入 蹦s i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m p 多媒体子系统 m e m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 o f 】) 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 正交频分复用 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 ea c c e s s 正交频分多址 p r b p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k 物理资源块 l t e l o n gt e r me v o l u t i o n 长期演进 t d s c d m at i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a时分同步码分多址 u 田洲u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k 全球地面无线接入网 w c d m aw i d e b a n dc d m a宽带c d m a m 江a xw o r l d w i d ei n t e r o p e m b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s全球微波接入互操作 v i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着现代科学技术的不断发展，移动通信越来越深入的改变着我们的生活，使 人与人之间的交流变得无比便利，基本实现了在任何时间，任何地点与任何人进行 沟通的目标。另外，个人通信的发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化， 结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力， 大大满足了个人通信和娱乐的需求。 如果说2 g 无线通信技术将移动电话引入了市场，那么，3 g 技术从基础的话音业 务扩展到把高速的数据通信和多媒体应用带给移动用户【l 】。第三代移动通信系统以 c d m a ( 码分多址) 方式为基础，包括以美国为代表的c d m a 2 0 0 0 ，以欧洲为代表 的w c d m a ，以及我国提出的t d s c d m a 等，其主要特点包括了全球无缝漫游，支 持多媒体业务，特别是支持i n t e m e t 业务；高带宽、高速率；高频谱效率、大容量【2 】。 尽管目前飞速发展的第三代通信系统比以往的通信系统能够提供更高的业务带 宽和更好的用户体验，但是人们对于无线通信服务的需求是无止境的。在可以预见 的未来，移动数据应用需求会像今天的语音业务需求一样强烈，那时的无线网络需 要更新更优的技术制式，第四代移动通信系统( 4 g ) 乃至更高级的移动通信系统将出 现和发展，同时考虑将当前已有的多种通信系统相互融合，形成多维的网络解决方 案。未来第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，第四代移动通信 将以宽带、口化、具有多种综合功能的系统形态出现。 为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足人们高速率数据业务的需求， 3 g p p 在2 0 0 4 年1 1 月启动了其“长期演进项目 ，简称3 g p pl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目，以实现3 g 向b 3 g 和4 g 的平滑过渡。该标准以正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a l f 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 ) 为基础，引入了若干新技术，能够提供数倍于3 g 系统的峰值速率，旨在通过不断演进的3 g 系统，提供更强大的数据业务支持，为用 户提供更全面的服务质量、更低的时延、更高的系统容量【3 】。 一直以来，一代代的通信人为提高移动通信网络的性能做着不懈的努力。就移 动通信网络而言，要提高其性能主要可以从两个方面考虑：一是从根本上提高其传 输能力，一般通过加大带宽，提高发射功率等方法来实现；二是在其基带传输能力 不变的基础上，通过最优化的无线资源管理和分配方案，提高系统性能。由于数据 业务的大规模发展，尤其是系统承载的业务类型多样化，需要合适的无线资源管理 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 技术。然而，移动通信系统的频谱、时隙、码字、功率和天线等无线资源相当稀有 宝贵，要在这些有限的资源下要进一步提高系统性能，对这些资源进行合理有效的 分配是非常必要的。 总之，一个好的资源调度策略不仅是提高以o f d m 技术为基础的l t e 系统的吞 吐量、保证用户间的公平性、满足业务q o s 的关键，也是未来无线个人通信系统资 源管理必须深度思考的问题。l t e 下行资源调度是l t e 系统无线资源管理( r j 泓) 的重要内容，对提高l t e 系统下行链路的服务质量和保证资源的公平性分配起决定 性的作用。 1 2 研究现状 为了改进调度性能，许多公司和科研人员提出了很多调度算法。为了最大程度 地体现调度的公平性，k a z m i 和c a i 提出了轮循调度限r ) 算法。为了保证用户的吞 吐量，y 0 s m 出等人提出了m t a i s i r ( m i n i m u mt h r o u g h p u ta s s u r c di n s t a n t a n e o u ss i r ) 调度算法，该算法在保证最小吞吐量的条件下，根据用户的瞬时s i r 进行调度 4 1 。 d a v i d 在研究中发现，通过利用多用户信道快衰落变化间的异步性可以极大地 提升系统的吞吐量，并由此提出了多用户分集( m u l t iu s g l d i v e r s i t y ) 的概念。针对 如何利用多用户分集增益的优势，q u a l c o m m 公司的j a l a l i 等人在对h d r 系统的分 析中提到了他们针对h d r 系统所设计的p f 调度算法【5 】，该算法采用基于时分复用 的方式，并将目前的信道状况和公平性考虑在内，在用户经历相似的信道条件时可 以给出公平的数据速率分配，目前很多算法都是在该算法基础上的改进。以上所提 到的调度算法具有一定的优点，可以很好地完成非实时类业务的要求，但是没有体 现具有时延约束的实时业务的特性。 为了支持具有时延约束的实时业务，最早有人提出了e d f 算法，优先调度离时 间门限最近的用户，但该算法只考虑了用户的时延特性，考虑的因素比较单一。改 进的比例公平( m - p f ) 算法在p f 算法的基础上引入了一个与用户q o s 要求相关的 公平性测量因子，使算法能够兼顾业务的目标吞吐量和时延要求。m - p f 虽然在一 定程度上提供了业务q o s 保证，但是它仅仅考虑了业务的目标比特率和目标时延， 对于业务的其他q o s 要求如丢包率、b e r 等要求并没有考虑，因此它对q o s 级别 的区分粒度比较粗。 为了提高高速业务流对q o s 的要求，在文献 6 】中又提出了m - l w d f 算法，这 种算法考虑了用户信道的快衰落，并尽量最大化地利用多用户分集增益，经验证该 算法具有吞吐量最优的性质。m l w d f 算法将分组调度的目标从公平性、时延等传 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 统性能需求扩展到了对无线资源进行优化的新视角1 7 1 。m l w d f 算法虽然能够满足 对于时延的需求，但对于每一种业务种类，这种算法很难找到针对每种业务的理想 解决方案。 对于已有的l t e 系统下行链路无线资源调度的研究目前主要是子载波、比特和 功率的分配和调度，而没有结合l t e 下行链路最基本的物理资源r b 。对于这类资源 调度通常有两种优化方法：消耗功率最小化和吞吐量最大化。前者是要求保证一定 速率的前提下系统总的消耗功率最小；后者是要求一定功率限制的前提下系统吞吐 量最大化。然而，这两种传统方法都造成了系统信令开销的极大浪费，且难以在系 统吞吐量与用户公平性之间达到一个很好的折中，为了平衡资源的利用效率与用户 的公平性之间的矛盾，文献 8 弓l a y 效用函数的概念，并提出了基于效用函数的无 线网络资源优化问题，其优化目标是达到系统效用最大化。基于效用函数的资源优 化已成为当前l t e 资源调度问题的一个研究热点。 而且，目前l t e 下行链路调度算法大多都是按照单一的调度机制提供调度服务， 主要针对单一业务进行调度，只考虑了单一业务传输的网络环境，对于同时存在实 时和非实时混合业务的情况则研究很少。但在现实环境中，不同用户请求的业务不 同，对q o s 的需求会有很大差异，仅按照一种特定的排序方法对不同种类的业务进 行排序，很难满足所有业务对q o s 的差异性要求。 因此，如何根据用户不同业务的需要，在以往无线资源调度算法的基础上，结 合l t e 下行链路信道单元的特点，同时考虑实时业务和非实时业务的资源调度，且 在系统的吞吐量和用户的公平性之间能达到一个很好的折中，成为了一个亟待解决 的问题，在此下提出了本课题的研究。 值得注意的是，3 g p p 并没有对l t e 的调度算法做出限制性规定，我们可以根 据不同的条件灵活的选择不同的调度算法来提高调度性能，这也为l t e 下行链路的 无线资源调度关键技术研究提供了基础。 1 3 研究内容 无线资源调度问题是目前移动通信网络的热点问题，如何利用有限的无线资源 为尽可能多的用户提供不同业务的服务是调度算法的核心和重点。围绕这个目标， 本文的主要工作如下： 1 ) 对当前移动通信系统的发展现状及l t e 系统的特点和关键技术以及l t e 无 线资源管理的内容和特点进行了仔细研究，特别是较深入的了解了各种新技术在无 线资源管理与分配中的应用，为下一步工作打好基础。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 2 ) 结合l t e 系统下行链路特性，分析了l t e 下行链路无线资源及资源管理的 重要性，对资源调度的信息和方式以及调度流程都进行了介绍：针对现有的几种经典 的基于信道状态( c s i ) 的非实时与基于信道状态( c s i ) 和队列状态( q s i ) 的实 时资源调度算法进行了归纳和研究，为后章节优化算法的设计提供依据；利用比例 公平调度的思想，对l t e 下行链路资源调度机制进行了改进设计。 3 ) 针对目前l t e 下行链路资源调度算法的现状，结合l t e 下行链路无线资源的 特点，并将经济学中的效用思想引入l t e 下行链路资源调度过程中，本文提出了一 种基于r b 和效用函数的混合业务跨层调度算法，以此来有效的满足各种业务的q o s 需求，提高服务质量，使系统吞吐量极大化和公平服务之间能达到较好的折中，反 映出优化的资源调度算法对于提高l t e 系统性能的重要性。 4 ) 搭建仿真环境，对本文分析到的实时和非实时调度算法以及本文改进的调度 算法分别进行仿真并性能分析，来验证改进的算法的有效性。 1 4 论文结构 全文分为六章，每章主要内容介绍如下： 第一章是绪论部分，阐明了l t e 下行链路无线资源调度关键技术研究的背景和 意义，对调度算法的国内外研究现状和本文的主要工作内容做了简单的概括说明。 第二章详细介绍了l t e 系统的特点和关键技术，并对l t e 无线资源管理的要求、 内容和和特点进行了阐述。 第三章首先对l t e 下行链路的系统模型及其物理资源进行了分析，对资源调度 信息和调度方式等作了说明；然后重点研究了移动通信中的的基于c s i 的适用于非 实时业务的r r 、m a xc i 、p f 无线分组调度算法和基于c s i 和q s i 的适用于实时业 务的m - l w d f 和m - p f 无线分组调度算法；最后利用p f 调度的思想对l t e 下行链 路资源调度机制进行了改进设计。 篼四章针对l t e 系统下行链路无线资源的特点，在分析了效用思想和效用函数 的基础上，提出了一种基于r b 和效用函数的混合业务跨层调度算法，对该算法的 设计思想和实现流程都进行了重点分析和研究。 第五章搭建l t e 仿真环境，如小区环境、业务源模型等，对第三章的实时业务 和非实时业务调度算法以及第四章的改进算法分别进行了仿真验证，并对仿真结果 进行了详细分析。 第六章对全文进行总结，并分析了本文需要进一步研究的问题。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统及其无线资源管理 第二章l t e 系统及其无线资源管理 3 g 3 g p p 是一个全球性的标准开发机构( s t a n d a r d sd e v e l o p m e n to r g a n i z a t i o n s ) ， 负责在全球范围内对3 g 系统提出技术标准和报告。3 g p p 长期演进( l t e ) 也称作 3 g p p 的演进型i 胍a n ( e v o l v e du m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 即 e - u t r a n ，有时也称为超3 g 技术( b e y o n d 3 g ) 。 l t e 是关于u t r a n 和u t r a 改进的项目，是对包括核心网在内的全网的技术 演迸；基于o f d m 、m i m o 等新技术的l t e 致力于提供更高的数据速率、更高的小 区容量、更低的延迟时间、降低用户以及运营商的成本【9 】。 2 1l t e 系统特点及关键技术 2 1 1l t e 系统架构 1 l t e 系统架构 l t e 对3 g p p 整个体系架构进行了革命性的变革。 铘 l t e 系统架构如图【1 0 1 所示： ) e p c e u t r a n 图2 1l t e 系统架构 l t e 系统核心网采用两层扁平网络架构，同时采用全p 分布式结构，支持i m s 、 v o l p 、m o b i l ei p 等各种技术。接入网主要由e n o d eb ( e n b ) 和接入网关( a g 、v ) 构成，a g w 实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要 由e n o d eb 一层构成。l t e 的e n o d eb 除了具有原来n o d eb 的功能外，还承担了原来 r n c 的大部分功能。e n o d eb 之间由x 2 接口互联，每个e n o d eb 又和演进型分组核心 网( e v o v l e dp a c k e tc o r e n e t w o r k ，e p c ) 通过s 1 接口互联，s l 接口的用户面终止在 服务网关( s e r v i n gg a t e w a y ，s g w ) 上，s l 接1 ：3 的控制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 te n t i t y ，m m e ) 上。控制面和用户面的另一端终止在e n o d eb 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统及其无线资源管理 上。 用户平面包括分组数据汇聚协议层( 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 ) 、 无线链路控制层( r a d i ol i n kc o n t r o l ，r l c ) 、媒体接入控制层( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 。控制平面包括无线资源控制层( 褂屺) ，各个子层之间使用服务 接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 作为端到端通信的接口。物理层和m a c 子层 的s a p 提供传输通道，m a c 子层和r l c 子层的s a p 提供逻辑通道，r l c 子层和p d c p 子层之间的接口是无线承载。其中眦层的主要功能是处理上下行调度和h a r q 重 传。调度功能位于e n o d eb 中，每个小区有一个m a c 实体，同时负责上行和下行链 路。 l t e 所采用的这种类似于典型p 宽带网络的结构可以简化网络、减小延迟，达 到低成本、低时延、低复杂度的要求，将对3 g p p 系统的体系架构产生深远的影响【l 。 2 l t e 系统技术要求 3 g p p 计划的长期演进l t e 系统进行的研究侧重于在p s 域提供的支持业务， 这些业务包括： 1 ) 与空中接口物理层( l 1 ) 相关的业务，例如：支持高达2 0 m h z 带宽的灵活 传输，引入新型传输技术和先进的多天线技术等。 2 ) 与无线空中无线接口数据链路层( l 2 ) 、网络层( l 3 ) 相关的业务，例如： 控制信令的优化。 3 ) u t r a n 结构相关的业务。 l t e 制定的主要性能指标包括【1 2 1 【1 3 l ： 1 ) 显著增加峰值速率：下行1 0 0 m b p s ，上行5 0 m b p s ； 2 ) 在重新利用当前站址的前提下提高小区边缘的比特率； 3 ) 显著提高频谱效率，达到3 g p pr 6 的2 - - 4 倍； 4 ) 显著降低用户面和控制面的延迟，用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制面延 迟小于l o o m s ( 不包括下行寻呼延迟) ； 5 ) 可灵活配置1 2 5 - 2 0 m h z 多种带宽； 6 ) 支持与现有3 g p p 系统和非3 g p p 系统的互操作； 7 ) 进一步增强m b m s ( m u l t i m e d i a b r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e ) 业务； 8 ) 降低建网和维护成本，实现从r 6 无线接口的低成本演进； 9 ) 支持增强的i m s ( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，i p 多媒体子系统) 和核心网； 1 0 ) 追求向后兼容性，但应该仔细考虑兼容性和性能提高之间的平衡； 1 1 ) 有效支持各种业务，尤其是在p s 域业务。 l t e 需要实现更低的延迟、更高的用户数据速率、更大的系统容量、更大的覆 盖和更低的成本，其中e - u t r a 的系统性能要求主要包括用户吞吐率和频谱效率两 6 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统及其无线资源管理 方面。需要通过一套系统配置满足平均用户吞吐量、小区边缘用户吞吐量和频谱效 率需求。e ir 豫a 的系统性能要求主要包括系统吞吐量和频谱效率两方面【1 4 j ： 1 ) 系统吞吐量 e - u t r a n 系统下行数据吞吐量需要比r 6 版本h s d p a 系统下行平均用户吞吐量 高3 至1 j 4 倍。这里所说的下行吞吐量是假设r 6 版本参考标准为基站端1 根发射天线， 用户端配置1 根增强性能的天线下所取得的。e - u t r a n 可以在基站端使用最多2 根发 送天线，在u e 端可以使用2 根收发天线。同样，系统所支持的用户速率应当与所分 配的带宽相匹配。 假设r 6 版本增强上行标准在u e 端配置l 根发送天线，在e n o d eb 端配置2 根接收 天线；e u t r a n 在u e 端最多配置1 根发送天线，在e n o d eb 端最多配置2 根接收天线， e u t r a n _ i ：行吞吐量比i 泊版本增强的上行标准或h s t r p a t l 5 l 平均用户吞吐量高2 到3 倍。当然，通过在u e 端配置更多的发送天线可以得到更大的用户速率，这需要参考 具体的系统实现。 2 ) 频率效率 未来无线通信系统需要更高的频率效率，支持e u t r a 应当提供更高的频率效 率以及增强的小区边缘速率。 假设r 6 版本参考标准基站1 根发送天线，u e 端1 根增强性能天线在满负载的网 络中，e u t r a n 下行频率效率需要比r 6 版本h s d p a 1 6 】( 以b i t s s h z 为单位衡量) 高 3 至1 4 倍，e u t r a n 可以在基站端配置最多2 根发送天线，在u e 端配置最多2 根接收 天线。 e u t r a n 上行频谱效率应当e p , r 6 增强版本上行标准高2 到3 倍，后者的u e 端配 备1 根发送天线，e n o d eb 端配置2 根接收天线。这样的频谱效率在e u t r a 中是通过 在u e 端配置最多1 根发送天线、在e n o d eb 端配置2 根接收天线所取得的。 2 1 2l t e 关键技术 l t e 之所以能够获得很高的传输速率和系统吞吐量，除了改进与增加3 g 系统 的空中接口技术和网络结构外，还得益于几种关键技术的使用，如e n o d eb 快速调 度、o f d m 技术、混合自动重传请求( h a r q ) 、自适应调制编码( a m c ) 等关键 技术，这些关键技术的使用大大降低了系统时延和误块率，提升了系统整体性能例。 1 e n o d eb 快速调度 在r 9 9 r 4 r 5 版本中，无线网络控制器( r n c ) 负责控制资源调度功能，这种 调度方式中r n c 根据各个u e 申请调度的信息及小区总的负载情况，可以很准确地对 各个u e 进行调度控制，防止某些u e 因发射功率太大而造成小区底噪抬升过大。但 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统及其无线资源管理 是由r n c 控制的调度方式调度周期太长，响应时间比较慢，无法良好的、自适应的、 迅速的反应当前时变信道的传输信息，从而无法进行快速的链路自适应和快速调度。 为了减小用户面延迟，提升系统的吞吐量，并更好地适应信道的变化，在l t e 系统中取消了重要的网元无线网络控制器( 鼢屺) ，把调度器放在基站( e n o d e b ) 侧进行控制，由e n o d eb 代替r n c 实现所有无线资源的管理功能，这样更接近于空 中接口，有利于充分利用信道质量等信息，提高系统调度的性能。e n o d eb 快速调 度可以根据当前小区负载状况和l i e 的信道条件好坏及待传输的数据量来决定u e 的 传输速率大小，使得无线资源在u e 之间快速重新分配，这样可充分适应分组数据传 输的突发性。在基于e n o d eb 的快速调度中，需要发送数据的u e 向e n o d eb 发送调度 申请，e n o d eb 根据小区的实际负载情况及u e 的调度申请，由自己的调度策略对u e 做出调度处理。 采用基于e n o d eb 的快速调度技术后，调度信令可以在基于e n o d e b 和l i e 之间直 接传输，e n o d eb 可以快速、灵活地控制小区内u e 的传输速率，使无线资源可以更 有效地为突发性的数据用户服务，从而提高了系统的吞吐量。 2 o f d m 技术 在f d m a 、t d m a 、c d m a 和o f d m 等多址方式中，o f d m ( 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 e x i n g , 正交频分复用) 是l t e 系统最为合适的多址方案【l7 1 。其基本 原理是把串行发送的高速率数据流通过串并转换，分配到若干个低速率的正交子信 道上，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。由于每 个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻无线信道的多径时延扩展对系统 造成的影响。由于各个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重叠，不但减小了 子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 通过在o f d m 符号之间插入保护间隔，并且令保护间隔大于无线信道的最大 时延扩展，即每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的 频率选择性衰落是平坦的，这样就可以最大限度的消除符号间干扰( i s i ) 。而且， 一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免子载波间干扰( i c i ) 。由于子载 波上的数据速率远小于总数据速率，各子信道的带宽也远小于系统总带宽。选择子 载波个数时，使每个子信道的带宽小于信道的相干带宽，这样每个子信道所经历的 衰落就相对平坦，从而使子信道上的码间串扰比较小。 一个o f d m 符号中，包含了多个并行的经过正交幅度调制( q a m ) 和相移键 控( p s k ) 的数据符号，这些待传输的数据符号经过o f d m 调制映射到各个子载波 上。因此，一个周期内的o f d m 符号可以表示为： r 一i、 s ( o = r e d 。r e c t ( t - t , 一) e x p _ ，2 万z ( ，一) 】 乞f + r 式( 2 1 ) 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统及其无线资源管理 s ( t ) = 0t t + t j 式( 2 2 ) 其中，表示子载波的个数，r 表示o f d m 符号的持续时间( 周期) ，磊是分配给 子信道i 的已调制数据符号，z 是第i 个子载波的载波频率，矩形函数 r e c t ( t ) = 1m i5 ) ，表示o f d m 符号的开始时刻。 图2 2 给出了o f d m 系统基本模型框架，其中彳= z + 形。o f d m 符号经过信 道后，接收端利用子载波之间的正交性恢复出各个子载波上的原始符号数据，完成 子载波的解调。 j 卜一矗皿 l