（通信与信息系统专业论文）lte系统中面向高速移动用户的下行分组调度算法研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：作为准4 g 技术，为了满足i m t a d v a i l c e d 在峰值速率、延迟、用户吞吐量、 移动性、频谱效率等方面的需求，l t e 采用了扁平化的网络架构和o f d m 、m i m o 、 链路自适应、快速分组调度、干扰抑制等关键技术。其中，快速分组调度技术作 为无线资源管理的核心技术，负责资源的分配，决定了系统的性能。 同时，随着高速铁路和高速公路的快速发展，未来的移动通信面临着越来越 多的高速移动环境。在高速移动环境下，移动通信系统会产生大的多普勒频移， 信道会发生快速变化，这些变化会严重地降低移动通信系统的性能，尤其是对于 小区问干扰严重的小区边缘用户。如何有效地提高小区边缘高速移动用户的吞吐 量，是本文主要研究的方向。 首先，本文介绍了l t e 系统的系统架构和需求、时频资源结构和关键技术，重 点介绍了l t e 分组调度器的结构和几种经典的调度算法( r r 算法，m a ) ( c o i 算法， p f 算法) ，并对这几种算法进行了仿真，比较它们的吞吐量性能并通过用户分配 的p r b 数、用户调度概率和用户调度概率与用户位置的关系三个方面来比较它们的 公平性。仿真结果表示，r r 算法的公平性最好但小区吞吐量最低，m a ) 【c o i 算法的 小区吞吐量最高但用户公平性极差，p f 算法在小区吞吐量和用户公平性之间取得 折中。 其次，本文研究了混合速度模式下的用户公平性，仿真结果表明小区边缘高 速移动遭遇了一定程度的不公平性。针对这个问题，本文提出了时域的1 v r l 分配算 法和频域的面向高速移动用户的软频率复用算法。时域t t l 分配算法额外分配时域 的t t i 资源给小区边缘高速移动用户，具体实现方式是每隔一定数目的t t l 分配一 个专门的1 v r i 给小区边缘高速移动用户，即这个t t i 内只调度小区边缘高速移动用 户。频域的面向高速移动用户的软频率复用算法是在传统的软频率复用算法的基 础上，增加小区边缘高速移动用户在高功率频段上调度的优先级，具体实现方式 是在频域调度器中计算频域优先级的时候，在功率较高的频段使小区边缘高速移 动用户的优先级乘以一个大于1 的系数，以提高它的调度优先级。接着对上述的两 个算法进行了系统级仿真，仿真结果表明，这两个算法有效地提高了小区边缘高 速移动用户的吞吐量，提高了用户公平性。 关键词：l t e ：分组调度；高速移动；小区边缘：公平性；t t l 分配；软频率复用 分类号：t n 9 2 9 5 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：a saq u a s i 4 gt e c l u l o l o g y ，l t eh a san a tn e t 、) l r o r ks 仃u c t i 鹏a n do f d m ， m i m o ，l i i l l ( a d a p t a t i o n ，f a s tp a c k e ts c h e d u l i n g ，i n t e 研e n c es u p p r e s s i o na n do t l l e rk e y t e c l l i l o l o 西e si no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fi m t - a d v a l l c e di np e a kr a t e ，d e l a y ， t h r o u 曲p u t ，u s e rm o b i l i t y ，s p e c t r u me 街c i e n c y ，e t c a s t h ec o r eo fr a d i or e s o u r c e m a i l a g e m e n t ，f a s tp a c k e ts c h e d u l i n gi sr e s p o n s i b l ef o rm ea 1 1 0 c a t i o no fr e s o u r c e sa 1 1 d d e t e r m i n e st h ep e r f o 肌a n c eo ft h es y s t e m a tm es 锄et i m e ，w i t h 廿l er a p i dd e v e l o p m e n to f h i 曲一s p e e dr a i l w a ya i l de x p r e s s w a y ， 向t u r em o b i l ec o m m u i l i c a t i o nw i l lf a c em o r eh i g hm o b i l i t ye n v i r o i l i i l e n t i i lh i 曲 m o b i l i t ye n v i r o i m l e n t ， m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lp m d u c el a r g ed o p p l e r 舶q u e n c ys h i r ，a l l dc h 锄e lw i l lc h a i l g er a p i d l y r h e s ec h a n g e sc a l ls e v e r e l yd e 孕a d e t h ep e r f o 肌a n c eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yf o rc e ue d g eu s e r sw i m s e r i o u si n t e r c e l li n t e r f e r e n c e t h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o ni st oi m p r o v et l l em r o u g h p u t o fc e ne d g eh i g hm o v i n gs p e e du s e r se f j e e c t i v e l y f i r s to fa l l ，m i st h e s i si n t i d d u c e dt h es y s t e ma r c h i t e c t i l r e ， r e q u i r e m e n t s ， t i m e 仔e q u e n c yr e s o u r c es t m c t u r ea n dk e yt e c l l i l i q u e so fl t es y s t e n l ，t h e nh i 曲l i g l l t e d l t ep a c k e ts c h e d u l e rs t r u c t l l r ea n ds e v e r a lc l a s s i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h n l s( r r a l g o r i t h m ，m a ) 【c o ia l g o r i t l l i i l ，p fa l g o r i t h m ) t h e s ea l g o d t h m sw e r es i m u l a t e d t o c o m p a r em e i rt h r o u g h p u tp e r f o n i l a j l c e a 1 1 df a i m e s st h r o u g hm r e er e s p e c t so ft h e n u m b e ro fp r bu s e ra s s i g n e d ，p r o b a b i l i t yo fu s e rs c h e d u l e da i l dr e l a t i o nb e t w e e nu s e r p o s i t i o na n ds c h e d u l e dp r o b a b i l i t y t l l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr ra l g o r i t h mh a s m eb e s tf a i m e s sb u tm e1 0 w e s ts y s t 锄t h r o u g l l p u t ，m a x c o ia l g o r i m mm a ) 【i m i z e s s y s t e n lt h r o u 曲p u tw i t l lp o o rf a i m e s s ，a j l dp fa l g o r i t h l l lg e t sa t r a d e o f fb e t w e e ns y s t e m t h r o u 曲p u ta n du s e rf a i m e s s s e c o n d l y ，t h i sm e s i ss t u d i e dt h ef a i m e s si nm i xs p e e dm o d e ，a i l df o u i l dc e l le d g eh i 曲 m o v i n gs p e e du s e r ss u f f e r e du n f a i m e s s t os o l v et h i sp r o b l e i l l ，t h i sm e s i sp r o p o s e da t i m ed o m a i nt t ia l l o c a t i o na l g o r i t h ma i l d 仔e q u e n c yd o m a i ns o r 舶q u e n c yr e u s e a l g o r i t l l i t lf a c i n gh i 曲m o v i n gs p e e du s e r s t i m ed o m a i nt t ia l l o c a t i o na l g o r i t a l l o c a t e se x t r at i m ed o m a i nt t ir e s o u r c e st oc e l le d g e1 1 i 曲m o v i n gs p e e du s e r s s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o ni st oa l l o c a t eo n es p e c i f i c r t it oc e l le d g eh i g hm o v i n gs p e e d u s e r se v e r yc e n a i nn u m b e rt t i s ，a n di nt h es p e c i f i ct t io n l yc e l le d g eh i 曲m o v i n g s p e e du s e r sw i l lb esc _ h e d u l e d f r e q u e n c yd o m a i ns o r 行e q u e n c y r e u s ea l g o r i m mf a c i n g 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i 曲m o v i n gs p e e du s e r si sb a s e do nt r a d i t i o n a ls o r 能q u e n c yr e u s e ，a n di n c r e a s e st h e p d o r i t yo fc e l le d g eh i 曲m o v i n gs p e e du s e r so nt h eb a n dw i t l lh i g h e rt m s m i tp o w e r s p e c m ci m p l 锄e n t a t i o ni sm a ti n 丘i e q u e n c yd o m a i ns c h e d u l e r ，t h ep r i o r i t yo fc e l le d g e t l i g hm o v i n gs p e e du s e r si sm u l t i p l i e db yac o e 伍c i e n tg r e a t e rm a n 1o nt h eb a n dw i m l l i 曲e r 托a i l s m i tp o w e rt oi m p r o v em e i rp r i o r i t y t h es y s t e ml e v e ls i m u l a t i o nr e s u l t so f t h e 铆oa l g o r i t m ss h o wm a tt l l et 、oa l g o r i t l l i i l sc a l le 行e c t i v e l yi m p r o v et h et h j o u g h p u t o fc e l le d g eh i 曲m o v i n gs p e e du s e r s ，姐di l n p r o v eu s e rf a i m e s s 1 ( e y w o r d s ：l t e ；p a c k e ts c h e d u l i n g ；h i g hm o v i n gs p e e d ；c e ue d g e ；f a i m e s s ；7 丌i a l l o c a t i o n ；s o rf r e q u e n c yr e u s e c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 v 致谢 本论文的工作是在我的导师谈振辉教授的悉心指导下完成的，谈振辉教授严 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。谈老师高尚的人格、 渊博的学识和严谨的治学态度深深地影响这我的做人和学习。在此衷心感谢两年 半来谈老师对我的关心和指导。 感谢宽带无线移动通信研究所的所有老师，特别是金晓军老师在学习上和生 活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向金晓军老师表示衷心的谢意。 在诺基亚西门子实习期间，关皓师姐、刘竞秀、王笑一、牟建宏师兄、贾海 燕师姐以及张旭、聂文召等同事对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，感谢谈老师对我论文修改提出的宝贵意见， 各位同级同学和师兄师姐对我论文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。 另外也深深感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学_ 匕。 北京交通大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1l t e 总体系统架构3 图2 1 帧结构类型1 8 图2 2 帧结构类型2 9 图2 3p r b 结构1 0 图2 4 基站用户面和控制面协议结构以及不同层对应的删功能1 4 图2 5 第2 层删结构图：动态调度、链路自适应和h a r q 管理1 6 图2 6l t e 分组调度器结构17 图2 7 轮询算法示意图18 图2 8 最大载干比算法示意图19 图2 9 正比公平算法示意图2 0 图2 1 0 三种经典分组调度算法的吞吐量性能比较一2 2 图2 1 1 三种经典分组调度算法的用户平均分配p r b 数2 2 图2 1 2 三种经典分组调度算法的用户调度概率2 3 图2 1 3 三种经典分组调度算法的用户位置与调度概率的关系一2 4 图3 17 个小区拓扑结构一2 5 图3 2 系统级仿真主要流程2 7 图3 3s c m 信道模型生成流程3l 图3 4 基站和移动台角度参数3 2 图3 5 分组调度流程3 4 图3 6h a r q 进程3 5 图3 7a m c 自适应过程3 6 图3 8 外环链路自适应过程3 6 图4 1 单独速度模式和混合速度模式的用户吞吐量4 1 图4 2 单独速度模式和混合速度模式下的公平性因子m ”一4 2 图4 3 单独速度模式和混合速度模式下的公平性因子n 4 2 图4 4t t l 分配方法一4 3 图4 5t t l 分配算法流程图一4 3 图4 6 不同的k 值对应的公平性因子n 4 5 图4 7 不同频域调度算法的公平性因子n 4 6 北京交通大学硕士学位论文图目录 图4 8 不同频域调度算法的用户吞吐量4 7 图4 9s f r 的频率安排4 8 图4 1 0s f r 的功率分配4 8 图4 1 1 面向高速移动用户的s f r 流程图5 0 图4 1 2 不同d b p o w e r m a s k 的公平性因子n 5 1 图4 13 不同d b p o w e r m a s k 的用户吞吐量5 2 图4 1 4 用户调度概率c d f 5 2 图4 1 5 口= 2 时的公平性因子n 5 3 图4 1 6 口= 2 时的用户吞吐量5 3 北京交通大学硕士学位论文引言 1 引言 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信发展简史 无线移动通信技术的飞速发展和广泛应用，给人们的生活带来了翻天覆地的变 化，促进了社会的进步。1 8 9 7 年马可尼在英格兰海峡使得行驶船只间保持了持续的通 信，第一次向世界展示了无线通信的威力，从此无线移动通信得到了迅猛的发展，新 的无线通信技术不断涌现，改变了人们的生活方式【。尤其是在过去的几十年里，无 线移动通信技术得到了迅猛蓬勃的发展，已经经历了三代，目前全球范围正在积极开 发建设第四代移动通信系统。 最初的无线移动通信是缓慢地随着技术的发展而发展的，直到2 0 世纪6 0 年代和 7 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，随着集成电路技术、微型计算机和微处理器 技术的发展，无线移动通信才进入飞速发展的阶段，真正的进入个人领域。 第一代移动通信系统( 1 g ) 诞生于2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，主要采用模拟语 音调制技术和频分多址( f d m a ) 技术，典型的系统有美国的高级移动电话系统 ( a d v a i l c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a m p s ) 、英国的全地址通信系统( t o t a la c c e s s c o n u l l i c a t i o n ss y s t e m ，t a c s ) 、加拿大的移动电话系统( m o b i l et e l 印h o n es y s t e m ， m t s ) 、瑞典等北欧四国的北欧移动电话系统( n o r d i cm o b i l et e l 印h o n y ，n m t ) 。 其主要缺点是频谱利用率低，业务种类少，保密性差等。 第二代移动通信系统( 2 g ) 首次出现于2 0 世纪9 0 年代初期，是从第一代的模拟 移动电话系统演进而来的，采用的数字调制方式、t d m a f d d 和c d m a ，f d d 的多 址接入技术，主要包括3 个t d m a 标准( 全球移动通信系统g s m 、临时标准 1 3 6 i s 一1 3 6 、个人数字蜂窝系统p d c ) 和1 个c d m a 标准( 临时标准9 5 i s 9 5 ) ，完 成了无线网络从模拟过渡到数字技术的过程。由于2 g 技术采用的是电路交换数据调 制解调技术，将数据限定在一个电路交换话音信道中，所有2 g 支持的用户数据速率 不高。为了满足人们不断提高的数据速率要求，出现了以数据为中心的2 5 g 技术标 准，主要有通用无线分组业务g p r s 、高速电路交换数据h s c s d 、演进的增强数据传 输速率的通用分组无线业务e d g e 、临时标准9 5 b i s 9 5 b 【2 1 。 北京交通大学硕士学位论文引言 2 0 世纪9 0 年代，2 g 移动通信系统在普遍组网演进的同时，第三代移动通信系统 ( 3 g ) 的研究工作页开展得如火如茶。3 g 能将无线通信与国际互联网等多媒体通信 结合为新一代移动通信系统，能够处理图像、音乐、视频形式，提供网页浏览、电话 会议、电子商务信息服务。无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在 室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速 度。国际电信联盟( h l t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a f i o n su i l i o n ，i t u ) 制定了m i t 2 0 0 0 的规范，并最终发展为3 g 规范。目前3 g 存在的四种标准是t d s c d m a 、w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和w i m a x 。其中，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 ，码分多址) 是 3 g 的技术基础，其特点有系统容量大、频率规划简单、抗多径能力强、频率复用系数 高、通信质量好、软切换、软容量等，发展潜力巨大【3 1 。 随着各种互联网应用的蓬勃发展，用户在任何时间、任何地点对宽带p 多媒体数 据业务的需求，给新一代的无线通信系统的发展带来了推动力。基础研究领域和学术 界的雄厚技术储备是先进的无线通信系统发展的基础，到了2 1 世纪初，在多天线、 o f d m 、反馈、调度等技术的研究已经比较成熟，可以进行标准化合满足产品开发需 求，于是基于o f d m 和m 蹦o 的新一代无线通信系统研发的时机成熟了。2 0 0 6 年，国 际电信联盟无线部门( i t u r ) 正式将b 3 c 拊g 技术命名为i m t a d v a i l c e d 技术，并于2 0 0 8 年2 月发出通函，向各国标准化组织征集d v i t a 小a n c e d 技术方案。之后w i m a x 、l 1 e 和u m b 成为向4 g 演进的最丰要标准。3 g 向4 g 的演进路径主要有3 条：w i 从 8 0 2 1 6 e 演进为8 0 2 1 6 m 的路线；w c d m a 和t d s c d m a ，均从h s p a 演进至h s p a + ， 进而到l t e ( 分为f d d 和t d d 两种方式) ；c d m a 2 0 0 0 沿着1 x e v d o r e v o 、l xe v d or e v a 、l xe v d or e v b ，最终到u m b 【4 1 。在2 0 1 0 年1 0 月2 0 日重庆闭幕的r r u r 第5 研究组国际移动通信工作组( w p 5 d ) 第9 次会议期间，各国参会代表深入研究讨 论了6 项技术提案，其中包括了我国提交的t d l t e a d v a n c e d ，并最终达成共识，确 定8 0 2 1 6 m 和l t e a d v a l l c e d ( 包含t d l t e a d v a j l c e d ) 成为第四代移动通信( 4 g ) 的国际标准。2 0 1 1 年底前，i t u 将完成4 g 国际标准建议书的编制工作，并于2 0 1 2 年初 将正式地批准发布4 g 国际标准建议书【5 1 。 l t e a d v a l l c e d ( 简称l t e a ) 由l t e 系统演进而来，在r r u r4 g 标准开始征集后， 3 g p p 认为，l t e 本身可以作为满足i m t a d v a i l c e d 需求的技术基础和核心，从指标上 来讲，l t e 相对i m t a d v a i l c e d ( 即4 g 标准) 的要求还有一定差距。因此当将l t e 升级到 4 g 时，并不需要改变l t e 标准的核心，而只需在l 1 1 e 基础上进行扩充、增强和完善， 北京交通大学硕士学位论文 引言 就可以满足i m t a d v a l l c e d 的要求【6 】，l t e a 正是基于此原因而被提出，其目的是为满 足未来几年内无线通信市场的更高需求和更多应用。 1 1 2l t e 系统简介 1 系统架构 l t e 采用了扁平化的网络结构，e n o d e b 之间由x 2 接口互连。每个e n o d e b 又和 演进型分组核心网( e v o l v e dp a c k e tc o r e n e 俩o r k ，e p c ) 通过s 1 接口相连。s 1 接口 的控制面终止在服务网关( s e r v i n gg a t e w a y ，s g w ) 上，s 1 接口的用户面终止在移 动性管理实体( m o b i l i t y m a i l a g e m e n t e 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 e b 上【7 1 。 一 ，e u t r a n 三兰岔j ，正n 州b 嚣夕州b ! 图1 1u 、e 总体系统架构 f i g l 】r e l 1o v e r a l ll t es y s t e ma r c h i t e c t u r e e n o d e b 具有以下功能： ( 1 ) 无线资源管理相关功能，如无线接纳控制、无线承载控制、连接移动性管 理、动态资源分配( 上下行调度) 等。 ( 2 ) u e 附着时选择m 。因为s 1 接口可在多个m m e s g w 与e n b 之间存 在，在初始接入u e 到网络时，应该选择其中一个m m e 附着。 ( 3 ) i p 头的压缩和用户数据流加密。 北京交通大学硕士学位论文引言 ( 4 ) 提供到s g w 的用户面数据的路由。 ( 5 ) 调度和传输系统广播信息。内容可以来自操作维护或者m m e 。 ( 6 ) 调度与传输寻呼消息。接收到来自姗的寻呼消息后，e n b 根据调度原 则发送寻呼消息给空中接口。 ( 7 ) 测量与配置测量报告。 m m e 具有以下功能： ( 1 ) 分发寻呼消息。m m e 负责按一定原则将寻呼消息分发到相关e n b 。 ( 2 ) 空闲状态下的移动性管理。 ( 3 ) 安全控制。 ( 4 ) s a e 的承载控制。 ( 5 ) 加密非接入层信令和完整性保护。 s g w 具有以下功能： ( 1 ) 支持由于u e 的移动性而产生的用户平面的切换。 ( 2 ) 终止因为寻呼原因而生成的用户平面的数据包。 2 系统需求 作为准4 g 技术，l 1 色对系统的需求指标有【8 】： ( 1 ) 峰值数据率：2 0 m h z 的系统带宽下，下行瞬时峰值速率为1 0 0 m b i t s ( 用户 端配置两根接收天线) ，上行瞬时峰值速率为5 0 m b i t s ( 用户端配置1 根发射天线) 。 ( 2 ) 控制面容量：小区在5 m h z 的带宽下至少要支持2 0 0 个用户。 ( 3 ) 控制面延时：从驻留的状态转换到激活的状态的延时小于1 0 0 m s ，从睡眠的 状态转换到激活的状态的延时小于5 0 m s 。 ( 4 ) 用户面延时：零负荷( 单用户和单数据流) 、小i p 分组的条件下单向延时 小于5 m s 。 ( 5 ) 频谱效率：在真实网络负载中，下行的频谱效率是r 6h s d p a 的3 4 倍( 假 设基站有两根发射天线、用户有两根接收天线) ；上行的频谱效率是r 6h s d p a 的2 3 倍( 假设用户有一根发射天线、基站有两根接收天线) 。 ( 6 ) 用户吞吐量：下行每m h z 的用户平均吞吐量是r 6h s d p a 的3 4 倍，下行每 m h z 的用户小区边缘吞吐量是r 6h s d p a 的2 3 倍；上行每m h z 的用户平均吞吐量是 r 6h s d p a 的2 3 倍，上行每m h z 的用户小区边缘吞吐量为r 6h s d p a 的2 3 倍。 ( 7 ) 移动性：优化0 1 5 l ( i i 油低速移动，实现1 5 1 2 0 l ( i i 汕高速移动下的高性能， 能够保持在1 2 0 3 5 0 l ( 1 i 汕( 某些频段支持5 0 0 l ( 1 1 1 1 1 ) 下的蜂窝网络移动性。 4 北京交通大学硕士学位论文 引言 ( 1 0 ) 频谱灵活性：支持从1 2 5 2 0 m h z 不同大小的频带；支持在成对与非成对 频谱中部署；支持基于资源整合( r c s o w c ea g g r e g a l i o n ) 的内容提供，包括一个频段 的内部、不同的频段之间、上行和下行之间、相邻的和不相邻的频带之间整合。 ( 1 1 ) 系统架构与演进：e u t 凡州的系统架构单一地基于分组，通过分组架构 来支持和实现业务与会话业务；最大可能地避免单点的失败；支持端到端的q o s ；支 持优化回传( b a c l ( 1 l u a l ) 通信协议。 ( 1 2 ) 与3 g p p 无线接入技术的共存和互操作：可以和g e 黜肘t 凡埘系统邻频 共站址地共存；支持u t 黜、g e m 埘操作的e u t 凡终端应该支持测量 u t 毗n g e 凡气n ，以及支持在e u t 凡气n 和u t 凡n g e 凡之间切换。实时的业务在 e u t 与u t r a n g e 黜之间切换中断的时间应小于3 0 0 m s 。 ( 1 3 ) 无线资源管理：有效地支持高层传输；增强的端到端q o s ；支持不同无线 接入技术之间的负载均衡与策略管理。 ( 1 4 ) 复杂度：尽可能减少选项；避免多余的必选特性。 1 2 选题意义 l t e 是后3 g 技术，其要求能支持下行瞬间峰值速率l o o m b i t s ，上行瞬间峰值速率 5 0 m b i t s ，远超过3 g 的要求【9 】ol t e 在提高数据传输速率和增加系统容量的同时，还 大大降低了传输时延。与3 g 不同，l t e 将快速分组调度功能从无线网络控制器( r a d i o n e 研o r kc o n t m l l e r ，i 斟c ) 移到基站端，基站能够快速地得到信道的状态，做出快速 地调度分配，从而提高了系统性能，使得数据包调度的速度更快，时延更小【l 。分组 调度算法作为调度的准则，对小区吞吐量和用户公平性有着显著的影响。一个好的分 组调度算法需要兼顾系统容量和用户公平性，需要实时准确地跟踪信道信息，调度瞬 时信道最好的用户，同时兼顾公平性和用户的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 需 求。分组调度算法的最终目的就是快速地实现共享资源的最优分配，进而提_ 丁i 整个系 统的性能。经典的分组调度算法有文献 1 1 提出的轮询算法( i 沁u n dr o b i n ，r r ) 和 最大载干比( m a ) 【c a r r i e ro v e ri n t e 疵i i e n c e ，m a ) 【c o i ) 算法，轮询算法不考虑用户的 信道状态，保证了用户的公平性，但是系统吞吐量很低；最大载干比算法调度信道条 件最好的用户，能最大化信道容量，但是用户公平性极差。由高通公司在2 0 0 0 年提出 的比例公平算法( p r o p o r t i o n a lf a i r ，p f ) 兼顾了系统容量和用户公平性，同时考虑了 用户信道条件和以往服务情况，已被广泛应用【l 2 | 。 北京交通大学硕士学位论文 引言 高速率的数据通信将成为未来移动通信的主题，分组调度算法作为无线资源管理 的重要部分和l 陋的关键技术，对充分利用资源和提高数据速率有着至关重要的作 用，因此研究分组调度算法对无线移动通信的发展有重大现实意义。另外，由于分组 调度算法并不需要标准化，各个设备商实现的性能可能差别较大，所以调度算法的优 劣成为比较各个设备商l t e 技术性能的重要方面之一，研究分组调度算法也是非常有 实用价值的【1 3 】。随着我国高速铁路和高速公路的快速发展，移动通信面临着更多的高 速移动环境，而目前对于调度算法的研究大多是基于低速移动环境的，所以研究高速 移动环境下的分组调度算法具有很大的现实意义。高速移动造成的多普勒频移和高速 移动环境下信道的快速的变化，严重降低了系统的性能。同时，高速移动环境也给分 组调度带来了不利影响，如何在快速变化的信道下有效地分配无线资源，是分组调度 算法面临的挑战。本文将关注高速移动用户，尤其是小区边缘高速移动用户的性能， 小区边缘高速移动用户由于面临高速移动和小区边缘两个不利条件，吞吐量性能十分 差，遭遇了不公平待遇，本文将从时域和频域两个方面采取方法提高这部分用户的性 能。 本文的目的就是研究面向高速用户的分组调度算法，使得在小区总体性能损失可 以接受的范围内，尽可能地提高高速移动用户的性能。 1 3 论文结构安排 本论文共分为五章，各章的丰要内容如下： 第一章引言 介绍了移动通信的发展历史和l t e 系统的研究背景，包括l t e 系统架构和系统需 求，然后阐述了选题的现实意义和实用价值，最后介绍论文结构和主要内容。 第二章l 1 1 e 系统分组调度概述 介绍了l r e 系统的帧结构、资源块结构和关键技术，分析了分组调度的作用和地 位，最后介绍了几种经典的分组调度算法并比较了它们的系统吞吐量性能和用户公平 性。 第三章系统级仿真平台的搭建 介绍了系统级仿真平台的搭建，包括仿真流程、仿真条件及主要模型，其中主要 介绍了信道模型和分组调度器模型。本文的仿真结果均建立在此仿真平台基础上。 6 北京交通大学硕士学位论文引言 第四章面向高速移动用户的分组调度算法 重点研究了小区边缘高速移动用户吞吐量低的问题，优化了分组调度器结构，提 出时域t t l 分配方法和频域软频率复用方法，并进行仿真，有效提高了小区边缘高速 移动用户的吞吐量。 第六章总结与展望 对全文的工作做个总结，并提出存在的问题，最后对未来的工作进行了展望。 北京交通大学硕士学位论文 l t e 系统分组调度概述 2l t e 系统分组调度概述 2 1l t e 资源结构与关键技术 2 1 1l t e 帧结构 在空中接口上，l t e 系统中定义了无线帧来进行信号的传输，1 个无线帧的长度 是l o m s 。l t e 支持两种帧结构t ) ，p e l 和t y p e 2 ，其中，t y p e l 用于频分双工 ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g ，f d d ) ，t y p e 2 用于时分双工( t i m ed i v i s i o n d u p l e x i n g ，t d d ) 。 ( 1 ) 帧结构类型1 ( t y p e l ) t y p e l 适用于全双工与半双工的频分双工模式。如图2 1 所示，每个无线帧的长度 是1 0 m s ，由2 0 个时隙组成，每个时隙长度是o 5 m s ，两个相邻的时隙定义为一个了帧， 也称为发送时间间隔( t r a l l s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l ，t t i ) 。 无线帧= 1 0 m s 时隙= 0 5 m s _ h 1 23456 图2 1 帧结构类型l f l g u r e 2 1f 。r a m es t l l l c t u r e1 i 。y p el ( 2 ) 帧结构类型2 ( t y p e 2 ) t y p e 2 适用于时分双工模式。如图2 2 所示，每个无线帧由两个半帧构成，每一个 半帧长度为5 m s ，每一个半帧又由8 个常规时隙和d w p t s 、g p 和u p p t s 三个特殊的时 隙构成。一个常规时隙长度是o 5 m s 。d w p t s 和u p p t s 的长度是可配置的，并且要求 d w p t s 、g p 和u p p t s 的总长度等于1 m s 。其中，g p ( g u a r dp e r i o d ) 是t d d 上下行转 换的保护间隔，是为了避免由于“信号的传输时延”和“设备收发转换的时延”导致 的上下行之间的干扰；d w p t s 用于下行信号的发送，根据不同的配置，d w p t s 的长 度可以是3 1 2 个o f d m 符号，系统的丰同步信号位于它的第3 个符号，其他资源用作 正常的下行控制信道和下行共享信道的发送；u p p t s 用于上行信号的发送，它的长度 可以配置为1 2 个o f d m 符号，可用于承载物理随机接入信道和s o m l d i n g 导频信号【1 4 】。 北京交通大学硕士学位论文 l t e 系统分组调度概述 半帧= 5 m s - o 234 5 l ；| | 7 89 d w p t sg pu p p t s d w p t s g p u p p t s 图2 2 帧结构类型2 f i g u r e 2 2f r a r n es 缸1 l c n 玳t y p e2 本文采用的帧结构是帧结构类型1 ，即f d d 模式。 2 1 2l t e 下行资源块结构 一个时隙中传输的信号可以用一个资源栅格来描述，其大小为错笋个子载 波和缴 个o f d m 符号，如图2 3 所示。艚的大小取决于小区中下行传输带宽的 配置，并且满足：曾d 嚣苦d ，其中劣脱= 6 ，并且学脱= 1 l o 是 下行传输的最小和最大带宽( 1 4 m h z 和2 0 m h z ) 。一个时隙中的o f d m 符号个数取 决于循环前缀( c y c l i cp r e 舨，c p ) 和予载波间隔。予载波间隔为1 5 k h z ，则在常规 c p 时一个时隙有7 个o f d m 符号，在扩展c p 时一个时隙有6 个o f d m 符号【1 5 】。 9 北京交通大学硕士学位论文 l t e 系统分组调度概述 鲻l 搦l 害|慧 是m 乏 七 昌麓l 复2 乏之 一个下行时隙t 。l 。t 一h - - 一； j 一 ；。 端b 个o f 咖符号、 - - 一“一一 十卜一 一一一一一一_ 1 一一 l 一一_ l 一+ j k = n 髓n 登。 资源块( r b ) 蝶6 磷个r e 艘( 七，) i 一一- 一 七= 0 ，= o ，= 碟6 一l 图2 3p r b 结构 f i g u r e 2 3p r bs 咖c t u r e 资源栅格中的最小单元叫做资源粒了( r e s o l l r c ee l 锄e n t ，r e ) ，它通过索引对 ( k ，1 ) 来进行唯一标识，其中尼= o ，嚣笋一1 和，= o ，翥6 1 ，分别表示在 频域和时域的序号。 1 0 北京交通大学硕士学位论文l t e 系统分组调度概述 资源块( r e s o u r c eb l o c k ，r b ) 用来描述物理信道( p h y s i c a lc h a l l l l e l ) 到资源粒 子的映射。分别定义两种资源块：物理资源块与虚拟资源块。 物理资源块( p h y s i c a lr e s o u r c eb 1 0 c k ，p r b ) 定义为时域上嬲6 个连续o f d m 符号，和频域上笋个连续子载波。这样的一个p i m 将包括嬲6 笋个资源粒子， 即时域上长度是一个时隙( o 5 m s ) ，频域上的宽度是1 8 0 l 【h z 。其中，p r b 的序号玎p r b 和一个时隙中的资源单元( k 1 ) 之间的关系如下： i正p 聆脚2i 斋l 1 ) l j cj 虚拟资源块( v i n u a lr e s o u r c eb l o c k ，m ) 具有和p r b 相同的大小。这里定义 的v r b 有两种类型，分别是分布式传输和集中式传输的m 。 集中