（通信与信息系统专业论文）b3g移动通信系统的上行分组调度研究.pdf

摘要 摘要 本篇论文的研究内容是以h s u p a 和l t e 为代表的b 3 g 移动通信系统中的上行分 组调度算法。全文内容分为四章： 第一章首先点明了上行分组调度的本质在于自适应动态资源分配，简要介绍了上行 分组调度的实现方式，然后交待了论文的研究背景和全文工作概要。 第二章从数学模型的角度阐释了上行分组调度的基本功能和相关系统要素，明确了 调度器的设计目标是获得小区吞吐量、用户公平性和业务q o s 差别化三方面性能的平 衡。出于不同优化目标的考虑，上行分组调度既可以基于公平队列模型。按照业务q o s 权重来分配无线资源，也可以基于容量优化模型，考虑最大化系统吞吐量。而实际系统 中常采用实现简单、性能也相对令人满意的优先级模型，优先级度量的选取决定了最终 的系统性能。优先级模型也被确定为本文设计调度算法的主导思想。 第三章在h s u p a 协议框架的限制内提出了一种包含了小区负载控制、软切换负载 控制和用户速率分配功能的集中式调度算法。该算法遵循正比公平性优先级原则，支持 a g 方式或r g 方式的速率分配。通过仿真发现，a g 速率分配方式带来很大的r o t 抖 动，抵消了时分调度的吞吐量增益，导致与r g 方式的性能相近。另外，使用h a r q 重 传有利于降低本小区用户间的干扰，b l e r 设为1 0 时的小区吞吐量相比1 b l e r 提 高了一倍。仿真还证明了，限制软切换用户的上行速率有利于提高小区吞吐量，但破坏 了用户公平性。 第四章研究了l t e 中上行分组调度算法的设计问题。文中提出一种将功率控制、 资源块优先级分配和m c s 选择相结合的调度方案。资源块的优先级度量可以采用最大 载干比、正比公平性、m l w d f 或指数原则。在非实时业务场景中，资源块优先级分 配算法比轮询分配下的小区吞吐量高出1 6 ；在实时和非实时业务相混合的场景下，遵 循m l w d f 和e x p 原则的资源块优先级分配算法以牺牲部分多用户频率选择性增益为 代价，保证了实时业务的q o s 。 关键词：上行分组调度，无线资源管理，高速上行分组接入，单载波频分复用，链路 自适应，服务质量，优先级，用户公平性，吞吐量，时延，系统级仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et o p i co ft h i st h e s i si st od e s i g n ，e v a l u a t ea n ds i m u l a t et h eu p l i n kp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h mi nb 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i np a r t i c u l a rh s u p a a n dl t e i nt h ef i r s tp a r t ，t h em a j o rt a s ko fu p l i n kp a c k e ts c h e d u l i n gi sc o n c l u d e da sa d a p t i v e r e s o u r c ea l l o c a t i o n a f t e rt h a t ，w eg i v eag e n e r a ld e s c r i p t i o no ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n d t h eo u t l i n eo f o u rr e s e a r e hw o r k i nc h a p t e r2 ，t h eo b j e c t i v eo fu p l i n kp a c k e ts c h e d u l i n gi ss u m m a r i z e da sar e a s o n a b l e b a l a n c ea m o n gc e l lt h r o u g h p u t ，u s e rf a i r n e s sa n dq o sd i f f e r e n t i a t i o n s o m er e l a t e di s s u e s s u c ha sq o s ，t r a f f i cq u e u e i n g ，m u l t i p l ea c c e s sa n dl i n ka d a p t a t i o na r ed i s c u s s e d af a i r q u e u e i n gm o d e la s s i g n sr a d i or e s o u r c eb a s e do nq o sw e i g h t , w h i l eam a x i m u mt h r o u g h p u t m o d e li sm o s te f f i c i e n ti nr a d i or e s o u r c eu t i l i z a t i o n i np r a c t i c e ，t h ep r i o r i t ym o d e lr e d u c e st h e c o m p l e x i t yw i t hl i t t l es y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ep r i o r i t ym o d e li s c h o s e na st h ep r o t o t y p ef o rs c h e d u l e rd e s i g ni nb 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nh s u p a ，w ep r o p o s e das c h e d u l i n ga l g o r i t h mt h a tc o m p r i s e sl o a dc o n t r o l ，s h ol o a d c o n t r o la n dr a t ea l l o c a t i o n t h i sa l g o r i t h mf o l l o w sp r o p o r t i o n a lf a i r n e s sp r i o r i t ym o d e la n d d e t e r m i n e su s e rd a t ar a t ei ne i t h e ra go rr gm o d e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e t h r o u g h p u tg a i ni nt i m ed i v i s i o ns c h e d u l i n gi sn o to b v i o u so v e rr gs c h e d u l i n gd u et ol a r g e r d y n a m i c si nu p l i n kr o t i na d d i t i o n ，h a r qr e t r a n s m i s s i o nr e d u c e st h ei n t r a - c e l li n t e r f e r e n c e a sb l e rt a r g e ti ss e tt o1 0 ，t h ec e l lt h r o u g h p u ti s1 0 0 h i g h e rt h a nt h a ti f r e q u i r e db l e r i s1 t h es i m u l a t i o na l s os h o w st h a ta p p l y i n gal o w e rm a x i m u mr a t eb o u n df o rt h es o f t h a n d o v e rs u b s c r i b e r si sb e n e f i c i a lt ot h eo v e r a l lt h r o u g h p u ti nt h es a c r i f i c eo f u s e rf a i m e s s o u rp r o p o s e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nl t eu p l i n ks e p a r a t e sp o w e rc o n t r o l l i n ga n d s u b - c a r r i e ra u o e a t i o n w i t hap r e d e f m e da v e r a g es i g n a l t o - n o i s er a t i o ，t h eb e s tq u a l i t y s u b - c a r r i e ri sa l l o c a t e dt ot h eh i g h e s tp r i o r i t ys u b s c r i b e rt om a x i m u mt h e 丘e q u e n c ys e l e c t i v e d i v e r s i t y i nt h en o n - r e a lt i m et r a f f i cs c e n a r i o ，0 1 1 1 c h a n n e l - d e p e n d e n ts c h e d u l e rp r o v i d e s1 6 t h r o u g h p u tg a i no v e rr a n d o ms c h e d u l i n g i n t h em i x e dt r a f f i cs c e n a r i o ，t h e s c h e d u l i n g f o l l o w i n gm - l w d fr u l eo re x pr u l el o s e ss o m et h r o u g h p u tg a i nb u tk e e p st h er e a lt i m e t r a f f i cd e l a yw i t h i nt h ep r e d e f m e db o u n d k e yw o r d s ：u p l i n kp a c k e ts c h e d u l i n g ，r r m ，h s u p a ，s c - f d m a ，l i n ka d a p t a t i o n , q o s ， p r i o r i t y ，u s e rf a i r n e s s ，t h r o u g h p u t ，d e l a y ，s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n - 1 1 一 插图目录 插图目录 图1 1 集中式上行分组调度结构 图。1 2 上行分组调度与其它r r m 模块间的交互 3 图2 1 上行分组调度的系统框图9 图2 2 上行分组调度的优化目标m 1 0 图2 3 业务队列的漏桶模型1 2 图2 4 业务队列的令牌桶模型1 3 图2 5 功率衰减信道模型1 3 图2 6o f d m a 中的r u 组成方式1 6 圈2 7 双天线接收分集- 1 3 图，2 8 多用户分集1 9 图2 9 频率选择性分集一1 9 图2 1 0 自适应调制编码的动态范围2 1 图3 1h s u p a 接入分层体系3 3 图3 2h s u l 狐协议框图3 4 图3 3h s u p a 物理信道映射关系3 5 图3 4 上行物理信道帧结构o 3 5 图3 5e - d p d c h 物理信道映射3 6 图3 6e - d c h 物理层h a r q 速率匹配3 6 圈3 7e - d c h 上行物理信道的扩频和复用。 3 7 圈3 8 发送端的m a c 层结构4 0 图3 9 发送端的m a c - ep d u 复用过程4 0 图3 1 0 接收端的m a c 层结构。4 l 圈3 11r g 调度指令的作用一，4 2 图3 1 2a w g n 信道链路性能曲线。4 7 图3 1 3 小区吞吐量与r o t 门限的关系4 8 图3 1 4p a 3 信道下a g 与r g 调度的传输格式分布4 9 东南大学硕士学位论文 图3 1 5p a 3 信道下a g 与r g 调度对r o t 的控制4 9 图3 1 6v a 3 0 信道下a g 与r g 调度对r o t 的控耕k 5 0 图3 1 7 不同h a r q 功率偏移下的传输误块率：5 0 图3 1 8 不同h a r q 功率偏移下的小区吞吐量。5 l 图3 1 9 不同软切换负载门限下的吞吐量5 2 图3 2 0 不同软切换负载门限下的负载比例二5 2 图3 2 1 不同软切换负载门限下的用户公平性5 3 图4 1s c - f d m a 载波调制过程5 6 j 图4 2s c f d m a 子载波映射5 6 图4 3l t e 上行予帧结构5 7 图4 4 上行传输的初始化过程5 8 图4 5 上行物理层的调制编码过程。：二5 9 图4 6 频谱划分小区干扰协调方案“6 1 图4 7 传输带宽分配流程：j 。6 6 图4 8a w g n 信道链路性能曲线j 6 7 圈4 9c h a s e 合并下的频谱效率6 8 图4 1 0 流媒体业务模型6 9 图4 1l 非实时业务下的小区吞吐量性能：7 0 图4 1 2 非实时业务下的吞吐量比较。7 1 圈4 1 3 非实对业务的用户公平性。：7 l 图4 1 4 实时流媒体业务的端到端时延j ：7 2 图4 1 5 低负载混合业务下的小区吞吐量一7 3 胬4 1 6 低负载混合业务下的实时业务端到端时延7 3 图4 1 7 高负载混合业务下的小区吞吐量 7 4 图4 1 8 高负载混合业务下的实时业务端到端时延。：7 4 - - 表格目录 表格目录 表2 1 不同网络层次的q o s 指标和保障机制。1 l 表4 1l t e 上行带宽与子载波数目的关系 表4 2 邻小区干扰参考值。6 8 表4 3 流媒体业务参数。6 9 - 结略语 3 g a g 8 g w a m c 凛g 嗵 b l e r c d g p s c d m a c q i c r c d c h d d i d p c c h e a g c h e d c h e d p c c h e d p d c h b c h b r g c h e r n e t f c e 0 【f c i e e s m f d m a f f r g p s 缩略语 3 对g e n e r a t i o n a b s o l u t eg r a n t a c c e s sg a t e w a y a 却t i v em o d u l a t i o na n dc o d h m a d d i t i v ew 撕t eg a u s s i a nn o i s e b l o c ke r r o rr a t e c o d ed i v i s i o ng e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h m m e lq u a l i t yi n d i c a t o r c y c h cr e d u n d a n c yc h e c k d e d i c a t e dc h a n n e l d a t ad e s c r i p t i o ni n d i c a t o r d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l e - d c ha b s o l u t eo r a n tc h a n n e l e n h a n c e dd e d i c a t e dc h a n n e l e - d c hd e c l i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l e - d c hd e d i c a t e dd a t ac o n t r o lc h a n n e l 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 b d c hr e l a t i v eg r a n tc h a n n e l e - d c hr a d i on e t w o r kt e m p o r a r yi d e n t i t y e - d c h t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o n e - d c ht r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o ni n d i c a t o r e x p o n e n t i a le f f e c t i v es n rm a p p i n g f r e q u e m yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e r , t r a n s f o r m g e n c m l i z a dp r o c e s s o rs h a r i n g 一1 】【- 第三代移动通信 绝对谪度授权 接入网关 自适应调制编码 高斯自噪声 误块率 码分处理器共享 码分多址 信道质量指示 循环冗余校验 专用信道 数据描述指示 专用控制物理信道 增强型绝对授权信道 增强型专用信道 增强型专用控制信道 增强型专用数据信道 增强型重传指示信道 增强型相对授权信道 增强型无线网络标识 增强型传输格式组合 增强型传输格式指示 指数等效信噪比映射 频分多址 快速傅立叶交换 处理器共享 东南大学硬士学位论文 g s m h a r q h o l h s d p a h s u p a i w f q 。m m l w d f m a c m c s n 固o 吸c o f d m o f d m a p d u q o s r 0 r l c r n c r o t r r m r s n l u t r u s c - f d m a s c f q s d m a s 叫 s t f q t c p g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h e a do f l i n e h i g h s p e e dd o w n i i n kp a c k e ta c c e s s h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta a 7 , c 0 8 s i d e a l i z e dw e i g h t e df a i rq u e u e i n g l o n gt e r me v o l u t i o n m o d i f i e dl a r g e s tw e i g h t e dd e l a yf i r s t m e d i aa c c e s sc o n t r o l m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i l n u n lr a t i oc o m b i f i i n g 0 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 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 p r o t o c o ld a t au n i t q u a l i t yo fs e r v i c e r e l a t i v ec r m n t 础o l i n kc 打0 1 r b d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r i s e0 v e rt h e r m a ln o i s e r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r e l n u 塔m i ts e q u e n c en u m b e r r o u n dt r i pt i m e r e s o u r c eu n i t s i n g l ec a i n c i f d m a s e l f c l o c kf a i rq u e u e i n g s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s o u r c ed a t au n i t s t a r tt i m ef a i rq u e u e i n g t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 全球移动通信系统 混合重传 队列首部 高速下行分组接入 高速上行分组接入 理想加权公平队列 长期演进 修正最大时延优先 媒体接入控制 调制编码方式 多输入多输出 最大比合并 正交频分复用 正交频分多址 协议数据单元 服务质量 相对调度授权 无线链路控制 无线网络控制器 噪声提升 无线资源管理 重传序号 往返时问 资源块 单载波频分多址 自定时公平队列 空分多址 业务数据单元 起始时间公平队列 传输控制协议 缩略语 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s m i tp o w e rc o n t r o l t r a n s m i s s i o ns e q u e n c en u m b e r t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l u n i v e r s a lm o b i l et e r r e s t r i a ls y s t e m u 口l i n kp a c k e ta c c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s - - 时分多址 发送功率控制 传输序号 传输时间间隔 通用移动通信系统 上行分组接入 宽带码分多址 眦聊哪一叭一 学位论文独创性声明 本人声明所呈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 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 签名圣鲤 日期丕立：! ：盟 关于学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名王址导师签名j 蜇二虬日期2 2 珥 第1 聿绪论 第1 章绪论 现代移动通信使人们之间的即时信息交流更加便利，实现了在任何时间、任何地点 下与任何人进行任何方式通信的目标。数十年来，人们一直在为提高移动通信系统方方 面面的性能而努力着。对于一个移动通信系统而言，提高其性能主要可以从两方面着手： 一是提高系统的基带传输能力；= 是通过无线资源最优分配提高系统容量。 上行分组调度是无线资源分配的一个重要层面，好的上行分组调度方案不仅可以保 证各个用户业务的可靠传输，而且可以在有限的频谱上服务更多用户本文以h s u 】琅 和l t e 上行接入为背景研究了b 3 g 移动通信系统中的上行调度算法。本章首先对上行 分组调度的重要性作了阐述，然后介绍研究背景和全文的工作概要。 1 1移动通信网络中的上行分组调度 随着无线分组业务需求的增长，传统方式的静态资源预分配必然会被自适应动态资 源分配策略所取代，而移动通信网络中上行方向的动态资源分配策略正是上行分组调度 算法的本质所在。上行分组调度是无线资源管理的核心，在实现上往往需要考虑与链路 自适应技术和干扰协调技术相结合。 1 1 。1 。无线资源与分组调度 、 移动通信的网络覆盖方式采用多小区蜂窝结构，基站固定位于小区的中心，为移动 台提供上行接入。当多个移动台共享同一段频谱资源时，基站侧通过多址方式将它们的 信号相互区分。目前常见的多址接入方式有： f d m a ( 频分多址) 传输频谱被划分为多个频段，不同用户的发射信号加 载在不同的频段上，相互之间不重叠，如早期的模拟移动通信a m p s ； t d m a ( 时分多址) 连续的传输时间被划分为多个时隙，不同用户在不同 的时隙上发送数据，相互被间隔开来，如第二代g s m 系统； c d m a ( 码分多址) 蠲过扩频将用户的发射信号频带展宽，不同用户用于 东南大学硕士学位论文 扩频的码序列相互正交，广泛应用于第三代移动通信； s d m a ( 空分多址) 利用方向性天线产生主瓣宽度很小的点波束，不同用 户的发射信号通过方向角区分，如t d s c d m a 系统中的智能天线技术； 任何多址方式都是对无线资源的一种切割，即对多维信号空间的划分，在不同的维 上进行不同的划分就对应着不同的多址技术。第二代g s m 系统采用了频分和时分扭结 合的多址接入方式：在每个带宽为2 0 0k h z 的频率信道上以时分方式支持8 个全速率用 户3 g 中应用最广泛的w c d m a 技术采用码分多址接入方式：每个用户的信息比特流 以直扩方式转换成3 8 4m c p s 的码片序列，上行链路所能接入的最大用户数与每个用户 的传输速率有关。 任何一种多址接入方式下，移动蜂窝网络可分配的无线资源都是有限的。g s m 系 统中的无线资源表现为时间和频率资源，每5m h z 带宽内共有2 5 个频率信道，总共允 许接纳2 0 0 个全速率用户；w c d m a 系统的无线资源表现为功率资源和码资源，而上行 链路主要受功率资源限制。在满负荷条件下，w c d m a 上行最多允许接入约7 0 个1 2 2 k b p s 语音用户或1 6 个6 4k b p s 视频流媒体用户【1 6 】。 在资源有限的条件下，如何为用户动态按需分配无线资源是分组调度所要解决的问 题。g s m 系统预定义每个用户接入时被分配的资源大小，因此不涉及分组调度。g s m 系统能够提供的用户峰值速率仅为2 4 ，7k b p s ，用户的传输速率无法根据无线资源余量灵 活调配，空闲状态的信道资源也无法被有效利用。w c d m a 系统通过改变扩频因子和码 道数目可实现用户传输速率的按需分配( b a n d w i d t h o n d e m a n d ) ，支持的上行最高传输 速率达2m b p s ，可以满足多媒体通信和宽带互联网接入的业务需求。上行分组调度是 w c d m a 无线资源管理的核心内容，它周期性地将功率资源划分给同时接入的多个用 户，每个用户根据分得的功率资源选择相应的传输速率，在系统不过载的前提下。保证 各个用户的q o s ( 服务质量) 和公平性。 未来移动通信系统以应用o f d m ( 正交频分复用) 多载波调制技术为基本特征，具 有频谱效率高和抗多径干扰能力强的特点。o f d m 作为一种调制技术很容易与t d m a 、 f d m a 和c d m a 多址方式相结合，同时为多个用户提供服务。其中o f d m - f d m a 的组 合0 f d m a ，具有比较突出的优点，己被列入3 g p pl t e ( 长期演进) 的发展框架。 o f d m a 为每个用户提供一组子载波，不同用户通过子载波频率进行区分o f d m a 系 统中上行调度的目的是通过找到一种较好的子载波分配方法，使得在子载波数耳有限的 情况下，尽量服务更多的用户，保证各个用户的q o s 和公平性 第1 章绪论 3 g 系统中的实时语音业务依然是通过电路交换方式实现的，需要占用固定额度的 资源因此，w c d m a 中上行分组调度的主要任务是将剩余的系统容量分配给非实时业 务，并保证干扰水平低于预算门限，这样实时业务的服务质量也不会受到影响。未来移 动通信的发展趋势是将语音这样的实时业务通过v o i p 的方式实现，彻底取消核心网的 电路域，于是系统将面j 斑契时与非实时相混合、q o s 需求多样化的分组调度问题 1 1 2 上行分组调度的实现 采用集中式的策略可以严格意义上保证各个用户的最优资源分配，基本结构如图 1 。1 所示。在移动台侧，业务源产生的数据在缓冲队列中累积，队列状态以调度信息的 形式周期报告给基站。当基站收集了所有用户的队列信息后，调度器以最优原则为每个 用户发送资源分配指令。移动台根据接收的调度指令，从缓冲队列中取出业务数据发送 给基站。 田1 1 集中式上行分组调度结构 上行分组调度在优化本小区容量的同时，还需要综合考虑对邻小区资源的占用相 邻小区之间频率是重用的，提高本小区负载会增加对邻小区用户的干扰。另外，在上行 接收功率相同的情况下，小区边缘用户需要使用较高的发射功率，并且位置上距离邻小 区的基站更近，因此对邻小区干的扰影响大于小区中心用户。 上行分组调度必须与链路自适应技术相结合。如果用户的信道质量很差，调度器为 一3 东南大学硬士学位论文 其分配了大于其传输能力的带宽，势必造成无线资源的浪费。如果物理层采用了h a r q ( 混合重传) 机制，那么调度器的资源分配还需要考虑h a r q 重传过程中的资源分配 和自适应问题。 除了分组调度以外，上行其它r r m ( 无线资源管理) 技术还包括：功率控制、切 换控制和准入控制。功率控制将用户的无线链路接收质量维持在目标值附近；软切换控 制实现穿越小区边界用户的移动性管理；准入控制基于小区的负载情况允许或拒绝移动 台的接入请求。它们与分组调度的联系概括如图1 2 移动台的建立连接请求或切换请 求触发系统的准入控制；然后，准入控制将允许接入的移动台加入调度用户列表；接下 来，调度器输出的资源分配指令直接经过下行信道发送给移动台，接收信干比目标值被 送往功率控制用于调整移动台的发射功率。 加入调度用户设定信干比 圈令圈昌圈 豳1 2 上行分组调度与其它r r m 模块问的交互 l 。2 论文研究背景 本文的上行分组调度研究主要基于h s u p a 和l t e 上行接入系统。这两个系统分别 采用了c d m a 和o f d m a 的多址接入方式。 j 1 2 1h s u p a 系统 作为3 g 的增强版本，h s d p a 和h s u p a 近两年来受到了移动通信行业的广泛关注。 在全球范围内，目前已有7 0 个h s d p a 网络在3 9 个国家开始正式运营。h s u p a 的提 出稍晚于h s d p a ，它的标准化工作于2 0 0 5 年底完成，预计在2 0 0 7 年下半年或2 0 0 8 年 第1 章绪论 初投入商用。对于运营商而言。h s u p a 可以提高w c d m a 网络上行方向的数据容量和 频谱效率，降低每比特传输成本，实现高性价比的网络；对于普通用户来说，h s u p a 将提供更高的数据传输速率、更短的服务响应时间和更好的服务可靠性 预计h s u p a 系统的小区容量相比w c d m a 版本5 提高约5 0 7 0 ，用户吞吐量 增加5 0 左右，同时呼叫时延降低2 0 5 5 ，这将为视频下载、流媒体、电子邮件和 游戏业务提供更有效的支持。 h s u p a 采用了一些与h s d p a 类似的技术，但是h s u p a 并不是h s d p a 简单的上 行翻版，h s u p a 中使用的技术考虑到了上行链路自身的特点，主要改进如：h a r q 、 基站快速调度和2m s 短帧传输，而h s d p a 中的a m c ( 自适应调制编码) 和高阶调制 技术由于峰均比高的原因没有被采用 ( 一) h a r q 在w c d m a 版本5 中，数据包重传是由r n c ( 无线网络控制器) 中的r l c ( 无线 链路控制) 层重传完成的。在确认模式下，r l c 层的重传由于涉及i u b 接口上的数据交 互，时延超过1 0 0m s 。h s u p a 使用了h a r q 机制后，数据包的大部分重传直接在移动 台和基站间进行。基站收到数据包后会通过空中接口向移动台发送a c k n a c k ( 确认 非确认) 指示。如果数据包接收正确则发送a c k ：如果数据包接收错误就发送n a c k 信令。移动台根据a c i g n a c k 指示。迅速重发传输错误的数据包。由于h a r q 重传绕 开了i u b 接口，在1 0m st t i ( 传输时间间隔) 下，平均时延缩短为4 0m g 。 h s u p a 中的h a r q 采用的是同步非自适应方式的n 进程并行的停止等待协议同 步意味着重传数据必须在移动台确知的时间即刻发送，非自适应表示移动台在重传数据 时不允许改变调制编码方式。当基站接收到一个经过多次传输的数据包时，可以选择 c h a s e 合并或递增冗余式合并。c h a s e 合并可以获得分集增益，而递增冗余式合并既可 以获得分集增益，又可以获得编码增益，因此性能更好 基站快速调度 在3 g p p 版本5 协议中，上行分组调度和速率控制功能是由r n c 完成的h s u p a 协议指定在基站内实现同样的功能，这更加有利于调度器及时和精确地控制上行干扰水 平。基站快速调度的核心思想是曲基站来控制移动台的传输速率和传输时间。基站根据 小区的负载水平、上行信道质量和用户传输需要来决定移动台当前可用的最高传输速 率当移动台请求更高的数据速率时。基站根据小区的负载情况和调度策略决定是否同 s 东南大学硬士学位论文 意移动台请求。如果移动台一段时间内没有数据发送，基站将自动降低移动台的可用传 输速率。 ， h s u p a 同时支持码分和时分调度模式。在满足基站的r o t ( 热噪声提升) 不超过 门限值的前提下，前者允许所有上行用户并行传输，并且用户间速率差别不大；后者允 许部分用户在给定的时间段内以较高的速率传输。 日2i n s 帧长 2m s 帧的使用降低了无线接口的传输时延。在相同传输速率的条件下，2m s1 1 1 内的信息比特序列长度只相当于1 0m s ，1 1 1 的i 5 ，因此处理时延也会下降。2m s 帧还 使得h a r q 的时延控制更加灵活，链路白适应更加快速。然而，2m s 帧也有不利的一 面：它缩短了编码交织的长度，信道纠错性能下降。 1 2 2l t e 上行接入系统 3 g p p 组织为了迎接w i m a x 宽带无线接入技术的挑战，加快了未来十年3 g 长期 演进的研究和标准化工作，将一些“4 g 技术”应用于3 g 的演进标准之中，用以进一步 提高系统的频谱裂率和数据传输速率。 2 0 0 4 年1 2 月，l t e 的可行性研究计划正式启动，经过半年时间完成了协议需求的 制定。到2 0 0 5 年r 2 月，早期l t e 的标准化工作确立了下行o f d m a 和上行s c f d m a ( 单载波频分多址) 的基本传输框架，脱离了从w c d m a 平滑过渡的路线按照目前 的计翅 ，3 g p p 将于2 0 0 7 年9 月完成l t e 标准的制定，预计2 0 1 0 年左右可实现商用。 l t e 上行的主要性能要求包括：利用2 0m h z 频谱带宽提供5 0m b p s 的峰值速率， 即频谱效率到达h s u p a 的2 3 倍；提高小区边缘的吞吐量：降低系统延迟，用户平面 内部单向传输时延低于5 鹏，控制面延迟小于1 0 0m s ；优化低速移动台的接入性能， 同时支持高速移动台的接入；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m i i z 多种带宽 l t e 对w c d m a 版本6 的网络结构作出了重大调整，在无线接入网架构中去掉了 r n c 这个网络设备，采用由基站构成的单层结构，目的是简化网络架构和降低时延 k n c 的功能被分散到了基站和a g w ( 接入网关) 中。 l t e 上行的标准化主要关注s c - f d m a 相关盼枥理层链路自适应技术、m m o 和上 行分组调度目前标准化进程正处于起步阶段，具体的技术细节还很开放。 6 第1 章绪论 ( 一) 链路自适应 l t e 上行采用链路自适技术在保障移动台的传输速率、误包率和时延需求的同时最 大化链路吞吐量。移动台的传输带宽、发送功率和调制编码方式都是可供优化调整的链 路参数。 移动台的传输带宽由用户速率请求以及所处的信道条件共同决定。功率控制可以确 保移动台在不同信道条件下获得要求的误包率和误比特率。如果考虑小区间干扰协调， 不同用户的接收信噪比目标值也可以不同，通常小区边缘用户的信噪比目标值低予小区 内用户的信噪比目标值。在不同信道条件下，使用a m c 可以提高频带有效利用率当 传输带宽和发射功率确定后，a m c 选择频谱利用率最高的调制编码方式。选定的调制 编码方式被应用到当前i 可内的全都资源块上l t e 上行支持b p s k 、q p s k 、8 p s k 和 1 6 q a m 多种调制方式，t u r b o 编码速率也可以在l 3 ，1 2 ，3 ，4 和5 6 中选择 n 田o l t e 上行多天线的基本配置是2 2 方式，可应用发射分集( 包括循环移位分集和 空时，频块码) 、空分复用和预编码等技术。同时，l t e 也正在研究使用更多天线的可 行性。 l t e 上行还支持一种被称为虚拟m i m o ( v h t u a lm i m o ) 的技术。此项技术可以动 态地将两个上行单天线发送的移动台配成一对，实现虚拟方式的多天线传输。这样，具 有较好信道正交性的两个移动台可以共享时频资源。 上行分组调度 l t e 上行同时支持基于调度和基于竞争的资源分配方式竞争方式下，移动台允许 在一些预先确定的时频资源上直接进行传输，用于实现用户的随机接入。调度方式下，