（通信与信息系统专业论文）基于比例公平无线分组调度算法的研究与改进.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 未来的移动通信系统需要支持更高的传输速率，容纳更多的用户，并且保障 多种业务的服务质量( q o s ) 。在多用户共享的无线网络中，设计有效的无线分组 调度算法将有助于实现这一目标。在无线网络中，调度的有效性和公平性通常是 两个相互矛盾的性能指标，调度算法必须根据不同用户的q o s 要求，在二者之间 取得最优折中。因此，如何设计出既能保证用户的q o s ，又能提高系统容量的分 组调度算法是当前无线通信领域的一个研究热点。 本文从分析无线网络特点入手，介绍了无线分组调度技术的研究现状，给出 了无线分组调度算法的分类、设计目标及性能评价标准，指出了当前面临的一些 挑战。论文首先针对时变环境下时分复用的无线网络分组调度机制进行了研究， 考虑到日后用户业务需求的多样性，以数据类业务和语音类业务为例分别展开讨 论。由于不同的业务有着自身的特点和不同的q o s 要求，在设计调度算法时考虑 的因素也有所不同。例如，数据业务需要传输大量的数据，这就要求算法可以提 供较高的数据速率，保证系统吞吐量；语音业务则对时延十分敏感，要求算法尽 量减少时延，保证短期公平性。 文中首先给出了t d m a 系统中的分组调度模型，介绍了r r 、m a xc i 和p f 三种适用于数据业务的经典算法，考虑到用户的访问时延这一因素，为了提高用 户间的短期公平，在p f 算法的基础上提出了改进的比例公平( m p f ) 算法。该 算法为每个用户维护一个访问时延计时器，使访问时延接近时延上限的用户优先 获得调度机会。仿真结果表明，m p f 算法在实现严格长期公平基础上，大大提高 了系统的短期公平性，仅在系统吞吐量方面较p f 算法有极少的损失。 针对语音业务的研究，文中首先对m l w d f 和e x p 这两种经典的调度算法 进行了分析，考虑到语音业务对于分组时延的具体要求( 分组超时率、超时期限 等) ，依然采用p f 算法的调度思想，提出了加权指数比例公平( w e p f ) 算法。 该算法将指数化的分组等待时间加入判决准则中，设置了一个优先级区分参量， 同时引入时延补偿机制，通过设定一个预超时门限，提前使即将超时的分组优先 级提高，增加了其被调度的可能。在用户q o s 要求相同和不同的假设条件下进行 山东大学硕士学位论文 了仿真，结果表明w e p f 算法大大降低了用户的分组超时率和时延抖动，提高了 系统的综合性能，更好的保证了服务质量。 作为下一代移动通信的核心技术，o f d m 技术可以在增加频谱利用率的同时 提高系统的抗多径衰落能力。因此，o f d m 系统中的分组调度算法也成为时下的 一项研究热点。由于o f d m 系统中的资源是时频二维的，因此设计针对该系统的 调度与资源分配方案时，与一般的基于时分或码分复用的系统相比也有所不同。 文中最后对o f d m 系统中的无线分组调度算法进行了研究，首先简单介绍了 o f d m 技术，描述了o f d m 系统中的资源分配方案，给出了o f d m 系统的调度模 型。随后对系统进行数学建模，给出了三种用于该模型下的调度算法( k & h 算法、 m c p f 算法和加入子载波微调的k & h 算法) ，比较了不同算法的性能。仿真结果 表明m c p f 算法以损失微小的系统吞吐量为代价，在公平性和吞吐量方面取得了较 好的折中；同时，子载波微调技术的引入可以更好的保证算法的短期公平性。 关键词：无线通信；分组调度；比例公平；服务质量；正交频分复用 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mn e e d st os u p p o r th i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e ， a c c o m m o d a t em o r eu s e r s ，a n dp r o t e c tt h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) f o rav a r i e t yo f b u s i n e s s e s i nam u l t i - u s e rs h a r e dw i r e l e s sn e t w o r k , t od e s i g ne f f e c t i v ew i r e l e s sp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sh e l p f u lt oa c h i e v i n gt h i sg o a l i nw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h e e f f e c t i v e n e s sa n df a i r n e s so fs c h e d u l i n g t e c h n o l o g ya l eu s u a l l yt w oc o n f l i c t i n g p e r f o r m a n c e s s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sm u s to b t a i nt h eb e s tc o m p r o m i s eb e t w e e nt h e s e t w oi n d i c a t o r sb a s e do nq o sr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tu s e r s t h e r e f o r e ，t od e s i g na p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mw h i c hn o to n l yc a ne n s u r eu s e r sq o s ，b u ta l s oi m p r o v et h e s y s t e mc a p a c i t yi sc u r r e n t l yah o tr e s e a r c ht o p i ci nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h es i t u a t i o no fw i r e l e s s p a c k e ts c h e d u l i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，t h ec l a s s i f i c a t i o n , d e s i g no b j e c t i v e sa n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i aa r eg i v e n , a n dt h e s i sp o i n t so u ts o m eo ft h ec h a l l e n g e s f a c i n gn o w f i r s t l y , t h ep a c k e ts c h e d u l i n gm e c h a n i s mi nt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g w i r e l e s sn e t w o r k 、析mt i m e v a r y i n ge n v i r o n m e n ti ss t u d i e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e d i v e r s i t yo fb u s i n e s sn e e d so ff u t u r eu s e r s ，d i s c u s s i o nt a k e sd a t ab u s i n e s sa n dv o i c e b u s i n e s sa se x a m p l e ，r e s p e c t i v e l y b e c a u s ed i f f e r e n tt y p e so fb u s i n e s sh a v et h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s ，t h ec o n s i d e r a t i o n sa r ed i f f e r e n td u r i n g s c h e d u l i n ga l g o r i t h md e s i g n f o re x a m p l e ，d a t ab u s i n e s so f t e nh a sal a r g ea m o u n to f d a t an e e dt ot r a n s p o r t ，w h i c hr e q u i r eh i g h e rd a t ar a t ef r o ms c h e d u l i n ga l g o r i t h m st o e n s u r et h es y s t e mt h r o u g h p u t v o i c eb u s i n e s si sv e r ys e n s i t i v et od e l a y , r e q u i r i n g a l g o r i t h m st om i n i m i z ed e l a ya n de n s u r es h o r t - t e r mf a i r n e s s t h et h e s i sf i r s td e s c r i b e st h ep a c k e t s c h e d u l i n g m o d e li nt d m as y s t e m ， i n t r o d u c e sr r , m a xc ia n dp ft h r e ec l a s s i ca l g o r i t h m sa p p l i e dt od a t ab u s i n e s s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ef a c t o ro ft h eu s e r sa c c e s sd e l a y ，i no r d e rt oi m p r o v et h eu s e r s s h o r t - t e r mf a i m e s s ，m o d i f i e dp r o p o r t i o nf a i r n e s s ( m p f ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e d o np fa l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mm a i n t a i n sa na c c e s sd e l a yt i m e rf o re a c hu s e r , s ot h a t t h eu s e rw h o s ea c c e s sd e l a yi sc l o s et ot h em a x i m u md e l a yc a l lg e tp r i o rs c h e d u l i n g o p p o r t u n i t y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , m p fa l g o r i t h mi ss t r i c tf a i ro nl o n g - t e r m ，a s w e l la sg r e a t l yi m p r o v e st h es h o r t - t e r mf a i m e s so ft h es y s t e m ，o n l yi nt e r m so fs y s t e m t h r o u g h p u th a sv e r yl i r l el o s st h a np fa l g o r i t h m 3 山东大学硕士学位论文 f o rv o i c eb u s i n e s ss t u d i e s ，t h et w oc l a s s i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sm l w d fa n d e x pa r ca n a l y z e d t a k i n gi n t oa c c o u n ts p e c i f i cr e q u i r e m e n t s ( p a c k e tt i m e o u tr a t e ， t i m e o u tl i m i t , e t c ) f o rp a c k e td e l a yo fv o i c eb u s i n e s s ，s t i l lu s i n gt h ei d e ao fp f ， w e i g h t e de x p o n e n tp r o p o r t i o nf a i r n e s s ( w e p f ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h ea l g o r i t h m a d d se x p o n e n t i a t e dp a c k e tw a i t i n gt i m ei n t od i s c r i m i n a t i v er u l e ，s e t sap r i o r i t i z i n g p a r a m e t e r , a n dt i m ed e l a yc o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mi si n t r o d u c e db ys e tap r e - t i m e o u t t h r e s h o l d ，s op r i o r i t yo fn e a r l yt i m e o u tp a c k e tc a nb er a i s e d ，t h ep o s s i b i l i t yo fb e i n g s c h e d u l e dw i l lb ei n c r e a s e d u n d e rt h ea s s u m p t i o no fs a m ea n dd i f f e r e n tu s e r sq o st h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ew e p fa l g o r i t h mg r e a t l yr e d u c e su s e r w sp a c k e td e l a y a n dj i t t e r , i m p r o v e st h es y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c ea n db e t t e re n s u r e st h eq 脚时o f s e r v i c e a sac o r e t e c h n o l o g y o fn e x t g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n , o f d m t e c h n o l o g yc 觚i n c r e a s es p e c t r u me f f i c i e n c ya n di m p r o v es y s t e m sa b i l i t yo f r e s i s t a n c e t o m u l t i p a t hf a d i n g t h e r e f o r e ，p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mi n o f d ms y s t e mh a s b e c o m en o w a d a y sah o tt o p i c s i n c er e s o u r c e si no f d ms y s t e m sa l et w o - d i m e n s i o n a l t i m e f r e q u e n c y ，s ot h ed e s i g no fs c h e d u l i n ga n dr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ef o rt h i s s y s t e mi sd i f f e r e n tf r o ms y s t e m sb a s e do nt i m e d i v i s i o no rc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f i n a l l y , w i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nt h eo f d ms y s t e mi ss t u d i e d f i r s t b r i e f l yi n t r o d u c e st h eo f d mt e c h n o l o g y , d e s c r i b e st h er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei n o f d ms y s t e m ，趾o f d ms y s t e ms c h e d u l i n gm o d e li sg i v e n t h e nam a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h es y s t e ma n dt h r e es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ( k & h ，m c p fa n dk & h 诵t l l s u b c a l t i e rf i n e - t u n i n g ) f o rt h em o d e la l eg i v e n p e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n ta l g o r i t h m s a r ec o m p a r e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti nt h ec o s to fs m a l ls y s t e mt h r o u g h p u tl o s s ， m c p fa l g o r i t h ma c h i e v e sg o o dc o m p r o m i s ei nt e r m so ff a i r n e s sa n dt h r o u g h p u t a tt h e s a m et i m e ，a d d i n gs u b c a r r i e r sf i n et u n i n gc a l lb e t t e re n s u et h ep e r f o r m a n c eo f s h o h - t e r m 囱i m e s s k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；p a c k e ts c h e d u l i n g ；p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ；q o s ； o f d m 4 山东大学硕士学位论文 3 g p p 3 g p p 2 a d p a m c a m p s a o d c b r c d m a c p c s i d r c d s p d s l e d g e e x p f a f d e f d m f e c f f t f i f i f o 英文缩略语 3 一g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t 3 一g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 a c c e s sd e l a yp r o b a b i l i t y a d a p t i v em o d u l a t i o n a n dc o d i n g a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a u d i oo nd e m a n d c o n s t a n t sb i tr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i s t r i b u t e dr e s o u r c ec h a n n e l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n e x p o n e n tr u l e f i x e da l l o c a t i o n f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n 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 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n f a i r n e s si n d e x f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t 第三代合作伙伴计划 第三代合作伙伴计划2 访问时延概率 自适应调制编码 高级移动电话系统 语音点播 恒定码率 码分多址 循环前缀 信道状态信息 分布式资源信道 数字信号处理 数字用户线 增强型数据速率 g s m 演进 指数规则算法 固定子载波分配 频域均衡 频分复用 前向纠错 快速傅立叶变换 公平性指数 先入先出 5 山东大学硕士学位论文 6 f t p g p r s g p s g s m h a r q h d r h s c s d f i l et r a n s f e rp r o t o c o l文件传输协议 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 广义处理机共享 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 s全球移动通信系统 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 混合自动请求重传 h i g hd a t ar a t e 高数据速率 h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t a 高速电路交换数据 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 高速下行链路分组接入 i c i i e e e i f f t i p i s i i t u m m a c m 渔xc i m c m m c p f m i m o i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e信道间干扰 i n s t i n 晚0 fe l e c t r i c a la n d e l e c 仃0 i l i c s 电气和电子工程师协会 e n 西n e e r s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n快速傅立叶逆变换 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 互联网协议 符号间干扰 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n国际电信联盟 l o n g t e r me v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m a xc a r t i e r - t o i n t e r f e r e n c e m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n m u l t i - c a r r i e rp r o p o r t i o nf a i r n e s s 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 l w d fm o d i f i e dl a r g e s tw e i g h td e l a yf i r s t m p e g - 4 m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p - 4 n m tn o r d i cm o b i l et e l e p h o n e 第三代移动通信长期 演进 媒体接入控制 最大载干比算法 多载波调制 多载波比例公平算法 多输入多输出 修正的最大加权时延 优先算法 第四代动态图像专家组 北欧移动电话系统 山东大学硕士学位论文 o f d m o f d m a p a p r p f q a m q o s r b l 也 r r r i 洲 1 a c s t d d t d m 队 t d s c d 【a u m t s v b r v o d v 0 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 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 n m u l t i p l e a c c e s s p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p r o p o r t i o nf a i r n e s s q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e r e s o u r c eb l o c k r e s o u r c ee l e m e n t r o u n dr o b i n r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 正交频分复用 j 下交频分多址 峰值平均功率比 比例公平 正交调幅 服务质量 资源块 资源粒子 轮循算法 无线资源管理 t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 全址通信系统 t u n ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t u n ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s u i l 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 n s y s t e m v 撕a b l eb i tr a t e v i d e oo nd e m a n d v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l 时分双工 时分多址 时分同步码分多址 通用移动通信系统 可变码率 视频点播 网络电话 w c d m aw 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 宽带码分多址 w i m a x w m a n w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s 全球微波互联接入 无线城域网 7 山东大学硕士学位论文 第一章 引言 1 1 无线移动通信的发展历程 2 0 世纪6 0 年代，美国贝尔实验室首次提出了蜂窝移动通信的概念，这一革命 性的创新为移动通信系统的发展奠定了基础。蜂窝小区覆盖技术可以克服移动通 信系统频谱资源的有限性，推动了移动通信技术的广泛应用。1 9 7 8 年，利用模拟 传输方式实现话音业务的蜂窝移动通信系统高级移动电话系统( a m p s ) 在美 国芝加哥问世，标志着世界上第一代移动通信系统的正式诞生【1 1 。随后，相继出现 了欧洲的北欧移动电话系统( n m t 4 5 0 9 0 0 ) ，英国的全址通信系统( t a c s ) 等多 个移动通信系统。n 2 0 世纪8 0 年代中期，伴随着集成电路技术和数字技术的飞速 发展，第一代模拟蜂窝移动通信系统逐渐向第二代全数字蜂窝移动通信系统演进。 9 0 年代初期，以t d m a 为多址方式的g s m 全数字蜂窝移动通信系统在欧洲推出并 开始正式商用。1 9 9 2 年，美i 雪q u a l c o m m 公司提出了基于码分多址( c d m a ) 的数 字蜂窝系统i s 9 5 ，它与g s m 一起被称为第二代移动通信系统 2 1 。之后，通常称为 2 5 g 系统的通用无线分组业务( g p r s ) 技术和增强型数据速率g s m 演进( e d g e ) 技术先后诞生，并在世界范围内得以广泛应用。2 l 世纪是i n t e r n e t 广泛普及和移动通 信技术高速发展的时代，以多媒体业务为代表的各种高速数据业务不断增长，并 逐渐成为无线通信的核心业务。在这种时代环境下，以单一语音业务为设计目标 的g s m 和i s 9 5 系统变得力不从心，而g p r s 和e d g e 技术也仅能满足部分低速数据 业务的需求。为了使用户享受到高速数据业务的服务，以c d m a 为核心技术的第 三代移动通信系统应时而生。2 0 0 1 年4 月，i t u 正式确立以美国为代表的c d m a 2 0 0 0 技术，以欧洲为代表的w c d m a 技术，以及由我国提出的t d 。s c d m a 技术为3 g 的 三大标准【3 】。2 0 0 7 年l o 月，基于o f d m 技术的w i m a x 也得到i t u 的批准，正式成为 3 g 标准的新成员，命名为o f d m aw m a nt d d 。2 0 0 9 年1 月，中国移动、中国电 信和中国联通均获得了由工业和信息化部发放的第三代移动通信( 3 g ) 牌照，将 c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a _ 三种标准在国内同时运营，标志着我国正式 进入3 g 时代。 8 山东大学硕士学位论文 2 g 2 5 g 3 g 图卜1 无线移动通信技术的演进( 2 g 到3 g ) 尽管3 g 系统在数据业务的速率上已经有了很大的提升，但是仍然无法跟上用 户对业务需求的增长速度。因此，人们开始展开对4 g 系统的研究。第四代移动通 信系统以广域覆盖提供1 0 0 m b s 的峰值速率：局域覆盖提供高达1 g b s 的峰值速率 为设计目标，采用最先进的o f d m 技术。下一代无线通信系统基于全i p 的网络架构， 为用户提供具有q o s 保证的各种多媒体数据业务，未来的交换技术也将由电路交换 转变为全分组交换。因此，系统的设计需要应对来自两方面的挑战：首先，随着 各种高速多媒体数据业务的不断出现，无线通信系统对空中接口速率的要求也不 断提高，但是依据香农定理，无线信道容量的提高只能依靠增加系统带宽和提高 系统的频谱效率。从无线通信系统发展的历程来看，系统的带宽虽然在不断提高， 但是无线频谱资源始终有限，因此，如何提高系统的资源利用率仍是亟待解决的 问题。其次，与传统电路交换的语音业务相比，分组业务对服务质量的要求更加 9 山东大学硕士学位论文 苛刻，如最大分组时延，最小业务速率，时延抖动等。因此，下一代无线通信系统需 要利用更先进的无线资源管理机制以保证用户的q o s 要求，提升用户的业务体验。 移动通信技术飞速发展的同时，无线接入技术也向着能支持更高速率的目标 前进着。无线接入技术作为有线宽带接入技术的替代出现，如数字用户线( d s l ) 。 其发展过程中先后出现了固定局域网接入( i e e e8 0 2 1 l x ) 、游牧城域接入( i e e e 8 0 2 1 6 d ) ，最后向广域移动接入( i e e e8 0 2 1 6 e ) 转变。从它的发展历程可以看出“宽 带技术移动化 的趋势，同时也是对传统移动通信产业的竞争和挑战。 同时，从移动通信的发展路线可以清楚的看出，移动通信技术希望能够提供 更好的分组数据传输服务，同时也逐渐开始重视低速局域场景中的接入能力。这 是一种“移动通信宽带化”的现象，这样的趋势帮助蜂窝移动通信产业从传统话 音业务向宽带数据业务领域拓展。 移动通信技术和宽带无线接入技术从不同方面朝着同一方向渗透，使两种技 术的界线变得越来约模糊，形成不断融合的趋势 4 1 。 图1 2 移动通信与宽带无线接入的融合 “宽带接入移动化 表现在：固定接入转变为支持中低速移动；由大宽带转 变为支持可变小宽带；由热点覆盖逐渐向支持切换的多小区组网转变；由便携终 端向移动终端转变；同时支持话音业务与数据业务等。 “移动通信宽带化 表现在：带宽由5 m h z 以下提高到2 0 m h z ：由注重高速移 动转向低速移动优化；由电路交换分组交换并重转变为全分组交换；由仅支持蜂 窝网络逐渐兼顾热点覆盖；终端形态开始加入便携终端等【5 】。 1 0 山东大学硕士学位论文 葛m mi i i 皇喜! 曼暑! ! ! 皇苎! ! ! ! ! ! ! 曼皇鼍量! 曼! 鼍曼曼曼詈鼍曼皇曼! 兰置鼍詈鼍鼍詈鲁皇 1 2 无线资源管理及调度技术 1 2 1 无线资源管理技术 无线资源管理( r r m ) 技术提供空中接口的无线资源管理功能，目的是能够 通过一些机制保证空中接口无线资源的有效利用，实现最优的资源调配，从而满 足系统所定义的相关需求。具体包括接纳控制、拥塞控制、切换控制、功率控制 垒塞网 寸o 1 接纳控制 接纳控制决定接受还是拒绝无线承载的建立和重新配置等请求。如果系统能 够满足其q o s 要求，而且接受该请求后，不会影响已经建立的那些连接的q o s ，就 应该接纳该请求。接纳控制算法使用时，需要对当前网络的负载情况进行测量和 估计，并且需要估计出接受请求后引起的负载增加量。 2 拥塞控制 拥塞控制也称为负载控制，用于处理系统动态演进( 如用户的移动，干扰的 增加，业务量的变化等) 引起q o s 恶化的情况。拥塞控制算法必须不断地监视网络 的状态，例如测量下行链路的发送功率、上行链路的小区负载因子等。 3 切换控制 切换的目的是对移动用户所连接的小区或小区集( 活动集，a c t i v es e t ) 进行 优化。按照用户切换到新的小区之前是否中断与原小区的连接，可以把切换分为 硬切换和软切换。切换过程一般包含测量、判决、执行三步，需要依据终端测量 报告的数据进行。 4 功率控制 功率控制的主要目标是通过控制终端的发射功率，让移动台能以最低发射功 率电平发送信号，以达到减小移动台的能量消耗，降低整个系统的同频和邻频干 扰的目的，同时还可以使基站接收到的小区内各个移动台的信号功率相同，克服 “远近效应 。 1 2 2 调度技术 调度是一个与时间次序相关的概念，调度算法的目的是在争用资源多个用户 山东大学硕士学位论文 中确定一个服务次序。调度包含六个要素，分别是调度者、被调度对象、调度目标、 调度规则、调度代价和调度结果 7 1 。调度规则，亦可称作调度算法或调度机制，是 这六个要素中最核心的一个。 分组调度，就是在满足用户q o s 要求的条件下，确定数据分组的发送顺序和发 送时间，从而提高系统的资源利用率。在通信网络中，可以通过多个用户共享带 宽来获得复用增益，因此对用户数据分组的调度显得尤为重要。调度过程主要在 交换节点( 复用器、交换机或路由器) 中完成。调度者就是节点本身，或节点中 的一段程序；被调度对象为不同用户存放在相应缓冲队列中的分组；调度目标通 常就是保障用户获得满意的服务质量和各用户之间的公平性；调度代价一般是计 算复杂度和占用的缓存区资源；调度结果则是调度完成后，用户实际获得的服务 质量。 无线分组调度算法是分组调度技术在无线通信系统中的扩展应用，它的目标 是最大化系统吞吐量，保证用户间的公平性，同时确保不同用户的服务质量要求， 是提高系统容量的一项关键技术。无线分组调度算法通过判决准则确定分配给各 个用户的频率、时间、码字、子载波等无线资源。 1 2 - 3 调度技术的研究现状及发展前景 分组调度算法的研究从上一世纪8 0 年代开始，初期的研究主要针对有线网络 中的调度算法。以往的研究过程中提出了许多非常有效的调度算法以应用于有线 网络，主要分为以下几类【8 】：r r ，w r r ，d r r ，u r r ，s r r 等基于轮询的调度算 法；p q 和q l t 等基于静态优先级的调度算法；w f q ，w f 2 q ，w f 2 q + 等基于g p s 理想化流模型的调度算法；d e l a y e d d ， r c e d f ，j i t t e r - e d d ，e e d ，f d c e d f 等可以提供时延保证的调度算法。 无线分组调度算法是有线网络调度算法在无线通信系统中的扩展。文献【9 】在 流公平队列和加权公平队列模型的基础上，提出了无线流公平队列( w f f q ) 算法 和理想无线公平队列算法( i w f q ) 。文献【1 0 】通过对最大载干比算法进行仿真发现， c i 值较高的用户比c i 值较低的用户优先权更高，这种算法以牺牲公平性为代价 达到最大的系统容量。j a l a l i 等人提出的比例公平调度算法可以兼顾系统吞吐量和 用户公平性，由于该算法具有优良的综合性能，目前无线通信系统中的很多调度 1 2 山东大学硕士学位论文 算法都是对该算法的改进，或者采用了该算法的设计思想。本文所提出的一些改 进算法均以比例公平的调度原则为基础。 最近几年，有关无线分组调度算法的文献层出不穷。从近年来的相关文献分 析来看，目前无线通信系统的调度算法研究主要针对如下两个方面： 一、对原有的p f 、i w f q 等经典算法进行改进。文献 1 1 q h 提出了一种修正的 比例公平调度算法，利用自适应调制编码和有限信道状态信息反馈，在最大化吞 吐量的同时能为o f d m 系统中的用户提供下行传输的最小数据速率保证。 二、根据现有的新技术结合新的理念设计调度算法。包括以下几个研究方向： 基于波束成型的调度算法，例如文献【1 2 】； 基于信道状态信息的调度算法，例如文献【1 3 】； 基于效用函数同时提供q o s 保证的调度算法，例如文献【1 4 】； 基于跨层思想进行设计的调度算法，例如文献【1 5 】。 目前针对o f d m 系统的调度算法研究开始得到广泛关注。文献【1 6 】研究了基 于波束成形多用户o f d m 系统的调度算法，可以提高系统吞吐量，同时保证系统 的丢包率和分组时延要求。文献 1 7 】提出了一种联合物理层子载波比特及数据链路 层的跨层自适应资源分配和调度算法，算法在吞吐量和平均分组时延等性能上获 得了较好的效果，并可以保证系统的稳定性。 1 3 论文的主要内容 分组调度技术在无线资源的充分利用、系统容量的提高和用户q o s 需求的保 证方面都发挥着巨大作用，同时与无线资源管理中的接纳控制、拥塞控制、功率 控制等技术也有着密不可分的关系，系统调度方案的优劣将直接影响到其它资源 管理技术的效果。 论文以无线网络中的分组调度算法为研究对象，介绍了分组调度技术的分类、 设计目标及性能评价标准，分别研究了基于时分复用的无线通信系统中适用于数 据业务和语音业务的一些经典调度算法，分析了不同算法的优缺点。以总体性能 较好的比例公平算法的调度思想为基础，针对数据和语音业务分别提出了一种新 的改进算法。通过仿真对提出的算法在系统吞吐量、公平性等方面进行了验证， 山东