（通信与信息系统专业论文）高速移动增强3ghsdpa调度算法的研究.pdf

摘要 高速移动增强3 g - h s d p a 调度算法的研究 专业名称：通信与信息系统 硕士生：李勇 指导教师：戴宪华教授 摘要 为了满足用户对高速移动多媒体业务日益增长的需求，3 g p p ( t h e3 砌 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 t ，第三代移动通信伙伴计划) 提出了高速下行分组 接入( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ，h s d p a ) 技术。作为w c d m a 系统的 演进技术，h s d p a 引入了新的传输信道，并采用快速调度及链路自适应技术， 使得w c d m a 系统的下行数据业务峰值速率可以达到1 4 4 m b i t s ，系统容量增加 2 - - - 3 倍，同时也大大降低了传输时延。作为h s d p a 的一项关键技术，快速调度 算法控制着整个系统共享资源的分配，决定着整个系统的性能，因而具有重大研 究意义。 本论文深入分析了h s d p a 系统的关键技术，重点研究了h s d p a 系统的快 速调度算法，并分析了算法的吞吐量、公平性、服务质量( q o s ) 保证及复杂度 等性能。在此基础上，本论文设计实现了一个新的h s d p a 系统仿真平台，作为 进一步研究与改进h s d p a 系统快速调度算法的仿真环境。 本论文针对h s p d a 系统现有凋度算法的缺点，提出了一种新的h s d p a 系 统的快速分组调度算法，该调度算法不仅兼顾到了小区和用户的吞吐量，还考虑 到不同业务对q o s 的不同要求及业务当前q o s 水平等多方面因素。作为一种多 用户调度策略，本算法还包含了无线信道资源的分配方法。同时，针对高速移动 环境中用户信道条件变化剧烈的情况，本论文对现有h s d p a 协议中采用的调度 时隙间隔进行了适当修正，采用更小的调度时隙，使调度算法更为精确的匹配快 速变化的无线信道条件。 摘要 与传统的快速分组调度算法相比，本算法在保证小区和用户吞吐量的同时， 也满足了不同业务的q o s 要求，同时大大降低了系统的分组丢失率，提高了整 个系统的q o s 水平。采用了修正后的调度时隙间隔，很好的解决了用户高速移 动环境下系统性能下降的问题，具有较大的工程实现意义。 关键字：高速下行分组接入，快速调度，信道分配 r e s e a r c ho ns c h e d u l i n g a l g o r i t h m si nt h eh i g hs p e e d e n h a n c e d3 g - - h s d p a s y s t e m m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ： y o n gl i s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n h u ad a i a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rh i g hd a t er a t em u l t i m e d i as e r v i c e s ，t h e 3 珂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 t ( 3 g p p ) h a si n t r o d u c e dan e wt e c h n i q u ew h i c hi s r e f e r r e dt oh i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) a sa ne v o l u t i o nt e c h n i q u e o fw c d m a ，h s d p ac a nn o to n l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fd o w n l i n kp a c k e td a t e t r a f f i cw i t ht r a n s m i s s i o nu pt o14 4m b p s ，b u ta l s oi n c r e a s et h es y s t e mt h r o u g h p u ta n d m i n i m i z e st h ed e l a yo ft r a n s m i s s i o n a m o n ga l lt h en e wf e a t u r e s ，t h ef a s ts c h e d u l i n g i sak e yc o m p o n e n tw h i c hh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l e s y s t e m i nt h i sp a p e r , w ed e v e l o pah s d p a s y s t e m - l e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c h c a n b ee a s i l yu t i l i z e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) a l g o r i t h m si nh s d p as y s t e m ，s u c ha sf a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s i n t h i sp a p e r , w ef i r s t l yd i s c u s st h et y p i c a lw 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 m s f o rh s d p as y s t e m t h e nw ep r o p o s ean e wf a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dan e w m e c h a n i s mo fc h a n n e lr e s o u r c em a n a g e m e n t i nd e s i g n i n gt h en e w p a c k e ts c h e d u l e r , w ec o n s i d e rt h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e ma n dd i f f e r e n tq o s r e q u i r e m e n t s ，a sw e l la st h el e v e lo fq o sb e t w e e nu s e re q u i p m e n t s i no r d e rt o i m p r o v et h el i n ka d a p t a t i o ni nt h eh i g hs p e e ds c e n e ，w em o d i f yt h et r a n s m i s s i o n a b s t r a c t t i m ei n t e r v a l ( t t i ) u s e di nt h ee x i s t i n gh s d p a s y s t e m ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e p r o p o s e da l g o r i t h ma n dt h ee x i s t i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sh a sb e e nc a r r i e do u ti n s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：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 ( h s d p a ) ，f a s ts c h e d u l i n g ，c h a n n e l r e c o u r s em a n a g e m e n t i v 论文原创性声明 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签磺届 日期砷乡月撕 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 孵鲁藉 吼移乡月卯 乌 菇侣 名 刀 签 月 眷 乡 作 矿年 文哆删叫 位 辄 籼 醐 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言帚一早ji 商 通信技术的飞速发展和广泛应用，对人们生活方式的改变以及人类社会的文 明与进步都有着深刻的影响。在过去的一段时间内，通信技术特别是移动通信技 术获得了蓬勃而迅猛的发展，移动通信系统在经历模拟蜂窝和数字蜂窝后，已经 进入了新一代移动通信系统第三代移动通信系统时代，目前全球范围内正在 开发和建设第三代移动通信系统【1 】f 2 】。 ( 一) 第一代( 1 g ) 移动通信系统 美国贝尔实验室提出了小区制的蜂窝移动通信系统，并在1 9 7 8 年开发了 a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统，这是第一个真正意义上的第一代模 拟蜂窝移动通信系统。蜂窝移动通信以六边形的小区来覆盖整个服务区域，采用 蜂窝化设计解决了系统容量和频谱资源之间的矛盾。第一代移动通信系统采用频 分多址接入( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s f d m a ) 技术，由于信号在发送 以前没有经过数字编码，所以又被称为模拟通信系统。 由于第一代蜂窝移动通信系统频谱效率低，业务种类单一，保密性差，存在 同频干扰等缺点，特别是系统容量和市场需求之间矛盾日益激化，在经历了2 0 世纪8 0 年代的辉煌以后，第一代移动通信系统在2 0 世纪9 0 年代很快就被以g s m 和c d m a 为代表的第二代( 2 g ) 移动通信系统取代。 ( - - ) 第二代( 2 g ) 移动通信系统 1 9 9 2 年在欧洲开始铺设的全球通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 是全球第一个数字蜂窝移动通信系统。随后，美国的数 第一章引言 字a m p s ( d i s t i la m p s ) 和日本的个人数字通信系统( p e r s o n a ld i g i t a l c o m m u n i c a t i o n p d c ) 等系统也相继投入运营。这些系统都是采用时分多址接入 ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 方式。1 9 9 5 年，美国高通公司推出了 采用码分多址接入( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术的i s 9 5 ( i n d u s t r i a ls t a n d a r d s 一9 5 ) 系统。 第二代移动通信系统只能提供语音业务和低速率的数据业务，随着人们对移 动通信多媒体业务和高速率数据业务要求的不断提高，第二代移动通信系统已经 不能满足市场需求。因而，最近几年内，第三代( 3 g ) 移动通信系统的研究和 发展逐渐成为通信领域一个新的研究热点。 ( 三) 第三代( 3 g ) 移动通信系统 为了满足更多用户、更高速率的业务传输以及更高的频率利用效率的要求， 同时减少各大网络之间不兼容的问题，早在1 9 8 5 年i t u r 就开始研究全球范围 内运营的未来公共陆地移动电话系统( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n e s y s t e m ，f p l m t s ) 。经过1 0 年的努力工作，1 9 9 5 年f p l m t s 更名为国际电信 移动2 0 0 0 系统( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ，i m t - 2 0 0 0 ) 。第三 代移动通信系统就是i m t - 2 0 0 0 支持的网络系统，简称3 g 。 作为一个全球普及和全球无缝漫游的系统，第三代移动通信系统具有支持多 媒体业务的能力，特别是对i n t e m e t 业务的支持，数据传输速率也比第二代移动 通信系统有明显的改进，可达到2 m b i t s ( 室内) 和3 8 4 k b i f f s ( 移动环境) 。同时， 第三代移动通信系统还具有高频谱利用率，高服务质量和高保密性等特点。在 3 g 的多种无线传输技术中，以欧洲提出的w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 技术最为引人关注【3 】。 1 w c d m a 技术 w c d m a 源于欧洲和同本，是一个宽带直扩码分多址( d s c d m a ) 系统， 即通过用户数据直接和由c d m a 扩频码得到的码片相乘，把用户信息比特扩展 到较宽的带宽上去。载波带宽为5 m h z ，码片速率为3 8 4 m c h i p s ，数据传输可达 第一章引言 到2 胁i t s ( 室内) 和3 8 4 k b i t s ( 移动环境) 。 w c d m a 支持频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种基本的工作模式， 并采用r a k e 接收机进行多径分集，采用可变扩频因子( o v s f ) ，支持各种可变 的用户数据传输速率，允许一个用户同时发送多种业务，通过速率匹配等信道复 用技术，提高资源利用率，支持异步基站操作，卷积码和t u r b o 码的编码方式， 支持不同载频之间的切换，在上、下行链路中均采用基于导频符号或公共导频的 相干检测，上、下行链路中都采用了快速闭环功率控制【4 】。 2 c d m a 2 0 0 0 技术 c d m a 2 0 0 0 是北美的l u c e n t ，m o t o r o l a ，n o r t e l ，q u a l c o m m 等公司和韩国 s a m s u n g 等公司联合提出来的，它是一个基于i s 9 5 的候选系统。c d m a 2 0 0 0 采 用多载波( m c ) 方式，载波带宽为1 2 5 m h z ，能够提供6 4 k b i t s 到1 4 4 k b i t s 的移动多媒体业务和i n t e m e t 业务。 c d m a 2 0 0 0 沿用了1 s 一9 5 的主要技术和基本技术思路，如采用l s 一9 5 的软切 换和功率控制技术，需要全球定位系统辅助同步等。c d m a 2 0 0 0 技术还包括： 反向信道相干接收，为提高信道的抗衰落能力，采用前向发送分集，全部速率采 用循环冗余校验方式等。 3 t d s c d m a 技术 t d s c d m a 是由我国信息产业部电信科学技术研究院提出的，载波带宽为 1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s 。t d s c d m a 的主要技术特点包括：同步码分 多址技术，智能天线技术和软件无线电技术。 。t d s c d m a 采用t d d 的双工模式，可以使用各种频率资源，不需要成对的 频谱，从而能够节省频率资源，t d d 的双工模式对上下行不对称、不同传输速 率的数据业务有更突出的优越性。t d s c d m a 的智能天线技术，能大大提高系 统容量，并且降低基站的发射功率，从而减少了干扰。t d s c d m a 的软件无线 电技术可以利用软件修复硬件，在设计、测试方面非常方便，也比较容易解决不 同系统兼容性问题。 第一章引言 然而，随着人们生活水平的不断改善，人们对移动通信的要求也越来越高， 第三代移动通信系统提供的2 m b i t s 的数据传输速率已经不能满足人们的要求， 因而，超3 g 或增强3 g 移动通信系统应运而生。 ( 四) 超三代( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 移动通信系统 为了更好地发展移动数据业务，超3 g 和增强3 g 技术逐渐成为通信领域新 的研究热点，超3 g 移动通信系统的数据传输速率预计可以达到10 0 m b i t s ，能够 很好的满足用户高速数据业务的需求。其中，作为w c d m a 系统的一种演进技 术，3 g p p 对u m t sr 9 9 r 4 版本的空中接口技术进行了改进，在3 g p pr 5 和3 g p p r 6 标准中提出了高速下行分组接入( h s d p a ) 技术的规范，成为超3 g 的主流 技术之一【5 1 。 1 2 选题意义及目的 h s d p a 是w c d m a 系统的演进技术，它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，显著增强了w c d m a 的下行链路性能。 h s d p a 技术不改变原有的w c d m a 的网络结构，是纯无线接入技术的演进，对 核心网没有任何改动，并且可与w c d m a 网络工作于同一载波，可实现网络平 滑升级，因此h s d p a 成为后3 g 或增强3 g 的必然选择。分组调度机制，作为 h s d p a 的一种关键技术，控制着h s d p a 系统共享资源的分配，它很大程度上 决定着整个系统的性能b 1 。因此h s d p a 系统中分组调度算法的研究有着重要意 义。 但是，目前对于h s d p a 系统的测试和运营主要是在低速移动环境下进行的， 当用户高速移动( 1 0 0 k m h 2 5 0 k m h ) 时，不得不通过降低数据传输速率来满足 业务的传输要求，这无疑降低了系统的传输速率，导致系统整体性能的下降。目 前对h s d p a 调度算法的研究主要是在简单链路条件下，针对单一业务类型进行 的单用户调度，不能满足用户不同业务类型q o s 需求，导致用户q o s 性能下降。 尤其是在高速移动环境，用户信道状况变化更为剧烈的条件下，系统性能下降更 4 第一章引言 为显著【6 】。 本文的目的就是研究一种新的增强3 g h s d p a 系统的快速调度算法，尤其 是在用户信道质量变化更为剧烈的高速移动环境下的快速调度算法。这种调度算 法在保证用户和小区吞吐量的前提下，既能为不同业务提供满足要求的数据速 率，又能有效降低分组丢失率，同时满足不同业务的q o s 要求。 1 3论文主要创新点 本论文的主要工作包括两个部分，第一部分是设计并开发一个h s d p a 系统 仿真平台；第二部分针对现有调度算法存在的缺点，提出了一种新的h s d p a 系 统的快速分组调度算法，其具体实现包括：首先根据信道条件和用户设备相关参 数估算出系统中所有用户的瞬时c q i ，并计算出用户在一段时隙内的平均c q i ， 然后根据调度优先级函数计算出每个用户在当f ； 调度时隙的优先级，按照优先级 从高到底的顺序对用户依次进行服务，最后对用户进行信道分配，直至信道利用 率最大为止。 这些工作中的主要创新点如下： 1 、h s d p a 系统仿真平台 本论文设计并开发了一个h s d p a 系统仿真平台，丌发工具为m a t l a b 。该平 台主要用柬实现h s d p a 系统级仿真，通过该仿真平台对h s d p a 系统的无线资 源管理算法进行仿真，能够获得用户和小区吞吐量、用户公平性以及不同业务类 型的分组丢失率等q o s 性能指标。 2 、一种h s d p a 系统新的分组调度算法 该算法在一个调度时隙内，根据每个用户c q i 的瞬时值和平均值、业务的 q o s 要求和当前该业务的q o s 水平计算得出每个用户在该时隙的优先级，这样 得出的调度优先级不仅体现了用户不同业务的q o s 要求，又兼顾到了调度业务 目前的q o s 水平，是一种更为有效的分组调度算法。 用户高速移动环境下，为了更有效的提高分组调度算法对链路的自适应能 力，本论文建议h s d p a 系统采用0 6 7 m s ( 1 个时隙) 的调度阃隔，这样能更有 第一章弓i 言 效的利用h s d p a 系统的共享资源。 3 、该算法可以在高速移动环境下获得较高的吞吐量和q o s 水平 本算法提供了一种更为合理的调度优先级计算函数，它能对信道实现更有精 准的跟踪，从而提高了小区的吞吐量和用户数据传输速率，特别是流媒体类业务 的传输速率，同时大大降低了用户的分组丢失率，改善了业务的q o s 性能。 1 4论文结构 本论文结构安排如下： 第一章引言 介绍论文研究背景、选题意义目的及论文工作 第二章h s d p a 系统及其原理 介绍了h s d p a 系统的基本概念，自适应编码调制、快速混合自动重传请求、 快速小区选择及快速分组调度等h s d p a 关键技术，最后介绍了h s d p a 物理层 和m a c 子层协议标准和相关技术。 第三章h s d p a 分组调度算法的研究与分析 概述h s d p a 调度机制，着重介绍h s d p a 系统的三种经典调度算法和一些 具有代表性的现代分组调度算法，构成本论文的相关研究背景。 第四章h s d p a 分组调度算法的改进与设计 针对现有分组调度算法的缺点，本章提出一种新的h s d p a 系统的快速分组 调度算法和多用户信道分配机制，同时对h s d p a 系统的调度时间问隔进行了修 正。本章还设计并开发了一个h s d p a 系统仿真平台，并在该仿真平台上，对 h s d p a 系统的主流调度算法进行了仿真分析。 第五章结语 总结论文所作的工作，并指出存在的问题及后续工作的建议。 第二章h s d p a 系统及其原理 第二章h s d p a 系统及其原理 高速下行分组接入( 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 ，h s d p a ) 技术是针 对3 g p p 的w c d m a 系统的演进，作为一种超3 g 的主流技术，h s d p a 在不改 变w c d m a 原有网络结构的情况下，把下行数据业务的峰值传输速率提高至 1 4 4 m b i u s ，同时大幅度提高系统吞吐量。 本章首先对h s d p a 系统的基本概念和业务类型进行了概述，然后着重介绍 了自适应编码调制( a m c ) 、快速混合自动重传( h a r q ) 、快速小区选择及调 度算法等h s d p a 关键技术，最后对h s d p a 物理层技术和m a c 子层进行了简 要研究和分析。 2 1 h s d p a 概念 为了更好地发展移动数据业务，3 g p p 对u m t sr 9 9 r 4 版本的空中接口技 术进行了改进，引入r 5 版本( h s d p a ) 无线数据宽带技术。作为w c d m a 的 演进技术，h s d p a 技术在不改变已经建设的w c d m a 网络结构的情况下，可以 使w c d m a 系统下行数据传输的峰值速率达到14 4 m b i v s ，系统容量增加2 - - - - 3 倍，同时大大降低了传输时延。h s d p a 技术的核心目标是通过使用在g s m e d g e 标准中已有的方法来提高分组数据的吞吐量，这些方法主要包括链路自适应和快 速物理层重传合并【7 】。 2 1 1h s d p a 操作原理 h s d p a 的基本操作原理如图2 1 所示【3 1 。n o d eb 根据每个h s d p a 激活用户 的功率控制、a c k n a c k 比率、业务质量( q o s ) 和用户反馈的瞬时信道状况 第二章h s d p a 系统及其原理 指示对信道进行估计，并根据系统采用的用户优先级计算方法和调度算法，进行 分组调度、信道分配和链路自适应的快速调整。 图2 1h s d p a 基本原理及相关信道 在h s d p a 系统中，自适应编码调制( a m c ) 、快速混合自动重传( h a r q ) 和多码传输等技术取代了原有的w c d m a 系统中物理信道使用的可变扩频因子 ( s p r e a d i n gf a c t o r ，s f ) 和快速功率控制技术【8 1 。小区内的干扰和n o d eb 的实 现方式决定了w c d m a 下行链路功率控制的范围是2 0 d b ，这就意味着对靠近 n o d eb 的用户来说，功率控制并不能最大幅度的降低功率，即使功率调整幅度 达到或超过2 0 d b ，也只能有限地提高容量。h s d p a 的链路自适应和a m c 技术 使得靠近n o d eb 的用户可以获得更高的编码调制方案，从而提高了用户 的吞吐量。由于允许一个用户最多同时使用1 5 个信道，h s d p a 链路可获得更大 的自适应动态范围并保持较高的频谱效率。w c d m a 通过可变s f 实现的动态传 输便被h s d p a 中的a m c 、h a r q 和多码传输技术替代 9 1 。 为了在信道变化情况下提高系统性能，n o d eb 需要进行调度选择。h s d p a 的设计目标是找到一种调度算法，这种调度算法可以自动的把无线资源分配给拥 有最好信道条件的用户，通过始终服务于信道条件晟好的用户，h s d p a 系统可 实现最高数据传输速率和最大限度的提高n o d eb 的吞吐量，并提高信道码和功 率资源的利用效率。 第二章h s d p a 系统及其原理 2 1 2h s d p a 业务模型 按业务特性对各种业务从应用层角度进行分析，可分为语音业务、视频业务、 数据业务等三种业务类别，这三类业务应用于不同的场景，可以具备不同的q o s 性能特征。在3 g p p 协议中规定了4 种业务类型，分别为：会话类( c o n v e r s a t i o n a l c l a s s ) 、流媒体类( s t r e a m i n gc l a s s ) 、交互类( i n t e r a c t i v ec l a s s ) 和背景类 ( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。每种业务类型的性能特征如表2 1 所示f 湖。 表2 1 业务类型及其性能特征 性能特征会话类 流媒体类交互类背景类 延时要求 要求高要求高要求低无要求 抖动要求要求很高要求较高要求低无要求 可容忍一定可容忍一定对误码率对误码率 误码率要求 的误码率的误码率 要求很高要求很高 重传要求不用重传不用重传需要重传 需要重传 终端缓冲要求不需缓冲采用缓冲不需缓冲不需缓冲 上行速率与有些业务 上下行上行速率远上行速率一般 一l - 行速率 上行小于下行 速率对比小于速率小于下行速率 基本对称有些基本对称 1 会话类业务 语音电话是最常见的会话类业务，随着因特网业务和多媒体业务的发展，可 视电话和视频会议逐渐成为新的会话类业务。作为一种实时业务，会话类业务最 主要的特征就是严格的低传输延时和信息流前后时序关系的保证。由于h s d p a 技术只提供下行分组信道，因而不适合承载该类业务。在未来，会话类业务可采 用v o l p 等方式进行承载。 2 流媒体类业务 流媒体类业务是非会话类的实时业务，伴随着数据业务的产生而出现，以单 第二章h s d p a 系统及】e 原理 向传输的音频或视频为主。这类业务最主要的特征就是虽然对传输时延没有严格 的要求，但是要保证信息流前后的时序关系，同时对该类业务的端到端时延抖动 也有所限制。流媒体类业务最大可接受的时延抖动是由系统所应用的时间调整功 能的能力所决定的，通常远远低于会话类业务对时延抖动的要求。 3 交互类业务 这类业务面向数据应用，如当终端用户向远程服务器发起数据传输请求，然 后等待远端在一定时间内的回应。该类业务主要包括网页浏览、数据库查询、服 务器访问、网络游戏、移动电子商务、网上银行等。交互类业务是除会话类业务 外，另一个典型的由终端用户请求反应模式决定业务服务要求的业务类型。该类 业务的主要特征包括终端对往返传输时延的要求以及对误码率的要求。 4 背景类业务 背景类业务与交互类业务都是面向数据应用的业务类型，如远程终端( 计算 机等) 在后台对数据文件进行收发。典型的背景类业务包括电子邮件( e m a i l s ) 、 短信息服务( s m s ) 、资料库下载和信息定制等。该类业务对传输时延并没有特 殊要求，但对传输信息的可靠性要求很高，也即是对误码率要求很高。 流媒体类业务是单向的数据传输，而h s d p a 采用下行共享信道，会造成单 个用户比较大的时延抖动，因而要求终端具备较大的缓冲能力。对于交互类业务， 由于h s d p a 采用a m c 和h a r q 技术，有效提高了调度用户的吞吐量并降低了 重传引起的时延，因而对于该类业务，h s d p a 承载有较大优势。由于背景类业 务对传输延时并没有要求，此类业务特别适用于h s d p a 技术，在h s d p a 系统 中，完全可以根据网络的忙闲状况来决定该类业务的调度。 2 2h s d p a 关键技术 为了提高下行分组数据传输速率并降低传输延时，h s d p a 引入新的传输信 道，即高速下行共享信道( h s d s c h ) ，采用自适应调制和编码( a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 技术、快速混合自动重传( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ，h a r q ) 技术、快速小区选择( f a s tc d ls e l e c t i o n ，f c s ) 以及快速分 第二章h s d p a 系统及其原理 组调度技术。在n o d eb 的媒体接入控制( m a c ) 层引入了m a c h s 实体，用来 完成相关调度、反馈、重传等功划1 1 j l l 2 l 。本小节将主要介绍a m c 、h a r q 、f c s 和快速分组调度等4 种h s d p a 关键技术。 2 2 1自适应调制和编码( a m c ) 链路自适应技术通过改变传输参数来补偿信道状况的变化。w c d m a 系统 中的快速功率控制就是一种链路自适应技术，它能够保证信息可靠传输，同时提 高系统容量。自适应调制和编码( a m c ) 也属于链路自适应技术，其原理是根 据信道条件的变化来改变调制和编码方式，以便最大限度的提高系统容量，实现 较高速率的数据传输。信道条件可以通过接收机的反馈等方式进行估计。在采用 a m c 技术的系统中，用户处于有利位置( 如靠近基站) 时，可以相应的选择高 阶编码调制方案( 如6 4 q a m ，编码有效率r = 3 4 的t u r b o 编码) ；如果用户处在 不利位置( 如靠近小区边沿) 时，可采用低阶编码调制方案( 如q p s k ，编码有 效率为1 2 的t u r b o 编码) 。a m c 系统结构如图2 1 所示【1 2 】。 图2 2 a m c 系统结构 a m c 技术的主要优点在于：a ) 处于有利位置的用户可以获得更高的数据传 输速率，从而提高了小区的平均吞吐量；b ) 采用自适应编码和调制取代功率控 制作为链路自适应技术，可以降低链路匹配造成的干扰。 h s d p a 采用了a m c 技术，使得n o d eb 能够根据用户当前的信道状况及时 的调整调制方式和编码效率，从而更好的匹配数据传输速率与信道状况，提高了 第二章h s d p a 系统及其原理 小区吞吐量和频谱利用率。在h s d p a 系统中，a m c 能够提供7 级可变化的编 码调制方案，具体参数如表2 2 所示( 3 l 。 表2 2 a m c7 级编码调制方案 s f编码 数据速率数据速率数据速率 调制方式( 5 码道)( 1 0 码道)( 1 5 码道) ( 扩频因子)有效率 ( m b i e s )( m b i # s )( m b i g s ) 1 6 1 4 0 61 21 8 1 62 41 22 43 6 q p s k 1 63 4 1 83 65 4 1 64 f 42 44 87 2 1 62 42 4 4 87 2 1 6 q a m 1 63 43 67 2l o 8 1 64 1 44 8 9 61 4 4 由表2 2 可以知道，采用1 5 码字1 6 q a m 调制方式，在不经过冗余编码( 编 码有效率r = 4 4 ) 时，数据传输的峰值速率可达到1 4 4 m b i g s ，但由于1 4 4 m b i f f s 的峰值速率在实际通信系统中是很难达到的，故一般认为实际工程上能得到的 a m c 下行峰值数据速率是1 0 8 m b i v s 。 2 2 2 快速混合自动重传( h a r q ) 在h s d p a 系统中，分组数据业务的误码率要求高达l o 。6 ，为了保证数据传 输的可靠性，必须采用差错控制技术来控制错误。差错控制技术分为两类：自动 重传请求( a r q ) 和前向纠错编码( f e c ) 。a r q 是在数据传输失败时要求重传 的一种传输机制，f e c 是为了克服无线传输环境下，信道噪声、移动性带来的衰 落及其他用户的干扰，在分组中传输额外的比特开销，但过多的前向纠错编码会 降低传输效率。混合自动重传请求( h a r q ) 是a r q 和f e c 相结合的纠错方法， 也是一种链路自适应技术。 目前常见的3 种a r q 协议分别为【1 2 1 ： 第二章h s d p a 系统及其原理 1 ) w i n d o wb a s e ds e l e c t i v er e p e a t ( s r ) ，是一种常见的a r q 协议，很多系 统如r 9 9 r 4 都采用这种协议。s r 对延时并不敏感，而且只重传接收到的错误的 数据块。为了实现这一特性，s ra r q 使用序号对发送的数据块进行编号，最大 数据块序号必须大于发送到反馈回执期间发送的数据块总数量。然而，当h a r q 采用s r 类型时，要求用户有较大的内存，同时要求接收端能够准确确定每一次 传输数据块的序号。 2 ) s t o p a n d w a i t ( s a w ) ，是最简单的a r q 协议方式，发送端只有在当前 数据块正确接收之后，才会发送新的数据块。协议只要l b i t 的序号就可以区分当 前数据块和下一个数据块，因而控制和确认开销都很低；同时由于每次只有个 数据块，对用户接收机缓冲空问的要求也很低。然而，由于确认和发送不是同时 进行的，每次传输完成以后，发送端都需要等待确认信息，因而会造成信道资源 浪费，吞吐量下降。 3 ) nc h a n n e ls t o p a n d w a i t ，提供了一种并行执行n 个s t o p a n d w a i t 协议 的h a r q 方案，在一个独立的用户前向发送数据块的同时，其他用户可以进行 反向接收确认，因而不会浪费信道资源，但是接收机必须能够存储n 个数据块。 根据h a r q 中前向纠错编码在接收端的合并方式，h a r q 可分为3 类1 2 】： ( 1 ) 第一类h a r q ：h a r q i 在原始数据流的基础上增加了循环冗余校验 ( c r c ) ，并进行f e c 编码。接收端进行f e c 解码和c r c 校验，如果解码成功， 则不需要重传；如果不能正确解码，则把错误的数据包丢弃，并请求重传，重传 分组采用与初次传输相同的编码方式。 ( 2 ) 第二类h a r q ：h a r q i i 属于递增冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 的 h r q 方案。该方案在首次传输数据块时带有很少或没有冗余信息，如果传输失 败，重传的数据块中只是增加了冗余部分，在接收端将两次收到的数据块，先进 行合并，再进行解码和校验。由于重传信息中只包含冗余信息，不包括系统比特， 因而重传信息不具备自解码能力。 ( 3 ) 第三类h a r q h a r q i i i 又叫部分冗余a r q ，也属于增加冗余方案， 它与h a r q i i 不同的是该方案的每个己传分组和重传分组都能进行自解码。第 三类h a r q 又可以分为两种，一种是只具有一个冗余版本，每次重传的冗余信 第二章h s d p a 系统及其原理 息和第一次相同，接收端采用跟踪合并( c h a s ec o m b i n g ，c c ) 的方式，也称为 软合并的第一类h a r q ；另一种具有多个冗余版本，重发数据饱含不同的冗余信 息，这种增加冗余方式称为部分增量冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ，i r ) 。 2 2 3 快速小区选择( f c s ) h s d p a 系统采用快速小区选择( f a gc e l ls e l e c t i o n ，f c s ) 技术，用户设备 ( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 在每个时隙内，根据不同小区下行链路公共导频信道 ( c p i c h ) 的信号强度选择能够提供最好服务质量的小区作为自己的服务小区。 采用f c s 技术能保证小区边沿的用户也具有相对较好的通信服务质量。同时， 在每个时刻只有一个基站与u e 进行通信联系，从而降低了干扰并提高了系统容 量【1 2 1 。 2 2 4 调度算法 调度算法是指在不同的时隙内传输给不同用户数据的协调机制，它控制着整 个通信系统共享资源的分配，在很大程度了决定了整个系统的性能。在w c d m a r 9 9 r 4 中，分组调度由r n c 负责的，在h s d p a 中部分分组调度是由基站负责 的，从而大幅度缩减了由r n c 进行调度处理带来的延迟，同时采用2 m s 的短时 间间隔，使得调度算法能够更精确的适应信道质量的快速变化。 h s d p a 调度算法主要是基于信道条件、用户终端能力、业务优先等级、q o s 水平以及可用信道化码等多方面的因素，充分利用a m c 和h a r q 等h s d p a 关 键技术，向瞬间信道条件最好的用户传输数据，同时还要兼顾到不同用户之间的 公平性。n o d eb 可以进行时分调度、码分调度以及时分与码分同时调度【9 】，也 即是在一个调度时隙内可同时选择多个用户进行数据传输，不同用户之间通过码 分方式进行共享资源分配。 调度算法的目的就是在每个调度时隙内把共享资源分配给信道条件最好的 用户，从而实现最高速率的数据传输，最大限度的提高了小区和用户的吞吐量， 1 4 第二章h s d p a 系统及其原理 更加有效的利用功率资源、信道资源等无线资源。在实际的网络中，调度算法除 了考虑系统吞吐量以外，还必须兼顾到不同用户之间的公平性、不同业务之间的 q o s 要求等因素，因而一个性能良好的调度算法可以提高整个系统的性能，对整 个h s d p a 的工程实现有着重要意义。 2 3h s d p a 物理层技术 h s d p a 在w c d m ar 9 9 r 4 的技术基础之上，在r 5 版本中引入了一种新的 传输信道，即高速下行链路共享信道( h s d s c h ) ，用来承载增强的流媒体类、 交互类以及背景类业务的用户数据。为了实现h s d p a 的功能特性，在物理层规 范中引入了高速物理下行链路共享信道( h s p d s c h ) 、高速共享控制信道 ( h s s c c h ) 以及上行链路高速专用物理控制信道( h s d p c c h ) 这3 个新的 物理信道，分别用来承载下行链路的用户数据、h s d s c h 解调所需的物理层控 制信令以及上行链路的控制信令，如h a r q 确认( h a r q a c k n a c k ) 和下行 链路的信道质量反馈信息( c q l ) 等【i l l 。 2 3 1高速物理下行链路共享信道( h s p d s c h ) 在w c d m a 中，一个无线帧时长为1 0 m s ，包括1 5 个时隙，长度为3 8 4 0 0 个码片，其中一个时隙时长