（通信与信息系统专业论文）基于合作博弈的lte资源联合分配算法研究.pdf

摘要 ；l i l l lli il ll l i i ii iii iiil y 2 0 6 7 9 10 摘要 移动通信与宽带无线接入技术的融合已成为未来移动通信的发展趋势。为了 应对宽带无线接入技术的挑战，同时满足新型分组数据业务的需求，3 g p p ( 3 r d 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 ) 组织在2 0 0 4 年年底启动了其长期演进( l o n gt e r m e v o l u t i o n ，l t e ) 技术的标准化工作。 资源分配和调度是无线通信系统一个永恒的主题，在引入o f d m 和多天线等 新技术的同时，l t e 系统可用的无线资源从一维空间扩展为多维空间。因此，如 何高效合理地管理系统资源成为l t e 体统急需解决的重要问题。博弈论，作为应 用数学的分支之一，已被越来越多的学者运用到通信领域进行无线资源管理研究。 本文在对无线资源管理发展现状研究的基础上，基于合作博弈理论，对l t e 系统资源联合分配算法进行了研究，以达到在保证一定用户公平性的前提下提高 系统吞吐量的目的。本文首先介绍了l t e 系统原理及其关键技术，并对资源调度 原理及几种经典的无线资源调度算法进行了分析，之后着重研究了基于合作博弈 的资源联合分配问题，利用合作博弈论研究l t e 系统中下行链路的时、频、编码 以及功率资源的联合分配算法。在满足用户最小速率需求以及基站的最大传输功 率的限制条件下，对系统中的时频资源块、调制编码方案以及功率进行联合分配 以获得博弈的纳什议价解( n a s hb a r g a i n i n gs o l u t i o n ，n b s ) ，并从系统建模、算法 分析到算法流程作了详尽描述。最后通过m a t l a b 对算法进行仿真，并与其它分 配方案进行了对比分析。仿真结果显示该资源分配算法在系统吞吐量和用户公平 性上均获得了较好的折中。 关键词：l t e 资源分配合作博弈纳什议价 a b s t r a c t 一_ 一 a b s t r a c t n ei n t e g r a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sa n db r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s t e c h n 0 i o g yi sd e v e l o p i n gt r e n do f f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i no r d e rt om 砌t a l n t h ec o m p e t i t i o ni nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f i e l d , m e e tt h ec h a l l e n g e o ft h e 埘d e b 锄da c c e s st c c h i l i q u e sa n dt h en e ws e r v i c e s ，3 g p ps t a r t e dt h es t a n d a r d i z a t l o no f l o n g t e r me v o l u t i o n ( l t e ) i n2 0 0 4 r e s o 愀a l l o c a t i o n a n dm a n a g e m e n t i sa ne t e r n a l t h e m e0 tm r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s m a n yn e wt e c h n o l o g i e s ，s u c h a so f d ma n dm i m o ，h a v eb e e n i n t r o d u c e di nl t es y s t e m ，m e a n w h i l et h ea v a i l a b l es y s t e m r e s o u r c eh a sb e e ne x p a n d e d i i l t om u l t i i m e i l s i o n a ls p a c e s oh o wt oe f f e c t i v e l ym a n a g et h es y s t e mr e s o u r c e s h a s b e c o m ea ni m p o r t a n tp r o b l e mt ob er e s o l v e di nl t e s y s t e m s g a m et h e o r y , 弱ab 舢c h o fa p p l i e dm a t h e m a t i c s ，h a sb e e ni n t r o d u c e di n t or a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tb y m a n y s c h o l a r s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ep r e s e n td e v e l o p m e n to f t h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ai o i n tr c s o s i c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nc o o p e r a t i v eg a m ei n l t es y s t e m s1 s p r e s e n t e di nt h i sp a p e ri no r d e rt oa c h i e v et h es y s t e mt h r o u g h p u to p t i m i z a t i o n 岫d e r t h e p r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gf a i r n e s s f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e sa n dr e l a t e dk e yt e c m q u e s o t l t es y s t e ma l ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n dt h et h e o r y o fr e s o u r c es c h e d u l i n g t e c h n i q u e s 锄ds e v e r a l c l a s s i c a ls c h e d u l i n g a l g o r i t h m sa r es t u d i e d t h e n ，aj o i n t t i m e f r e q u e n c y c o d e p o w e rr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m b a s eo nc o o p e r a t l v eg 锄e1 s p r o v i d e df o rl t es y s t e md o w n l i n k u n d e rt h eg i v e nc o n s t r a i n t s ，t h a ti s ，t h em l n l m 啪 r a t eo fe a c hu s e r 锄dt h em a x i m a lt r a n s m i tp o w e ro f t h eb a s es t a t i o n ( b s ) ，r e s o u r c e b l o c k s m o d u l a t i o n 孤dc o d i n gs c h e m e sa n dp o w e rr e s o u r c e a r ea l l o c a t e dj o i n t l yt o a c h i e v ct h en a s hb a r g a i n i n gs o l u t i o n ( n b s ) o ft h eg a m e f i n a l l y , t h ep r o p o s e d j o i n t r e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei sc o m p a r e dw i t ho t h e rt r a d i t i o n a ls c h e m e sb ym a t l a b s i m u l a t i o n t h es i m “a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e dj o i n tr e s o u r c ea l l o c a t i o ns t r a t e g y a c h i e v e sag o o dt r a d e o f fb e t w e e nt h es y s t e mt h r o u g h p u ta n dt h ef a i r n e s s k e y w o r d ：l t e r e s o u r c ea l l o c a t i o ns t r a t e g y c o o p e r a t i v eg a m e n a s hb a r g a i n i n gs o l u t i o n 第一章绪论 第一章绪论 宽带接入移动化和移动通信宽带化已经成为未来通信的发展趋势，为了给用 户提供更大带宽、更高数据速率的通信服务，移动晰心技术首先得到了迅速 的发展。为了应对w i 眦标准的市场竞争，确保今后更长时间内的竞争力，3 g p p 在2 0 0 4 年底启动了空口技术的长期演进技术( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的标准化 的工作。2 0 1 0 年l o 月，l t e 及其增强版本l t e a d v a n c e d 在国际移动通信工作组 ( w p 5 d ) 第9 次会议上最终确定为4 g 标准之一。 1 1l 1 r e 标准化 1 1 1 移动通信系统的发展 移动通信系统的发展演进经历了三代，从第一代模拟移动通信系统( f i r s t 一；， g e n e r a t i o n ，l g ) ，到第二代数字移动通信系统( s e c o n dg e n e r a t i o n ，2 g ) ，再到第三 代多媒体移动通信系统( t h i r dg e n e r a t i o n , 3 g ) ，目前正在向后三代或第四代 ( b 3 g 4 g ) 通信系统发展。 第一代移动通信系统以模拟式蜂窝网为主要特征，主要采用模拟技术和频分 多址( f d m a ) 技术，于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始商用。其典型体统有美 国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、欧洲的t a c s ( t c i t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 和日本的h c m t s ( h i g hc a p a c i t ym o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) 。 第一代移动通信系统有很多不足之处，如容量有限、互不兼容、保密性差、通话 质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。 第二代移动通信系统主要采用数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多址 ( c d m a ) 技术，主要业务是语音，其主要特性是提供数字化的话音业务及低速 数据业务。克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高， 现在使用的系统有4 种：d a m p s 、g s m 、c d m a 和p d c 。p d c 只用于日本，它 基本上是为了与日本的第一代模拟系统后向兼容而修订的d a m p s 。由于第二代 采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行 漫游，无法进行全球漫游。同时，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制 了数据业务的应用，也无法实现移动的多媒体业务这样的高速率的业务。 第三代移动通信系统于1 9 8 5 年有国际电信联盟i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 提出。第三代移动通信系统标准化工作的主要目标是为 了制定一个通用的网络架构，能够支持现在和将来的服务。3 g 技术标准主要包括 2 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 欧洲提出的w c d m a 、中国提出的t d s c d m a 、美国提出的e d m a 2 0 0 0 和w i 心 的8 0 2 1 6 e 四大标准。第三代移动通信系统具有5 m h z 以上的传输带宽，传输速度 最低为3 8 4 k b p s ，最高达2 m b p s ，支持语言和数据业务。第三代移动通信系统的主 要特点是能实现高速数据传输和宽带多媒体服务，但认识基于地面、标准不一的 区域性通信系统。 第四代移动通信系统提出的目标是提供宽带移动多媒体服务，满足第三代移 动通信系统尚未达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体 服务的需要。不同的标准化组织在不断完善3 g 标准的同时，也积极开展b 3 g 4 g 的标准化工作。3 g p p 组织的w c d m a 、t d s c d m a 分别发展为l t ef d d 和 t d l t e ，3 g p p 2 组织的c d m a 2 0 0 0 演进为a i e ，移动晰m a x 也发展成为一项4 g 技术。 图1 1 为移动通信系统的演进过程图。 i g 模拟通信2(3数字通信3g i m t 0 2 0 0 0 图1 1 移动通信系统的演进过程图 1 1 2l t e 标准化现状 l t e 是3 g p p 于2 0 0 4 年1 1 月启动的通用移动通信系统( u m t s ) 技术长 期演进项目。l t e 分为f d d 方式的l t e 和t d d 方式的l t e ，其中t d d 方 式的l t e 又由于演进路线的不同分为l t et d d i 和l i et d d 2 。我国从2 0 0 5 年 开始推动l t e 的t d d 方案即l t et d d 2 方式的研究并被3 g p p 接受，之后由 我国大力推动并通过多方努力，目前两种t d d 方式已经融合为一种即t d l t e 。 t d l t e 也被同时确定为t d s c d m a 标准的后续演进技术。 l t e 标准制定工作进展很快【。尤其是最近几年，3 g p p 加快了l t e 的标准 化工作。一方面是由于无线新技术的逐步完善已基本可以实用化，更主要的是由 于现有的包括3 g 在内的移动通信网络已经逐渐不能满足用户的需求。3 g p p 于 2 0 0 9 年3 月发布第一版( r e l e a s e8 ) ，r 8 版本为l t e 标准的基础版本：于2 0 1 0 年3 月发布第二版( r e l e a s e9 ) ，r 9 版本为l t e 的增强版本，主要增加了支持 第一章绪论 多流b e a m f o r m i n g 、e m b m s 、s o n 、h o m ee n b 等新功能。3 g p p 于2 0 1 1 年3 月 完成包括f d d 和t d d 在内的l t e 又一个新版本r e l e a s e10 即l t e a d v a n c e d ( l t e a ) ，该版本主要增加了增强的上下行m i m o ( 支持最高下行8 流上行4 流传输) 、载波聚合( c a r d e r a g g r e g a t i o n ) 、无线中继( r e l a y ) 、增强的小区间干扰 协调等新功能。从目前标准进展情况来看，3 g p pt d l t e 和f d dl t e 标准制定进 度一致。 1 2 无线资源管理概述 1 2 1 无线资源管理的目标 以移动通信为代表的无线通信系统都是资源受限的系统，而用户对移动业务 要求却越来越严格，除了采用先进的物理层技术提高无线传输的有效性和可靠性 之外，对无线通信系统及其资源的管理也越来越受到人们的重视。如何利用有限 的资源来满足日益增长的用户需求，已经成为移动通信系统发展过程中急需解决 的问题，无线资源管理机制也成为衡量一个系统是否可以商用的重要方面。 现代无线通信系统的资源是多种多样的，主要可以分为五大类： ( 1 ) 时域资源：包括业务时隙、业务帧、接入时隙、保护时间间隔等。时域 源的分配主要是根据信道状态进行信源数据和冗余数据的比例调整，从而最大限 度地保证信源数据的可靠传输。 ( 2 ) 频域资源：包括信号带宽、保护频段等，频域资源和时域资源是相对的， 主要目的也是保证系统传输的可靠性前提下，尽可能提高系统传输的有效性。 ( 3 ) 码域资源：包括扩频码字、调频码字、扰码、调制编码模式、多天线编 码模式等。在c d m a 网络中，主要用码字来区分用户或信道；在b 3 g 4 g 系统中， 码域资源主要考虑调制编码模式、多天线编码模式等。 ( 4 ) 能量资源：包括信号的功率、能量。在蜂窝网系统中，对于上下行，最 优分配的准则不同，上行要满足系统链路间干扰最小，又能正常工作的分配准则： 而下行要满足基站发射总功率最小和链路间相互干扰最小的分配准则。 ( 5 ) 空间资源：包括天线的极化方向、天线角度、天线数目以及通信基站和 终端的拓扑结构与空间位置，利用空间资源的目的与前面类似，主要是提高系统 性能和容量。 无线资源管理的目标是在有限的无线资源条件下，提高系统有效性和可靠性， 满足网络中不同用户对各种业务服务质量的要求，并最大化无线资源利用率。其 基本出发点是在网络业务分布不均匀、信道状态因信道衰弱和干扰而起伏变化等 情况下，灵活分配和动态调整系统中的可用资源，保证用户业务性能要求、提高 系统吞吐量和无线频谱利用率。无线资源管理涉及一系列与无线资源分配相关的 4 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 技术，主要包括功率控制、切换、接纳控制、负载控制、信道配置等。 1 2 2 无线资源管理的研究现状 正如上文所述，无线资源管理在通信系统中的作用越来越重要。在无线新技 术发展的过程中，资源分配和调度也在不同的领域里得到了广泛的研究。随着 o f d m 技术在b 3 g 4 g 系统物理层的应用已经得到认同，蜂窝网中基于o f d m 技 术的资源分配成为无线资源管理的研究的热点。 无线资源分配的研究根据系统的传输要求、优化目标以及规定的限制条件等， 一般可以归纳为以下几种方式【2 j ： ( 1 ) 速率自适应。在系统总发射功率受限和一定误码率要求下，最大化系统 吞吐量1 3 。? l 。具体的优化参数包括每个子载波的归属，每个子载波的发射功率，调 制方式等。 ( 2 ) 余量自适应。通常适用于发射功率和传输速率都受限的业务，根据信道 的实时状况对用户的发射参数调整，使总发射功率最小，也称为功率最小化准则 i s q o o ( 3 ) 基于公平性准则的自适应。为了提高边缘用户的服务质量，通常人为引 入一些可以定量衡量公平性的限制性条件，牺牲信道条件较好的用户的质量来换 取公平性的提高l 。1 3 l 。 在o f d m 资源分配领域研究历史过程中，文献【1 0 】的作者首先运用最优化理 论对o f d m 系统中的资源分配问题进行了开拓性分析，证明了其最优解存在并给 出该问题的一般分析方法及相关重要结论，不过该算法存在高复杂度的缺点。因 此很多学者在如何降低算法复杂度上做了相关研究1 1 2 , 1 3 】，此外针对o f d m a 系统 中不同业务的目标函数进行分析【体1 7 1 ，并得到了相应地资源调度算法。为了提高 资源分配算法的有效性，文献【1 1 】将比例公平概念引入资源分配过程，并从经济学 角度对该通信问题进行了阐述，开辟了公平性调度研究的新领域。文献【1 2 】考虑最 大最小准则对系统资源进行分配，旨在保证各个用户的公平性。但该准则惩罚了 信道条件好的用户从而降低了系统整体的效率。因此好的资源分配算法需要综合 考虑系统效率、公平性以及复杂度这三个方面。为了处理公平性和频谱效率的矛 盾，很多学者将广泛运用于经济学以及数学领域的博弈论【1 8 , 1 9 1 特别是合作博弈论 推广至研究通信领域的资源分配相关问题1 2 4 1 。文献【2 0 】给出了博弈论中的基本 概念，介绍了博弈论在无线通信领域的应用，解决了博弈论在资源调度领域和速 率控制领域的应用问题。文献【2 l 】给出了基于纳什议价解的o f d m a 系统上行链路 资源分配算法，该算法在保证纳什议价公平性的基础上保证整个系统性实现最优 资源分配，从而实现了在保证移动用户间公平性的前提下，实现系统总容量最大 化的目标。文献 2 2 】运用合作博弈的两种议价解对o f d m a 系统下行链路子载波和 第章绪论 功率资源进行分配。文献 2 4 1 提出一种基于合作博弈的时、频、功率资源分配算法， 解决基于w i m a x 标准的分层空地网络中的资源分配问题。本文通过利用合作博 弈理论分析l t e 系统中的资源分配问题，研究l t e 系统中时、频、编码以及功率 资源的联合分配策略，在保证一定的公平性前提下优化系统吞吐量。 1 3 本文的研究内容及章节安排 第一章主要介绍了移动通信系统的发展，l t e 标准化的现状，以及无线资源 管理的目标及其研究现状。 第二章将重心集中在l t e 系统的基本原理和关键技术上。主要介绍了l t e 的 系统架构以及其部分物理层关键技术，最后介绍了l t e 调度功能的实现。 第三章首先介绍了分组调度与资源分配技术的概念以及l t e 系统资源分配的 特点，然后详细介绍了几种经典的调度算法，最后对博弈论及其相关概念进行了 阐述，并分析了博弈论在资源管理中的应用。 第四章介绍了基于合作博弈的资源联合分配算法，利用合作博弈论研究l t e 系统时、频、功率及码域资源的联合分配，并对其进行了详细的数学描述与理论 分析。 第五章运用m a t l a b 仿真平台，对各种资源分配方案进行了仿真和性能比较， 验证了前面章节的理论分析。 第六章总结全文内容，指出了本课题研究中存在的不足，并展望了未来的研 究方向。 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 第二章l t e 系统介绍 7 第二章l t e 系统介绍 l t e 的目标是开发出一套满足更低传输时延、提供更高用户传输速率、增加 容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用大载波带宽，并以优化分组数 据业务传输为目标的新一代移动通信标准。为了满足上述需求，l t e 在网络架构、 物理层关键技术以资源分配和调度机制方面做出了重要革新。下面将对此做出详 细介绍。 2 1l t e 系统架构 2 1 1l 1 忑系统网络架构 在3 g p p 的长期演进项目中，对l t e 系统提出了更加严格的时延需求，一方 面要求显著降低控制平面时延，具体为u e 从睡眠状态到激活状态迁移时间低于 5 0 m s ，从休眠状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 m s ；另一方面要求显著降低用 户平面时延，用户平面内部单向传输时延低于5 m s 。为了满足如上要求，除空中接 口无线帧长度、t t l ( t r a n s m i t t i n gt i m ei n t e r v a l ) 等需要变化以缩短空中接1 3 的时延 之外，还需要对网络结构进行优化和演进，尽量减少通信路径上的节点跳数，从 而减少网络中的传输时延。 从整体上说，与3 g p p 已有系统类似，l t e 系统架构仍然分为两部分1 2 5 j ，如 图2 1 所示，包括演进后的核心网e p c ( 即图中的m m e s g w ) 和演进后的接入网 e u t r a n 。演进后的系统仅存在分组交换域。 l t e 接入网仅由演进型节点b ( e n o d eb ，e v o l v e dn o d eb ) 组成，提供到u e 的 e u t r a 控制平面与用户平面的协议终止点，e n o d eb 之间由x 2 接口进行连接。 l t e 接入网与核心网之间通过s l 接口进行连接，s l 接口支持多对多连接方式。 与3 g 系统的网络架构相比，接入网仅包括e n o d eb 一种逻辑节点，网络架构 中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化，e n o d eb 提供到u e 的e u t r a 控制 平面与用户平面的协议终止点。这种扁平化的网络架构的优点是降低了呼叫建立 时延以及用户数据的传输时延，并且由于减少了逻辑节点，也会带来o p e x 与 c a p e x 的降低。 r 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 氏； 第二章l t e 系统介绍 9 ( 2 ) 支持u e 移动性的用户平面切换； ( 3 ) 合法监听； ( 4 ) 分组数据的路由与分发； 图2 2 描述了逻辑节点( e n o d eb 、m m e 、s - g w ) 、功能实体和协议层之伺的 关系以及功能划分。 图2 2 功能划分 2 2l t e 物理层关键技术 2 2 1 多址传输方式 在l t e 系统中，多址接入技术在下行方向采用了o f d m 的复用方式，而上行 方向，为了确保终功放的效率，采用了具有单载波峰均比特征的d f t o s - o f d m 多 址方式，该多址方式具有很多o f d m a 的多址信号处理特征，且在参数上具有与 下行基本相同的设计1 2 6 l 。 1 下行o f d m a 多址传输 o f d m a 多址接入方式，本质上仍然是一种频分复用多址接入技术，不同的用 户被分配在各子载波上，通过频率资源上的正交方式来区分用户。传统的f d m a l o 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 多址方式中，各子载波间通过一定的频域间隔来避免载波间的干扰。与传统的 f d m a 方式相比，o f d m a 的各个子载波间通过正交复用方式避免干扰，有效地 减少了载波间保护间隔，提高了频谱利用率。 o f d m 多址方式的发送和接收机结构如图2 3 所示。以o f d m 发射端为例， 首先对发送信号进行信道编码并交织，然后将交织后的数据比特进行串并转换， 并对数据进行调制后映射到o f d m 符号的各个子载波上；将导频信号插入到相应 子载波后，对所有子载波上的符号进行逆傅里叶变换后生成时域信号，并对其进 行并串转换：在每个o f d m 符号前插入c p 后，进行数模转换并上变频到发射频 带上进行信号发送。接收端信号处理是发送端的逆过程。 厂、厂、 ，、 _ d c 调制及n 点 p s 插入 + 子载波映射 i d f tc p上变频 一 、_ lj 厂、，_ 、 _ 一 d c 解调及n 点 s p卜 去c p 一 去载波映射 n f t下变频 _一 lj、 图2 3o f d m 系统模型 2 上行s c f d m a 多址传输 与基站比较，终端设备对成本更敏感，耗电问题也是人们非常关注的问题， 因此l t e 下行采用o f d m 技术，但上行采用单载波d f t - s o f d m 技术方案，其 优势是具有更低的峰均比，可以降低对硬件( 主要是放大器) 的要求，提高功率 利用效率。o f d m 的峰均比问题是近年来的一个研究热点，有多种降峰均比的方 法被提出来。这些方法基本上都会导致额外的处理复杂度或频率效率的下降，因 此不利于控制用户终端的成本。d f t - s o f d m 技术具有低峰均比的性质，也保持 了良好的与下行o f d m 技术的一致性，例如大部分参数都可以重用，这位实现带 来了简化。 从图2 4 可以看出，d f t - s o f d m 与o f d m 比较，在于信号先经过一个 d f t ，从时域变换到频域，再映射到频域的子载波上，其他处理方式与o f d m 完 全一致，保持了非常好的一致性。 第二章l t e 系统介绍 厂、 、 n c 调制及、点 p s - 插入 _ 子载波映射 l d f t c p 上变频 _ 、 _ 一 解调及n 点 s pl去c p 一 o c 去载波映射 d f t下变缓 p一j 图2 4s c f d m a 系统模型 2 2 2 帧结构和资源块 1 帧结构 l t e 支持两种类型的物理层帧结构1 2 7 1 。第一类帧结构适用于f d d 模式，第 二类帧结构适用于t d d 模式。 ( 1 ) 第一类帧结构支持全双工和半双工的f d d 模式。每一个无线帧长度为 1 0 m s ，由2 0 个时隙构成，每个时隙长度为0 5 m s 。两个相邻时隙构成一个子帧。 ； = 全歪垡堕互三! 旦竺兰 i ：一个时隙= o 5 m s ； ： ： 臣工二臣工j 臣工蛋 ； 一个子帧； 一 图2 5 第一类帧结构图 ( 2 ) 第二类帧结构支持t d d 模式。每个无线帧首先分割为由两个5 m s 的半帧， 这是为了继承t d s c d m a 系统。每一个半帧又由8 个常规时隙和d w p t s ( d o w n l i n kp i l o tt i m es l o t 下行导频时隙) 、g p ( g u a r dp e r i o d 保护时隙) 、u p p t s ( u p l i n kp i l o tt i m es l o t 上行导频时隙) 三个特殊时隙构成。一个常规时隙长度为 0 5 m s ，特殊时隙长度可配置，但三个特殊时隙总长度等于l m s 。 12 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 ；一个无线帧，r ，= l o r e s “ ， 一个半帧，5 m s c i 一个时隙 、毒_、 、一 、- 一、 西乏咖 ：、。 一一一、一 ：lr 。，一- - - ，- - i 子矗柏予帧撑2子帧# 3子帧子帧# 5予帧撑7子帧撑8子帧# 9 l ： l 一个子i ! ；| t 、厂r 1 5 w i l t sg pu p p t s d w p t sg pu p p t s 图2 6 第二类帧结构图 2 资源块 如图2 7 所示，l t e 中将最小的时频单元定义为基本资源单元( 1 迮) ，由时域 o f d m s c f d m a 符号和频域子载波唯一确定，用索引对( 七，) 唯一标示，七，分别 标示频域和时域的序号。l t e 中进行数据传输时，将上、下行基本资源单元组成 物理资源块( p l ) 作为物理资源单位进行调度和分配。 以下行为例，一个l 迅包含时域州个连续o f d m 符号和频域? 个连续子 载波，即大小定义为时域宽度一个时隙( o 5 m s ) ，频域宽度l8 0 k h z 。载波间隔为 1 5 k h z ，一个资源块包含1 2 个子载波，即? = 1 2 。当采用常规c p 时，一个资源 块包含7 个o f d m 符号，即州乙= 7 ；扩展c p 时，一个资源块包含6 个o f d m 符号。上行资源块的定义与下行一致。资源块的个数与传输带宽有关，具体对应 关系如表2 1 所示【2 引。 表2 1 传输带宽与可用物理资源块数目 带宽m h z 1 535 01 0 o1 5 02 0 0 子载波带宽k h z 1 5 物理资源块带宽k h z 1 8 0 可用的p r b 个数 61 52 55 07 5l o o 第二章l t e 系统介绍 鲻 锚 m 晕i 之 芒乏 苌 鲻 辎 m 萋鲁 之 图2 7f 行资源网格 为了方便物理信道向空中接口时频域物理资源的映射，在物理资源块之外还 定义了虚拟资源块( v l m ) ，虚拟资源块的大小与物理资源块相同，并且虚拟资源 块与物理资源块具有相同的数目，但物理资源块和虚拟资源块分别对应有各自的 资源块序号疗p 衄和t l v r b 。协议定义了两种类型的虚拟资源块：集中式虚拟资源块 ( l o c a l i z e dv r b ) 和分布式虚拟资源块( d i s t r i b u t e dv r b ) 。l v r b 直接映射到p r b 上，使得虚拟资源块r v r b 与物理资源块f p r b 对应( 可以看作一种按照p r b 直接分 配映射的过程) ，即g p 髓邗v 髓。而d v r b 采用d i s t r i b u t e d 的映射方式，一个子帧 中的两个时隙上虚拟资源块到物理资源块的映射是不同的，某时隙物理资源p r b 对应的频域位置序号可以表示为 p r b = f ( 行v 髓， s ) ，其中刀。是一个无线帧中的时隙 编号。 誉一一 1 4 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 下行物理信道 示单位i v r b 砖 l 理资源1 一 p 髓对 下行m 向p r b 映射 图2 8 下行资源映射 与灵活的下行资源映射分配方式相比，上行在保证单载波特性的情况下，分 配给一个用户的p r b 必须具有频域连续性。为了获得更好的频率分集增益，l t e 上行方向上引入了跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 方式，即通过l o c a l i z e d 的p r b 分配结合时隙间跳频实现d i s t r i b u t e d 方式的传输，采用0 5 m s 间的块跳频来实现频 域分集的效果。 上行物理信道 示单位j v r b i 理资源1 一 p r b 上行p r b 映射 图2 9 上行资源映射 2 3 3 链路自适应技术 链路自适应技术由于在提高数据传输速率和频谱利用率方面有很强的优势， 从而成为目前和未来移动通信体统的关键技术之一。通常情况下，链路自适应技 术主要包含：自适应调制和编码技术、混合自动重传请求技术、功率控制技术等。 l - 自适应调制与编码技术 自适应调制与编码简称为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 ) ，是一种基 于物理层的链路自适应技术，可以使系统的传输效率得到极大的提高，其基本原 第二章l t e 系统介绍 理是在系统限制的范围内，根据信道质量情况的改变，通过调整无线链路传输的 调制方式和编码速率，确保链路的传输质量，如图2 1 0 所示，即系统总是希望传 输的数据速率与信道变化的趋势一致，从而最大化的利用无线信道的传输能力。 在没有a m c 的系统中，为了保证接收端的服务质量，固定的调制编码选择方式只 能根据最差的信道质量来确定。当信道衰落很大时，就极大的浪费了频谱资源， 降低了系统效率。在一个a m c 系统中，处于有利位置的用户( 一般是那些距离基 站很近的用户) ，会被赋予较高的调制与编码方式( 如6 4 q a m 和3 4 t u r b o 码率) ； 而处于不利位置的用户( 通常是那些处于小区边缘的用户) ，会被赋予较低的调制 与编码方式( 如q p s k 和l 2 t u r b o 码率) 。 在a m c 的实现过程中，系统需要定义不同的数据传输调制编码方案( m c s ) 格式，m c s 格式对应于各种调制阶数和编码速率，当信道条件变化时，系统需要 根据信道条件选择不同的m c s 方案以适应信道变化带来的影响。 - w c 主要有以下两个优点： ( 1 ) 处于有利位置的用户，系统可以向它提供高速率的数据服务，这样可以有 效地提高小区平均吞吐量： ( 2 ) 根据信道情况改变调制编码方案，可以控制每个用户的传输错误率，使得 系统的性能更加稳定。 i 图2 1 0 自适应调制与编码的基本原理1 2 川 影响a m c 性能的主要因素有以下几个方面。 ( 1 ) 调制编码方案( m c s ) 的粒度。在定义系统m c s 的粒度时，需要综合考虑 如何充分利用无线信道的容量、信道质量反馈误差以及信令开销等方面的影响， 争取三者之间的折中。如果m c s 的粒度过大，那么系统不能充分利用当前无线信 道容量；反之，那么虽然能够充分反映无线信道的容量，但是会增加信令开销， 同时信道质量反馈误差会进一步削弱较小的m c s 粒度带来的增益。 ( 2 ) 信道质量信息的准确性与实时性。信道质量信息的准确性与信道估计算法 以及信道质量的量化误差有着直接关系；信道质量的实时性受到信道质量测量与 1 6 基于合作博弈的l t e 资源联合分配算法研究 传输时刻时延的影响，这是由于系统本身的处理时延和调度时延等带来的时延。 一般情况下，在移动速度比较低时，信道变化比较缓慢，有限的延迟不会造成性 能显著的损失，但是移动速度比较高时，信道变化比较快，那么同样的延迟对系 统性能就有严重的影响。此时可以寻求与其它技术的结合，比如利用混合请求重 传技术h a r q ，这样可以降低m c s 的要求识别和对测量误差的敏感性。 2 混合自动重传请求 混合自动重传请求( h a r q ) 技术是将前向纠错编码( f e c ) 和a r q 技术相结 合的一种差错控制方案。f e c 提高了传输的可靠性，但当信道情况较好时，由于 过多纠错比特，反而降低了吞吐量。a r q 在误码率不是很高的情况下可以得到理 想的吞吐量，但会引入时延。 因此，在大多数无线分组传输系统中都将a r q 和f e c 混合使用，即h a r q 体制：此机制是一种折中方案，在f e c 纠错能力范围内自动纠正错误，超出纠错 范围则要求发送端重新发送，既增加了系统的可靠性，又提高了系统的传输效率。 因此，随着对高数据率或高可靠性业务需求的迅速发展，h a r q 成为无线通信系 统中的一项关键技术，并得到了深入的研究。 根据h a r q 过程中的重传内容的不同，h a r q 主要分为以下三种类型p o j ： ( 1 ) 第一类h a r q 第一类h a r q 是一种简单的a r q 和f e c 的结合。在该方案中，发送数据块 进行c r c 编码后再进行f e c 编码。在接收端f e c 译码并c r c 进行校验。如果接 收数据出错，则接收端通知发送端重传，重传数据采用与前一次相同的编码，而 错误的分组被丢弃。 ( 2 ) 第二类h a r q 第二类h a r q 属于增量冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 的h a r q 方案，也被 称为f u l li rh a r q ( f i r ) 。在该方案中，第一次发送分组包含了全部的信息位( 也 可能含冗余校验位) ，接收端c r c 校验发现有错误时，与第一类h a r q 方案不同， 错误分组被存在接收端的寄存器中，并向发送端发送重传控制消息：重传的信息 不是前一次数据的简单重复，而是不同的增量冗余信息，重传分组无法自解码， 接收端将重传的增量冗余信息与寄存器中分组数据合并后再进行译码。 ( 3 ) 第三类h a r q 第三类i - i a r q 也属于增量冗余方案，与第二类u ：m q 相似，接收错误的数据 包不会被丢弃，而是将其存储起来与后续的重传数据合并后进行解码。根据重传 的冗余版本不同，第三类i - t a r q 又可分为两种情况：一种称为c h a s ec o m b i n i n g ( c c ) 方式，其特点是重传数据与前面发送的分组数据完全相同( 包含信息位和 校验冗余位) ，只有一种冗余版本，接收端将重传数据和存储数据进行软合并后进 行译码；另一种是p a r t i a li rh a r q ( p i r ) 方式，其每次重传包含了相同的信息位 第二章l t e 系统介绍 1 7 和不同的增量冗余校验位( 可有多个冗余版本) ，接收端对重传的信息位进行软合 并，并将新的校验位合并到码字后再进行译码。这两种方式有着共同的特点，重 传的数据包具有自解码的能力。 目前在数据通信中定义了3 种基本的a r q 的重传机制，分别是停等式、返回 步式和选择重传式。停等式重传协议机制的思想是在下一个数据分组开始传输以 前，必须确保当前数据分组已被正确接收，否则重传上次传输的数据；返回步 式重传协议机制的思想是发送端在未收到确认信息时可连续发送个数据分组， 当接收端发现错误分组要求重传时，发送端将请求重新发送分组和目前正在发送 分组之间的所有分组( 最多个分组) 都重新发送；而选择重发式重传协议则只 重传出现差错的数据分组。 停等式重传协议不仅简单可靠，系统信令开销小，并且降低了对于接收端缓 存空间的要求。但是，该协议的信道利用效率较低。为了克服这个缺点，在l t e 中采用了改进的通道的停等式重传协议用于h a r q 的传输。此方案的思想是： 在一个信道的并行通道上有效地运行多个独立的停等式协议。连续传输的数据流 在多个独立的时分子信道上传输，每个独立的时分子信道执行停等式重传协议。 多通道结构保证连续传输，只要确认信息来回时延时间足够短，当相同子信道时 隙再次到来时响应总是有效，数据传输就不会因等待确认信息而被拖延。 发射端 接收端 图2 1 4 通