（通信与信息系统专业论文）hsdpa系统自适应调度算法研究.pdf

摘要 摘要 论文围绕h s d p a 系统自适应调度算法而展开。首先介绍了h s d p a 的历史 进程和技术特点，介绍了h s d p a 系统无线调度算法的国内外研究现状，阐述了 调度算法在h s d p a 系统中的地位和研究意义。 然后简单介绍了h s d p a 系统的体系结构和系统中新采用的若干关键技术， 包括：自适应编码调制、h a r q 、集中调度技术、快速蜂窝选择( f c s ) 、多入 多出天线处理( m i m o ) 。随后对本课题研究所采用的网络仿真平台n s 2 和爱立信 公司的研究机构的支持u m t s h s d p a 功能的扩展模块e u r a n e 做了介绍，并 对它们的一般使用方法作了说明。 接下来阐述了无线分组调度的基本问题和不同于有线通信调度的特点，并 研究和仿真了h s d p a 系统中经典分组调度算法( i 浓，m a xc i 和p f ) 。仿真结 果与理论分析表明在h s d p a 系统中r r 算法调度结果的公平性略逊于p f 算法。 另外特别分析了p f 算法的系统容量、用户公平性和时延特性，并指出了p f 算 法在实际使用中的问题。 在以上论述的基础上，提出了一类用户和二类用户的概念，由此提出了一 种依赖负载的正比公平( l d p f ) 调度算法，该算法利用了系统的跨层信息：系 统负载。利用系统负载自适应地对用户进行调度，该算法旨在通过低负载时牺 牲系统吞吐量换取用户间公平性。在对l d p f 算法进行比较详尽地分析之后，利 用n s 2 + e u r a n e 对算法进行了仿真。提出了基于效用函数的公平性标准，在此 基础上，讨论了l d p f 算法系统负载，用户公平性等，并与经典调度算法进行了 对比。仿真结果表明l d p f 调度算法在系统低负载时有效地补偿了先前的低速率 用户，通过这种低负载和高负载时的时间分集，改善用户间的长时公平性。 论文最后对本课题的进一步研究进行了试探性地讨论。 关键词：h s d p a 分组调度算法正比公平调度算法系统负载跨层 自适应 n s 2 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：蔓嶝隆： 硼莎年f 月力f 日 第萎誊羹茎霎麦孽雾璧垂丧 薹蓁雾羹翼墨叁建薹雾蓁蓁 蠢：萋 藿弑 杉刮警 主i 晶誉邕黼甬羹舔礁鞫i 蠢萼萼霍箱ji 薹堕粪羹羹蚕i 旃篓薹| 盆雾配 雾型割裂薹t 蓁妻葡蓖；塞薹蓁萎季磊磊巍稻霎茧j 驾b 刖蕴羁衔臻孙窆璧，萎耄雪墓墓堡荔j 妻争曼孽孽硼霍喜喜蓟习羹裂龆l l l 宁妻薹朔澎渭注掰摧塑蕊型酾褥譬剿菩薛脐嚣薹州 羹j 覆篓篓曼一雪妻室霎霎鼋夕霪= 薹用户的囊雾篓茈楗i 霎耄一至喜薹摹；翼 薹薹 茎簿蛙羲錾一雾纂话霸；重夏蚕f 季萼叁善霍_ 奠霎垂| 季薹l 。倬羹蠢鎏鎏魏矜鞋鹭妻l 联毅孽髫蓠鞋霎臀地 姜季墓霉耄! 弛ii 巍；蓥融薹；至i 薹著爹霪专妻孝垂塞霎蓁亭号尽| ! 薹舅遥董霎爹叁妻薹! 蓁蠢! 。冀墓蓁薹；妻当霎冀月垂 妻室萋塞塞善! 坠薹三薹茎翼荤塞参| 董霉g 睁b 蓼孚鍪薛i i 鲤 第2 章h s d p a 系统简介 第2 章h s d p a 系统简介 2 ，1 引言 根据g s a ( 全球移动供应商联盟) 2 0 0 7 年l1 月的最新统计，全球7 1 个国家 已经部署了1 5 4 张3 5 gh s d p a 商用网络，我国目前正在测试t d h s d p a 技术。 h s d p a 是3 g p p 在r 5 标准 1 中为了满足上下行数据传输不对称的需求而提出的 技术，相比于w c d m ar 9 9 引入了高速下传共享信道( h s d s c h ：h i g h s p e e d d o w n li n ks h a r e dc h a n n e l ) 。h s d p a 把功能实体( 包括调度算法) 置于 n o d eb ( 基站) ，并；畏用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 ) 、h a r q ( h y b r i d a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nq u e r y ) 和快速调度等为核心的关键技术，下行传输 速度在没有信道编码的情形下可达到1 4 4 m b p s ， 较w c d m ar 9 9 版的2 m b p s 高 出许多，延迟现象亦因功能实体置于n o t eb 和采用很短的t t i ( 2 m s ) 而大幅降 低。n o d eb 中的调度算法是发挥h s d p a 系统性能的关键技术。 h s d p a ( 高速下行分组接入) 用于实现w c d m a 网络高速下行数据业务，可以 使下行的数据速率达到8 1 0 m b p s ，被誉为后3 g 时代的主要解决方案。对采用 多入多出( m i m o ) 技术的h s d p a 系统，数据速率可以达到2 0 m b p s 。h s d p a 的出 现引起了业界的极大关注。作为w c d m a 体系的后续演进技术，h s d p a 中的许多关 键技术与c d m a 2 0 0 0 1 xe v d v 以及t d s c d m a 中的一些关键技术有异曲同工之妙。 因此，适时研究h s d p a ，对于我们全面了解后3 g 时代的技术走向十分重要。 在h s d p a 技术方案中，涉及到的关键技术主要包括5 种：自适应编码调制、 h a r q 、集中调度技术、快速蜂窝选择( f c s ) 和多入多出天线处理( m i m 0 ) 。 2 2h s d p a 体系结构 与w c d m a 相比，h s d p a 的系统架构 1 1 并没有变化。包括3 部分：核心网( c n ) ， u m t s 地面无线接入网( u t r a n ) ，用户设备( u e ) 。简化的u m t s 系统体系结构如 图2 1 所示。这三部分之间的功能模块彼此独立，彼此之间的联系通道通过标 准接口来完成。彼此独立的好处是各个系统可以独立部署、演进。另外各个功 能实体之间也采用标准接口，利于各个厂商的设备间互联互通。 核心网：核心网包含移动交换中心服务器拜访位置寄存器( m s c 5 第2 童蔺蠢代蒋i 意素确鲡 蓁：最 荐妻霎霪妻筻剐匿烈 羹；雾：| 薹雾蠢萋酬鬟薹 薹藿妻塑囊喉圪薹萎囊嫩餮券麴鋈韭墅嚣倒l 善叁喜薹垂髻塾蓁圳= i 玉葚雪诨墼奏蓁事茔蓄r r 冬哆鼍萝； 黪弱疆莲塑冀曩麴擎蓁节点翁搐套融叁忑麓；茧型灌副韶粼圳彗捌爨撒鍪! 邂蓦箩l 蠡冀驱翼。嚣毒霪霉羞羹兰囊霎毫耆冀善耆i 蛹褊摧建绣雾窭塾鬻嚣? 釜型昏瞽署果淼礤签笳新覆 崔辖蚕w 薮甬； 换和路由功能。图2 ；委u m t s 系统架构无线接入网( u t r 奏委)，u t r a n 包含无线网络控制器( r n c ) 和基站n o d e b ，r n c 用于对无线资源进行管理，n o d e b用于发送和接受信号。一个ut羹霎n通过核心网连接到外部有线网络或 其它的u t r 奏奏。图2 2 是u t r a n 的内部结构图。图2 2u t r a n 系统 架构用户设备：u m t s 系统中由用户使用的部分，通过空中接口与n o d e b 相连。图2 3 展示了r n c 和 ue间的简化的协议结构。图中也标出了三种类型的信道。逻辑信道表示承载的 x 第2 章h s d p a 系统简介 输信道表示承载的内容怎么传，以什么格式传，分为两大类：专用传输信道和公 用传输信道物理信道表示空中接口上的传输形式r l c 一 m a c 的接口上是逻辑 信道m a c 一 p h y 的接口上是传输信道p h y 一 对方p h y 的接口上是物理信道。 u e 和r n c 都有r l c 和m a c 层的功能，但是n 0 d eb 主要执行物理层的处理。 r l c 协议实现了w c d m a 接口常规的数据链路层功能以及用户数据和控制数据的 分段和重传服务。r l c 实体有三种工作模式可供选择：透明模式，非确认模式和 确认模式。r 9 9 版本中，m a c 协议也同时运行在u e 和r n c 实体内。m a c 负责根据 逻辑信道的数据速率选择合适的传输格式( t f ) 。在m a c 层，逻辑信道被映射到 相应的传输信道。m a c 中包含了三个逻辑实体：m a c 咄、m a c c s 和m a c d l o 舒c a lc h a 皿e l 眦姒 t f 托蹭o f tc h a 口始l t a c m a c p h y 记a ii p h yp 盯lf p r p e l 臻越c l illl l ll “ 疆n o d br n c 图2 3r n c 和u e 间的协议结构 在3 g p pr 5 版本中，h s d p a 同时在物理层引入了3 种新的信道：h s d s c h ( h i g h s p e e dd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ，高速下行共享信道) 、h s s c c h ( 高速共享控 制信道) 和h s d p c c h ( 高速专用物理控制信道) 。h s d s c h 位于下行链路，负责 传输用户数据，其基本功能是携带实际分组数据；采用q p s k 和1 6 q a m 调制技术； 由n o d eb 控制功率。h s d p a 便是依赖于这个传输信道，每个信元可以拥有多达 1 5 个h s d s c h ；每个信元峰值速率可达1 4 4 m b i t s 。同时为了支持h s d p a ，在 m a c 层新增了m a c h s 实体，位于n o d eb ，负责h a r q 操作以及相应的调度，如 图2 4 所示。 7 第2 章h s d p a 系统简介 r l c戳 赋d 剐晴c 知雌h s d s c hh s d s c 珏 h 5降歼 l 2 垃 刚p h yl ll l 图2 4h s d s c h 的协议结构( 未包含m a c - c s h ) h s d p c c h 位于上行链路，主要用于携带上行链路的信令信息。这些信令信 息包括确认否认应答( a c k n a c k ) 、信道质量指示器、q p s k 和端接n o d eb 。 h s d s c h 信道的共享方式有两种，最基本的方式是时分复用，即按时间段 分给不同的用户使用，这样h s d s c h 信道码每次只分配给一个用户使用。另一 种就是码分复用，在码资源有限的情况下，同一时刻，多个用户可以同时传输 数据。 在h s d s c h 和h s s c c h 中无宏分集传输，但接入h s d p a 的用户设备始终具 有一个关联的d c h 连h s s c c h 位于下行链路，主要用于承载下行链路的信令信 息。这些信令信息包括信道编码集、调制方案、传输分组大小、h a r q 处理号、 新数据标志和u e 身份。 h s d p c c h 位于上行链路，主要用于携带上行链路的信令信息。这些信令信 息包括确认否认应答( a c k n a c k ) 、信道质量指示器、q p s k 和端接n o d eb 。 h s d s c h 信道的共享方式有两种，最基本的方式是时分复用，即按时间段分给 不同的用户使用，这样h s d s c h 信道码每次只分配给一个用户使用。另一种就 是码分复用，在码资源有限的情况下，同一时刻，多个用户可以同时传输数据。 在h s d s c h 和h s s c c h 中无宏分集传输，但接入h s d p a 的用户设备始终具 有一个关联的d c h 连接，并且有可能使用宏分集传输。 每个信元的h s d s c h 和h s s c c h 的最大发射功率由r n c 通过控制层确定。 3 g p pr 9 9 规范并未使用每个信元的所有可用发射功率，而h s d s c h 和h s s c c h 可以全部使用这些发射功率。 h s d s c h 、h s s c c h 和h s d p c c h 均使用长度为2 m s 的传输时间间隔。这个 8 第2 章h s d p a 系统简介 1 暮” 轴扎 ack xack 成ll 数据包和鬟 越 国 9 第2 章h s d p ：a 系统简介 2 3h s d p a 关键技术 2 3 1 自适应调制编码 r 9 9 版w c d m a 采用外环功率控制技术( o u tl o o pt r a n s m i tp o w e rc o n t r 0 1 ) 来克服信道的平均路径损耗和慢衰落的变化，同时采用快速圳彗捌爨撒鍪! 邂蓦箩l 蠡冀驱翼。嚣毒霪霉羞羹兰囊霎毫耆冀善耆i 蛹褊摧建绣雾窭塾鬻嚣? 釜型昏瞽署果淼礤签笳新覆 崔辖蚕w 薮甬； 换和路由功能。 图2 1u m t s 系统架构 无线接入网( u t r a n )，u t r a n 包含无线网络控制器( r n c ) 和基站n o d eb ，r n c 用于对无线资源进行管理，n o d eb 用于发送和接受信号。一个u t r a n 通过核心 网连接到外部有线网络或其它的u t r a n 。图2 2 是u t r a n 的内部结构图。 图2 2u t r a n 系统架构 用户设备：u m t s 系统中由用户使用的部分，通过空中接口与n o d eb 相连。 图2 3 展示了r n c 和u e 间的简化的协议结构。图中也标出了三种类型的信 道。逻辑信道表示承载的 x 第2 章h s d p a 系统简介 “波谷”时传输数据的概率，增加在快衰落的“波峰”传输数据的 概率，不仅不受快衰落的影响，还可以得到一定的快衰落波峰增益。 自适应调制与编码( a m c ) 也属于链路自适应的范畴。a m c 的基本原理就是 改变调制和编码的格式并使它在系统限制范围内和信道条件相适应，而信道条 件则可以通过发送反馈来估计。在a m c 系统中，一般用户在理想信道条件下用 较高阶的调制方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则用较低阶 的调制编码方式。 采用a m c 的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率， 由此蜂窝平均吞吐量得到提高；在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案 而不是调整发射功率的方法可以降低干扰水平。 目前实现a m c 面临几项挑战。首先，a m c 对测量误差和延迟比较敏感，为了 选择适合的调制方式，必须首先知道信道的质量，对信道估测的错误可能会使 系统选择错误的数据传输数据率，使传输功率过高，浪费系统容量或者因功率 太低而出现误码率升高；其次，由于移动信道的时变特性，信道测量报告的延 迟降低了信道质量估计的可靠性；另外，干扰的变化也增加测量的误差，此时 可以寻求与其它技术的结合，比如利用混合判决反馈重传技术( h a r q ) 可以 降低m c s 的要求识别和对测量误差与流量波动的敏感性。 2 1 3 2 集中调度技术 移动通信的信道状况的变化有慢衰落与快衰落两类，慢衰落主要受终端与 基站间距离影响，而快衰落则主要受多径效应影响。数据速率相对于信道的这 两种变化也存在短时抖动与长时抖动两种变化。数据业务对于短时抖动相对可 以容忍，但对于长时抖动要求则较严。 调度主要基于信道条件，同时考虑等待传输的数据量以及业务的优先等级 情况，并充分发挥a m c 和h a r q 的能力。调度算法应向瞬间具有最优信道条件的 用户传输数据，这样在每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的小区 吞吐量、但同时还要兼顾每个用户的等级和公平性。 集中调度技术是决定h s d p a 性能的关键因素。h s d p a 追求的是系统级的最优， 如最大扇区吞吐量，集中调度机制使得系统可以根据所有用户的情况决定哪个 用户可以使用信道以及以何种速率使用信道集中调度技术使信道总是为与信道 状况相匹配的用户所使用，从而最大限度地提高了信道的利用率。既要使得最 能充分利用信道的用户使用信道以提高系统吞吐率，也要使得信道条件相对不 第2 章h s d p a 系统简介 好的用户在一定时间内能够使用信道，保证业务的连续性。常用的调度算法包 括比例公平算法、乒乓算法、最大c i r 算法。乒乓算法不考虑信道变化情况： 比例公平算法既利用短时抖动特性也保证一定程度的长时公平性；最大c i r 算 法使得信道条件较好的少数用户可以得到较高的吞吐率，多数用户则有可能得 不到系统服务。 对链路自适应技术，传输模式选择的关键是快速调度算法，准确高效的算 法是该技术成功运用的关键，也是系统设计的核心要素，它控制着用户共享资 源的分配，在很大程度上决定了整个系统的性能优劣。h s d p a 技术为了能更好地 适应信道快速变化的特点，在短期内以信道条件为主，而在长期内应兼顾到对 所有用户的吞吐量。因此将调度功能单元放在n o d eb 中，同时也将传输时间间 隔缩短到2 m s 。 n o d eb 中对快速分组调度参数的选择是在n o d eb 新增功能实体m a c h s 中 完成的，该功能实体位于m a c 层m a c 咱s 功能实体包含h a r q 和h s d p a 的调度功 能以及对h s d s c h 的控制功能。这样降低了处理延迟，提高了处理效率。 h s d p a 对系统性能的影响包括业务与系统吞吐率两个层面。快速链路层调 整技术最大限度地利用了信道条件，并使得基站以接近最大功率发射信号；集 中调度技术使得系统获得系统级的多用户分集好处；高阶调制技术则提高了频 谱利用率以及数据速率。这些技术的综合使用使得系统的吞吐率获得显著提高。 2 3 3 混合自动重传 h a r q 1 6 也是一种链路自适应的技术。在a m c 中，采用显式的c i 测量 来设定调制编码的格式，而在h a r q 中，链路层的信息用于进行重传判决。 混合重传( h a r q ) 是一种在通信中常用的纠错技术，其结合了前向纠错( f e c ) 和自动请求重传( a r q ) 两种技术，基本原理是：发射端先对数据帧进行编码然后 将数据帧经信道到发送到接收端：接收端先对接收到的数据帧进行解码和纠错， 如果可以正确接收，反馈a c k 信令给发射端，如果无法正确接收，则反馈n a c k 信令给发射端：发射端收到a c k 信令发送下一个数据帧，收到n a c k 信令则重发 数据帧 r 9 9 版w c d m a 标准在u e 和r n c 之间r l c 层采用了h a r q 技术，用于减小r l c 包的错误率h s d p a 系统在保留了w c d m a 标准中u e 与r n c 之间r l c 层的h a r q 技 术之外，在u e 与n o d e b 的m a c 层之间增加了一个h a r q 技术( 本文中其它地方提 第2 章h s d p ：a 系统简介 到的h a r q 技术均指h s d p a 新增加的m a c 层之间的h a r q 技术) 。由于新增的h a r q 技术在姒c 层之间进行，重传之间的时间间隔短，不仅可以降低传输的残余误 帧率，还起到了链路自适应的作用，其带来了以下两个优点： 1 a m c 技术仅能对传输速率随信道环境变化进行粗调，h a r q 技术重传之间 的间隔短，起到了随信道环境变化对传输速率进行微调的作用，提高了 对传输速率随信道环境变化而调节的准确度，提高了链路的性能 2 h a r q 技术接收端解码时对几次重传的数据包按一定的方式进行加权合 并，利用了每一次重传的信息，得到时间分集的增益，进一步提高了链 路的性能 混合a r q ( h a r q ) 也可看成是在a r q 系统中引入个f e c 子系统，用f e c 来 纠正经常出现的错误图样，以减少重发的次数，从而既提高系统可靠性又提高 了系统的传输效率。基于不同的检错和纠错编码技术，3 g p p 将h a r q 分为三类： 混合i 型a r q 、混合i i 型a r q 和混合i i i 型a r q 。 有很多方法可以实现h a r q ：c h a s e 合并、兼容速率凿孔t u r b oc o d e s 和 增量冗余。c h a s e 合并的策略是发送有相同编码的数据组，然后在接收端可以将 这些多个重发信息进行s n r 加权合并来获得分集接收再进行译码。增量冗余或 h a r q i i 是实现h a r q 的另一种方式。这种策略是在第一次译码失败时另外再 传送附加冗余信息而不是再将整个数据码组重发一次。h a r q i i i 也是增量冗余 方案中的一种，然而在h a r q i i i 中，每次的重传是可以自解码的，这一点与h a r q 一工工不同。在多冗余的h a r q i i i 中，每次重发冗余信息时要对不同的比特进行 打孔。 ( 1 ) 混合i 型a r q 混合i 型a r q 是为了区别后来出现的改进的h a r q 而命名的，它实际上就是 单纯的将f e c 和a r q 结合。当接收端发现接收到的数据帧检验有错时，首先试 图进行纠错。当错误数目在纠错范围内时，错误将被纠正，并将解码信息直接 传送给用户或将其保存在缓存器中等待用户需要：当错误模式无法识别即错误 无法被纠正时，则丢弃这帧数据，同时要求发端重传一个相同的数据帧。当重 发帧收到有误时，仍是开始试图纠错。无法纠错时将重发帧丢弃，再要求重发。 如此周而复始，直到发送码组被成功接收。与基本a r q 相比，在较高误码率信 道中，混合i 型a r q 具有较好的性能，原因在于其纠错能力大大减少了重发次 数。但在低误码率信道中，其优势并不明显，同时由于加入了更多的校验码元 1 4 第2 章h s d p a 系统简介 以使码组同时具有检错与纠错能力，增加了传输的冗余度。 一般来说，混合i 型a r q 比较适用于噪声基本恒定不变和干扰可预计的信 道中。在这类信道条件下，足够的错码纠正能够大大降低重发次数，从而较好 地提高了系统性能。然而，对于一个误码率不断变化的时变信道，混合i 型a r q 同样存在缺点对于误码率较低的信道( 例如好天气下的卫星信道) ，传输非常稳 定，几乎不需要或需要很少纠错，因此大量的纠错码元就成了大大的浪费。而 当信道噪声非常大时，纠错能力就会觉得不够，常常需要重发，从而降低系统 的传输效率。在混合i 型a r q 中，由于不用保留传错的数据帧，所以无论收端、 发端均不需要很多的存储器，这样实现起来相对比较简单。混合i 型a r q 可以 与不同的编码方式相结合使用，例如：分组码、卷积码，t u r b o 码和级联码。 ( 2 ) 混合i i 型a r q 混合i i 型a r q 的设计初衷是为了克服混合i 型a r q 的缺点，系统不以恒定 的码速率传输，而是根据信道当自仃的具体情况自适应调整码速率。从而让它在 信道好时多传点信息，信道差时少传点信息。这点从信道容量的角度很容易理 解。 混合i i 型a r q 重发请求的产生与混合i 型相同：但错帧不被丢弃而是存储 在接收端，并与重发帧合并起来形成一个更可靠的数据帧，合并的方法有码字 合并和分集合并：重发帧和已发数据帧的内容一般不同。在混合i i 型a r q 系统 中，由于已发数据帧与重发帧的结合，获得了一个纠错能力更强大的数据帧， 这样即提高译码准确性，又可获得高吞吐量和低时延。 ( 3 ) 混合i i i 型a r q 递增冗余混合a r q 系统的一个主要缺点是，重传的递增的冗余码字自己是 不能单独进行译码的，必须和以前传送的码字一起译码，方有可能正确译码。 因此，若是在信道条件很差的情况下，第一次发送过来的数据帧丢失了或是严 重损坏了，后面重传过来的冗余码字即便没错也不能正确译码了。自然这种情 况会给系统的性能带来负面的影响。为此，人们提出了基于c p c 码( 互补的打孔 卷积码) 的混合i 型a r q 。所谓c p c 码是指：同一个编码速率有不同种删除格式， 令c ，= 1 ，2 ，p ，表示这些具有相同作用的相同编码速率6 v ，的不同码 字，它们统统是由1 v 。编码速率的码字打孔得到的。再令表示对应每个码字 c ，的打孔矩阵，则定义矩阵 第2 章h s d p a 系统简介 但是，必须评估需要多大的功率偏置及其对整个系统的性能影响。 2 3 5m i m o 技术 多入多出( m i m 0 ) 1 7 系统是在发送和接收端同时使用多天线，这样相对 于只在发送端使用多个天线有更多好处。在m i m 0 系统中，通过码复用技术可以 使峰值吞吐量得到提高。 采用码复用技术后，为h s d s c h 分配的信道扰码对用来调制m 个独立的 数据流( m 为发送的天线数) 。复用了相同信道化码、扰码的数据必须用空间参 数加以区分，这要求在接收端使用至少m 个天线。在理论上，使用码复用的峰 值传输速率是单天线传送的m 倍。通过码复用可以结合码复用技术和一个较低 阶的星座调制如1 6 q a m 来达到一个适中的数据传输速率，而若不采用码复用技 术，达到相同的数据速率可能需要采用6 4 q a m 调制。相对于使用单天线传送加 上较高阶的星座调制达到的相同速率，码复用技术可以降低对毛0 的要求， 从而提高整个系统的性能。 在关注h s d p a 中使用的m i m 0 技术时，重点集中在具有代表性的开环方式 m i m 0 。在常规单天线发送的h s d p a 中，一组下行信道( n 个) 在多个用户间共享。 使用m 个发射天线的开环m i m o ，也使用同样数量的下行信道码，但是每个码字 被复用了m 次，并且每个码字用来调制不同的数据子串。特别的数据以更高的 编码速率进行编码、速率匹配和交织。 对于u e 的联合检测，在每个收发天线对之间都要进行复信道估计。在平坦 衰落信道下，信道的特性可以由m p 个复信道因子来确定。在频率选择性衰落信 道下，信道特性可以由l p m 个复信道因子刻画，其中l 是r a k e 接收机的f i n g e r 数。信道估计可以通过接收信号和m 个正交导频序列相关运算获得。对比常规 的单天线接收机，信道估计复杂度提高了m p 倍。对数据检测，每个天线后面都 要接针对n 个扩频码的匹配滤波器。一般来说，每个天线需要l p 个解扩器。对 于m n 个数据子流的每个子流，对应l p 个解扩器输出，每个输出用对应信道估 计的复共轭进行加权，然后加在一起构成充分统计量。这个过程称为空时r a k e 接收，是单天线r a k e 接收在多天线处理情况下的扩展。 共享同一个码字的m 个数据子串的充分统计量( 向量) 中的每个量( 标量) 包含了空间多址干扰，然而在平坦衰落信道下，因为在信道传送过程中码字的 正交性得到了保持，作为一组( g r o u p ) 的这些子串并不受到其它码字所产生子 1 7 第2 章h s d p a 系统简介 串的干扰。对m 个编码子串中的每一组，采用多用户检测来消除m a i 的影响。 可采用的多用户检测方法包括最大似然检测和v e r t i c a lb l a s t 检测。最大似然 检测方法可以通过充分统计向量的噪声方差直接推导出来，但是最大似然检测 的复杂度是随m 呈指数增长的，因此，次最优但复杂度较低的v b l a s t 是较可 行的方法。v b l a s t 检测器包括两部分：一个线性变换和一个串行干扰抵消器， 线性变换通过迫零算法或最小均方误差准则消除m a i ，经过线性变换后，子流中 的具有最高信噪比编码符号被检测出来，并抽取出充分统计量中的对应信号。 使用修正过的充分统计量，线性变换和干扰抵消重复进行，直到所有的子串都 被检测出来。经过m i m 0 检测器后，m n 个子串恢复成高速数据流，解映射到比特， 然后解交织、译码。 1 8 第3 章n s 2 网络仿真平台及其e u r a n e 扩展 第3 章n s 2 网络仿平台及其e u r a n e 扩展 3 1 引言 由于i n t e m e t 的复杂性和高度动态性，因此进行网络仿真是一项非常复杂的 工作 1 。而且随着i n t e m e t 的不断发展，也不断地提出新问题，而对于新问题 的解决方案，如提出的新协议、新算法等，除了在理论上的分析和证明之外， 大多还需要进行实验验证，然后才能考虑在实际网络中的应用。n s 2 ( n e t w o r k s i m u l a t o r ，v e r s i o n2 ) 1 8 】就是一个非常优秀的i p 网络仿真软件。n s 2 是由美 国加州大学的l n b l 网络研究组于1 9 8 9 年开发的一个开放源代码网络仿真软 件，并一直处于不断的完善之中，其开放性和灵活的可扩展性受到了广大网络 研究者的好评。 与n s 2 类似的软件有o p n e t ，这是一个商用的网络模拟软件，它能够针对 各款交换机和路由器来搭建网络，运行于、m n d o w s 平台上：与之相比，n s 2 是 个免费的软件，它可以在w i n d o w s 刖咐i x 上运行，且所有源代码公开，对于 进行网络的研究和扩展非常方便，所以在学术界更多的是采用n s 2 来做模拟。 3 2n s 2 的基本结构 n s 2 是一个面向对象i p 网络仿真软件，其核心模块使用c + + 和o t c l ( o b j e c t t c l ) 开发的。从n s 2 的官方网站 18 可以下载n s 2 软件包，然后就可以在不同 的平台上安装。安装的过程主要就是对软件包中的源代码在不同的系统平台上 进行编译和连接，形成可执行程序。 3 2 1 基本组成和特点 完全的n s 2 ( n s 2 的a l l i n o n e 包) 包含1 1 个模块。其中t c l 模块和t k 模 块是安装在u n i x l i n u x 环境下的两个包，它们一起构成了一套开发系统应用程 序和图形用户界面接口( g u i ) 应用程序环境：o t c l 是o b j e c tt c l 的简称，是 t c l 语言的面向对象的扩展；t c l c l 模块包含t c l c + + 的接口；n s 是n s 2 的核心 代码模块；n a m 即n e t w o r k a n i m a t o r ，它与n s 协同工作，将n s 仿真过程动 态表现出来；x g r a p h 是x w i n d o w 应用程序，主要用于仿真结果的图形绘制： 1 9 第3 章n s 2 网络仿真平台及其e u u n e 扩展 图3 3n s 2 模拟过程 3 3e u r a n e 实现u m t s 的扩展 n s 2 的标准版本不支持u m t s 或h s d p a 的m a c 层协议。但n s 2 易于扩 展，爱立信公司的研究机构开发了支持u m t s h s d p a 功能的扩展模块 e u n e ( e m l a n c e du m t sr a d i oa c c e s sn e t w o r ke x t e n s i o n s ) 。e u r a n e 扩展模 块增加了三种基本节点：无线网络控制器( r n c ) ，基站( b s ) 和用户设备( u e ) ，并 支持f a c h ，r a c h ，d c h 和h s d s c h 传输信道。扩展后的n s 2 可以仿真h s d p a 系统下无线分组调度算法。 3 3 1 。节点和系统配置 仿真之前必须要正确地配置新的u m t s 节点。这包括节点配置的顺序和参 数设置。依次应该是：r n c ，b s ，i u b ，u e 。 i 斟c 应该最先配置，也是最容易配置的。只需如下配置： $ n sn o d e c o n f i g u m t s n o d e t y p em c s e tm c $ n sc r e a t e u m t s n o d e 】 接下来基站应该被配置，包括与带宽和f a c h ( 下行链路) 、r a c h ( 上行 链路) 的t t i 相关的参数。 $ n sn o d e _ c o n 堍一u m t s n o d e t y p eb s d o 、v 1 1 l i n k b w3 2 k b s - d o 、v n l i n kt t i10 m s - u p l i n l ( b w3 2 k b s - u p l i i l l ( t t i10 m s s e tb s $ n sc r e a t e u m t s n o d e 】 r n c 和b s 一经创建和配置好，它们之间的接口( i u b ) 就可以用s e t u p i u b 命令和以下参数配置好： $ n ss e t u p i u b $ b s $ m c 这儿， 和 分别定义了上行链路和下行链路的带宽 6 2 2 m b i t 】； 第3 章n s 2 网络仿真平台及其e u i 认n e 扩展 值为4 装载正比公平调度算法，值为5 装载依赖负载的正比公平调度算法。a 1 p h a 是平均速率更新公式中的l f ，见公式( 4 2 ) 。 3 3 3 预处理和输入轨迹文件 在e l 姻n e 端到端i p 仿真平台的预处理阶段包括两个部分： 产生一个s n r 轨迹 产生相应的b l e 刚s n r 曲线 s n r 轨迹预先在m a t l a b 中产生并保存在一个文本文件，并以4 列和总t t i 数行的矩阵保存。行数与仿真时间有关，并足够多，以保证仿真可以完成。每 一个用户都对应一个输入轨迹文件，记录了该用户在离开基站某个距离下，特 定的运动速度下，基于某个信道模型所得到的接收机相应的接受功率。 b l e 刚s n r 曲线是统计意义上的。一个数据块能否正确接收依赖于s n r ， 块的c q i 和接收机的实现。每一个c q i 与s n r 和b l e r 都有一个特定的关系。 在系统级仿真中u e 向n o d eb 指示c q i 。c q i 表示在b l e r 小于0 1 的结果下 最大的t b s ( t r a n s m i s s i o nb l o c ks i z e ) 。没有闭式解可以把c q i 表示成b l e r 和 s n r 的函数。在仿真中为简化起见，c q i 和b l e r 小于o 1 的s n r 的关系参照 3 g p p 标准【l 】通过一个线性函数来近似： fo册 ：一1 6 c 凹：i 坠+ 1 6 6 2 _ 1 6 洲 1 4 一 i1 0 2 l3 01 4 羽棚羽似g ) o ，因而 加确) ) = 嘲p 等 1 ，籼衙嘲撇撇 4 2 第5 章一种h s d p a 系统中依赖负载的正比公平调度算法 5 3 算法的仿真 现采用加州伯克利大学开发的优秀的开源网络仿真软件n s 2 仿真h s d p a 系 统下无线分组调度算法，并评估l d p f 调度算法的性能。n s 2 的标准版本不支持 u m t s 或h s d p a 的m a c 层。但n s 2 易于扩展，爱立信公司的研究机构开发了支 持u m t s h s d p a 功能的扩展模块e u 蝌e ( e n h a n c e du m t sr a d i oa c c e s s n e t w o r ke x t e n s i o n s ) 。e u r a n e 扩展模块增加了三种基本节点：无线网络控制器 ( r n c ) ，基站( b s ) 和用户设备( u e ) ，并支持f a c h ，r a c h ，d c h 和h s d s c h 传 输信道。较为详尽的关于该仿真平台的介绍见第三章和参考文献【2 6 。 5 3 1 仿真场景和系统参数 仿真实验中使用单小区的网络拓扑和f t p 下载业务，如图5 1 所示，系统 参数参见表格5 1 。在实现l d p f 算法时，加wm a x = 2 0 视作系统最大负载 三d 耐一，系统当前接入的用户数视为系统负载z d 谢。取= l 3 ，惩罚因子p = l 。 、u 导 ， 图5 1 仿真使用的网络拓扑 4 5 氤甑 s t a t i cv e c t o r t e m p - f i d - v e c t o r - ； s t a t i cv e c t o r t e m n j 凡a l u e v e c t o r _ ； t e m p q i v e c t o r - c l e a r ( ) ； t e m p f i d - v e c t o l c l e a “) ； t e m p - j 凡a l u e _ _ v e c t o r _ c l e a r ( ) ； c h e c kf o ra c t i v a e dj f l o w s f o r ( i n ti = o ；i c q i ) ； t e n l p - f i d 。v e c t o l p u s h 。b a c k ( i ) ； ) i n tt e m p f i d 。v a l ； f l o a tt e m n j a l u e - v a l ； p - i n d e x 21 一t e m n 矗d - v e c t o r _ s i z e o 宰1 o n o w _ m a x _ ； t e m p a v e r2p o w ( s p e e d a v e r ，p i n d e x ) ； c a l c u l a t ep r i o r i t yv a l u ef o re a c ha c t i v ef l o w f o r ( u n s i g n e di n ti = o ；i t e m p f i d _ v e c t o r - s i z e ( ) ；i + + ) t r l l p5 t e m p c q i v e c t o r _ a t ( i ) 水t e m p a v e r p o w ( s p e e d - 矗l t e r e d _ a t ( t e m p _ f i d v e c t o l 。a t ( i ) ) ，l + p j n d e x ) ； t e m p p f v a l u e v e c t o l p u s h a c k ( t m p ) ； ) s o r tb ym a x i m u m p r i o r i t yv a l u e f o r ( u n s i g n e di n ti = l ；i = o & & t e m a l u e v e c t o l a t ( j ) t e m 山a l u e - v a l ) 4 7 第5 章一种h s d p a 系统中依赖负载的正比公平调度算法 内，小于a p f 算法的1 0 的系统吞吐量损失。 两类用户都维持了较高的传输速率，所以在系统低负载的情况下损失一点 吞吐量并无大碍。仿真结果证明l d p f 算法实现了预先的设计目的：通过在低负 载时牺牲一点系统吞吐量换取用户间的公平性。 图5 3 系统吞吐量的损失 5 0 _受二一盂置5量一墨珥 第5 章一种h s d p i a 系统中依赖负载的正比公平调度算法 核心期刊数学的实践与认识【2 8 】，2 0 0 5 年) 。综上所述，现可定义两用户公 平性比较标准： 盟：! ! 业! ! ( 5 6 ) 一= i nj y ，( r )口l n ( ，+ 1 ) 式( 5 6 ) 的值越接近1 ，则越公平。当= 。时，形( ，) = 1 。依据上式 得到一类用户和二类用户公平性比较，见图5 5 。 图5 5hsdpa 系统中各调度算法的用户公平性指数 5 4 结论 在第四章研究和仿真h s d p a 系统中经典分组调度算法( r r ，m a xc i 和p f ) 的系统吞吐量和用户公平性等性能的基础上，可以看到，在实际应用场景中， 存在一类用户和二类用户的不公平现象。提出了依赖负载的正比公平( l d p f ) 调度算法，包含修正函数a 和修正函数b ，弥补了正比公平调度算法公平性缺 失。随后用n s 2 + e u r a n e 平台分别验证了h s d p a 系统中l d p f a 和l d p f - b 算法在系统吞吐量和用户公平性方面的性能表现。 基于本文提出的基于效用函数的公平性标准，讨论了l d p f 算法系统负载， 用户公平性等，并与经典调度算法进行了对比。理论分析和仿真结 x 第5 章一种h s d p a 系统中依赖负载的正比公平调度算法 l d p f 算法利用了系统的跨层信息：系统负载。利用系统负载自适应地对用 户进行调度，该算法旨在通过低负载时牺牲系统吞吐量换取用户间公平性