lte下行系统资源分配研究

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北京邮电大学学位论文第一章绪论推出了全球移动通信系统(GSM，GlobalSystemforMobile)随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。20世纪90年代初，美国高通公司推出了窄带码分多址(CDMA，Code．DivisionMultipleAccess)蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统发展中的里程碑。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占据了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统就是第二代移动通信系统。第二代(2G)从技术特色上看，是以数字化为基础，全面考虑信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。主要实现措施有：采用TDMA(GSM)、CDMA(IS．95)方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率(相位)规划实现载频(相位)再用方式，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。目前世界范围内GSM系统应用非常广泛，约占据全球移动通信市场份额的58％，可以提供2．4kbit／s．9．6kbit／s以及14．4kbit／s的电路交换语音业务，还可以通过通用无线分组业务(GPRS，GeneralPacketRadioService)和增强型数据速率GSM演进技术(EDGE，EnhancedDataRateforGSMEvolution)分别提供144kbiffs和384kbit／s的分组交换数据业务。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信系统已经很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在发展第三代移动通信系统。国际电信联盟(IT忉在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TD．SCDMA三大主流无线接口标准。第三代(3G)从技术上看，是在2G系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性，即在3G系统中，用户业务既可以是单一的语音、数据、图像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随机的，这个第三重动态性的引入使系统大大复杂化。所以第三代是在二代数字化基础上的、以业务多媒体为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户二重动态特性匹配特性，并适当考虑到业务的动态性能，尽力采用相应措施予以实现的技术。但是由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为3G系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多的投向超3G(beyond3G)的移动通信系统，该系 北京邮电人学学位论文第一章绪论统可以容纳庞大的用户数、改善现有通信质量，达到高速数据传输的要求。从技术层面来看，3G系统主要是以CDMA为核心技术，而在3G以后的移动通信系统中OFDM技术最受瞩目，有不少专家学者正针对OFDM技术在＼弓线通信技、If术上的应用从事研究。第三代合作伙伴计划(3GPP，3rdGenerationPartnershipProject)在2004年底发展了长期演进(LTE，LongTermEvolution)计划。2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPPRAN工作组负责开展LTE研究，3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行正交频分多址接入(OFDMA，OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)；上行单载波频分多址接入(SC-FDMA,SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess)。1．2LTE系统研究背景LTE作为近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，它的出现有其特定的历史背景。首先，由于CDMA通信系统形成的特定历史背景，3G所涉及的核心专利被少数公司持有，专利授权费用已成为厂家的沉重负担。可以说，3G厂商和运营商在专利问题上处处受到限制，业界迫切需要改变这种不利的局面。面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本高带宽无线技术的快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业运营模式。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1Mbps的无线接入速度，小于20ms的系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构是势在必行。与WiFi和WiMAX等无线接入方案相比，wCDMA／HSDPA空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和QoS方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3GPP标准组织原先的时间表，4G最早要在2015年才能正式商用，在这期间传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和IPR的因素共同推动了3GPP组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。2004年11月，3GPP加拿大多伦多“UTRAN演进”会议收集了无线接入网R6版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“UTRA和UTRAN演进"研究项 北京邮电大学学位论文第一章绪论目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3GPP组织运营商和设备商成员共同研究3G技术演进版本的强烈愿望。基本思想是采用过去为B3G或4G发展的技术来发展LTE，使用3G频段占有宽带无线接入市场。2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPPRAN工作组负责开展LTE研究，将于2006年6月完成，2007年6月推出。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM；上行SC．FDMA。LTE讨论中的一个焦点是是否采用宏分集技术。这个问题看似是物理层技术的取舍，实则影响到网络架构的选择，对LTE／SAE系统的发展方向有深远的影响。宏分集的基础是软切换，这种CDMA系统的典型技术在FDMA系统中却引出了“弊大还是利大”的争论。3GPP在2005年12月进行了“示意性”的投票，最后决定LTE至少在目前不考虑宏分集技术。LTE在数据传输延迟方面的要求很高(端到端延迟小于5ms)，这一指标要求LTE系统必须采用很小的交织长度(TTI)，因此大多数公司建议采用0．5ms的子帧长度。但是一些研发TDD技术的3GPP成员注意到这种子帧长度和UMTS中现有的两种TDD技术的时隙长度不匹配。例如TD．SCDMA的时隙长度为0．675ms，如果LTETDD系统的子帧长度为0．5ms，则新、老系统的时隙无法对齐，使得TD．SCDMA系统和LTETDD系统难以“临频同址"共存。在中国公司的坚持下，3GPP在这个问题上达成一致：基本的子帧长度为0．5ms，但在考虑和TD．SCDMA系统兼容时可以采用0．675的子帧长度。至今为止，OFDM／SC．FDMA的基本设计参数初步确定。OFDM和SC．FDMA(以DFT-S．OFDM为例)的子载波宽度为15kHz，OFDM循环前缀(CP)的长度有长短两种选择，短CP为基本选项，长CP可用于大范围小区或多小区广播。DFT-S．OFDM的一个子帧由长短两种数据块组成，长块主要用于传送数据，短块主要用于传送导频信号。下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式，上行主要采用位移BPSK(用于进一步降低DFT-S．OFDM的PAPR)、QPSK、8PSK和16QAM，另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波。上下行的最小资源块大小为25个子载波，即375kHz。系统可以采用集中式(10calized)或分散式(distributed)方式将数据映射到资源块上。在信道编码方面，LTE主要考虑Turbo码，但也正在考虑其它编码方式，如LDPC码。在MIMO方面，LTE的基本MIMO模型是下行2x2、上行lx2个天线，但同时也正在考虑更多的天线配置(最多4x4)。正在被考虑的MIMO技术包括空间复用(SM)、空分多址(SDMA)、预编码(Pre-coding)、秩自适应(Rank．adaptation)、以及开环发射分集(STI'D，主要用于控制信令的传输)等。一4一 北京邮电大学学位论文第一章绪论上行将采用一种特殊的SDMA技术，即己被WiMAX采用的虚拟(Virtual)MMO技术。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据率和系统容量等。UTRA和UTRAN演进的目标，是建立一个能获得高传输速率、低等待时间、基于包优化的可演进的无线接入架构。3GPPLTE正在制定的无线接口和无线接入网架构演进技术主要包括如下内型I】：1．明显增加峰值数据速率。如在20MHz带宽上达到100Mbit／s的下行传输速率(5bit／s／Hz)、50Mbit／s的上行传输速率(2．5bit／s／Hz)。2．在保持目前基站(BaseStation，BS)位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS在小区边界可提供lbit／s／Hz的数据速率。3．明显提高频谱效率。如2~4倍的R6频谱效率。4．无线接入网延迟时间低于10ms。’5．明显降低控制面等待时间，低于100ms。6．带宽等级为：a)5、10、20MHz和可能取的15MHz；b)1．25、1．6和2．5MHz，以适应窄带频谱的分配。7．支持与已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。8．支持进一步增强的MBMS。上述演进目标涉及到系统的能力和系统的性能，是LTE研究中最重要的部分，也是E-UTRA和E．UTRAN保持最强竞争力的根本。在LTE中，还规范了一些其它要求，如与配置相关的要求、E．UTRAN架构和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求。与其它无线接入方式相比，高频谱效率、广域覆盖和支持用户高速移动是E．UTRAN系统的主要特点。在E—UTRAN中，当移动速率为15—120km／h时，能获得最高的数据传输性能。E．UTRAN支持在蜂窝之间120---350km／h甚至高达500km／h的移动速率。1．3论文主要内容和结构本论文共六章。第一章是绪论部分，主要介绍了移动通信的发展史和LTE系统研究背景。第二章着重阐述的是OFDMA系统的技术特点，本章从OFDM技术的基本原理、系统组成入手，进而介绍OFDMA接入方式，以及OFDMA系统的基本传输方案和物理层关键技术，从理论角度对OFDMA系统进行了全面的剖析。第三章研究了关于无线系统的资源分配问题，包括无线资源的概念、跨层无一5一 北京邮电大学学位论文第一章绪论线资源管理的思想，以及OFDMA系统中的一些具体的资源分配问题，如公平性、服务质量(QoS)。论文的第四章介绍了通信系统仿真，包括链路级仿真和系统级仿真，并引入了BLER等效算法，以减小系统仿真的复杂度。作者通过仿真，验证了算法的准确性，为下章的仿真做好铺垫。第五章是本论文的重点，作者通过建立系统模型及仿真实现，比较了采用不同参数对系统性能和资源调度的影响，如采用不同的调度算法、HARQ次数的不同。在此基础上，由于越来越多的业务有着更加严格的QoS要求，如传输时延，本文还研究了与用户QoS相结合的下行链路调度策略，并仿真、分析了算法的优劣性。第六章是本文的结束语部分，主要对全文进行了总结，并展望了未来的研究工作。以上是本文的主要内容和大致结构安排。一6一 北京邮电人学学位论文第二章OFDklA系统技术特点第二章OFDMA系统技术特点2．1OFDM技术概述OFDM的提出已有近40年的历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路，但这种多载波传输技术在双向无线数据通信方面的应用却是近10年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音频和视频领域已经得到广泛的应用。近年来，由于数字信号处理(DSP,DigitalSignalProcessing)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术己经成功地应用于非对称数字用户环路(ADSL,AsymmetricDigitalSubscriberLine)、无线本地环路(WLL，WirelessLocalLoop)、数字音频广播(DAB，DigitalAudioBroadcasting)、高清晰度电视(HDTV,High·definitionTelevision)、无线局域网(WLAN，WirelessLocalNetwork)等系统中；它可以有效地消除信号多径传播所造成的ISI干扰，因此在移动通信中的运用也是大势所趋。自1999年12月策划一个基于OFDM技术的全球性统一标准到现在，OFDM论坛的成员已增加到46个会员，其中15个为主要会员。我国的信息产业部也参加了OFDM论坛，可见OFDM在无线通信的应用己经引起国内通信界的重视。2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE802．16．3无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE802．16．3城域网的物理层标准。OFDM由于其频率利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换／反变换、高阶调制技术、格状编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护间隔、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，OFDM技术将是未来移动通信的主流技术。此外，OFDM还易于结合空时编码、分集、干扰抑制等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，其性能可以进一步得到提高。 北京邮电大学学位论文第二章0FDMA系统技术特点2．1．10FDM系统基本原理一个OFDM符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以进行不同的调制【21。假设Ⅳ表示子载波的个数，r表示OFDM符号的持续时间，反(七=o⋯N-1)表示第七个子载波上传输的数据，五表示第0个子载波的载波频率，矩形脉冲成型函数为reet(t)=l(ItI<纠2)，则从t=‘开始传输的OFDM符号可以表示为：Jo)=e{艺矾坨c一‘一吾)e2re(．／Rt(txp[j2rc(f01=0+参)o一‘)】)，‘≤，≤‘+r(2-1)J(f)=e{∑矾坨c一‘一专)e+争)o一‘)】}，‘≤f≤‘+r(2-1)L厶上J其复等效基带信号可以表示为：J(f)：艺巩地cf(f一乞一T)exp[j2万睾。一‘)】，‘sfs‘+T(2．2)k=0一』其中实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的COS分量和sill分量相乘，构成最终的子信道信号和合成OFDM符号。土返卜一串啦并+卫卧串变；一i变●换啦图2-10F嘲基本原理图2-1给出了OFDM基本原理图，其中五=fo+∥r，k=o⋯N-1，且子载波频率的设定保证了子载波之问的正交性，即：；r∥·一以={：)：二：：协3，正是由于这种正交性，调制器能很方便地从接收信号中解调出传输的数据，然后在时间长度T内进行积分，得到：一8一 北京邮电大学学位论文第二章OFDgA系统技术特点由上式可见，对第f个子载波进行解调可以恢复出期望信号4，而对于其它子载波来说，由于在积分间隔内，频率差(后一f)肛可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。．这种正交性还可以从频域角度来解释。根据式(2．1)，每个OFDM符号在其周期r内包含多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为siIlc(∥)函数，这种函数的零点出现在频率为l／r整数倍的位置上。图2．2给出了OFDM的频谱。在每一个子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零，从而避免了子信道间干扰的出现。各个子载波组合在一起，其总的频谱形状非常近似于矩形频谱，频谱的宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽，因而可以获得较高的频率利用率。图2-20FDIⅥ的频谱对于Ⅳ比较大的系统来说，式(2．2)中的OFDM等效基带信号可以采用离散傅立叶反变换(IDFT，InverseDiscreteFourierTransform)的方法来实现。为了叙述简洁，可令式(2-2)中的‘=0，并忽略矩形函数，对信号s(f)以叫Ⅳ的间隔进行抽样，即令t=nT／N(n=o⋯N-1)，可以得到：可以看到％等效于对矾进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始信一9一扫出知万f砌4P=如把知脚‰)(U．卑．一b一】㈣牟．争妨矛．，．．勘Pr，P一。r∈e+∥t以一Ir州∑脚=●一丁I，J厶一Ⅳ<一Ⅳ<一0学，P以M∑脚=聊吖阼“=％ 北京邮电大学学位论文第二章0FDk帆系统技术特点号畋，可以对s。进行DFT得到：N—Ij2xnk以=∑％·P1可，O<_k0}表示时刻刀互的非空队列集合，由优化目标式(5．12)，我们将OFDM系统中该问题阐述如下：嬲。萎掣k】SubjecttoUDf“’量K，leA。(5-13)(5．14)Df”’n砂’=力，f≠j『Vf，歹∈A”，(5-15)荆≤掣心n@㈣其中式5．14、5．15由OFDM系统的物理特性决定，式5．16表示调度算法不会浪费资源，式5-13中用名代替数学期望值丑，这是因为基站无法得知用户的数据 北京邮电大学学位论文第五章仿真结果及分析到达率，丑只能用估计值代替，在仿真中，用基站对用户i的长期服务速率E协}代替以，即互=巧k】，其中亏k】表示在时刻，lI对用户i的短期服务速率，定义如下：亏b]--Ip访k—l】+屏‘_】5．5．2子载波分配算法(5-17)下面将介绍一种子载波分配算法：最大时延U函数算法(MaxDelayUtility(MDU))。为简化算法复杂度，我们使用文献【24】中得出的结论：对于线性优化问题5．14，集合D妙是全局最优解当且仅当：坚互堑掣q陆，n1≥坚兰皇芋』兰堕c，陆，甩l七∈硝。卜．(5．。8)～^l从上式可知，最优动态子载波分配算法可写为：舷小弼璎科掣以，冯@∽其中而陆，拧】表示在第刀个时隙将子载波七分配给用户而陆，甩】。显然，子载波更容易分配给信道质量较好或队列平均等待时间较长的用户。因此，该算法兼顾了信道质量和队列时延。为了便于比较，我们这里引入比例公平算法，以便观察在有qos要求的情况下MDU算法的优越性。比例公平算法对于资源的分配规则如下：制=鹕嘴搿}@2。，由资源分配规则可知，比例公平未能体现队列时延对分配规则的作用。5．5．3仿真结果及分析仿真系统中各参数设置与前面章节相同，4个用户SNR(dB)分别设为一3．00、--3．25、一3．40、一3．75，表示不同的信道质量，业务模型采用恒定速率包发送模型，即每隔固定时间产生一个数据包。仿真使用的U函数为： 北京邮电大学学位论文第五章仿真结果及分析求导得：u缈)：一一Wr，7≥1．(5．21)7u’缈】=形川(5．22)其中y是可调参数，它代表不同的时延公平程度，仿真中取y=2。这里，本文给出了PF算法和MDU算法的各用户队列平均等待时间仿真图。从图5-6、5-7可以看到，PF算法中各用户的队列时延各不相同，而MDU算法使各用户的队列时延变得基本相同，这对于保证各用户时延QoS起到了显著的作用。Avera∞甜赤捌ratep钉哪(忡)图5-6PF算法下各用户队列平均等待时间Avera驴a制ramPer州(怖)图5-7MDU算法下各用户队列平均等待时间一48— 北京邮IIl大学学位论文第五章仿真结果及分析图5—8和图5-9分别是利用PF算法和MDU算法调度后基站对各用户的数据发送速率，从图中可’以看m，虽然用户信道质量不同，但通过MDU算法调度后，基站对各用户的数据发送速率基本种{同，这也是各用户队歹IJH-j‘延基本相问的主要原冈。Averagearrivalrateperuser(Mbps)图5—8PF算法下各用户数据发送速率图5-9MDU算法下各用户数据发送速率图5．10巾显示了PF与MDU算法下系统的吞吐量差异，从图中可以看出在不同数据到达率下，MDU算法的系统吞吐量总是略低于PF算法的系统吞叶星，这是因为MDU算法的队列时延QoS保证是以牺牲部分系统吞叶量为前提的。一∞QD芝一_Jo忻j奄a粤毋．J口呈可亡o∽粤叮。 北京邮电大学学位论文第五章仿真结果及分析Systemdataarrivalrate(Mbps)图5～0一PF与MDU算法系统吞吐量比较图50一∞QD苫一与QLJ030JS∈mls、∞