摘要 在未來無線通信系統(tǒng)中，中繼技術(shù)是有效提升無線通信系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵技術(shù)之一中繼增 強型蜂窩系統(tǒng)的性能分析及此新型系統(tǒng)下的多用戶調(diào)度算法逐漸成為研究重點。本文首先通過分析 傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中的多用戶調(diào)度技術(shù)，提出了適用于中繼增強型蜂窩系統(tǒng)的新型貪婪調(diào)度算法及比例 公平性調(diào)度算法，同時利用兩跳通信的特點，設(shè)計了一種新型路由選擇和比例公平性聯(lián)合調(diào)度方法 利用自適應(yīng)的路由選擇獲得增益，提升了系統(tǒng)整體性能本文還研究了基于不同業(yè)務(wù)的跨層調(diào)度， 在提升系統(tǒng)性能的同時還滿足了不同用戶的多種業(yè)務(wù)要求。本文最后設(shè)計了新型的中繼協(xié)議，并利 用o p n e t 軟件從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級評測了中繼增強型蜂窩系統(tǒng)的性能。論文主要工作如下： 1 研究了傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)多用戶o f d m 中調(diào)度算法。并且從系統(tǒng)頻譜利用率及用戶公平性等方 面分析算法性能 2 研究了中繼增強型蜂窩小區(qū)中的多用戶o f d m 調(diào)度方法基于固定的路由選擇，提出兩種 貪婪調(diào)度算法，一種貪婪比例公平性調(diào)度算法 3 提出了一種路由選擇和比例公平性聯(lián)合調(diào)度算法。通過將自適應(yīng)的選擇路由和比例公平性調(diào) 度相結(jié)合的策略，同時獲得多用戶分集增益和路由選擇增益，提升了系統(tǒng)性能。 4 研究的傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中的多用戶跨層調(diào)度方法，并通過仿真分析了其性能 5 提出一種適用于中繼增強型蜂窩系統(tǒng)的跨層調(diào)度算法，可實現(xiàn)系統(tǒng)m a c 層和物理層的聯(lián)合 性能優(yōu)化 6 設(shè)計了新型中繼通信協(xié)議，利用o p n e t 軟件搭建了中繼增強型蜂窩系統(tǒng)仿真平臺；并利用 平臺從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級分析了中繼增強型蜂窩系統(tǒng)的性能。 關(guān)鍵詞t 正交頻分復(fù)用、多用戶調(diào)度、中繼增強型蜂窩系統(tǒng)、路由選擇、跨層調(diào)度、貪婪調(diào)度、 比例公平性調(diào)度、多用戶分集增益、性能分析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 a b s t r a c t r e l a y i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ni d e n t i f i e d 弱o n eo fk e yt e c h n o l o g i e sf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e mi nt h ef u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s c u r r e n t l y , t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n so fr e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a r n e t w o r ka n dm u l t i - u s e rs c h e d u l i n gh a v eb e e nh o tr e s e a r c ht o p i c i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h em u l t i u s e r s c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k sf i r s t l ya n dp r o p o s e dt w on o v e lg r e e d ys c h e d u l i n ga n d o n ep r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gu s e di nr e l a y e n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s i i lt h em e a n t i m e u s i n gt h e t w o h o pc o m m u n i c a t i o n ，w ep r o p o s e dan o v e lj o i n tr o u t i n ga n dp r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gw h i c h i m p r o v e dp e r f o r m a n c eo fn e t w o r kb yu s i n gd y n a m i cr o u t i n gs e l e c t i o n i nt h i sp a p e r , w ea l s os m d y c r o s s - l a y e rs c h e d u l i n gb a s e do nm u l t i s e r v i c e s a tl a s t , w ed e s i g nan o v e lr e l a y i n gp r o t o c o la n db u i l du pa p l a t f o r mb a s e do ni tt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fr e l a y - e n h a n c ec e l l u l a rn e t w o r k n cm a i nc o n t r i b u t i o n s o ft i l i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 f o u rk i n d so fm u l t i - u s e rs c h e d u l i n g a l g o r i t h m su s e di nt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r kh a v eb e e n s t u d i e d t h o u g ht h es i m u l a t i o n ，w ea n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m si nt h ea s p e c t so fc e l ls p e c t r a l e f f i c i e n c ya n du s e rf a i r n e s s 2 a n a l y z i n gt h en e wm u l t i - u s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m su s e di nr e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k b a s e do nf i x e dr o u t i n gs e l e c t i o n ，w ep r o p o s e dt w on o v e lg r e e d ys c h e d u l i n ga n do n eg r e e d yp r o p o r t i o n a l f a i rs c h e d u l i n g 3 p r o p o s e dan o v e lj o i n tr o u t i n ga n dp r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g t h o u g hc o n s i d e r i n ga b o u td y n a m i c r o u t i n gs e l e c t i o na n dp r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gj o i n t l y , t h en e t w o r kc a ng e tt h em u l t i - 惦盯d i v e r s i t yg a i n a n dr o u t i n gs e l e c t i o ng a i n 4 t h ec r o s s - l a y e rs c h e d u l i n gu s e di nt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r kh a sb e e ns t u d i e d t h o u g ht h e s i m u l a t i o n 。w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h i sk i n do f n e t w o r k 5 p r o p o s e dan o v e lc r o s s l a y e rs c h e d u l i n ga d a p t e dt or e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k w eo p t i m i z e t h ep e r f o r m a n c eo fm a c l a y e ra n dp h y s i c a ll a y e ro fn e t w o r kj o i n t l y 6 d e s i g n e dan o v e lr e l a y i n gp r o t o c o l ，a n dw eb u i l du pas i m u l a t i o np l a t f o r mw i t ht h en o v e lp r o t o c o l t oe v a l u a t et h es y s t e m l e v e lp e r f o r m a n c eo fr e l a y - e n h a n c e dn e t w o r k k e yw o r d s ：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 ga c c e s s ( o f d m a ) m u l t i u s 盯s c h e d u l i n g , r c l a y c n h a n c e dn e t w o r k ，r o u t i n gs e l e c t i o n ，c r o s s - l a y e rs c h e d u l i n g ，g r e e d ys c h e d u l i n g , p r o p o r t i o n a lf a i r s c h e d u l i n g , m u l t i u 辯rd i v e r s i t yg a i n 。p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，n e t w o r kp r o t o c o l i i i 圖表目錄 圖1 2 1 鄉(xiāng)村( u r b a na r e a ) 場景下的中繼增強網(wǎng)絡(luò)配置。4 圖1 2 2 曼哈頓( m a n h a t t a na r e a ) 場景下的中繼增強網(wǎng)絡(luò)配置。4 圖1 2 3 室內(nèi)( l o c a la r e a ) 場景下的中繼增強網(wǎng)絡(luò)配置。5 圖1 2 4 單小區(qū)六中繼增強型蜂窩小區(qū)5 圖2 1 1 多用戶o f d m 下行鏈路調(diào)度系統(tǒng)1 2 圖2 3 1 用戶數(shù)對系統(tǒng)頻譜利用率的影響1 5 圖2 3 - 2 基于最大化系統(tǒng)“和容量”的貪婪調(diào)度的用戶公平性性能1 6 圖2 3 3 基于最大信噪比貪婪調(diào)度的系統(tǒng)頻譜利用率性能1 9 圖2 3 4 基于最大信噪比的貪婪調(diào)度的用戶公平性性能1 9 圖2 4 1 不同調(diào)度策略的調(diào)度用戶集關(guān)系2 2 圖2 4 2 比例公平性調(diào)度與輪詢調(diào)度及貪婪調(diào)度的頻譜利用率比較2 5 圖2 4 3 比例公平性調(diào)度與輪詢調(diào)度及貪婪調(diào)度的公平性比較2 6 圖2 4 4 時刻丁長度對系統(tǒng)頻譜利用率的影響：2 6 圖2 5 1 時間公平性伺機調(diào)度與貪婪調(diào)度及輪詢調(diào)度頻譜利用率性能比較2 9 圖2 5 2 時間公平性伺機調(diào)度與貪婪調(diào)度及輪詢調(diào)度系統(tǒng)公平性比較3 0 圖2 5 3 效用公平性伺機調(diào)度與貪婪調(diào)度及輪詢調(diào)度系統(tǒng)頻譜利用率性能比較? ：3 2 圖2 5 4 效用公平性伺機調(diào)度與貪婪調(diào)度及輪詢調(diào)度的公平性比較- 3 3 圖2 5 5 最低性能公平性伺機調(diào)度與貪婪調(diào)度及輪詢調(diào)度的系統(tǒng)頻譜利用率性能比較3 5 圖2 5 6 最低性能公平性調(diào)度及貪婪調(diào)度與輪詢調(diào)度的公平性比較3 6 圖3 1 1 已知用戶路由的多用戶o f d m 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)下行鏈路系統(tǒng)模型3 8 圖3 1 2 未知用戶路由的多用戶o f d m 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)下行鏈路系統(tǒng)模型。3 9 圖3 1 3 中繼增強型蜂窩網(wǎng)絡(luò)o f d m a t d dm a c 幀結(jié)構(gòu)4 0 圖3 2 1 擴展輪詢( e x t e n d e dr o u n dr o b i n ) 調(diào)度算法示例。4 l 圖3 3 1 低復(fù)雜度擴展貪婪調(diào)度系統(tǒng)的頻譜利用率性能4 4 圖3 3 2 兩跳平衡貪婪調(diào)度的系統(tǒng)頻譜利用率性能。4 6 圖3 3 3 兩跳平衡貪婪調(diào)度的各用戶公平性性能4 7 圖3 4 1 貪婪比例公平性調(diào)度算法的系統(tǒng)頻譜利用率性能5 0 圖3 4 2 貪婪比例公平性調(diào)度算法的系統(tǒng)公平性性能5 l 圖3 5 1 路由選擇與比例公平性聯(lián)合調(diào)度算法的系統(tǒng)頻譜利用率性能5 5 圖3 5 2 路由選擇與比例公平性聯(lián)合調(diào)度的各用戶公平性性能5 5 圖4 1 1 新型跨層( c r o s s - l a y e r ) 調(diào)度機結(jié)構(gòu)5 7 圖4 1 2 新型跨層( c r o s s 1 a y e r ) 調(diào)度系統(tǒng)模型。5 8 圖4 2 1 傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中跨層( c r o s s l a y e r ) 調(diào)度的系統(tǒng)“和容量”性能6 3 i 圖4 2 2 傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)跨層調(diào)度的包延時性能。6 4 圖4 2 3 傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中跨層調(diào)度丟包率性能?！?圖4 3 1 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)中跨層調(diào)度的系統(tǒng)“和容量”性能6 9 圖4 3 2 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)中跨層調(diào)度的包延時性能。7 0 圖4 3 3 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)中跨層調(diào)度的丟包率性能。7 0 圖5 1 1o p n e t 的三層模型7 4 圖5 1 2o p n e t 系統(tǒng)建模流程7 6 圖5 1 3 以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)域建模7 6 圖5 1 4 u m t s 中u e 的節(jié)點域模型7 7 圖5 1 5u m t s 系統(tǒng)中u e 的進程域模型7 7 圖5 1 6 0 p n e t 鏈路級仿真器與系統(tǒng)級仿真器接口7 9 圖5 1 - 7o p n e t 中1 3 個無線管道階段7 9 圖5 2 1i e e e8 0 2 1 6 協(xié)議框圖8 0 圖5 2 23 g p p 協(xié)議框圖引 圖5 2 3 中繼增強型蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議流程。8 2 圖5 2 4 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議8 2 圖5 2 5 基站節(jié)點域建模。8 4 圖5 2 6 基站進程域建模。8 4 圖5 2 7 中繼節(jié)點域建模8 5 圖5 2 8 中繼進程域建模。8 5 圖5 2 9 用戶l i e 節(jié)點域建模8 6 圖5 2 1 0 用戶u e 進程域建模8 6 圖5 3 1 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)仿真平臺。8 8 圖5 3 2 無中繼的傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)仿真平臺。8 9 圖5 3 3 兩種系統(tǒng)的整體業(yè)務(wù)量比較8 9 圖5 3 4 兩種系統(tǒng)的整體尋呼時間及傳輸時間比較9 0 圖5 3 5 熟點地區(qū)用戶的業(yè)務(wù)吞吐量比較9 0 圖5 3 - 6 熱點地區(qū)用戶尋呼延時和通信延時9 l 圖5 3 7 兩種系統(tǒng)在熱點地區(qū)的系統(tǒng)穩(wěn)定性比較9 l 圖5 3 8 兩種系統(tǒng)的常規(guī)地區(qū)用戶吞吐量9 2 圖5 3 9 兩種系統(tǒng)在常規(guī)地區(qū)的用戶尋呼時間和傳輸時間9 2 圖5 3 1 0 兩種系統(tǒng)在常規(guī)小區(qū)中多用戶的尋呼時間與傳輸時間域9 3 圖5 3 - l l 兩種系統(tǒng)的小區(qū)邊界用戶吞吐量。9 4 圖5 3 - 1 2 兩種系統(tǒng)的小區(qū)邊界用戶尋呼延時及傳輸延時。9 4 圖5 3 1 3 中繼增強型蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)邊界多用戶性能。9 5 東南大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。 研究生簽名： 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可 以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研 究生院辦理。 研究生簽名： 絲堡 導(dǎo)師簽名： 第l 章緒論 第1 章緒論 為了滿足人們對信息需求的不斷增長，未來的移動通信系統(tǒng)不但要能夠提供傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)，還 要能提供數(shù)字、圖像、音頻、視頻等多媒體業(yè)務(wù)。為了支持這些業(yè)務(wù)，下一代移動通信系統(tǒng)需要具 備更大的信道容量，更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，更好的傳輸性能，及更大的覆蓋區(qū)域。正交頻分復(fù)用 ( o f d m ：o n 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 ) 技術(shù)是極具競爭力和前景的技術(shù)之一，在學(xué)術(shù) 界和工業(yè)界都得到了廣泛的關(guān)注。o f d m 是一種高效的多載波傳輸技術(shù)，它將整個頻帶分割成個 正交、并行的子信道，將高速串行數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，變?yōu)閭鬏斔俾氏鄬^低的數(shù)據(jù)流在一組子 信道中傳輸。由于o f d m 中個子載波相互正交，在頻域上各子信道相互重疊，因而它能夠提供 較普通頻分復(fù)用系統(tǒng)高很多的頻譜利用率。 為了擴大通信覆蓋區(qū)域，提高小區(qū)邊緣通信質(zhì)量，依靠傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)是不夠的，因此人 們想到革新小區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)中繼技術(shù)( r e l a y ) 就是一種很有前景的小區(qū)拓撲革新技術(shù)，通信質(zhì)量差 的用戶通過中繼選擇選定輔助完成通信的中繼站，并將信息發(fā)往中繼站，經(jīng)其處理后轉(zhuǎn)發(fā)至基站完 成通信。原來通信質(zhì)量差的鏈路被性能優(yōu)越的兩跳鏈路取代，提高了鏈路質(zhì)量。從而大大改善了小 區(qū)整體通信質(zhì)量，增加了小區(qū)覆蓋區(qū)域 在多用戶無線通信系統(tǒng)中，有限的資源和眾多的用戶請求形成尖銳的矛盾，調(diào)度的基本目的是 從眾多的用戶中選出能最大化系統(tǒng)性能的用戶子集。由于基站到各用戶之問的一跳或多跳信道總是 可以被視為獨立衰落的，選擇瞬時信道增益最高的用戶來獲得服務(wù)是下行廣播信道( b r o a d c a s t c h a n n e l ) 中的容量最優(yōu)調(diào)度準則。然而，在實際系統(tǒng)中為了避免一些用戶因為信道長時間處于較差 狀態(tài)而出現(xiàn)信息“饑餓”的狀態(tài)，調(diào)度算法除了最大化系統(tǒng)性能以外還需要考慮用戶占用資源的公 平性問題。此外，由于不同用戶傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)不同，滿足用戶公平性的同時，也需要滿足不同業(yè)務(wù)的 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。這就需要結(jié)合m a c 層提供的不同業(yè)務(wù)q o s 信息與物理層的信道信息完成 跨層聯(lián)合調(diào)度( c r o s sl a y e rs c h e d u l i n g ) 。 1 1o f d m 技術(shù)概述 1 1 1o l m m 的發(fā)展歷程 o f d m 技術(shù)最早起源于2 0 世紀5 0 年代中期，但直到1 9 6 6 年c h a n g 等人【1 l 才首次闡明了我們現(xiàn) 在稱之為o f d m 的技術(shù)他提出一種在線性帶限信道上同時傳輸多路信號的方法可以同時避免信 道間干擾( i c l ：i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符號問干擾( i s hi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 由c h a n g 提出的多信道傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)多載波傳輸技術(shù)的區(qū)別在于子載波的頻譜可以相互疊加，其條件是它 們是相互正交的 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t l 2 】將離散傅里葉變換( d f t ：d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ) 應(yīng)用于o f d m 系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)，而d f t 可由快速傅里葉變換( f f t ：f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 高效地實現(xiàn)。這樣系 統(tǒng)就無需用一組振蕩器來產(chǎn)生多個子載波，而是通過基帶處理實現(xiàn)頻分復(fù)用，從而大大地降低了調(diào) 制解調(diào)的復(fù)雜度為了消除線性時不變信道的i c i 和1 s l ，他們提出通過插入一段空白區(qū)作為保護間 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 隔來消除o f d m 塊間干擾，但是這并不能保證信號經(jīng)過彌散信道后各子載波仍保持正交性 在o f d m 的發(fā)展過程中，另一個重要貢獻應(yīng)歸功于p e l e d 和r u i z p 】。他們在1 9 8 0 年提出了循環(huán) 前綴( c p ；c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于保持子載波的正交性與通常在符號問插入空的保護間隔的 做法不同，他們提出在發(fā)射端作i f f t 之后將o f d m 符號的后一段樣點值復(fù)制到該符號的前面作為 循環(huán)前綴，從而使得信道與傳送符號之間的線性卷積等效為循環(huán)卷積，在接收端做f f r 之前先舍棄 循環(huán)前綴中的各樣點于是，當(dāng)c p 長度大于信道的最大時延擴展時，可以消除前一個o f d m 塊的 延遲分量對后一個o f d m 塊造成的干擾。當(dāng)然0 f d m 系統(tǒng)中加入循環(huán)前綴，會帶來發(fā)射功率和傳 輸速率的損失，因此在實際系統(tǒng)中可以根據(jù)信道特性選擇c p 的長度 1 1 2o f d m 的優(yōu)缺點 o f d m 調(diào)制對各個o f d m 符號加上循環(huán)前綴( c p ) ，可以極大地降低多徑效應(yīng)循環(huán)前綴使得信 道看上去像是循環(huán)的，并且使每一個頻域子信道可以看作是一個信道增益加上一個加性高斯白噪聲 ( a w o n ) o f d m 的多載波特性的好處還體現(xiàn)在：較少的噪聲、干擾增強效應(yīng)，抗多徑衰落等由 于子信道之間的相互獨立性，使多用戶接入成為可能。o f d m 調(diào)制的優(yōu)點還有： o f d m 將頻率選擇性信道劃分為一組平衰落的子信道并行傳輸數(shù)據(jù)，從而有效地減小了信道時 延擴展的影響。而且當(dāng)循環(huán)前綴的長度大于信道最大時延擴展時，接收機中可以不采用均衡器 o f d m 的各子載波信道的頻譜相互重疊，且每個子信道頻域響應(yīng)的峰值點恰為其它子信道頻域 響應(yīng)的零點，因而既保證了子載波的正交性，也充分利用了頻譜資源。 可利用f f l f f t 快速高效的實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。 可以根據(jù)信道特性自適應(yīng)地進行各子載波上的功率分配以及選擇不同的調(diào)制方式充分利用條 件好的子信道以提高系統(tǒng)性能。 然而，o f d m 技術(shù)也存在一些缺點： 與單載波系統(tǒng)相比，o f d m 對頻率偏差更加敏感。無線信道的時變性造成的多普勒頻移，或者 發(fā)射機和接收機本地振蕩器的頻率偏差都會破壞子載波的正交性，從而導(dǎo)致i c i o f d m 存在較高的峰值平均功率比，這是由于o f d m 的輸出信號由多個子信道上的信號疊加而 成，當(dāng)這些信號的相位一致時，輸出信號的瞬時功率會遠遠大于平均功率，即峰均比很高，它對發(fā) 射機的線性放大器提出了更高的要求，如果放大器的動態(tài)范圍不能滿足信號幅度的變化，就會造成 信號波形和頻譜的畸變，因而破壞子載波的正交性 1 1 3o f d m 的應(yīng)用現(xiàn)狀 目前，o f d m 技術(shù)已被眾多無線傳輸標準采納，比如數(shù)字音頻廣播( d a b ：d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) ，數(shù)字視頻廣播( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 無線局域網(wǎng)( w l a n ：w i r e l e s s l o c a l 觚an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1l a g 和h i p e r l a n 2 。無線城域網(wǎng)( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 6 e 標準。此外，o f d m 也是未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)可以預(yù)見， o f d m 技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。 2 第1 章緒論 1 2 中繼技術(shù)概述 1 2 1 中繼技術(shù)研究 對中繼技術(shù)( r e l a y ) 的研究可以追溯到上世紀7 0 年代，而最初的研究都集中在對單中繼信道容 量的分析。t m c o v e r 在文獻1 4 兒5 】中將中繼節(jié)點引入通信網(wǎng)絡(luò)，同時研究了物理退化的中繼信道 ( p h y s i c a l l yd e g r a d e dr e l a yc h 鋤n e l ) 的容量，m g a s t p a r t 6 j 和b s c h e i n f f l 研究了高斯中繼信道( g a u s s i a n r e l a yc h a n n e l ) 容量，根據(jù)最大流最小割( m a x - f l o wm i n c u t ) 理論設(shè)計了加入中繼后的新型通信網(wǎng)絡(luò) 編碼，獲得了該信道模型下系統(tǒng)容量上、下界，并得出結(jié)論：當(dāng)中繼節(jié)點數(shù)n _ 時，信道容量的 上下界是相等的。近年來由于分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和m i m o 、o f d m a 通信技術(shù)的飛躍發(fā)展。有關(guān)中繼 技術(shù)與它們相融合的思想就獲得研究者的青睞，y a n i k o m e r o g l u 在文獻l s 9 1 中提出了基于中繼的蜂窩 多跳通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并分析了此架構(gòu)下的系統(tǒng)容量。通過近年來信息論的研究表明，不同的中繼工 作模式和信息反饋模式下，中繼數(shù)目的改變對系統(tǒng)容量的影響也是不同，當(dāng)中繼和移動終端都已知 了信道的信息，系統(tǒng)的容量與中繼的個數(shù)呈對數(shù)增長關(guān)系，即c l o g 刀以為中繼個數(shù)。但若中繼 沒有任何信道信息，且中繼僅簡單地將接收的信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)給移動終端，那么在高信噪比的情況 下，系統(tǒng)的容量不隨中繼個數(shù)的增加而改變，此時中繼只是起到了一個主動散射體的作用，它可以 緩解由于空問散射不充分所造成的信道相關(guān)性過強的問題。 除了對中繼信道容量的分析，中繼策略與協(xié)議，m i m o 。o f d m 系統(tǒng)下的協(xié)作中繼方案及其各種 動態(tài)資源分配、基于不同業(yè)務(wù)的q o s 的聯(lián)合調(diào)度問題等，也得到深入研究，并得出了很多有價值的 結(jié)論。a s e n d o n a r i s i m l 和j n l a n e m a n l l l l 提出了放大中繼模式( a m p l i f y a n d f o r w a r d , a f ) 和解碼中 繼模式( d e c o d e a n d - f o r w a r d ，d f ) 兩大經(jīng)典工作模式，其中a f 模式設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，但中繼在 接收放大轉(zhuǎn)發(fā)有效信號的同時也放大了噪聲和干擾信號，影響了系統(tǒng)性能。d f 模式中中繼解碼接 收信號，消除干擾和噪聲后，重新編碼發(fā)送，很好地抑制了前向信道的干擾與噪聲的放大傳遞，但 其設(shè)計復(fù)雜，且中繼處理時間長，傳輸時延增大，也會影響系統(tǒng)的性能。隨后j a s t c 佃l o 、r 【1 2 1 和 m j a n a n i l l 3 j 提出了編碼協(xié)作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 中繼模式。它通過空時編碼充分利用空間、時 間資源，提高系統(tǒng)性能，同時簡化中繼節(jié)點的設(shè)計。以上三種中繼工作模式各有優(yōu)缺點，為了發(fā)揮 它們的優(yōu)勢，中繼節(jié)點可同時配置多種工作模式，根據(jù)實際場景及用戶反饋信息決定采用何種工作 模式，使得在完成通信的前提下，最優(yōu)化中繼系統(tǒng)性能。同時中繼網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)資源分配及基于不同 業(yè)務(wù)和q o s 的調(diào)度方法的研究也在進行，x i n m i nd e n g p 4 和j i a n g h o n gl u o 】提出了協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的 功率分配方案。 綜合以上中繼相關(guān)的多方面研究?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：中繼技術(shù)在擴展覆蓋、提高容量、改善小 區(qū)邊緣頻譜利用率、消除盲區(qū)、降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護成本、自回程傳輸( s e l fb a c k h a u l i n g ) 、靈活部 署這幾方面都有其用武之地。已有文獻表明中繼增強型小區(qū)可避免出現(xiàn)通信質(zhì)量過差的區(qū)域，同時。 基站可以動態(tài)地為多中繼分配資源，通過中繼優(yōu)化調(diào)度，平衡小區(qū)內(nèi)局部區(qū)域過重的通信負載，小 區(qū)的平均吞吐量還會獲得提升 正是由于中繼技術(shù)多方面的優(yōu)越性，其引起了通信標準組織的注意，歐盟的w i n n e r 計劃和 i e e e9 0 2 1 6 j 標準都提議將中繼技術(shù)作為下一代通信系統(tǒng)( 4 g ) 的主要技術(shù)之一。并提出了各自的 中繼增強型通信系統(tǒng)方案本論文的主要工作就是以新型的中繼增強型蜂窩系統(tǒng)為背景，分析該系 3 m 自 # * ! 統(tǒng)的阿絡(luò)緞性能( p 響刪e a n a l y s i s ) ，同時研究并提出適合 袤系統(tǒng)的新型調(diào)度( s c h c d u l i n g ) 算法。 1 2 0 新型中繼增強型蜂窩網(wǎng)絡(luò) 作為中繼技術(shù)的載體一一中繼增強型通信網(wǎng)絡(luò)其拓撲建模是所有中繼技術(shù)研究的基礎(chǔ)。最初， 中繼大多應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中完成多眺通信其t 1 1 1 繼節(jié)點只是移動用戶在不處理業(yè)務(wù)時擔(dān)任 的另一種角色。 f ! - r c i a y l i n k 1 e 一“n k 圈l2 - i 鄉(xiāng)村( u r b a na r e a ) 場景f 的中繼增強網(wǎng)絡(luò)配置 十# ，a * * * a 中繼增強型系統(tǒng)小區(qū) 留i2 2 曼哈頓( ma r 】h a t t a na r e a ) 場景f 的中繼增強同絡(luò)配黃 y a n i k o m c r o g l u 在文獻。q 。q 中提出建立一種中繼增強的多跳蜂窩通信系統(tǒng)輔助每跳通信的中繼 4 j、|0、， 一：i 一警一寧生 第l 章緒論 站位于以基站為中心，不同固定距離為半徑的環(huán)帶上。歐盟的w i n n e r 計劃在文獻中提出了獨立 設(shè)計中繼節(jié)點，及在鄉(xiāng)村場景( u r b a na r e a ) 、曼哈頓場景( m a n h a t t a na r e a ) 和室內(nèi)場景( l o c a la r e a ) 下的中繼增強型蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)( 如圖1 2 1 ，1 2 2 ，1 2 3 ) 中繼蚺節(jié)點一雉站節(jié)點 刖懶 i 房間 國p 房問 囝。 房問 l 囝 a 走廊 含 1 r1r 房r h j 囝 囝 彩 房m 囝 房問 囝 房m 囝 留么叁 走廊 1 ，1 r 房伽l 房問 囝 房疊j o 圖1 2 3 室內(nèi)( l o c a la r e a ) 場景下的中繼增強網(wǎng)絡(luò)配置 不同的場景中小區(qū)結(jié)構(gòu)不同，中繼、基站的覆蓋區(qū)域都有所不同，但增加中繼后小區(qū)的通信質(zhì) 量均有明顯改善，在第5 章中本論文借助o p n e t 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，依據(jù)特殊的小區(qū)模型配置中繼， 措建中繼增強型蜂窩小區(qū)的整體網(wǎng)絡(luò)級仿真平臺。通過系統(tǒng)仿真，從小區(qū)整體、各個用戶業(yè)務(wù)量， 通信時延等方面較全面地分析中繼增強型小區(qū)的性能。 同時，為了完成對新型中繼增強型蜂窩小區(qū)下的新調(diào)度算法研究，圖1 2 - 4 建立一個單小區(qū)的多 中繼增強型小區(qū)，其中六個中繼均勻分布在中心基站與六邊形網(wǎng)絡(luò)的六個頂角連線，l l p , j , 區(qū)2 r 3 處 偎為小區(qū)半徑) 圖1 2 4 單小區(qū)六中繼增強型蜂窩小區(qū) 5 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 多用戶調(diào)度算法 1 3 1 多用戶調(diào)度研究進展 之所以出現(xiàn)調(diào)度問題根源在于對資源的爭用以平坦衰落信道為例，在多用戶系統(tǒng)中，基站到 用戶之間的衰落信道是獨立隨機波動的調(diào)度的目標就是使得那些瞬時信道增益接近峰值狀態(tài)的用 戶獲得基站當(dāng)前的服務(wù)，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對有限時延的不敏感性使得這種調(diào)度成為可能 1 9 9 7 年，l u 和b h a r g h a v a 等人主要研究了無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中鏈路突發(fā)錯誤對調(diào)度算法的影響，他 們提出了無線環(huán)境下的理想公平調(diào)度算法( i d e a l i z e d w i r e l e s sf a i r q u e u i n g i w f q ) i v q 在其論文中， 作者指出無線鏈路突發(fā)錯誤會導(dǎo)致有線網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計的調(diào)度算法在無線環(huán)境中應(yīng)用時的失效因為有 些處于積壓狀態(tài)的業(yè)務(wù)流即使根據(jù)公平調(diào)度( w i r e l e s sf a i rq u e u i n g ，w f q ： 等算法的調(diào)度結(jié)果獲得 了發(fā)送機會也會由于鏈路失效而將發(fā)送機會轉(zhuǎn)讓給其他的業(yè)務(wù)流，從而導(dǎo)致公平性無法保證為了 保證公平性，就需要對發(fā)生鏈路突發(fā)錯誤的業(yè)務(wù)流在其恢復(fù)正常傳輸時對之進行補償。但是i 、f q 的補償過程并不科學(xué)，會引起所謂的隔離性問題s t i o i c a 和z h a n g 等人提出了c n ：- q ( c h a n n e l - c o n d i t i o ni n d e p e n d e n tp a c k e tf a i rq u e u i n g ) i l 引算法，該算法的補償模型比i w f q 更加合理， 能夠使得補償行為更加平滑，從而提高了算法對業(yè)務(wù)流之間調(diào)度的隔離度。r a m a n a t h a n 等人提出的 s b f a ( s e r v e rb a s e df a i ra p p r o a c h ) 1 1 9 】調(diào)度算法從另外的角度提供了對差錯流的補償機制算法維 護了業(yè)務(wù)流之間的長時公平性。但是對業(yè)務(wù)流不提供短時的公平性保證，也沒有最壞情況下的時延 界針對i w f q 的缺點和在無線網(wǎng)絡(luò)上傳輸時延敏感型業(yè)務(wù)的需求。l u 和b h a r g h a v a 等人又提出一 種新的算法一w 下s ( w i r e l e s s f a i rs e r v i c e ) 1 2 們。在w f s 中，減少了時延對帶寬的要求，同時實現(xiàn)了 長時公平性和短時公平性的保證，此外，w f s 算法具有較好的隔離性，實現(xiàn)了超前服務(wù)量的良好降 級性能 這些研究開創(chuàng)了無線調(diào)度算法的研究局面，但是對于無線環(huán)境的考慮僅僅局限于突發(fā)鏈路錯誤 的影響，相對簡單1 9 9 9 年，c a s i m i r o 等人研究了自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的分組調(diào)度問題，考察了輪詢和 最大信噪比這兩種簡單的調(diào)度算法下系統(tǒng)吞吐量的變化【2 。在2 0 0 0 年，q u a l c o m m 公司的j a l a l i 等 人在h d r 系統(tǒng)中提到了他們針對i - i d r 系統(tǒng)所設(shè)計的比例公平( p r o p o r t i o n a lf a i r ) 調(diào)度算法l 塒值 得一提的是。這些算法雖然比較簡單，但是將無線調(diào)度的目標從公平性、時延等傳統(tǒng)性能需求擴展 到了對無線資源進行優(yōu)化的新視角，開拓了調(diào)度算法的一個新的研究領(lǐng)域。 同時，近年出現(xiàn)的中繼增強型蜂窩系統(tǒng)向傳統(tǒng)的調(diào)度算法提出了挑戰(zhàn)，由于中繼節(jié)點的加入， 基站與用戶的通信可以選擇性地一跳完成或者兩跳完成，如何有效地調(diào)度用戶，調(diào)度空域、時域、 頻域三維資源，使系統(tǒng)容量達到最優(yōu)的同時兼顧到各個用戶的公平性( f a i r n e s s ) 成為新型調(diào)度算法 的熱點由于此類調(diào)度算法很少，本論文在第3 章做了詳細研究，并提出了幾種新型的調(diào)度算法。 1 3 2 多用戶調(diào)度的概念 調(diào)度是一個與時間順序相關(guān)的概念最經(jīng)典的調(diào)度算法希望解決的是在多個用戶爭搶資源時， 如何確定一種服務(wù)次序 廣義上的調(diào)度可以跨越時間概念而泛指對任務(wù)、工作，資源等進行適當(dāng)分配和規(guī)劃來滿足預(yù)定 目標。調(diào)度有六大要素：調(diào)度者、調(diào)度目標、被調(diào)度對象、調(diào)度規(guī)則、調(diào)度代價和調(diào)度結(jié)果。調(diào)度 6 第l 章緒論 規(guī)則。也就是調(diào)度算法或調(diào)度機制，是連接其余五個要素的紐帶。調(diào)度者通過一定的調(diào)度算法對被 調(diào)度對象進行控制以求滿足特定的調(diào)度目標。作為一種控制行為。在實際系統(tǒng)中，調(diào)度過程總需 要付出一定的代價( 如系統(tǒng)資源損失，計算復(fù)雜度過大等) ，即調(diào)度代價，而最終的調(diào)度結(jié)果也往往 和調(diào)度目標有一定的差異。 通常為了獲取一個可以接受的調(diào)度結(jié)果，往往需要在調(diào)度代價和調(diào)度目標之間形成折衷 ( n a d e o f f ) ，因此，調(diào)度問題也往往可以轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，特別的，當(dāng)被調(diào)度對象和調(diào)度代價的行為 呈現(xiàn)出隨機時變特性的時候，這種優(yōu)化問題將轉(zhuǎn)化成一個動態(tài)規(guī)劃問題 分組通信中，為了獲得統(tǒng)計復(fù)用增益。需要多個業(yè)務(wù)流共享資源，同時發(fā)送所以會出現(xiàn)業(yè)務(wù) 流的分組調(diào)度問題。物理上，分組通信系統(tǒng)中的隊列調(diào)度主要發(fā)生在交換節(jié)點( 復(fù)用器、交換機或 路由器) 。調(diào)度者可以看作是這些節(jié)點本身，或者是駐留在其中的一段指令，被調(diào)度對象為存放在隊 列中的隸屬于不同業(yè)務(wù)流的分組，這些業(yè)務(wù)流通常有著不同的業(yè)務(wù)屬性和對服務(wù)質(zhì)量的要求。調(diào)度 目標通常就是保證這些業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和各個業(yè)務(wù)直接享受服務(wù)的公平性，調(diào)度代價是計算的復(fù)雜 度和緩存區(qū)的資源占用情況。而調(diào)度結(jié)果就是經(jīng)過調(diào)度算法控制之后，各個業(yè)務(wù)流實際所獲得的服 務(wù)質(zhì)量。 1 3 3 無線系統(tǒng)中多用戶調(diào)度特點 a 可變性， 無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的一大不同就是傳輸信道的可變性。在無線網(wǎng)絡(luò)中，無線通信系統(tǒng)需要考慮 信道干擾，小尺度、大尺度陰影衰落的影響。有時在嚴重的錯誤突發(fā)狀態(tài)期間，由于惡劣的信道質(zhì) 量而導(dǎo)致根本無法成功傳輸，因此，無線信道的容量有較大的可變性除了時間依賴性外，無線信 道的容量需考慮用戶位置，在每一個具體的時間點，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站可以同時與一個以上的移動臺 通信。此時由于移動臺所處位置不同，有些移動臺可以與基站進行通信另外，移動臺的移動性也 增加了傳輸信道的時變性。因此，無線通信系統(tǒng)中的調(diào)度算法需要考慮傳輸信道依賴于時間和位置 的可變性。 b 頻帶利用的有效性： 由于無線信道資源寶貴，調(diào)度算法必須有效利用無線信道，這就意味著調(diào)度器不應(yīng)該給當(dāng)前正處 在惡劣信道下的用戶分配傳輸資源，一個有效的無線通信系統(tǒng)中的調(diào)度算法i i 標應(yīng)該最大化無線通 信系統(tǒng)的利用率和服務(wù)的有效性最小化錯誤鏈路上的無效傳輸 c 公平性 調(diào)度算法要保證資源分配的公平性，使得惡劣信道下的用戶也有機會享用資源。 d 反饋率 反饋率過大會使得基站接收大量數(shù)據(jù)，增加基站調(diào)度的復(fù)雜度。選擇有效的信息進行反饋，可以 減輕反饋鏈路以及基站的負擔(dān)。 e 實現(xiàn)的復(fù)雜度 在高速網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)度決策需非常迅速，以便可以高速執(zhí)行，因此需要的是低復(fù)雜度的算法。這樣 對時間要求苛刻的實時多媒體業(yè)務(wù)也能有效調(diào)度。 f 穩(wěn)定性 7 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)增多，共享信道的子信道數(shù)增加時，算法依然能夠有效地工作 g 功率消耗 調(diào)度算法應(yīng)當(dāng)考慮延長移動臺電池時間的需求。蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法一般運行于基站，因此 電源消耗在設(shè)計中不是很值得關(guān)心然而移動臺的電源是有限的，一個好的調(diào)度算法的設(shè)計應(yīng)該與 最小化與調(diào)度有關(guān)的控制消息數(shù)，比