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基于HSDPA系统的分组调度算法分析.pdf

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Abs仃actAs a sort of Beyond一3G technologies,High Speed Downlink Packet AccessHSDPAprovides impressive enhancements for the downlink without changing theorigiIlal network structure.Data services are expected to have tremendous growth in thenext few years and will probably become the dominant souroof 3G traljfic,andmoreover,packet scheduling algorithms is all important part of the Radio ResourceManagementRRM.And therefore,it will have significant influence on the systemperance of HSDPA to carry out the research in the packet scheduling algorithms.Basic theories and key technologies of HSDPA are introduced and analyzed at thebeginning of this thesis.RED which is one of the queue management algorithms andpacket scheduling algorithms are studied in the following.Then QM-LWDF algorithmwhich is an improved MLWDF is proposed in view of defects of traditional queuealgorithms and cooperations of queue and output.QM-LWDF algorithm combinespacket loss rate of RED and packet scheduling algorithm of M-LWDF.Delay and queuelength are taken into account in packet loss rate.Besides,queue lenl, th factor isintroduced on the basis of MLWDF.The simulation results show that QM-LWDFalgorithm pers well in system throughput and packet loss rate under limited queuelength.KeywordsHSDPA Packet Scheduling Queue Management M-LWDFalgorithm第一章1.11.21.3第二章2.12.22.32.4第三章3.13.23.4第四章4.14.2 QM-LWDF调度算法344.2.1 队列管理与分组调度的关系344.2.2基于队列管理的QM.LWDF调度算法.354.3 QMLWDF算法仿真设计374.3.1 QM.LWDF算法仿真流程设计374.3.2 QM.LWDF算法仿真参数配置。394.4 QM.LWDF算法性能分析。404.4.1最佳权值因子。404.4.2 QM.LWDF算法性能分析。434.5本章小结一47第五章总结与展望495.1本文主要研究成果及总结495.2进一步研究工作建议49致j射5 1参考文献一53第一章绪论第一章绪论1.1无线通信系统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系统后,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第一代1G移动通信系统美国贝尔实验室提出小区制的蜂窝移动通信系统,并在1978年开发了AMPSAdvanced Mobile Phone Service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FDMAFrequency Division Multiple Access技术,由于信号在发送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的矛盾日益激化,在经历了20世纪80年代的辉煌以后,第一代移动通信系统在20世纪90年代很快就被以GSM和CDMA为代表的第二代移动通信系统取代。2第二代2G移动通信系统1992年在欧洲开始铺设的全球移动通信系统GSMGlobal System for MobileCommurdcations是全球第一个数字蜂窝移动通信系统。随后,美国的数字AMPSDigitalAMPS和日本的个人数字通信系统PDCPersonal Dital Cornmunic撕on等系统也相继投入运营。这些系统都是采用时分多址接入Time Division MultipleAccess,TDMA方式。1995年,美国高通公司推出了采用码分多址接入CodeDivision Multiple Access,CDMA技术的IS.95Industrial Standards.95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,但是,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3G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。3第三代3G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2 基于HSDPA系统的分组调度算法研究时为减少各大网络之间不兼容的问题,早在1985年ITU.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Future Public Land Mobile Telephone System,FPLMTS。经过10年的努力工作,1995年FPLMTS改名为国际电信移动2000系统International Mobile TeleC,ommunicatiOil 2000,MT-2000。第三代移动通信系统就是IMT-2000支持的网络系统,简称3G。作为一个全球普及和全球无缝漫游的移动系统,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Intemct业务的支持,数据传输速率也比第二代移动通信系统有了明显的改进,可达到2Mbit/s室内和384lbi低移动环境。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3G的多种无线传输技术标准中,以欧洲提出的WCDMA、北美提出的CDMA2000和中国提出的TD.SCDMA技术最为引人关注。然而,随着人们生活水平的不断改善与提高,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2Mbit/s的数据传输速率已经不能满足人们的要求。因而,超3G或增强3G移动通信系统应运而生。4超三代Beyond 3G,B3G移动通信系统为了更好地发展移动数据业务,超3G和增强3G技术已经逐渐成为通信领域新的研究热点,超33移动通信系统的数据传输速率预计可达到100Mbit/s,能够很好的满足用户高速数据业务的需求。其中,作为WCDMA系统的一种演进技术,3GPP对UMTS R99/R4版本的空中接口技术进行了改进,在3GPP R5和3GPP R6标准中提出了高速下行分组接入HSDPA技术的规范,并成为超3G的主流技术之一oHSDPA技术一方面能够满足高速增长的互联网业务、多媒体应用和实时业务对网络的带宽、可扩展性和QoS提出的更高要求;另一方面能够解决无线信道易受干扰、衰落等问题,HSDPA技术将大大推动多媒体应用的普及。而且,HSDPA技术能够允许比以往更多的用户同时享受到高速数据服务。随着HSDPA技术的成熟和发展,其良好的应用前景和平滑的演进能力正在引起越来越多的人们的热切关注。目前,很多移动运营商都在高度关注HSDPA技术的商用化进展情况,在世界范围内,众多的通信产品供应商也都开始启动了HSDPA技术的商用化进程。1.2无线资源管理概述无线通信系统的无线资源是很广泛的,可以是时间、频率,也可以是码字、功率等。不论从哪个角度看,以移动通信为代表的无线通信系统都是资源受限的系统。所谓的无线资源管理就是对系统的空中接口资源进行合理的规划和调度,其目的就是基于有限的无线资源,在保证一定的规划覆盖以及服务质量QoS要求的情况下,尽可能接入更多的用户。无线资源管理包括呼叫准入控制CAC、功率控制PC、切换控制HC、负载控制LC以及分组调度PS等。这些无线资源管理都是基于干扰的无线资源管理。 ●●●●●●●●●●●●●●●图1.1无线资源管理的基本模型呼叫准入控制以语音业务为主的呼叫准入控制决定是否接受新用户呼叫是相当简单的问题,在基站有可用的资源时即可满足用户的要求。在CDMA系统中,使用软容量的概念,每个新呼叫的产生都会增加其他所有现有呼叫的干扰电平,从而影响整个系统的容量和呼叫质量。因此,以适当的方法控制接入网络的呼叫显得尤为重要。第三代及未来移动通信系统要求支持低速话音、高速数据视频等多媒体业务,因此呼叫准入控制也就变得较为复杂。未来移动通信系统中呼叫准入控制的要求是在判决过程中,使用网络计划和干扰测量的门限,任何新的连接不应该影响覆盖范围和现有连接的质量整个连接期间,当新连接产生时,呼叫准入控制利用来自负荷控制和功率控制的负荷信息估计上、下行链路负荷的增加,负荷的改变依赖于质量和流量等参数,若超过上行或下行链路的门限值,则不允许接入新的呼叫。呼叫准入控制算法给出传送比特速率、处理增益、误码率BER、无线链路发起质量参数、信噪比Eb/NO和信干比S取。呼叫准入控制管理承载映射、发起强制呼叫释放、强制频率间或系统间的切换等功能。目前正在研究的呼叫准入控制算法主要有以下几类交互式呼叫准入控制算法;基于QoS的呼叫准入控制算法,该算法对接入的呼叫业务进行分类,如分为4 基于HSDPA系统的分组调度算法研究实时业务和非实时业务,然后再分别对其执行不同的呼叫连接;基于等效带宽的呼叫准入控制算法;基于功率的呼叫准入控制算法基于容量的呼叫准入控制算法;分布式呼叫准入控制算法等。功率控制功率控制的目的是在为每个用户提供可以接受的服务质量的同时尽可能地减少对其它用户的干扰。常见的功率控制技术有三种类型开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。开环功率控制的基本原理是根据用户接受功率之积为常数的原则,先进行测量接受功率的大小,并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用户的初始发射功率,或用户接受功率发生突变时的发射功率调节。闭环功率控制通过对接收功率的测量及其与信干比门限值的对比,确定功率控制比特信息,然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端,并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过接收误帧率的计算,确定闭环功率控制所需的信噪比门限。.切换控制切换技术是指移动用户终端在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区内或者脱离一个移动交换中心MSC的服务区进入另一个MSC服务区内,以维持移动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高移动通信系统的容量和QoS。切换技术一般分为硬切换、软切换、更软切换、频问切换和系统间切换。切换技术主要是以网络信息信号质量的好坏、用户的移动速度等信息作为参考来判断是否应执行切换操作。除了以上给出的切换技术外,正在研究的切换技术基于信道复用和基于用户位置的切换。未来移动通信系统中切换技术与移动性管理结合得越来越紧密,由于未来移动通信系统的核心网为P网,这势必会给移动用户的切换带来新的问题和挑战。现有的切换算法针对蜂窝移动通信系统设计,而Intemet协议开始并不是针对无线通信环境所设计,要使得未来移动通信系统中切换技术得以实现,就必须对现有的切换技术进行修改。ⅢTF在移动性管理方面做了许多工作,提出并制订了一些相关的标准如宏移动Macro.mobility和微移动Micro-mobility的标准。负载控制无线资源管理功能的一个重要任务是确保系统不要过载,保持系统运行的稳定。如果系统规划适当,分组调度和接入控制就能工作得很好,过载的情况就能避免。但是,如果遇到了过载的情况,负载控制功能将系统迅速返回到无线网络规划定义的目标负荷值。分组调度未来移动通信系统的主要特征之一是存在大量的非实时性分组数据业务。因为不同用户有不同速率,一个基站内所有用户速率总和往往会超过基站拥有频带第一章绪论所能传输的信道容量,因此,必须要有调度器Scheduler在基站内根据用户QoS要求,判断业务的类型以便分配信道资源给不同的用户。最近调度技术开始与其他技术相结合,如调度技术和软切换技术相结合,调度技术和功率控制整合,软切换技术和呼叫准入控制技术相结合等,且调度技术也扩展至实时性数据Real-time data,提出了新的应用。另外,为了在Intemet中提供QoS,如IntServ或DiffServ服务,调度技术也起重要的作用。1.3.1拥塞与拥塞控制机制1.3队列管理概述当网络中存在过多的数据包时,网络的性能就会下降,这种现象称为拥塞。拥塞导致的直接后果是端到端延迟加大,分组丢失率增加,甚至有可能使整个系统发生崩溃。图1.2描述了这种现象。吞吐量负载图1.2 网络负载与吞吐量之间的关系当负载较小时,吞吐量的增长和负载相比基本成线性关系,延迟增长缓慢;在负载超过膝点后,吞吐量增长缓慢,延迟增长较快;当负载超过崖点之后,吞吐量急剧下降,延迟急剧上升。通常将膝点附近称为拥塞避免区间,膝点到崖点之间是拥塞恢复区间;崖点之外是拥塞崩溃区间。可以看出,负载在膝点附近时,网络的使用效率最高。拥塞控制机制包括两种策略拥塞避免和拥塞控制。拥塞避免是网络节点采取措施避免拥塞的发生或者对拥塞的发生做出反应,使网络运行在膝点附近,能够达到较大的有效吞吐量,避免发生拥塞现象;拥塞控制是使网络运行在崖点的左侧区域。拥塞避免是一种“预防”措施,使网络保持在高吞吐量、低延迟的状态,避免拥塞发生;拥塞控制是一种“恢复”措施,使网络从拥塞中恢复过来,进入正常的工作状态。在路由器中可以采用的拥塞控制机制主要包括分组调度和缓存队列管理。队
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