LTE通信系统中下行链路调度算法研究

发布时间：2018-11-10 07:37

【摘要】：长期演进(Long Term Evolution, LTE)是目前全球最流行的第四代通信标准。它的产业化应用,标志着全球宽带移动通信时代的到来。作为第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership project,3GPP)为了迎接无线互联网浪潮而提出的重要通信标准,LTE通信系统较之以往的通信系统具有两点重大改变：一是网络架构扁平化——基站成为无线网络接入侧唯一节点网元；二是传输方式网络协议(Internet Protocol, IP)化——采用基于IP数据包结构的纯分组域交换。第一项改变降低了控制面延迟,并强化了基站在下行链路控制中的决定性地位；第二项改变统一了语音和数据业务的传输格式与交换方法,从而提高了交换效率。这两项根本性改变使得现有大部分调度算法将不再适用于LTE通信系统。然而,由于下行链路调度算法显著地影响通信系统性能,因此如何在LTE通信系统中设计保证业务服务质量(Quality of Service, QoS)的下行链路调度算法成为亟需解决的热点问题。 LTE中调度的概念随着多输入多输出天线技术(Multi-Input Multi-Output, MIMO)以及正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA)技术的引入,从传统通信系统中的“时域调度”演进为“时、频域调度”。因此,LTE中调度算法不仅需要确定被服务业务的优先级,还需要决定如何分配系统资源,以及接收端的运行参数配置等。为了提高调度算法的效率,LTE定义了各协议层信息传递至位于媒体访问控制层(Media Access Control, MAC)调度器的接口和信令,使得跨层调度成为可能。对此,LTE中下行链路调度算法具有考虑信息维数多、实时性要求高等特点。目前,3GPP并没有对LTE中采用的调度算法进行标准化。这是因为不同网络负载下调度算法可能表现出截然不同的性能,所以需要对特定的通信场景进行有针对性地设计和优化。本论文针对单用户通信场景、多用户通信场景以及配置了LTE非连续接收(Discontinuous Reception, DRX)模式的通信场景分别对LTE下行链路调度算法展开了研究,提出了相应的创新性解决机制,并通过详细的理论分析和计算机仿真对所提算法的性能进行了验证。本论文的主要工作和创新点包括三个方面,总结如下：一、基于高速铁路实际通信场景提出了一种适用于LTE单用户通信系统下行链路调度算法。首先对高速铁路通信场景下的MIMO信道进行仿真研究,获得了信道相关性以及遍历容量等特性,从而确定高铁通信场景中MIMO工作模式。然后提出了一种在保证语音业务优先级的前提下保证业务间公平性的时域调度算法。其次,基于单用户通信场景特殊性以及高铁MIMO信道特点,提出了一种考虑LTE标准限制的频域调度算法,此算法经证明可获得较高频谱利用率。为了便于实现,还提出了一种次优的频域调度算法。二、提出了一种将流量预测与多用户调度相结合的调度算法。首先,提出了一种新的调度器时序结构,利用该时序结构可以将流量模型搭建、队列长度预测以及调度决策有机结合起来。其次,提出了一种短时间内构建流量模型的方法,可以有效捕捉移动互联网流量的波动特性。再次,提出了一种基于短时间数据包到达率观测,预测流量趋势以及缓存队列长度的算法。在此算法基础上,提出了一种最小化平均队列长度以及溢出概率并最大化系统吞吐量的时域调度算法。此外,还提出了一种在LTE标准限制下利用多用户分集获得较高频谱效率的频域调度算法。三、首次将自相似流量模型引入LTE DRX调度领域,并提出评估LTE DRX在此流量下节能性能和延迟的理论模型。接着,提出在通信过程中对此理论模型中关键参数进行无偏估计的方法,从而实现对LTE DRX的性能的实时估计。在此基础上,提出了一种在线优化LTE DRX参数配置的调度算法。本文所提算法以及理论模型均经过计算机仿真验证。
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【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.5

【参考文献】