3G長期演進系統(tǒng)中調(diào)度算法和干擾抑制技術研究.pdf

1、為了滿足人們對高速率移動數(shù)據(jù)業(yè)務的需求,第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)組織推出了無線接口長期演進(Long Term Evolution,LTE)項目。LTE系統(tǒng)中引入了正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)、調(diào)度和資源分配、多輸入多輸出(Multiple Input, Multiple

2、Output,MIMO)傳輸模式以及干擾協(xié)調(diào)等關鍵技術,以實現(xiàn)更高的峰值數(shù)據(jù)速率、更低的傳輸時延、更高的系統(tǒng)容量以及更大的覆蓋范圍。然而,在遵循LTE協(xié)議標準的前提下,提升系統(tǒng)性能仍然面臨著如何合理地利用這些關鍵技術的問題,比如:如何有效地調(diào)度用戶和完成資源分配、如何合理地控制用戶的發(fā)射功率等。另一方面,基于正交多址接入技術可以有效地避免同一小區(qū)內(nèi)不同用戶之間的干擾,但是不能消除小區(qū)之間的干擾。然而,小區(qū)間干擾是限制多小區(qū)系統(tǒng)性能的主要

3、因素,尤其限制著小區(qū)邊緣用戶的性能。
　　本論文針對這些問題進行了深入而廣泛的研究,主要創(chuàng)新點可歸納為如下內(nèi)容:
　　1.研究了LTE下行系統(tǒng)中高速用戶和低速用戶共存的場景中用戶速度分類、用戶調(diào)度和資源分配、傳輸模式選擇問題。在LTE下行系統(tǒng)中,基站端通常根據(jù)用戶所反饋的信道信息對用戶進行調(diào)度和資源分配。對于低速用戶,由于其可以反饋準確的信道信息,因此可以利用頻率選擇性調(diào)度( Frequency Selective Sche

4、duling, FSS)方法為低速用戶分配信道條件好的資源。對于高速用戶,在給定的符合LTE系統(tǒng)的反饋時間間隔內(nèi),其反饋的信道信息相對不準確,基于這些不準確的信道信息利用頻率選擇性調(diào)度方法為高速用戶分配資源勢必會造成高速用戶性能的損失。因此,通常采用頻率分集調(diào)度(Frequency Diversity Scheduling, FDS)方法把整個系統(tǒng)帶寬資源或者系統(tǒng)帶寬上一些分布均勻的頻率資源集分配給高速用戶,保持其獲得穩(wěn)定的性能增益。因

5、此,本文首先研究高速用戶和低速用戶共存的場景中高低速用戶的分類方法、高低速用戶的調(diào)度方法和合理的資源分配方案以及高低速用戶傳輸模式的合理選擇方法,來提升系統(tǒng)的性能,具體為:
　　1)針對高、低速用戶共存的場景中采用相同的調(diào)度方法和資源分配方案會造成系統(tǒng)性能損失的問題,提出了一種聯(lián)合頻率分集和多用戶分集調(diào)度方法。該方法首先利用用戶反饋的信道質(zhì)量指示(Channel Quality Indicator, CQI)信息對用戶的速度進行分

6、類,然后分別利用頻率分集調(diào)度方法和頻率選擇性調(diào)度方法調(diào)度高速和低速用戶。對用戶的速度分類時,首先采集給定時間段內(nèi)用戶反饋的 CQI信息、計算 CQI方差的大小并對不同時間段的計算值做平均,然后和給定的方差閾值作比較,完成對用戶速度的分類。在調(diào)度用戶時,首先基于 FSS確定整個系統(tǒng)帶寬內(nèi)每個頻率資源塊上最優(yōu)的低速用戶,然后用 FDS確定頻率分集資源集(Frequency Diversity Resource,FDR)上的最優(yōu)高速用戶。如果

7、高速用戶在FDR上的調(diào)度準則值之和高于這些FDR中各頻率資源塊上最優(yōu)低速用戶的調(diào)度準則值之和,可以帶來系統(tǒng)性能的增益,則將這些FDR分配給高速用戶,從而確定所有頻率資源塊的最終分配結(jié)果。由于算法同時保證了低速用戶的頻選增益和高速用戶的頻率分集增益,明顯提升了系統(tǒng)的性能;所提出的調(diào)度算法的計算復雜度和FSS算法相當;在對用戶速度分類時,有效地利用了用戶所反饋的信息,簡單有效,便于系統(tǒng)的實際應用。
　　2)針對信道延遲擴展影響基于CQ

8、I的用戶速度分類算法分類準確度的問題,首先提出了一種改進的穩(wěn)健的用戶速度分類方法,并將其擴展到MIMO系統(tǒng)。該方法利用符號函數(shù),把大于給定閾值的 CQI方差值記為一個固定值,把小于閾值的 CQI方差值記為零,然后將不同時間段內(nèi)的方差值進行平均得出最后的結(jié)果;在向MIMO系統(tǒng)擴展時,根據(jù)CQI的計算機制,首先把用戶反饋的每個時頻資源上的多個空域 CQI值換算為對應的信干噪比(Signal-to-Interference plus Nois

9、e Ratio, SINR)值,然后根據(jù)系統(tǒng)容量相等的原則將這幾個SINR值等效為一個總的SINR值,最后再將這個總的SINR值換算為等效的CQI,并計算CQI方差進行用戶速度分類。為了進一步降低調(diào)度算法的復雜度和信令開銷,還提出一種改進的調(diào)度算法。該方法基于比例公平算法準則調(diào)度用戶,在計算用戶的比例公平準則時,高速用戶的數(shù)據(jù)速率采用其在整個系統(tǒng)帶寬上的平均數(shù)據(jù)速率,而低速用戶的數(shù)據(jù)速率則采用其在每個頻率資源塊上的數(shù)據(jù)速率。所提出的調(diào)度

10、算法在調(diào)度用戶時,對高速用戶采用平均數(shù)據(jù)速率,保證了其性能的穩(wěn)定性;對低速用戶采用瞬時速率,保證了其獲得頻率選擇性增益;所提出的用戶速度分類算法,減小了信道延遲擴展所造成的CQI方差值的差異,簡單有效、便于系統(tǒng)的實際應用。
　　3)針對不同的MIMO傳輸模式和調(diào)度方法會影響系統(tǒng)性能的問題,提出了一種綜合考慮高、低速用戶傳輸模式選擇和調(diào)度策略的方法。該方法首先讓所有用戶基于開環(huán)空間復用模式傳輸,采集用戶反饋的 CQI信息,進行用戶速

11、度分類;其次,讓高速用戶采用開環(huán)空間復用模式傳輸且低速用戶采用閉環(huán)空間復用模式傳輸,并基于比例公平調(diào)度算法對所有的用戶進行調(diào)度。計算用戶的比例公平準則時,高速用戶的數(shù)據(jù)速率采用其在整個系統(tǒng)帶寬上的平均數(shù)據(jù)速率,低速用戶的數(shù)據(jù)速率采用其在每個頻率資源塊上的瞬時數(shù)據(jù)速率。所提出的算法有效地利用了MIMO技術傳輸模式,保證了不同用戶在空域上的性能增益;在調(diào)度時同時保證了高速用戶和低速用戶的性能增益,在很大程度上提升了系統(tǒng)性能。
　　2.

12、研究了LTE上行多小區(qū)系統(tǒng)中通過協(xié)作調(diào)度和功率控制來進行干擾抑制的問題。多小區(qū)系統(tǒng)中,小區(qū)間干擾是限制系統(tǒng)性能的主要因素。在LTE下行多小區(qū)系統(tǒng)中,干擾來自于一些位置固定的基站。當所有小區(qū)在整個系統(tǒng)的頻率資源上采用平均功率分配時,用戶的選擇和調(diào)度對小區(qū)間干擾的影響不大。和下行系統(tǒng)不同,LTE上行系統(tǒng)中,干擾來自于不同的用戶,因為不同的用戶在小區(qū)中的位置以及功率配置不同,用戶的選擇和調(diào)度在很大程度上會影響小區(qū)間的干擾,從而影響系統(tǒng)的性能。

13、通常,多小區(qū)之間的協(xié)作可以有效地抑制干擾,通過在不同小區(qū)之間共享用戶的信道信息、用戶的調(diào)度和資源分配信息以及功率配置信息,可以合理地對小區(qū)中的用戶進行調(diào)度并配置其傳輸功率,從而有效地抑制干擾和提升系統(tǒng)性能。因此,本文通過研究LTE上行多小區(qū)系統(tǒng)中的用戶調(diào)度和資源分配方法以及用戶的功率控制策略來提高系統(tǒng)的性能,具體為:
　　1)針對多小區(qū)系統(tǒng)性能受小區(qū)間干擾影響而嚴重受損的問題,提出了一種協(xié)作調(diào)度方案。該方法首先將小區(qū)分簇,簇內(nèi)小區(qū)

14、共享資源分配信息和功率信息,簇外小區(qū)不共享信息;通過計算簇內(nèi)小區(qū)干擾信息和估計簇外小區(qū)干擾信息來調(diào)度用戶和分配資源。調(diào)度用戶時,考慮簇內(nèi)各小區(qū)中用戶的公平性及各小區(qū)間的公平性,通過引入公平性調(diào)節(jié)參數(shù)來調(diào)度用戶。仿真結(jié)果表明,所提出的算法性能優(yōu)于單小區(qū)調(diào)度算法和已有的多小區(qū)調(diào)度算法,大大提升了系統(tǒng)平均吞吐量和小區(qū)邊緣用戶吞吐量。
　　2)針對多小區(qū)系統(tǒng)的性能受限于小區(qū)間干擾的問題,提出了一種聯(lián)合協(xié)作調(diào)度和功率控制方案。該方法分步執(zhí)行

15、小區(qū)間的協(xié)作調(diào)度和功率控制,首先調(diào)度各小區(qū)中的用戶,在此基礎上優(yōu)化用戶的發(fā)射功率。調(diào)度時首先估計小區(qū)間的干擾信息并分配頻率資源塊給每個小區(qū)內(nèi)的用戶,在優(yōu)化用戶的發(fā)射功率時,同時考慮由于用戶功率改變所造成的目標小區(qū)和其他干擾小區(qū)性能的變化。為了降低計算復雜度,還提出了一種低復雜度功率控制方案,在優(yōu)化目標小區(qū)用戶的功率時,只考慮受目標小區(qū)干擾影響最大的幾個小區(qū)性能的變化,其他干擾小區(qū)性能的變化則通過引入補償因子來估計。所提出的算法在優(yōu)化協(xié)作