3G LTE上行无线资源管理关键技术的研究

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移动通信的高速发展,以及移动网络和互联网的加速融合,使得移动网络宽带化的需求日益迫切。在这种需求的驱动下,第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Proiect,3GPP)在第三代移动通信(3rd Generation,3G)的基础上,提出了其长期演进系统(LongTerm Evolution,LTE),以提供更高的带宽、更低的时延,以及更好的服务质量(Quality of Service,QoS)保障。3G LTE最重要的改进在于采用全新空中接口技术,其中单载波频分多址(Single Carrier-Frequency Divistion Multiple Access,SC-FDMA)和虚拟多入多出(Virtual Multiple Input Multiple Output,Virtual MIMO)是LTE上行链路中最重要的两种新型技术。SC-FDMA技术不仅实现简单,而且能够有效克服无线通信信道的多径效应引起的符号间干扰。相比正交频分多址(Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access,OFDMA)技术,采用SC-FDMA技术的终端具有较低的发射峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)。同时,虚拟MIMO技术则可以在充分利用现有频谱资源基础上,大大增加系统信道容量。当采用这两种技术时,系统具有空、时、频三维可用资源,所以可以更充分地利用无线信道的时变衰落特性和多用户分集增益,通过先进的无线资源管理技术,提高系统容量,满足各个用户的QoS需求。因此,本文把针对这两种技术的无线资源管理作为研究的重点,在如下四个方向提出了相应的技术方案:方向1:对于SC-FDMA系统,邻小区共道干扰是限制其性能的瓶颈之一,本文提出了一种抑制邻小区干扰的分布式功控调度算法。各小区基站独立地进行用户调度和功控,从而避免了多小区联合调度带来的高复杂度。仿真结果表明该算法可以降低小区间干扰,提高系统吞吐量,并且可以提供一定的公平性保障。方向2、3:当采用虚拟MIMO时,如何利用用户配对所得虚拟MIMO信道矩阵特性,增大系统吞吐量,是提升系统性能的关键。在虚拟MIMO无线资源管理中,用户配对调度有2种方式:1)根据与虚拟MIMO信道无关的某种调度算法先调度一个用户,然后选择与该用户配对信道容量最大的用户形成虚拟MIMO,这种方案较为简便,但不便于提供QoS保障。对此,本文提出的算法将待配对用户按照信噪比(Signal To Noise Ratio,SNR)高低分为两组,各组有自己相应的配对准则,用户配对优先在SNR相近的用户组内进行,同时,提供跨组配对边际效用函数,以便最大化利用多用户分集。仿真结果表明,该算法在提供较高系统吞吐量的同时,为低SNR用户提供了一定的公平性保障。2)调度算法与虚拟MIMO配对结合,在所有可能的用户配对方案中,寻找配对后效用函数最大的用户组合进行调度,这种方案便于和QoS保障机制结合,但是实现相对复杂。对此,本文结合3G LTE中实时业务QoS时延需求,提出了一种将用户无线链路控制(RadioLink Control,RLC)层待传队列时延和物理层SC-FDMA、虚拟MIMO信道衰落特性联合考虑的跨层调度算法。仿真结果表明,该算法既能保障用户QoS时延需求,又能提供一定的公平性。方向4:当采用方向3类型的虚拟MIMO调度时,遍历查找最优用户配对组合计算复杂度非常高。本文提出了一种降低调度复杂度的改进方案。首先求解各用户在单输入多输出方式下的调度因子,并将调度因子较大的用户组成一个群体。然后以此群体作为优选初始群体,利用遗传算法寻找最佳配对组合;或者直接在此群体内遍历搜索最优用户配对组合。仿真结果表明,利用遗传算法方案,可以取得逼近全局遍历搜索的调度效果;而局部群体遍历搜索算法虽然调度精度低于遗传算法,却可以进一步降低计算复杂度。实际系统中可以根据精度和计算复杂度需求,选择相应的方案。
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