3G LTE上行无线资源管理关键技术的研究

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。