LTE系统资源动态分配算法研究

摘要

近年来随着无线接入技术的进步，无线多媒体应用（例如语音电话，网页浏览，视频电话和视频流等）变得越来越广泛，通常这些应用对于延时和带宽有着严格的要求，然而无线信道是随机变化的，这就给蜂窝网的设计带来了新的挑战。为了解决这些问题，3GPP启动了长期演进系统(LTE)，这项技术对于4G网的发展具有里程碑式的重要意义。LTE的一个重要特性是对资源进行优化调度以提高系统性能，包括综合考虑信道状况和服务质量（QoS）来为多个用户分配时域资源和频域资源。目前，3GPP并没有标准化LTE中的资源调度算法，因为不同网络负载下资源调度算法的性能不同，所以需要对特定的场景进行针对性的设计。本文研究了LTE系统环境中的资源优化问题，主要研究工作概括如下:
　　1)在LTE上行资源调度算法中，用户设备(UE)缓存数据量的大小是通过缓存状态报告（BSR）帧格式中的缓冲区大小索引字段来表示的。BSR具有一定的滞后性并且汇报精度较低，因此会造成资源的浪费。为了提高系统资源的利用效率，本文提出了一种精细BSR汇报算法。对较大索引值所对应的缓冲区大小进行细化，将其分别设置成一个带有64个索引值的二代表，再通过媒介访问控制(MAC)单元子头部中的一个预留比特位来指定是否需要查询二代表。通过一定的映射规则，更加精细的反映了UE上行缓存状态信息。实验结果显示本文算法在不需要增加额外信令开销的前提下，减小了BSR的汇报误差，提高了无线资源调度的效率，有效地改善了系统资源利用率。
　　2)在LTE下行资源调度系统中，为满足不同用户的QoS需求，本文在综合考虑用户队列的优先级和资源块(RBs)容量的基础上，提出了一种基于缓存的自适应资源调度方案以最大化系统吞吐量。首先，运用大偏差原理计算队列溢出概率，根据剩余生命时间值和队列溢出概率确定用户队列优先级。然后，根据用户优先级提出一种基于在线测量的方法动态分配RBs来调整用户队列的服务率以避免队列溢出，同时满足QoS需求。该在线算法基于对系统的观察来估计队列的溢出情况，并不需要有关网络的先验知识。仿真结果显示，相对于其他传统调度算法，本文所提出的算法在保证用户公平性和降低平均比特丢失率的同时提高了系统的吞吐量。
　　3)在LTE多播环境下，通过可伸缩视频编码(SVC)技术为每一个视频层分配调制编码方式(MCS)，使得信道状况好的用户可以接收到更高的视频质量，同时确保信道状况差的用户可以获得基本的视频质量。本文通过为不同的视频会话层挑选MCS、传输功率和RBs最大化所有用户可接收到的总体视频质量。在单个会话环境下，运用动态规划为每一层分配MCS和功率，并通过次梯度算法更新拉格朗日因子将原问题转化为对偶问题，求出最优解。基于单个会话的优化结果，在多个会话环境下，通过动态规划的方法为每一个视频会话分配RBs。数值仿真结果验证了本文所提算法的有效性。
　　4)在LTE可伸缩视频单播环境中，本文提出了一种基于比例公平的优化算法来最大化系统吞吐量。在SVC视频传输过程中，通过资源优化调度，确保所有视频会话的基本层数据都能够得到传输，并对增强层数据进行比例公平的调度。该资源优化问题是一个双凸函数，为了降低算法复杂度，将目标函数模型分成两个子问题模型:功率分配模型和RBs分配模型。再根据块坐标下降算法进行资源调度，结果收敛到一个近似最优解。实验结果表明本文所提算法在保证公平性的条件下使得系统吞吐量最大化。

目录

声明

摘要

插图索引

算法索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 LTE系统概述

1．1．2 LTE系统资源调度概述

1．2 研究现状

1．2．1 LTE系统中上行资源调度

1．2．2 LTE单播环境中下行资源动态分配

1．2．3 LTE多播环境中资源动态分配

1．3 本文的工作

1．4 本文的组织结构

第二章 相关优化理论

2．1 大偏差原理

2．2 动态规划理论

2．2．1 动态规划基本概念与原理

2．2．2 多维动态规划模型

2．3 次梯度算法

2．4 块坐标下降算法

2．5 小结

第三章 LTE系统中上行资源动态分配

3．1 引言

3．2 LTE系统上行资源调度过程

3．3 基于BSR算法改进的上行资源优化调度方案

3．4 实验与性能评估

3．4．1 实验设置

3．4．2 实验结果及分析

3．5 小结

第四章 LTE系统中下行资源动态分配

4．1 引言

4．2 系统模型

4．2．1 LTE下行资源调度系统架构

4．2．2 基本数学模型

4．3 基于大偏差原理的队列优化控制策略

4．3．1 优先级确定问题

4．3．2 基于在线测量动态分配资源

4．4 实验与性能评估

4．4．1 实验设置

4．4．2 实验结果及分析

4．5 小结

第五章 LTE系统中可伸缩视频多播环境下资源动态分配

5．1 引言

5．2 系统模型

5．2．1 基于SVC的下行系统架构

5．2．2 基本数学模型

5．3 基于动态规划算法的下行资源优化设计

5．3．1 单个会话环境下视频层MCS与功率的选择

5．3．2 多个会话环境下RBs分配

5．4 实验与性能评估

5．4．1 实验设置

5．4．2 实验结果及分析

5．5 小结

第六章 LTE单播环境中基于比例公平的下行资源动态分配

6．1 引言

6．2 系统模型

6．2．1 基于比例公平算法的LTE下行资源调度系统架构

6．2．2 基本数学模型

6．2．3 最优功率分配模型

6．2．4 最优RBs分配模型

6．3 基于块坐标下降算法的下行资源优化设计

6．4 最优方案的结构和特性

6．4．1 最优功率分配策略结构

6．4．2 最优RBs分配策略结构

6．5 实验与性能评估

6．5．1 实验设置

6．5．2 实验结果与分析

6．6 小结

第七章 总结与展望

7．1 本文总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果