LTE系统中资源分配算法的研究Word下载.docx
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3GPPLTE的最大特点在于采用了全新的空中接口以及OFDM（正交频分复用）技术。
也正是因为OFDM技术的高频带利用率和强抗多径干扰能力而被众多研究者广泛探讨。
无线信道中，由于频率选择性衰落特性，不同的子信道会受到不同的衰落，应用到LTE系统中的资源分配能够根据用户的信道质量调整相应子信道分配和功率分配，利用有限的资源优化系统性能。
因此，作为提高系统性能的重要手段，LTE系统资源分配得到了广泛关注，是当前LTE研究领域的热点之一。
本文首先介绍了LTE系统资源分配特点及OFDM技术、帧结构、AMC技术原理，然后简单分析各项技术对LTE系统资源分配带来的具体影响，并在此基础上详细分析了LTE系统单小区资源分配原理。
最后，针对目前较为先进的保证用户QoS满意度的公平算法（UserSatisfactionGuaranteedFair，USGF）提出了改进方案，并以小区吞吐量及用户满意度为性能指标进行了仿真分析。
与USGF算法相比，改进方案有效提高了小区吞吐量及用户满意度。
【关键词】LTEOFDM资源分配吞吐量用户满意度
ABSTRACT
The3thGenerationPartnershipProject（3GPP）launchedLongTermEvolutionProject（LTE）officiallyat2004.3GPPLTEischaracterizedbyanewairinterface,aswellasOFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）technology.PreciselybecauseofthehighfrequencybandutilizationofOFDMtechnologyandstronganti-multipathinterferencebymanyresearcherswidelydiscussed.
Wirelesschannel,frequencyselectivefadingcharacteristicsofthedifferentsubchannelswillbesubjecttodifferentfading,theallocationofresourcesappliedtotheLTEsystemcanadjustthecorrespondingsubchannelallocationandpowerallocationbasedonuserchannelquality,theuseoflimitedresourcestooptimizesystemproperties.Therefore,asanimportantmeanstoimprovesystemperformance,resourceallocationoftheLTEsystemwideattention,isoneofthehotspotsoftheLTEresearchareas.
ThispaperfirstintroducesthecharacteristicsoftheresourceallocationandtheOFDMtechnologyoftheLTEsystem,framestructure,theAMC,MIMO,technicalprinciples,thenasimpleanalysisofthespecificimpactontheallocationofresourcesintheLTEsystem,andonthisbasis,adetailedanalysisoftheLTEsystem,asinglecellresourcesallocationprinciple.
Finally,forthemoreadvancedtoensuresatisfactionoftheuserQoSfairnessalgorithm（UserSatisfactionGuaranteedFair,USGF）improvementprogram,asimulationanalysisandcellthroughputandusersatisfactionperformanceindicators.ComparedwiththeUSGFalgorithm,theimprovedschemenotonlyreducesthecomplexityofthealgorithm,whileimprovingcellthroughputandusersatisfaction.
【Keywords】LTEOFDMresourceallocationthroughputusersatisfaction
前言
早在1897年，马可尼在陆地和一只拖船之间用无线电进行了消息传输，成为了移动通信的开端。
至今，移动通信已有100多年的历史，在这期间移动通信技术日新月异，从1978年的第一代模拟蜂窝网电网系统的诞生到第二代全数字蜂窝网电话系统的问世，现如今第三代个人通信系统的方案和实验均已开始逐步完善。
在2G时代，电话的使用仅仅是用来满足基础话音业务。
可是伴随着3G时代的到来，CDMA2000，WCDMA,以及我校学生都熟悉的TD-SCDMA技术，将移动通信和数据通信相结合，使之可以支持更多的多媒体业务，例如在线网络游戏、视频点播、在线音乐收听下载和移动电视等等。
但遗憾的是，3G及其核心技术几乎被某些公司垄断，如果要进行开发利用就不得不付出高昂的费用。
显然厂商和运营商是不愿意这样的。
穷则思变，市场迫切需要一种新的技术出现来改变这种局面。
与此同时，众多非传统运营商也看到了移动通信市场的巨大潜力和诱惑，纷纷加入想要分得一块蛋糕。
僧多粥少，唯有加快网络演进，加大用户满意程度，才能稳稳立足于移动通信市场。
然而众所周知，用户在价格方面的要求十分敏感。
因此在低廉的前提下，运营商要做到全网无缝覆盖，随时随地，甚至是高速移动的环境下，要求无线接入速度能达到1Mbps，而系统传输延迟不得高于20ms。
现有的网络是远不能达到这样的条件的，因此必须有新的空中接口技术及网络结构来改变这一状况。
3G的无线接入技术过于复杂，没有新兴无线接入方案如WiFi、WiMAX等等有优势。
在比特成本、无线频谱利用率和传输时延等方面的低效，也让3G接入技术在移动性和QoS方面的优势显得不那么明显。
故而在4G出现之前（2015年），在这段空窗期期间内，必须有一个突破性的空中接口以及无线接入网络标准来满足市场需要。
于是，2004年长期演进（LTE，LongTermEvolution）计划正式批准立项。
2005年3月到2006年6月为SI（StudyItem）阶段，完成可行性研究报告；
2006年6月到2007年6月为WI（WorkItem）阶段，完成核心技术的规范工作。
在2007年中期完成LTE相关标准制定（3GPPR7），在2008年推出商用产品。
LTE是当一前主流的无线通信技术，由3GPP于2004年正式提出。
3GPP原先计划2008年开始展开IMT-Advanced的标准化制定工作，并直接从3G演进到IMT-Advanced，中间并没有LTE的位置。
但是，由于采用正交频分复用技术（OFDM）的全球微波接入互操作（WIMax）迅速脱颖而出导致3GPP为了保持其在移动领域的优势地位放弃原先的时间计划，立即展开LTE标准化制定工作。
TSGRAN工作组负责3GPP无线接入网标准化的制定工作，历经研究项目（SI）和工作项日（WI）两个阶段后正式于2008年底发布了LTER8版本。
作为基础版本，LTER8规定了其系统框架、性能需求及关键技术，目前LTER8版本己经冻结且较为成熟。
因此，本文选用LTER8版本作为研究依据，对目前正在进行的LTER9版本中提及的系统性能及关键技术不做讨论。
由于LTE系统采用OFDM技术，因此，对于LTE系统资源分配问题，国内外大部分的研究方式是直接将OFDM系统资源分配研究成果应用于LTE系统。
然而，作为个完整的具有专属标准结构的无线通信系统，LTE在物理层以及空中接口协议结构中均具备其自身的技术特点及性能指标要求，使得LTE系统资源分配必然会有其独特性，并不能完全拷贝于OFDM系统。
本文通过对OFDM系统资源分配算法的深入研究，分析LTE自身特点及关键技术，特别将这些特点、关键技术对资源分配的影响方式进行总结，提出了适用于LTE单小区及多小区情况的资源分配算法，以补充国内外在这方面的研究。
3GPP的长期演进（LTE）项目是对包括核心网在内的全网的技术演进。
它使用VoIP技术来实现话音业务。
LTE的主要组成部分可分为：
无线接口部分，无线网络结构部分。
相较之前的系统，LTE主要是针对分组业务的实现，因此系统从整体架构上来说是基于分组交换。
LTE是近来3GPP执行的最大最新的技术研发项目。
现代社会对通信质量的要求以惊人的速度不断提点播、在线音乐收听和下载、移动电视等等数据业务成为现代通信主流业务。
与之呼应的个人通信设备的智能化、微型化、多样化，也促使实时通信和多媒体娱乐成为未来通信的发展趋势。
第一章绪论
第一节移动通信的发展
AntonioMeucci于1860年在纽约首次向公众展示电话发明，经过近百年的历程，第一个电话系统在1940年末问世，直到70年代末“蜂窝系统”进入通信领域。
从第一代通信系统到全球移动通讯系统GSM（GlobalSystemforMobileCommunications，全球移动通讯系统），移动通信系统的运营经历着飞速的发展。
虽然二代网络系统中解决了很多一代中存在的缺陷，而且数据速率上限到达144Kbps，但对于数据速率的需求，仍无法满足用户。
为了满足用户对数据速率的需求。
现在正在建设的3G网络在速率上已可以提供至少144kbps的车辆移动通信、384kbps的行人通信、卫星移动环境9.6kbps以及固定地点达到2Mbps的通信，可以提供最高数据速率达8~10Mbps，并且带宽也可达5MHz以上的要求[1]。
整个移动通信的发展从起初的模拟到数字，再到称之为准宽带移动通信的第三代移动通信。
通信的方式上已打破有线通信一统天下的格局，实现了在空间环境中的无线传输。
从用户需求的发展趋势中发现，现有的3G和3.5G已不能满足进一步发展的需求。
人们需求在不断的增加，鉴于之前通信发展标准的不统一性，所以下一代通信系统设计上要和国际规范保持一致性，加快当前技术进一步优化以及后续技术的开发研究。
现有网络系统的不同标准给实际应用中带来的诸多不便使得推动通信变革的通信标准格局之争将延续下去，也许整个移动通信系统的应用模式也会随之改变。
ITU目前初定的标准有UMB（UltraMobileBroadband，超移动宽带）、LTE（LongTermEvolution，长期演进）、WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球互通微波存取），都被称之为准4G技术。
以上三项系统存在着共同点，都采用OFDM/OFDMA（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，正交频分复用多址）和MIMO技术（Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出）来提高频谱利用率，因此确定了OFDM/OFDMA和MIMO的核心技术地位。
LTE是在2004年底，国际标准化组织3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）启动长期演进技术的标准化工作，并且确定其作为第三代移动通信系统演进的工作定位。
3GPPLTE演进路线是沿着GSM和WCDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess，宽带码分多址）的技术路线，但是已经不再支持CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多址）。
WiMAX是一种定位更为复杂的蜂窝网络，其新颖的技术受到通信行业的关注。
它提供最远50米的无线传输，覆盖是3G基站的十倍，在一点对多点环境下的互操作与LTE一样是一项接近4G的技术，视为通信领域最活跃的部分之一，是下一代通信舞台上的竞争者。
UMB是专门针对无线移动环境及实时应用优化的系统，系统带宽可达20MHz，以OFDMA技术为基础，可实现高传输效率和有效支持各类业务QoS（QualityofService，服务质量）要求。
各版本的准4G技术与现有3G技术都为确立日后在通信发展中的地位展开多元竞争格局。
第二节LTE概述与发展情况
从当前3GPP[2]LTE标准化发展的角度，系统通过对协议结构的简化，网络结构的变革以及先进传输技术的采纳，已基本实现了低时延、高频谱利用率、高峰值速率及全分组的目标[3]。
在关键技术选择方面，LTE技术应用的是OFDM和MIMO技术，此技术在20世纪90年代就开始研发，发展到现在这些技术已经显示出了各自的优势，近几年被LTE这样的宽带无线移动通信系统加入并进行标准化规划。
在网络结构方面，借鉴3G网络中与空中接口相关的很多功能都应用于RNC（RadioNetworkController，无线网络控制器）中，故导致资源分配和业务不能适配信道，协议结构过于复杂，所以3GPPLTE放弃了对RNC的使用，而由eNB（EvolvedNodeB，演进型NodeB）和aGW（AccessGateway，接入网关）组成。
系统在空中接口协议方面，与空中接口相关的功能都集中在eNB，RLC（RadioNetworkControl，无线链路控制）和MAC（MediaAccessControl，媒体访问控制）都处在eNB节点，协议结构变得非常简单。
3GPPLTE分别从物理层传输，网络结构和对层2协议方面进行优化，使得达到低时延和高频谱利用率等目的。
系统还改变3G中CDMA技术的使用，采用OFDMA的多址方式，在网络架构、交换模式等方面都进行了大幅度优化，并通过增强技术性能来达到ITU（InternationalTelegraphUnion，国际电报联盟）对4G的目标要求，最终提交ITU成为4G候选提案[4]。
为回应市场需求以及多方技术竞争，LTE已改变起初的演进进程的角色定位而演变成为一次技术的革新过程。
随后与其他标准一起加速着4G的出现，同时为保护现有网络建设投入，在技术提升的过程中具备了很好的前后兼容性。
作为3GPP指定的下一代的无线通信标准，在启动第一年，项目就受到极大关注，各方也都在积极参加项目大专项，并下达最高“绿色通行证”[5]，各企业也都纷纷响应。
如大唐移动从开始就专注LTE的标准化工作的制定和相关技术的研究，中兴通信，中国普天及各大高校也加入了LTE的研究工作中，可喜的是由清华、北邮、上海交大等高校提出的多项标准提案中有7项被LTE采纳。
目前，已经有11家国外运营商有意向和中国移动建立合作TD技术的推进，中国移动正大力推进TD-LTE技术的全球化，吸引包括国际运营商、设备厂商以及第三方咨询机构等加入产业链，共同推进全球化走向。
第三节展望移动通信发展趋势
新一代无线通信的4G时代，将融合多方通信领域，是多种技术的融合。
4G利用OFDM这种机制能够避免用户在移动过程中的掉话，采用了全IP的网络架构，这种全IP的网络模式能够为每个用户分配IP在移动性、服务质量和安全性这三方面有着突出表现。
应用该架构有三个方面的链接，一是短距离的连接；
二是WLAN的连接；
三是蜂窝网的连接。
网络系统的架构进入到混合异构的形态，学科之间的相互渗透性不断加强。
现在已有研究员提出参照计算机的多核处理思路，用多模终端实现多路径的数据并发传输，有效提高逻辑带宽的方法。
同样已解决带宽问题的技术还有如智能天线、MIMO等等。
因4G技术是基于全IP的，所以可接受不同的技术支持，能够集合不同类型的数据传输和数据保护，在低成本的情况下提高吞吐量，是一项多种技术和协议的组合，并且这些技术在4G提出的其他版本中是同样被使用，这就为了以后技术的融合以及形成统一的标准奠定了基础。
现在流行的很多版本的通信系统都在向着4G的定位发展，可以说是在成就通信领域的一次革命。
4G系统的目标是为用户提供在任何时间、任何地点的高速通信，系统引入全新的接口技术，实现100Mbps的移动通信和1Gbps的固定通信。
LTE作为准4G技术倍受瞩目。
各企业对这项技术的期望非常高，希望未来的通信技术能摆脱不同区域条件的限制提供低成本、高性能的服务，可以和目前的DSL网络竞争。
但4G的部署不是件容易的事，面临着系统、终端（如手机、车载台、固定无线接入台、数据卡等其他可支持电信业务的MT设备）、服务三大部的挑战。
现在的4G技术还存在许多的竞争，都在向着一个主要的目标前进，提供一个单一的全球移动网络标准，相信未来的发展会实现更高速率的数据传输，进一步满足多媒体服务，满足人们日益增长的需求。
第四节本章小结
本章主要介绍了移动通信的发展过程及LTE的发展情况与研究背景，分析了LTE资源分配算法研究现状及无线接入技术十分复杂，虽然在移动性和QoS方面有着较大的优势，但是比特成本高、无线频谱利用率低和传输时延大的缺点也十分突出。
纵观移动通信的发展史，我们可以看出，LTE的出现是为了迎合市场需求，是一种必然。
第二章LTE关键技术与资源分配
3GPPR8版本中指出LTE物理层关键技术[6]包含：
OFDM技术；
调制技术下行采用QPSK、16QAM、64QAM，上行采用位移BPSK、QPSK、8PSK和16QAM；
信道编码考虑Turbo码，也正在考虑如LDPC码；
AMC技术，即应用不同的调制编码进行信息传输以适应不同的信重复请求（HARQ）等。
上述关键技术中，会对LTE资源分配产生影响的主要有OFDM技术、调制技术及AMC技术。
第一节LTE关键技术
一、OFDM技术
LTE的最关键技术是OFDM多址接入技术，MIMO多天线技术。
通过这些新技术，大大提高了LTE系统的性能。
LTE采用OFDM技术为基础，下行采用OFDMA，而上行根据链路特点采用单载波频分多址（SC-FD调制。
多载波技术把数据流分解为若干子比特流，并用这些数据去调制若干个载波，此时数据传输速率较低，码元周期较长，对于信道的时延弥散性不敏感。
OFDM技术原理是将高速数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个相互正交的子信道中进行传输，由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，使保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径所带来的符号间干扰（ISI），而且一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免多径所带来的信道间干扰。
由于无线信道多径时延特性，信号不同码元之间会产生干扰，即码间干扰，研究表明上述问题可通过信号波形前加入0前缀的方式加以解决，但同时会破坏信号波形的完整性，之后将该解决方案进一步改善为加入循环前缀，此时不仅保护了信号波形完整性，同时可以有效解决码间干扰问题[7]。
多径时延特性在频域上表现为信道频率选择性衰落，即信道不同频率成分的衰落不同，为去除频率选择性衰落需要进行窄带传输，使整个窄带处于频域平坦衰落范围内。
频分多路复用就是一种窄带传输技术，但是，FDM需要在相邻频率之间加入保护带宽以抵抗干扰，此时系统频谱利用率不高，而重叠并且正交的OFDM技术则可以在解决频率选择性衰落问题的基础上提高系统频谱利用率[8]。
因此，LTE应用OFDM技术，并具有如下特点：
①应用循环前缀可以克服由多径时延所带来的码间干扰问题，同时还保持了信号波形的完整性；
②用并行传输代替串行传输，避免高速传输时受到频率选择性衰落影响；
③应用OFDM技术，最大限度提高了系统带宽内的吞吐量，同时避免了不同子信道之间的干扰。
由于LTE系统采用OFDM技术，因此目前对于LTE系统资源分配的研究文献大都直接移植于适用于OFDM系统的资源分配算法。
但是，除OFDM技术之外，特有的帧结构及AMC技术等关键技术的引入使得与OFDM系统相比，LTE系统资源分配有其自身的特点。
二、帧结构
3GPP定义两种系统帧结构分别用于频分双工（LTEFDD）和时分双工（LTETDD）方式[9]：
①帧结构类型1
如图2.1，一个帧时长为10ms，由10个时长Tf=1ms的子帧组成，Tf=307200×
Ts=1ms（Ts=1/（15000×
2048）s），子帧则由相邻的两个时隙构成，每一个时隙长度为Tslot=15360×
Ts=0.5ms：
图2.1LTE系统帧结构1
②帧结构类型2
一个帧时长同样为10ms，与类型1不同的是每一个帧由时长均为5ms的两个半帧组成，每一个半帧又由8个常规时隙和下行导频时隙（DwPTS）、保护间隔（GP）和上行导频PTS与UpPTS的长度可配置，为了适应不同覆盖范围的需要，有扩展CP和普通CP两种情况，两个情况下一个时隙的时频结构如表2.1所示：
表2.1扩展CP和普通CP条件下的时隙结构
普通CP
12
7
扩展CP
6
普通CP和扩展CP下LTE系统特殊时隙具体配置如表2.2：
表2.2LTE系统特殊时隙结构
普通CP下行
扩展CP下行
DwPTS
UpPTS
6592.Ts
7680.Ts
1
19760.Ts
20480.Ts
2
21952.Ts
2192.Ts
2560.Ts
23040.Ts
3
24144.Ts
25600.Ts
4
26336.Ts
5
4384.Ts
5120.Ts
2195.Ts
8
如表2.3，LTETDD同时支持5ms和10ms的上下行时隙切换周期，其中，D表示下行传输子帧；
U表示上行传输子帧；
S表示特殊子帧：
表
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