3G长期演进系统中调度算法和干扰抑制技术研究

【摘要】为了满足人们对高速率移动数据业务的需求，第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject,3GPP）组织推出了无线接口长期演进（LongTermEvolution，LTE）项目。LTE系统中引入了正交频分多址（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA）、调度和资源分配、多输入多输出（MultipleInput,MultipleOutput，MIMO）传输模式以及干扰协调等关键技术，以实现更高的峰值数据速率、更低的传输时延、更高的系统容量以及更大的覆盖范围。然而，在遵循LTE协议标准的前提下，提升系统性能仍然面临着如何合理地利用这些关键技术的问题，比如：如何有效地调度用户和完成资源分配、如何合理地控制用户的发射功率等。另一方面，基于正交多址接入技术可以有效地避免同一小区内不同用户之间的干扰，但是不能消除小区之间的干扰。然而，小区间干扰是限制多小区系统性能的主要因素，尤其限制着小区边缘用户的性能。本论文针对这些问题进行了深入而广泛的研究，主要创新点可归纳为如下内容：1.研究了LTE下行系统中高速用户和低速用户共存的场景中用户速度分类、用户调度和资源分配、传输模式选择问题。在LTE下行系统中，基站端通常根据用户所反馈的信道信息对用户进行调度和资源分配。对于低速用户，由于其可以反馈准确的信道信息，因此可以利用频率选择性调度（FrequencySelectiveScheduling,FSS）方法为低速用户分配信道条件好的资源。对于高速用户，在给定的符合LTE系统的反馈时间间隔内，其反馈的信道信息相对不准确，基于这些不准确的信道信息利用频率选择性调度方法为高速用户分配资源势必会造成高速用户性能的损失。因此，通常采用频率分集调度（FrequencyDiversityScheduling,FDS）方法把整个系统带宽资源或者系统带宽上一些分布均匀的频率资源集分配给高速用户，保持其获得稳定的性能增益。因此，本文首先研究高速用户和低速用户共存的场景中高低速用户的分类方法、高低速用户的调度方法和合理的资源分配方案以及高低速用户传输模式的合理选择方法，来提升系统的性能，具体为：1）针对高、低速用户共存的场景中采用相同的调度方法和资源分配方案会造成系统性能损失的问题，提出了一种联合频率分集和多用户分集调度方法。该方法首先利用用户反馈的信道质量指示(ChannelQualityIndicator,CQI)信息对用户的速度进行分类，然后分别利用频率分集调度方法和频率选择性调度方法调度高速和低速用户。对用户的速度分类时，首先采集给定时间段内用户反馈的CQI信息、计算CQI方差的大小并对不同时间段的计算值做平均，然后和给定的方差阈值作比较，完成对用户速度的分类。在调度用户时，首先基于FSS确定整个系统带宽内每个频率资源块上最优的低速用户，然后用FDS确定频率分集资源集(FrequencyDiversityResource，FDR)上的最优高速用户。如果高速用户在FDR上的调度准则值之和高于这些FDR中各频率资源块上最优低速用户的调度准则值之和，可以带来系统性能的增益，则将这些FDR分配给高速用户，从而确定所有频率资源块的最终分配结果。由于算法同时保证了低速用户的频选增益和高速用户的频率分集增益，明显提升了系统的性能；所提出的调度算法的计算复杂度和FSS算法相当；在对用户速度分类时，有效地利用了用户所反馈的信息，简单有效，便于系统的实际应用。2）针对信道延迟扩展影响基于CQI的用户速度分类算法分类准确度的问题，首先提出了一种改进的稳健的用户速度分类方法，并将其扩展到MIMO系统。该方法利用符号函数，把大于给定阈值的CQI方差值记为一个固定值，把小于阈值的CQI方差值记为零，然后将不同时间段内的方差值进行平均得出最后的结果；在向MIMO系统扩展时，根据CQI的计算机制，首先把用户反馈的每个时频资源上的多个空域CQI值换算为对应的信干噪比(Signal-to-InterferenceplusNoiseRatio,SINR)值，然后根据系统容量相等的原则将这几个SINR值等效为一个总的SINR值，最后再将这个总的SINR值换算为等效的CQI，并计算CQI方差进行用户速度分类。为了进一步降低调度算法的复杂度和信令开销，还提出一种改进的调度算法。该方法基于比例公平算法准则调度用户，在计算用户的比例公平准则时，高速用户的数据速率采用其在整个系统带宽上的平均数据速率，而低速用户的数据速率则采用其在每个频率资源块上的数据速率。所提出的调度算法在调度用户时，对高速用户采用平均数据速率，保证了其性能的稳定性；对低速用户采用瞬时速率，保证了其获得频率选择性增益；所提出的用户速度分类算法，减小了信道延迟扩展所造成的CQI方差值的差异，简单有效、便于系统的实际应用。3）针对不同的MIMO传输模式和调度方法会影响系统性能的问题，提出了一种综合考虑高、低速用户传输模式选择和调度策略的方法。该方法首先让所有用户基于开环空间复用模式传输，采集用户反馈的CQI信息，进行用户速度分类；其次，让高速用户采用开环空间复用模式传输且低速用户采用闭环空间复用模式传输，并基于比例公平调度算法对所有的用户进行调度。计算用户的比例公平准则时，高速用户的数据速率采用其在整个系统带宽上的平均数据速率，低速用户的数据速率采用其在每个频率资源块上的瞬时数据速率。所提出的算法有效地利用了MIMO技术传输模式，保证了不同用户在空域上的性能增益；在调度时同时保证了高速用户和低速用户的性能增益，在很大程度上提升了系统性能。2.研究了LTE上行多小区系统中通过协作调度和功率控制来进行干扰抑制的问题。多小区系统中，小区间干扰是限制系统性能的主要因素。在LTE下行多小区系统中，干扰来自于一些位置固定的基站。当所有小区在整个系统的频率资源上采用平均功率分配时，用户的选择和调度对小区间干扰的影响不大。和下行系统不同，LTE上行系统中，干扰来自于不同的用户，因为不同的用户在小区中的位置以及功率配置不同，用户的选择和调度在很大程度上会影响小区间的干扰，从而影响系统的性能。通常，多小区之间的协作可以有效地抑制干扰，通过在不同小区之间共享用户的信道信息、用户的调度和资源分配信息以及功率配置信息，可以合理地对小区中的用户进行调度并配置其传输功率，从而有效地抑制干扰和提升系统性能。因此，本文通过研究LTE上行多小区系统中的用户调度和资源分配方法以及用户的功率控制策略来提高系统的性能，具体为：1）针对多小区系统性能受小区间干扰影响而严重受损的问题，提出了一种协作调度方案。该方法首先将小区分簇，簇内小区共享资源分配信息和功率信息，簇外小区不共享信息；通过计算簇内小区干扰信息和估计簇外小区干扰信息来调度用户和分配资源。调度用户时，考虑簇内各小区中用户的公平性及各小区间的公平性，通过引入公平性调节参数来调度用户。仿真结果表明，所提出的算法性能优于单小区调度算法和已有的多小区调度算法，大大提升了系统平均吞吐量和小区边缘用户吞吐量。2）针对多小区系统的性能受限于小区间干扰的问题，提出了一种联合协作调度和功率控制方案。该方法分步执行小区间的协作调度和功率控制，首先调度各小区中的用户，在此基础上优化用户的发射功率。调度时首先估计小区间的干扰信息并分配频率资源块给每个小区内的用户，在优化用户的发射功率时，同时考虑由于用户功率改变所造成的目标小区和其他干扰小区性能的变化。为了降低计算复杂度，还提出了一种低复杂度功率控制方案，在优化目标小区用户的功率时，只考虑受目标小区干扰影响最大的几个小区性能的变化，其他干扰小区性能的变化则通过引入补偿因子来估计。所提出的算法在优化协作调度和功率控制时充分考虑了目标小区以及其他小区性能的增益或者损失，极大地提升了系统的性能。
【作者】牛进平；
【导师】苏涛；
【作者基本信息】西安电子科技大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】资源分配；调度；多小区；OFDMASC-FDMAMIMO；高速用户；低速用户；速度；干扰；

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