前言
隨著無線通信技術的發(fā)展，正交頻分復用（OFDM）等新技術應用在無線寬帶接入系統(tǒng)（如WiMAX）中，將無線通信的接入速度提升到100Mbit/s量級，而且這些無線寬帶接入系統(tǒng)加強了對終端移動性的支持，對正處于3G發(fā)展期的傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)形成了挑戰(zhàn)。

3GPP作為WCDMA和TD-SCDMA這兩個系統(tǒng)進行國際標準化工作的主要組織，為基于CDMA技術的第三代移動通信技術的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，作為傳統(tǒng)移動通信領域的領導者，無論是為了促進新技術的產(chǎn)業(yè)化，還是應對行業(yè)內激烈的技術競爭，保持移動通信領域的領導地位，都要求3GPP加快對具有更高傳輸速率的第三代移動通信演進型技術的研究和標準化進程。2004年11月，3GPP通過了關于3G長期演進（LongTermEvolution，LTE）的立項工作[1]。3GLTE的目標是：更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時延、改進的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍，以及較低的成本。
根據(jù)3GPP[2]，LTE對空中接口和接入網(wǎng)的技術指標中與資源分配相關的要求包括：
(1)實現(xiàn)靈活的頻譜帶寬配置。支持1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz的帶寬設置，從技術上保證3GLTE系統(tǒng)可以使用第3代移動通信系統(tǒng)的頻譜。
(2)提高小區(qū)邊緣傳輸速率，改善用戶在小區(qū)邊緣的體驗。增強3GLTE系統(tǒng)的覆蓋性能,主要通過頻分多址和小區(qū)間干擾抑制技術實現(xiàn)。
(3)提高頻譜效率和峰值數(shù)據(jù)速率。頻譜效率達到3GPPR6的2～4倍，下行峰值速率要求為100Mbit/s，上行為50Mbit/s。3GLTE系統(tǒng)在頻譜利用率方面的技術優(yōu)勢, 主要通過多天線技術、自適應調制與編碼和基于信道質量的頻率選擇性調度實現(xiàn)。
(4)提供低時延。用戶平面內部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100ms，以增強對實時業(yè)務的支持。
為了實現(xiàn)這些目標，除了要考慮空中接口技術的演進和網(wǎng)絡體系結構的改進之外，控制平面的架構也是非常重要的。而無線資源管理（RRM）的優(yōu)化對于控制平面的改進非常重要，通過對RRM的優(yōu)化能夠實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更低的控制時延，保證用戶應用多媒體業(yè)務時所要求的服務質量保證（QoS）。RRM包括無線承載控制、無線接入控制、無線配置、動態(tài)資源分配、連接移動性控制和小區(qū)間RRM等方面[3]。同時，多種無線通信系統(tǒng)共存（如2G、3G、WiMAX同時存在）的局面使得無線頻譜資源變得日益稀缺，這也對無線資源管理提出了更嚴格的要求。為了克服多徑快衰、提高頻譜利用率，LTE提出采用動態(tài)資源分配機制，目前的研究主要集中在保證邊緣用戶數(shù)據(jù)速率和提高系統(tǒng)容量方面。
1LTE系統(tǒng)資源分配特點
在LTE系統(tǒng)資源中，無線資源包括子載波和發(fā)送功率，由于在調制技術、多址方案和網(wǎng)絡架構上LTE系統(tǒng)都有別于以前的蜂窩移動通信系統(tǒng)，因此，其資源分配具有與傳統(tǒng)無線資源分配不同的特點，并由此產(chǎn)生了一系列需要解決的問題。LTE系統(tǒng)無線資源分配具有以下特點：需要考慮小區(qū)間干擾，動態(tài)子信道分配我簡化了的分布式網(wǎng)絡架構。
1.1小區(qū)間干擾
OFDM技術的原理是將高速數(shù)據(jù)分成并行的低速數(shù)據(jù)，然后在一組正交的子載波上傳輸。通過在每個OFDM符號中加入保護時間，只要保護時間大于多徑時延，則一個符號的多徑分量就不會干擾相鄰符號，這樣可以消除符號間干擾（ISI）。為了保證子載波之間的正交性，OFDM符號可以在保護時間內發(fā)送循環(huán)前綴（CP）。CP是將OFDM符號尾部的信號搬移到頭部構成的，這樣就可保證每個子載波的完整性，進而保證其正交性，就不會造成子載波間的干擾。實際系統(tǒng)內由于子載波頻率和相位的偏移等因素會造成子信道間的干擾，但是可以在物理層采用先進的信號處理技術使這種干擾降到最低。因此，小區(qū)內干擾可以忽略不計，影響系統(tǒng)性能的干擾主要為小區(qū)間干擾（ICI）。特別在頻率復用因子為1的OFDM系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)內的所有小區(qū)都使用相同的頻率資源為本小區(qū)內用戶提供服務，一個小區(qū)內的資源分配會影響到其他小區(qū)的系統(tǒng)容量和邊緣用戶性能，因此需要多個小區(qū)之間進行協(xié)調。這是LTE系統(tǒng)無線資源分配的一個特點。
1.2動態(tài)子信道分配
基本的調制技術和多址方式是一個無線通信系統(tǒng)的核心基礎。3GPP經(jīng)過討論研究，最終決定在3GLTE系統(tǒng)中下行采用正交頻分多址（OFDMA）技術，上行采用單載波頻分多址（SC-FDMA）[4]技術。SC-FDMA為單載波傳輸技術，其特點為峰均比低。這兩種多址技術都可以通過靈活地選擇適合的子信道（由OFDM中的多個子載波以一定方式組合而成）進行傳輸，來實現(xiàn)動態(tài)的頻域資源分配，從而充分利用頻率分集和多用戶分集，獲得最佳的系統(tǒng)性能。這是LTE系統(tǒng)無線資源分配的另一個特點。
1.3分布式網(wǎng)絡架構
傳統(tǒng)的3GPP接入網(wǎng)UTRAN由NodeB和RNC兩層節(jié)點構成，但在LTE系統(tǒng)中，為了達到簡化網(wǎng)絡、縮短延遲的目的，E-UTRAN完全由演進型NodeB（eNB）組成。LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構如圖1所示，主要由演進型NodeB（eNB）和接入網(wǎng)關（aGW）構成。eNB之間底層采用IP傳輸，在邏輯上通過X2接口互相連接，即形成Mesh型網(wǎng)絡。這樣的網(wǎng)絡結構設計主要用于支持UE在整個網(wǎng)絡內的移動性，保證用戶的無縫切換。而每個eNB通過S1接口和aGW連接，一個eNB可以和多個aGW互連，反之亦然。aGW實際上是一個邊界節(jié)點，如果將它看作核心網(wǎng)的一部分，則接入網(wǎng)主要由eNB一層構成。
網(wǎng)絡架構的變化，使得無線資源分配過程中的小區(qū)間協(xié)調需要考慮管理信令開銷和控制時延。分布式的網(wǎng)絡架構是LTE系統(tǒng)無線資源管理的第三個特點。
2動態(tài)資源分配
LTE系統(tǒng)中無線資源分配機制有著與傳統(tǒng)方式不同的特點，本文接下來將重點討論動態(tài)資源分配，其中包括調度和功率控制兩部分。
2.1調度
頻率資源的調度在基于分組交換的無線網(wǎng)絡中起著至關重要的作用，3GPP中給出了調度的定義：基站調度器動態(tài)地控制時頻資源的分配，在一定的時間內分配給某一個用戶[4]。一個好的調度算法要求在保證用戶QoS要求的同時要獲得最大化系統(tǒng)容量，因此要在系統(tǒng)與用戶之間進行折衷。隨著無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展，各種類型的新業(yè)務不斷涌現(xiàn)，如VoIP、多媒體業(yè)務等，這些業(yè)務的QoS要求之間存在著很大的差異，如何在這一個復雜而巨變的網(wǎng)絡條件下設計一個優(yōu)秀的調度器來滿足不同業(yè)務的需要是一件極具挑戰(zhàn)的事情。
要兼顧系統(tǒng)的吞吐量與用戶的QoS要求，需要為調度器提供一定的外部信息，如用戶信道狀況、數(shù)據(jù)的隊列長度等。調度需要綜合考慮各種因素，在充分利用信道狀態(tài)信息和用戶業(yè)務信息的同時，盡量減少信令及其他各方面的開銷，最大限度地提高系統(tǒng)的性能。
LTE是基于全IP的分組交換網(wǎng)絡，系統(tǒng)帶寬從1.25MHz到20MHz，大于典型場景信道相關帶寬，因此可以利用無線信道衰落特性進行時頻二維調度，在保證用戶QoS的同時，最大化系統(tǒng)容量。如圖2所示，整個頻段被劃分成大小相等的資源塊，在每一個子幀的開始，根據(jù)特定的調度算法將這些資源塊分配給不同的用戶。資源調度的同時，需要考慮相鄰小區(qū)間的干擾問題，現(xiàn)在還沒有一個很好的解決方法。
在調度過程中，如果是下行鏈路，就由下行控制信令通知UE分得的具體的資源塊和相應的傳輸格式。上行可以是基于調度的接入（NodeB控制），也可以是基于競爭的接入。當為基于調度的接入時，UE在一定的時間內動態(tài)分得一定的頻率資源進行上行數(shù)據(jù)發(fā)送，下行控制信令通知UE分得的資源塊和相應的發(fā)送格式[4]。
2.2功率控制
下行鏈路中的功率控制要求可以補償路徑損耗和陰影衰落，這個目標通過慢速功率控制就可以達到，但是為了充分利用頻率分集效用，在每個調度周期內還需要考慮每個子信道上的功率分配問題。與功率控制相比，功率分配的周期更短、粒度更小。功率分配和子載波的分配一般聯(lián)合考慮，以保證用戶QoS要求和系統(tǒng)總吞吐量。目前研究單小區(qū)子載波分配和功率分配的文獻比較多，但是都比較復雜且假設條件過于理想化，很難應用于工程上。目前比較簡單有效的下行功率控制（功率分配）方法有：平均分配法和路徑損耗補償法。
平均分配法：將每個扇區(qū)的功率平分到每個子載波上，每個用戶的發(fā)射功率即可以根據(jù)所占用的子載波數(shù)來確定。
路徑損耗補償法：系統(tǒng)中所使用的方法，取扇區(qū)功率一部分用于補償用戶的大尺度和陰影衰落，剩余的功率用于功率注水。
此外，在干擾協(xié)調機制中，也需要功率控制進行配合，如文獻[5,6]中給出的干擾協(xié)調方法中除了將可用頻率資源在中心用戶與邊緣用戶之間進行分配外，還要求中心用戶減功率發(fā)送，邊緣用戶全功率發(fā)送。
在上行的功率控制中，由于用戶間相互正交，減少了遠近效應的影響，因此不需要快速功率控制，應采用慢速功率控制來補償路徑損耗和陰影衰落；通過功率控制減少扇區(qū)間的同頻干擾，保證系統(tǒng)的容量能夠達到較高的要求。上行功率控制機制是實現(xiàn)小區(qū)間干擾抑制的重要手段，因此是LTE系統(tǒng)中的重點研究內容。
按照是否需要反饋信息上行功率控制，可以分為開環(huán)方式和閉環(huán)方式。同時，根據(jù)實現(xiàn)的功能不同也可以分為兩類：部分功率控制——補償路徑損耗和陰影衰落[7，8]；抑制小區(qū)間干擾——UE基于相鄰小區(qū)周期性的廣播負載指示信號調整發(fā)送功率譜密度[9，10]。此外，干擾協(xié)調與功率控制結合的機制也已經(jīng)被研究[11]。下面將介紹兩種已有的典型的上行功率控制機制。
（1）開環(huán)部分功率控制
開環(huán)部分功率控制技術是設置UE的發(fā)送功率譜密度來補償部分路徑損耗（包括陰影衰落）。這可以看作設置SINR作為路徑損耗的函數(shù)：
Target_SINR_dB=A+(B-1)×(PathLoss_dB)，(1)發(fā)送功率為：
Ptx_dBm=min[Max_Ptx_dBm,A+B×(PathLoss_dB)
+Interference_dBm]。(2)
當B＝0時，沒有路徑損耗補償，所有的UE等功率發(fā)送，產(chǎn)生的干擾大，小區(qū)邊緣性能差。
當B＝1時，則為傳統(tǒng)的功率控制，完全補償路徑損耗，所有的用戶具有相同的SINR，導致頻譜效率低。
當0<B<1時，則補償部分路徑損耗，在頻率效率和邊緣用戶性能之間進行折衷。（2）閉環(huán)小區(qū)間功率控制
圖3說明了閉環(huán)小區(qū)間功率控制的過程[11]，每個小區(qū)在一個特殊的下行信道上廣播一個IoT（InterferenceoverThermal）負載指示比特，IoT是測量到的其他小區(qū)內所有UE產(chǎn)生的干擾功率與熱噪聲功率的比值。IoT負載指示信道指示在某一個小區(qū)內測量到的IoT在網(wǎng)絡配置門限之上（這個門限可以通過鏈路預算事先給出）。終端可以對來自一個或多個相鄰小區(qū)的IoT負載指示進行解碼。為了簡化實現(xiàn)的復雜度，只有來自最強干擾小區(qū)的負載指示解碼，這個最強干擾小區(qū)可以基于下行導頻功率測量識別。理想的小區(qū)間干擾控制是UE減小自己的最大發(fā)送功率（每個子載波上的發(fā)送功率），以UE與超載小區(qū)的距離為函數(shù)。UE與超載小區(qū)的距離的測量基于在當前服務小區(qū)與最強相鄰小區(qū)的下行導頻功率比測量（PPR）。
基于IoT負載指示的功率控制機制是一種小區(qū)間干擾管理機制，可以提高邊緣用戶的性能。目前正在討論的方案中分為兩類，一類是通過空中接口發(fā)送IoT負載指示，另一類是通過小區(qū)間的X2接口交換IoT負載指示。
3結束語
新技術的誕生和應用推動了未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，一方面是不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務對無線移動通信系統(tǒng)的性能要求越來越高，一方面是各種無線網(wǎng)絡的共存使得無線頻譜資源越來越緊張。無線資源管理機制是未來移動通信系統(tǒng)性能保證的重要手段。由于采用了OFDM技術、簡化了網(wǎng)絡架構、提出了更高的頻譜利用率和用戶性能要求，3GLTE中的動態(tài)資源分配機制面臨很多新的問題和挑戰(zhàn)，這是我們目前需要研究的重點課題之一。