3G LTE動態(tài)資源分配機制研究

前言
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，正交頻分復(fù)用（OFDM）等新技術(shù)應(yīng)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(jìn)行國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要組織，為基于CDMA技術(shù)的第三代移動通信技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，作為傳統(tǒng)移動通信領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，無論是為了促進(jìn)新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，還是應(yīng)對行業(yè)內(nèi)激烈的技術(shù)競爭，保持移動通信領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)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(jìn)型技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。2004年11月，3GPP通過了關(guān)于3G長期演進(jìn)（LongTermEvolution，LTE）的立項工作[1]。3GLTE的目標(biāo)是：更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時延、改進(jìn)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(shù)指標(biāo)中與資源分配相關(guān)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(shè)置，從技術(shù)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(shù)實現(xiàn)。
(3)提高頻譜效率和峰值數(shù)據(jù)速率。頻譜效率達(dá)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(shù)優(yōu)勢, 主要通過多天線技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制與編碼和基于信道質(zhì)量的頻率選擇性調(diào)度實現(xiàn)。
(4)提供低時延。用戶平面內(nèi)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(wù)的支持。
為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，除了要考慮空中接口技術(shù)的演進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)之外，控制平面的架構(gòu)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(jìn)非常重要，通過對RRM的優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更低的控制時延，保證用戶應(yīng)用多媒體業(yè)務(wù)時所要求的服務(wù)質(zhì)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(yán)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(diào)制技術(shù)、多址方案和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(luò)架構(gòu)。
1.1小區(qū)間干擾
OFDM技術(shù)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(hù)時間，只要保護(hù)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(hù)時間內(nèi)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(gòu)成的，這樣就可保證每個子載波的完整性，進(jìn)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(nèi)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(jìn)的信號處理技術(shù)使這種干擾降到最低。因此，小區(qū)內(nèi)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(fù)用因子為1的OFDM系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)內(nèi)的所有小區(qū)都使用相同的頻率資源為本小區(qū)內(nèi)用戶提供服務(wù)，一個小區(qū)內(nèi)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(jìn)行協(xié)調(diào)。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(diào)制技術(shù)和多址方式是一個無線通信系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)。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(shù)，上行采用單載波頻分多址（SC-FDMA）[4]技術(shù)。SC-FDMA為單載波傳輸技術(shù)，其特點為峰均比低。這兩種多址技術(shù)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(jìn)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(luò)架構(gòu)
傳統(tǒng)的3GPP接入網(wǎng)UTRAN由NodeB和RNC兩層節(jié)點構(gòu)成，但在LTE系統(tǒng)中，為了達(dá)到簡化網(wǎng)絡(luò)、縮短延遲的目的，E-UTRAN完全由演進(jìn)型NodeB（eNB）組成。LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，主要由演進(jìn)型NodeB（eNB）和接入網(wǎng)關(guān)（aGW）構(gòu)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(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要用于支持UE在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(gòu)成。
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，使得無線資源分配過程中的小區(qū)間協(xié)調(diào)需要考慮管理信令開銷和控制時延。分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是LTE系統(tǒng)無線資源管理的第三個特點。

圖1LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

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(diào)度和功率控制兩部分。
2.1調(diào)度
頻率資源的調(diào)度在基于分組交換的無線網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，3GPP中給出了調(diào)度的定義：基站調(diào)度器動態(tài)地控制時頻資源的分配，在一定的時間內(nèi)分配給某一個用戶[4]。一個好的調(diào)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(jìn)行折衷。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，各種類型的新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，如VoIP、多媒體業(yè)務(wù)等，這些業(yè)務(wù)的QoS要求之間存在著很大的差異，如何在這一個復(fù)雜而巨變的網(wǎng)絡(luò)條件下設(shè)計一個優(yōu)秀的調(diào)度器來滿足不同業(yè)務(wù)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(diào)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(diào)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(wù)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I(xiàn)P的分組交換網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)帶寬從1.25MHz到20MHz，大于典型場景信道相關(guān)帶寬，因此可以利用無線信道衰落特性進(jìn)行時頻二維調(diào)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(diào)度算法將這些資源塊分配給不同的用戶。資源調(diào)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。

圖2時頻二維資源調(diào)度

在調(diào)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(yīng)的傳輸格式。上行可以是基于調(diào)度的接入（NodeB控制），也可以是基于競爭的接入。當(dāng)為基于調(diào)度的接入時，UE在一定的時間內(nèi)動態(tài)分得一定的頻率資源進(jìn)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(yīng)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(biāo)通過慢速功率控制就可以達(dá)到，但是為了充分利用頻率分集效用，在每個調(diào)度周期內(nèi)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(xiàn)比較多，但是都比較復(fù)雜且假設(shè)條件過于理想化，很難應(yīng)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(diào)機制中，也需要功率控制進(jìn)行配合，如文獻(xiàn)[5,6]中給出的干擾協(xié)調(diào)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(jìn)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(yuǎn)近效應(yīng)的影響，因此不需要快速功率控制，應(yīng)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(dá)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(nèi)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(fù)載指示信號調(diào)整發(fā)送功率譜密度[9，10]。此外，干擾協(xié)調(diào)與功率控制結(jié)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(shù)是設(shè)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(shè)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致頻譜效率低。
當(dāng)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(jìn)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(fù)載指示比特，IoT是測量到的其他小區(qū)內(nèi)所有UE產(chǎn)生的干擾功率與熱噪聲功率的比值。IoT負(fù)載指示信道指示在某一個小區(qū)內(nèi)測量到的IoT在網(wǎng)絡(luò)配置門限之上（這個門限可以通過鏈路預(yù)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(fù)載指示進(jìn)行解碼。為了簡化實現(xiàn)的復(fù)雜度，只有來自最強干擾小區(qū)的負(fù)載指示解碼，這個最強干擾小區(qū)可以基于下行導(dǎo)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(dāng)前服務(wù)小區(qū)與最強相鄰小區(qū)的下行導(dǎo)頻功率比測量（PPR）。

圖3閉環(huán)小區(qū)間功率控制流程圖

基于IoT負(fù)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(fù)載指示，另一類是通過小區(qū)間的X2接口交換IoT負(fù)載指示。
3結(jié)束語
新技術(shù)的誕生和應(yīng)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(wù)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(luò)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(shù)、簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、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。
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