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标题: 3G LTE动态资源分配机制研究 [打印本页]
作者: admin    时间: 2014-10-13 13:46
标题: 3G LTE动态资源分配机制研究
前言

　　随着无线通信技术的发展，正交频分复用(OFDM)等新技术应用在无线宽带接入系统(如WiMAX)中，将无线通信的接入速度提升到100Mbit/s量级，而且这些无线宽带接入系统加强了对终端移动性的支持，对正处于3G发展期的传统蜂窝移动通信系统形成了挑战。

　　3GPP作为WCDMA和TD-SCDMA这两个系统进行国际标准化工作的主要组织，为基于CDMA技术的第三代移动通信技术的发展发挥了重要的作用，作为传统移动通信领域的领导者，无论是为了促进新技术的产业化，还是应对行业内激烈的技术竞争，保持移动通信领域的领导地位，都要求3GPP加快对具有更高传输速率的第三代移动通信演进型技术的研究和标准化进程。2004年11月，3GPP通过了关于3G长期演进(LongTermEvolution，LTE)的立项工作[1]。3GLTE的目标是：更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围，以及较低的成本。

　　根据3GPP[2]，LTE对空中接口和接入网的技术指标中与资源分配相关的要求包括：

　　(1)实现灵活的频谱带宽配置。支持1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz的带宽设置，从技术上保证3GLTE系统可以使用第3代移动通信系统的频谱。

　　(2)提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验。增强3GLTE系统的覆盖性能,主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。

　　(3)提高频谱效率和峰值数据速率。频谱效率达到3GPPR6的2～4倍，下行峰值速率要求为100Mbit/s，上行为50Mbit/s。3GLTE系统在频谱利用率方面的技术优势, 主要通过多天线技术、自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。

　　(4)提供低时延。用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms，以增强对实时业务的支持。

　　为了实现这些目标，除了要考虑空中接口技术的演进和网络体系结构的改进之外，控制平面的架构也是非常重要的。而无线资源管理(RRM)的优化对于控制平面的改进非常重要，通过对RRM的优化能够实现更高的数据速率、更低的控制时延，保证用户应用多媒体业务时所要求的服务质量保证(QoS)。RRM包括无线承载控制、无线接入控制、无线配置、动态资源分配、连接移动性控制和小区间RRM等方面[3]。同时，多种无线通信系统共存(如2G、3G、WiMAX同时存在)的局面使得无线频谱资源变得日益稀缺，这也对无线资源管理提出了更严格的要求。为了克服多径快衰、提高频谱利用率，LTE提出采用动态资源分配机制，目前的研究主要集中在保证边缘用户数据速率和提高系统容量方面。

　　1 LTE系统资源分配特点

　　在LTE系统资源中，无线资源包括子载波和发送功率，由于在调制技术、多址方案和网络架构上LTE系统都有别于以前的蜂窝移动通信系统，因此，其资源分配具有与传统无线资源分配不同的特点，并由此产生了一系列需要解决的问题。LTE系统无线资源分配具有以下特点：需要考虑小区间干扰，动态子信道分配我简化了的分布式网络架构。

　　1.1小区间干扰

　　OFDM技术的原理是将高速数据分成并行的低速数据，然后在一组正交的子载波上传输。通过在每个OFDM符号中加入保护时间，只要保护时间大于多径时延，则一个符号的多径分量就不会干扰相邻符号，这样可以消除符号间干扰(ISI)。为了保证子载波之间的正交性，OFDM符号可以在保护时间内发送循环前缀(CP)。CP是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的，这样就可保证每个子载波的完整性，进而保证其正交性，就不会造成子载波间的干扰。实际系统内由于子载波频率和相位的偏移等因素会造成子信道间的干扰，但是可以在物理层采用先进的信号处理技术使这种干扰降到最低。因此，小区内干扰可以忽略不计，影响系统性能的干扰主要为小区间干扰(ICI)。特别在频率复用因子为1的OFDM系统中，整个系统内的所有小区都使用相同的频率资源为本小区内用户提供服务，一个小区内的资源分配会影响到其他小区的系统容量和边缘用户性能，因此需要多个小区之间进行协调。这是LTE系统无线资源分配的一个特点。


1.2动态子信道分配　　基本的调制技术和多址方式是一个无线通信系统的核心基础。3GPP经过讨论研究，最终决定在3GLTE系统中下行采用正交频分多址(OFDMA)技术，上行采用单载波频分多址(SC-FDMA)[4]技术。SC-FDMA为单载波传输技术，其特点为峰均比低。这两种多址技术都可以通过灵活地选择适合的子信道(由OFDM中的多个子载波以一定方式组合而成)进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，获得最佳的系统性能。这是LTE系统无线资源分配的另一个特点。
　　1.3分布式网络架构
　　传统的3GPP接入网UTRAN由NodeB和RNC两层节点构成，但在LTE系统中，为了达到简化网络、缩短延迟的目的，E-UTRAN完全由演进型NodeB(eNB)组成。LTE系统的网络架构如图1所示，主要由演进型NodeB(eNB)和接入网关(aGW)构成。eNB之间底层采用IP传输，在逻辑上通过X2接口互相连接，即形成Mesh型网络。这样的网络结构设计主要用于支持UE在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。而每个eNB通过S1接口和aGW连接，一个eNB可以和多个aGW互连，反之亦然。aGW实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要由eNB一层构成。
　　网络架构的变化，使得无线资源分配过程中的小区间协调需要考虑管理信令开销和控制时延。分布式的网络架构是LTE系统无线资源管理的第三个特点。
　　

　　图1 LTE网络系统架构图

　　2 动态资源分配
　　LTE系统中无线资源分配机制有着与传统方式不同的特点，本文接下来将重点讨论动态资源分配，其中包括调度和功率控制两部分。
　　2.1调度
　　频率资源的调度在基于分组交换的无线网络中起着至关重要的作用，3GPP中给出了调度的定义：基站调度器动态地控制时频资源的分配，在一定的时间内分配给某一个用户[4]。一个好的调度算法要求在保证用户QoS要求的同时要获得最大化系统容量，因此要在系统与用户之间进行折衷。随着无线网络的快速发展，各种类型的新业务不断涌现，如VoIP、多媒体业务等，这些业务的QoS要求之间存在着很大的差异，如何在这一个复杂而巨变的网络条件下设计一个优秀的调度器来满足不同业务的需要是一件极具挑战的事情。
　　要兼顾系统的吞吐量与用户的QoS要求，需要为调度器提供一定的外部信息，如用户信道状况、数据的队列长度等。调度需要综合考虑各种因素，在充分利用信道状态信息和用户业务信息的同时，尽量减少信令及其他各方面的开销，最大限度地提高系统的性能。
　　LTE是基于全IP的分组交换网络，系统带宽从1.25MHz到20MHz，大于典型场景信道相关带宽，因此可以利用无线信道衰落特性进行时频二维调度，在保证用户QoS的同时，最大化系统容量。如图2所示，整个频段被划分成大小相等的资源块，在每一个子帧的开始，根据特定的调度算法将这些资源块分配给不同的用户。资源调度的同时，需要考虑相邻小区间的干扰问题，现在还没有一个很好的解决方法。
　　

　　图2 时频二维资源调度

　　在调度过程中，如果是下行链路，就由下行控制信令通知UE分得的具体的资源块和相应的传输格式。上行可以是基于调度的接入(NodeB控制)，也可以是基于竞争的接入。当为基于调度的接入时，UE在一定的时间内动态分得一定的频率资源进行上行数据发送，下行控制信令通知UE分得的资源块和相应的发送格式[4]。

2.2功率控制
　　下行链路中的功率控制要求可以补偿路径损耗和阴影衰落，这个目标通过慢速功率控制就可以达到，但是为了充分利用频率分集效用，在每个调度周期内还需要考虑每个子信道上的功率分配问题。与功率控制相比，功率分配的周期更短、粒度更小。功率分配和子载波的分配一般联合考虑，以保证用户QoS要求和系统总吞吐量。目前研究单小区子载波分配和功率分配的文献比较多，但是都比较复杂且假设条件过于理想化，很难应用于工程上。目前比较简单有效的下行功率控制(功率分配)方法有：平均分配法和路径损耗补偿法。
　　平均分配法：将每个扇区的功率平分到每个子载波上，每个用户的发射功率即可以根据所占用的子载波数来确定。
　　路径损耗补偿法：系统中所使用的方法，取扇区功率一部分用于补偿用户的大尺度和阴影衰落，剩余的功率用于功率注水。
　　此外，在干扰协调机制中，也需要功率控制进行配合，如文献[5,6]中给出的干扰协调方法中除了将可用频率资源在中心用户与边缘用户之间进行分配外，还要求中心用户减功率发送，边缘用户全功率发送。
　　在上行的功率控制中，由于用户间相互正交，减少了远近效应的影响，因此不需要快速功率控制，应采用慢速功率控制来补偿路径损耗和阴影衰落;通过功率控制减少扇区间的同频干扰，保证系统的容量能够达到较高的要求。上行功率控制机制是实现小区间干扰抑制的重要手段，因此是LTE系统中的重点研究内容。
　　按照是否需要反馈信息上行功率控制，可以分为开环方式和闭环方式。同时，根据实现的功能不同也可以分为两类：部分功率控制——补偿路径损耗和阴影衰落[7，8];抑制小区间干扰——UE基于相邻小区周期性的广播负载指示信号调整发送功率谱密度[9，10]。此外，干扰协调与功率控制结合的机制也已经被研究[11]。下面将介绍两种已有的典型的上行功率控制机制。
　　(1)开环部分功率控制
　　开环部分功率控制技术是设置UE的发送功率谱密度来补偿部分路径损耗(包括阴影衰落)。这可以看作设置SINR作为路径损耗的函数：
　　Target_SINR_dB=A+(B-1)×(PathLoss_dB)，(1)发送功率为：
　　Ptx_dBm=min[Max_Ptx_dBm,A+B×(PathLoss_dB)
　　+Interference_dBm]。(2)
　　当B=0时，没有路径损耗补偿，所有的UE等功率发送，产生的干扰大，小区边缘性能差。
　　当B=1时，则为传统的功率控制，完全补偿路径损耗，所有的用户具有相同的SINR，导致频谱效率低。

(2)闭环小区间功率控制
　　图3说明了闭环小区间功率控制的过程[11]，每个小区在一个特殊的下行信道上广播一个IoT(InterferenceoverThermal)负载指示比特，IoT是测量到的其他小区内所有UE产生的干扰功率与热噪声功率的比值。IoT负载指示信道指示在某一个小区内测量到的IoT在网络配置门限之上(这个门限可以通过链路预算事先给出)。终端可以对来自一个或多个相邻小区的IoT负载指示进行解码。为了简化实现的复杂度，只有来自最强干扰小区的负载指示解码，这个最强干扰小区可以基于下行导频功率测量识别。理想的小区间干扰控制是UE减小自己的最大发送功率(每个子载波上的发送功率)，以UE与超载小区的距离为函数。UE与超载小区的距离的测量基于在当前服务小区与最强相邻小区的下行导频功率比测量(PPR)。
　　

　　图3 闭环小区间功率控制流程图

　　基于IoT负载指示的功率控制机制是一种小区间干扰管理机制，可以提高边缘用户的性能。目前正在讨论的方案中分为两类，一类是通过空中接口发送IoT负载指示，另一类是通过小区间的X2接口交换IoT负载指示。
　　3 结束语
　　新技术的诞生和应用推动了未来移动通信系统的发展，一方面是不断涌现的新业务对无线移动通信系统的性能要求越来越高，一方面是各种无线网络的共存使得无线频谱资源越来越紧张。无线资源管理机制是未来移动通信系统性能保证的重要手段。由于采用了OFDM技术、简化了网络架构、提出了更高的频谱利用率和用户性能要求，3GLTE中的动态资源分配机制面临很多新的问题和挑战，这是我们目前需要研究的重点课题之一。
参考文献
　　[1]徐景,胡宏林,周婷. 3GPPLTE标准化进展. 中兴通信技术, 2007, 13(2): 9-12
　　[2]3GPPTR25.913 v7.3.0 (2006-03). Requirements for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)
　　[3]谭伟,张文新,马雨出. LTE的无线资源管理. 邮电设计技术, 2007(3): 62-64
　　[4]3GPPTR25.814 v7.1.0 (2006-09). Physical layer aspects for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) (Release 7)
　　[5]3GPP,R1-060291.“OFDMA Downlink inter-cell interference mitigation”, Nokia TSGR1 44
　　[6]3GPP,R1-060905.“Adaptive Fractional Frequency Reuse”, Nortel TSGR1 44
　　[7]3GPP,R1-060401.“Interference Mitigation via Power Control, FDM Resource Allocation and UE Alignment for E-UTRA and +TP”, Motorola TSGR1 44
　　[8]3GPP,R1-060297.Uplink power control, Nokia TSGR1 44
　　[9]3GPP,R1-061796.“Analysis of Inter-cell Power Control for Interference Management in E-UTRA UL”, Qualcomm Europe TSGR1 AH
　　[10]3GPP,R1-062734.“Transmission Power Control in E-UTRA Uplink”, NTT DoCoMo TSGR1 46
　　[11]3GPP,R1-063478.“Uplink Scheduling With Inter-Cell Power Control, with Extensions to Interference Coordination”, Lucent Technologies TSGR1 46



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