3G及其演进系统的无线资源管理技术分析

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3G 及其演进系统的无线资源管理技术分析
【摘要】文章从动态资源调度、呼叫接纳控制等方面，就3G 和B3G/4G 系统的无线资源管理策略进行了对比分析，并提出了后续研究的重点，以及结合干扰协调和干扰消除技术抑制小区间干扰的频率复用方案等新的思路。

【关键词】无线资源管理 LTE 动态资源调度 呼叫接纳控制
收稿日期：2012-02-23
1 引言
无线资源管理的目标就是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道起伏变化的情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分与网络的可用资源，最大程度提高无线频谱利用率、防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。

无线资源管理主要包括功率控制、速率控制、信道分配、调度、切换控制、接入控制、端到端QoS 保障、无线链路自适应以及无线资源预留。

本文首先介绍LTE （Long Term Evolution ）的核心技术，然后从动态资源调度（DRS ，Dynamic Resource Scheduling ）、呼叫接纳控制（CAC ，Call Admission Control ）等方面详细分析3G 与B3G/4G 系统关于无线资源管理方案的不同考虑，为后续研究提供启示。

2 LTE 核心技术
2.1 物理层上下行传输方案
OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）技术是LTE 系统的技术基础与主要特点，OFDM 系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响。

载波间隔
为15kHz ，上下行的最小资源块为180kHz ，也就是12个子载波的带宽，数据到资源块的映射方式主要采用集中（Localized ）方式，即12个子载波在频域上连续，也可以采用分布（Distributed ）方式[1]。

循环前缀（CP ，Cyclic Prefix ）的长度决定了OFDM 系统的抗多径能力和覆盖能力。

LTE 系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择。

短CP 方案为基本选项，长CP 方案用于支持LTE 大范围小区覆盖和多小区广播业务。

长CP 利于克服多径干扰，支持大范围覆盖；但是系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。

在LTE 物理层的下行方向，采用了MIMO-OFDM （多输入多输出-正交频分复用）技术来满足100Mbps 的数据速率，通过配置子载波数量来实现从1.25MHz 到20MHz 的灵活带宽配置。

一个时隙（slot ）长度为0.5ms ，最小传输时间间隔（TTI ）为1ms ，即一个子帧的长度。

采用较短时间的TTI ，减小了传输时延。

循环前缀在不增加大量
系统开销的同时，保证了时延扩展的处理。

利用OFDM 的特性，在原有的自适应调制编码（AMC ，Adaptive Modulation and Coding ）机制中，OFDMA 系统支持动态子载波分配，使得系统资源调度更为灵活、效率更高。

对于点对点业务，在基站和基站间不再进行下行链路的宏分集合并。

上行方向采用单载波-频分多址（SC-FDMA ，Single
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Carrier-FDMA ）技术，即在每个TTI 内，基站给UE 分配一个单独的频率发送用户数据，不同用户的数据在时间上分开，从而保证小区内部上行载波间的正交性，避免频率间干扰。

慢速功率控制用来抵抗路径损耗和阴影效应。

由于上行传输的正交性，不再需要类似3G 的快速功率控制来克服远近效应。

同时，基站借助循环冗余前缀的作用，消除上行多径效应产生的干扰。

MIMO 系统能够有效利用随机衰落和信道的多径传播，在不增加信号带宽的前提下，能够成倍地提高数据传输数据，改善系统性能[2]。

B3G 宽带无线移动通信高性能的要求促使其在基站甚至终端侧采用多天线技术。

2.2 无线网络架构
为了简化信令流程，缩短时延，E-UTRAN 采用两层扁平网络架构，完全由eNodeB （基站）组成。

由UMTS 中的Node B-RNC-SGSN-GGSN 四个主要网元，演进为eNodeB-AGW （接入网关）两个主要网元。

核心网同时采用全IP 分布式结构，支持IMS 、V oIP 、Mobile IP 等各种先进技术。

网络的拓扑结构如图1所示：
图1 LTE 系统架构
在E-UTRAN 中，eNodeB 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 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。

eNodeB 是在3G 系统的Node B 功能基础上，增加了RNC 的物理层、MAC 层、RRC 、调度、接入控制、承载控制和移动性管理等功能。

3 动态资源调度
分组交换的采用，使得不同业务所用到的物理层资源可以进行共享。

无线分组调度技术是针对用户的各种分组业务服务质量需求，合理地分配各种无线信道的资源，提高移动通信系统无线信道利用率的有效方法。

LTE 的调度操作类似于3G 系统，其基础也是CQI （Channel Quality Indication ）反馈，但是还应该综合考虑等待调度的数据量、业务的QoS 以及终端能力等多种因素。

在LTE 系统中，CQI 反馈的频域密度应该是最小资源块的整数倍，CQI 的反馈周期可以根据情况的变化进行调整。

高效的无线资源调度算法能在保证业务QoS 前提下，充分利用信道的时变特性，实现多用户分集增益，以提高平均业务速率和系统的整体稳定性。

调度算法必须兼顾效率和公平两个方面。

3G 系统中常见的分组调度算法有以下几种：基于公平吞吐量调度、基于公平时间调度和Max C/I 调度[3]。

这些算法在调度的时刻不考虑用户以前被调度的情况，也就是说这些调度算法都是无记忆的，因此无法满足不同业务对平均速率的要求。

3G 系统目前应用的调度算法，都是基于正比公平的思想，其原理如下：
某时刻n ，用户i 的平均传输速率用R i (n )(i =1,…,K )表示，其请求传输的速率用r i (n )表示，则被选中的用户为：
1,,()arg max ()i i K i r n k R n =⎧⎫⎪⎪
=⎨⎬⎪⎪⎩
⎭L （1）若某一用户此刻没有数据要传输，则r i (n )=0。

调度的平均速率R i (n +1)按照下式更新：
（2）
式中，T c 是时间常数，表示滑动时间窗口的长度，实际上反映了一个用户对接收不到数据传输的忍受能力，较长的T c
将允许等待较长的时间直到该用户的信道质量变
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好，这有利于系统吞吐量的提高，但可能带来附加的延迟。

对于正比公平调度算法，用户的瞬时速率由用户的信道状态信息决定，用户的平均速率则在每次调度结束后都进行更新。

随着用户平均速率的提高，其优先级降低，这就使得一些信道状况较差的用户获得了传输机会，因此能在一定程度上保证用户间的公平性；而其自身也利用了多变的信道状况，达到了维持较高吞吐量的效果。

上述3G 中的调度算法不适用于B3G 系统。

一是由于其仅适用于单一业务；二是没有QoS 保证，因为算法并没有考虑不同业务对时延、速率的要求。

LTE 系统所支持的新业务对时延要求很高，对调度的实时性要求与FTP 、www 等非实时业务有很大不同。

针对LTE 系统所设计的指数正比公平算法（EXP/PF ，Exponential Proportional Fair ）[4]，该算法通过提高时延到期数据包的指数权重，能够有效保证实时业务的时延边界。

EXP/PF 算法将业务分为实时业务和非实时业务进行调度，并且根据两种业务对时延的要求不同，分别为其设计了优先级计算公式。

具体表述如下：
（3）
在时刻n ，EXP 算法选择满足下式的用户i 进行传输：1,,()()arg max [exp()]()1i i i i K i r n a W n aW
k R n aW =−=×+L （4）
式中，1
i i i
aW a W N =
∑，表示所有实时业务的加权时延，r i 表示瞬时速率，R i 表示平均速率，W i 是基站端数据
队列中分组数据包的排队时延，a i 是根据业务QoS 需求确定的权重因子：
lg()i i i
a T δ−=
（5）其中，T i 表示数据包的最大允许时延，即最大空口传输时延；δi 是业务所能忍受的时延超标概率。

4 呼叫接纳控制
在移动通信系统中，从用户感受的角度来说，已有激活用户的QoS 下降比新用户申请接入失败更难以忍受。

接纳控制的目标就是通过限制系统中的激活链接数或者拒绝新的连接请求，避免网络拥塞，维持已有连接的服务质量。

有效的接纳控制机制在支持多种不同QoS 业务要求方面起着非常关键的作用。

在建立或修改承载时，都要执行CAC 算法。

CAC 算法将评估建立这些承载所导致的无线网络中负荷的增加[5]。

CAC 用于用户申请业务时，网络通过分析业务所需的资源和可能对现有业务带来的影响，来决定业务请求是否被接受，请求的资源是否被分配。

目前3G 系统的CAC 方案主要有以下几种思路：◆基于信道保留的CAC 方案：预先给切换用户保留一部分资源。

◆基于部分信道保留的CAC 方案：根据无线资源使用情况，以某种概率决定呼叫请求用户是否可以接入。

◆基于估计的协作式CAC 方案：利用邻小区的资源使用情况，保留一部分无线资源给切换用户。

以上方案共同的问题是不能够准确判断系统的过载情况，也不能保证包级别的QoS 性能，不适用于LTE 系统。

文献[6]给出了一种能够应用OFDMA 系统下行链路的基于QoS 估计的CAC 算法，其实质是通过统计实时业务用户的QoS 参数来估计其QoS 状态。

当QoS 参数值达到了预定义的门限值，接纳控制器将完全或者部分阻塞一些新用户的接入。

5 小区间干扰抑制
蜂窝移动通信系统采用频率复用的方式来提高频率利用率，如GSM 系统。

在CDMA 系统中，频率复用因子为1，通过正交化码信道完成区分功能。

然而在基于OFDMA 技术的系统中，如果频率复用因子仍旧设置为1，相邻小区的不同用户同时使用同一载波进行传输时将导致共道干扰（CCI ，Co-Channel Interference ），也叫同频干扰。

同频干扰严重影响系统性能，使同频用户的信道质量恶化，尤其是当用户处于小区边缘时。

LTE 提高小区边缘数据速率的目标可以通过小区间干扰抑制技术实现，可以考虑的方案包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和慢功控等。

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目前，研究主要集中在干扰协调方面，即在小区中心频率复用因子为1，而在小区边缘采用大于1的频率复用方案，从而避免强干扰，因此又称为部分频率复用（FFR ，Fractional frequency reuse ）或软频率复用（SFR ，Soft frequency reuse ）[7]。

文献[8]所提出的是一个静态的协调方案。

如图2所示，该方案中，每个小区中的子载波被分为两组，一组称为主子载波，另一组称为辅子载波。

主子载波可以在小区的任何地方使用，而辅子载波则只能在小区中心被使用。

不同小区之间的主子载波相互正交，而辅子载波由于只在小区中心使用，相互之间干扰较小，则可以使用相同的频率。

图2 主辅载波协调
软频率复用对于小区边缘干扰的抑制以及子载波的灵活分配都已经有了一定的考虑，但是当小区边缘的业务量较大时，其对不同小区分配相互正交的主子载波仍然会带来小区之间的频率复用因子增高、频谱利用率下降等后果。

笔者提出一种结合干扰协调和干扰消除技术的频率复用方案，如图3所示：
图3 结合干扰协调和干扰消除的方案
在小区的中心，发射/接收功率都比较小，所以LTE 系统可以对全部频率资源进行随意分配。

在小区边缘，系统将可用频段分成两部分：干扰协调频段和干扰消除频段。

在协调频段内，LTE 系统按照图2所示的方案进行软频率的规划，该方法可以针对干扰较大的情况；在干扰消除频段内，仍然可以使用全部的频率资源，该方法针对干扰不是太严重的情况，基于众所周知的迭代干扰消除算法进行信号的提取。

该方案既能提高小区边缘用户的性能，又可以保持较高的系统容量。

6 功率控制
在CDMA 系统中，功率控制可以用来消除小区内干扰所产生的远近效应。

在LTE 系统中，小区间的干扰主要是来自相邻小区。

小区间干扰会造成系统性能的严重下降，特别是对那些处在小区边缘的用户。

由于不存在CDMA 系统的用户间干扰，LTE 系统可以在每个子帧带内进行慢速功率控制。

但在上行，如果对小区边缘用户进行完全的功控，可能导致小区间干扰问题。

因此针对LTE 系统考虑对边缘用户只进行部分路损和阴影
衰落的补偿，主要是为了避免产生较强的小区间干扰，以获得更大的系统容量。

当LTE 系统的功控考虑对其它小区
的干扰时，小区边缘用户的目标SINR （信号与干扰加噪声比）需要定得比小区中心用户的小一些，同时必须考虑用户之间的公平性。

7 HARQ
3G 系统的HARQ （混合自动重传请求），每次重传的时刻和所采用的发射参数（调制编码方法与资源分配等）都是预先定义好的，只需要在首次传送时发送参数配置。

类似于3G 系统，LTE 系统也将采用增量冗余（IR ，Incremental Redundancy ）HARQ ，但是具体又分为异步HARQ 和自适应HARQ 。

异步HARQ 可以根据需要随时发起重传，自适应HARQ 则是每次重传的发射参数可以动态调整。

虽然这两种方式的HARQ 与基本的HARQ 相比可以
取得一些增益，但是需要额外的信令开销。

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作者简介
许国平：工程师，博士学位，现就职于中讯邮电咨询设计院有限公司，主要研究方向为3G/B3G数字信
号处理技术、3G网络优化技术。

8 结束语
如果没有良好的无线资源管理技术，那么再好的无线传输技术也无法充分发挥它的优势，极端的情况下甚至会导致系统无法正常工作。

B3G 等演进系统的无线资源管理思想从2/3G 系统继承而来，又具备技术上的改进与创新，希望本文的技术研讨能够给研发人员以参考。

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作者简介
雷蕾：硕士毕业于西安交通大
学软件工程专业，现就职于中国移动（深圳）有限公司，从事业务支撑系统建设工作，研究方向为BI系统架构及数据挖掘技术应用。

冯凯：硕士毕业于哈尔滨理工大学计算机科学技术专业，现就职于中国移动（深圳）有限公司，从事业务支撑系统建设工作，研究方向为BI系统架构及SOA技术应用。

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