LTE UTRAN下行无线资源管理概述

LTE UTRAN下行无线资源管理概述
An Overview of Downlink RadioResource Management for
UTRAN Long-Term Evolution
Klaus Ingemann Pedersen, Troels Emil Kolding, Frank Frederiksen, István Zsolt Kovács, Daniela Laselva,and Preben Elgaard Mogensen, Nokia Siemens Networks
摘要
无线资源管理算法涵盖承载准入控制、半永久性和动态分组调度、快速链路自适应以及多天线传输模式传输控制，将在这篇关于UTRAN长期演进版的文章中得到论述。

首先，给出一个LTE的高层次的系统概述，尤其侧重和RRM相关的重要组件。

服务质量参数框架将被概略地论述，因为RRM算法族的主要目标之一是在服务所有用户(满足他们的最小QoS限制)的同时使系统的容量最大化。

文章论证了在容易进行空中接口测量的基站中如何配置RRM算法才能为一、二、三层间高效的跨功能优化提供机会。

不同话务混合及天线传输体系下的性能结果的例子也被给出。

文章给出结论，对如何在不同负荷及话务量的情况下对多种RRM算法进行操作提出了建议。

引言
在考虑了几个可行的技术组成部分和选项后，通用移动通信系统(UMTS)陆地无线接入网(UTRAN)系统长期演进版(LTE)的Release 8规范当前正在被第三代合作伙伴计划(3GPP)标准化组织定稿。

继宽带码分多址接入(WCDMA)及高速分组接入(HSPA)之后，LTE是3GPP家族的新成员，以促进更高的数据速率、更低的延时、更好的频谱效率、更灵活的频谱部署(带宽从1.4到20MHz) [3]。

多种带宽选择和对紧密频分复用操作的支持使重组先前被GSM和WCDMA使用的频率成为可能。

LTE是一个优化的全分组交换系统。

LTE支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)，下行链路使用正交频分复用多址接入(OFDMA)，上行链路使用单载波频分复用多址接入(SC-FDMA)。

LTE增加新的空中接口特性，引进了所谓的扁平无线接入网络架构，没有集中化的网络组件。

LTE的下行链路目标是：1个基站发射天线和2个在终端使用传统Rake合并的接收天线，在WCDMA/HSPA Rel. 6 的基础上，数量达3/4的频谱效率改善及数量达2/3的小区边缘性能改善。

在2个发送和接收天线的情况下，LTE的下行峰值数据速率达到150 Mb/s。

进化的空中接口和系统架构为无线资源管理(RRM)带来了新的挑战与机遇，以能够在各种不同的服务和不同的无线环境上满足系统性能目标。

RRM的职责本质上是保证无线资源被有效地使用，充分利用现有的自适应技术，以及按照用户的服务质量(QoS)属性来服务用户。

在这个研究中我们提出一个应用于FDD模式的下行链路RRM概要，并特别强调在基站(3GPP术语中也称为eNode-B)的算法。

这些机制包括QoS感知的承载准入控制，多用户时域频域分组调度，混合自动重发请求(ARQ)管理，以及在不同传输模式间动态切换的链路自适应。

可用
的传输模式包括多天线结构下的单、双码字传输和集中化的(localized)或分布式的(distributed)子载波传输。

在容易进行空中接口的测量和监视的基站运行RRM 算法，为跨层优化提供了一个有吸引力的框架，这一点得到了论证。

在这项研究中我们只关注于共享单播信道的RRM方法。

本文的结构如下：我们给出一层到三层协议结构概要，其中包括空中接口特性的概述以及3GPP中关于LTE/FDD下行模式的术语。

虽然大多数方面同样适用于LTE的TDD和FDD模式，但在整篇文章中我们将基于FDD模式进行描述。

三层的基站半动态RRM功能也会被描述，二层和一层的快速RRM特性将在其后讨论。

文章对在不同负荷和话务量情况下处理RRM诸多选项提出了建议。

文章还给出了在密集城市宏蜂窝环境下不同话务混合及天线结构的典型性能结果的例子。

最后，给出总结评论。

系统概述及术语
LTE无线接入网络结构由通过S1接口连接到一个接入网关的基站组成。

一个快速X2骨干接口提供基站之间的直接通信，除其他效果外，这样做，不用通过接入网关进行数据传输，为无缝硬切换提供了便利。

虽然传统上认为切换算法是RRM算法家族的一部分，但在本文中它们不再做进一步的讨论。

图1显示了基站中用户平面和控制平面的协议栈，以及主要RRM有关算法的相应的映射[4]。

基站的用户平面协议由这些组成：三层的分组数据汇聚协议(PDCP)、二层的无线链路控制(RLC)和媒质接入控制(MAC)。

除其他外，RLC包含一个外部ARQ机制，同时MAC包含异步混合ARQ。

由于RLC和MAC都位于基站的同一层，这有助于通过外部ARQ和混合ARQ的紧密相互作用来进行额外的性能优化。

分组数据汇聚协议操纵每一个来自接入网关的数据流，在3GPP术语中称之为承载(bearer)。

相反地，基站中控制平面协议栈终结于三层的无线资源控制(RRC)，这是它的主要功能。

如图1所示，基站的RRM算法族利用从一层到三层的多种功能。

三层的RRM功能(如QoS分析、准入控制、半永久性调度)可以称为半动态机制，因为它们主要在新数据流建立时以及不频繁的重配置时被执行。

一、二层的RRM算法属于高度动态的功能，它们在每个传输时间间隔(TTI)1ms都要做出新的决定。

物理层(PHY)，基于OFDMA技术与单播数据传输的共享信道概念，和IEEE 802.16(WiMAX)相似。

除其他外，OFDMA提供了正交自小区干扰这一优点，而这是如WCDMA系统等所不具备的典型特征。

PHY的时-频传输资源空间如图2所示，一个TTI是1ms。

假定默认配置一个短的循环首部，每个TTI包含14个OFDM符号[5]。

控制信息和数据传输在每个下行TTI中时分复用，一个TTI 的前1-3个OFDM符号保留作相关下行控制信道的传输，如物理下行控制信道(PDCCH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)。

PCFICH在控制信道空间(1-3OFDM 符号)的时间间隔内传输信息，而PDCCH传输下行和上行的动态调度许可(grants)。

TTI内的其余OFDM符号被用来传输用户数据和通用/专用基准信号。

PDCCH上运输的信息包括用户频域分配的指示、使用的调制和编码的方案，等等。

分配的资源结合调制和编码的方案，被用来界定使用的运输块(transport blocks)的大小。

这个信息使用户能够解调和解码eNode-B发送的运输块。

频域资源被分为大小相等的物理资源块(PRBs)，即12个子载波，对应180kHz的带宽，子载波的间隔是15kHz [5]。

对不同的系统带宽配置，PRBs的数量不同。

（例如，50个和100个分别对应10和20MHz的系统带宽。

尽管没有在图2中标示，一些基准信号(又称飞行员)被分配在子载波符号的子集上，以利于在终端进行可靠的信道估计；查看更多细节，请查阅[5]中物理层的准确定义。

假定一个用户的PRBs都有恒定、相等的发送功率，下行数据传输依靠快速链路适应技术，后者包括适应编码以及变化范围从4进制频移键控(QPSK)到64进制振幅调制(64-QAM)的调制技术。

这是与PDCCH传输相反的，后者使用固定的调制技术(QPSK)加之可变的编码及动态发送功率控制技术以确保足够的可靠性。

假定集中化(localized)的传输，一个PRB内所有的子载波都被分配给同一个用户。

一个用户可以跨越系统带宽调度到多个PRB上，以从无线信道感知(radio-channel-aware)的频域分组调度(FDPS)中获益[9]，或仅仅完成传统频分复用。

在FDPS增益不可得的情况下，LTE也提供了一个分布式(distributed)传输模式。

比如，一个PRB被两个用户共享，一个用户因此(在相同的分组大小上)获得更高的频分复用度。

众所周知，OFDMA因结合多输入多输出(MIMO)体系而引人注目[10]。

LTE 支持多种MIMO体系，从简单的开环传输分集(diversity)体系到更高级的MIMO 闭环体系。

MIMO体系使用至多两个码字(独立地编码传输)和4个层次(等级4)，可用于实现高峰值数据速率和改善覆盖范围[5]。

此外，当前的LTE规范提供了对多用户(MU)MIMO的基本支持。

在下行MU-MIMO传输模式，两个用户在每个TTI和每个PRB进行空间上的复用，每个用户收到一个单码字的传输。

图1中的信道质量指示(CQI)管理处理从小区活动用户收到的CQI报告。

收到的CQI报告被基站用来作调度决定和链路适应的目的。

CQI反馈可以配置为：
●一个宽带信道质量测量
●若干子带的独立报告
●报告最好的M个子带的平均信道质量
在此背景下，一个子带由k个连续的PRB组成，k和M的值决定于系统带宽，由规范给出。

前两种格式表现频率选择性测量，它对FDPS有用。

CQI传输可以被周期性地配置，和/或在上行链路中调度一个用户时被基站明确要求。

半动态RRM特性
QoS参数和准入控制
每个数据流(承载，bearer)与一个QoS配置文件关联，QoS配置文件由以下下行相关参数组成[6]：
●分配保留优先级(ARP)
●保证比特率(GBR)
●QoS等级标识(QCI)
参数GBR由GBR承载唯一确定。

对于非GBR承载，聚合(aggregate)最大比特率是确定的。

参数ARP是一个1-16范围内的整数，定义它，主要用来准入控制时的优先级排序。

QCI是一个指针，指示一个更多细节的QoS属性集合，如表1所列。

QCI包括的参数有二层分组延迟预算和分组丢失率。

这两个参数可
以被基站用来配置RLC协议的外部ARQ操作指针，二层分组延迟预算被基站调度者(scheduler)使用(例如，对特定队列进行优先级排序以满足特定行首(head-of-line)分组的延迟目标)。

QCI表中条目的相对优先级也包含在内。

当QoS配置文件给出时，准入控制功能将决定小区中新承载的请求被许可还是被拒绝。

准入控制可以考虑的因素有小区的资源环境、新承载的QoS要求，以及优先级和小区中活动会话当前提供的QoS。

仅当新承载的QoS估计可以得到满足时，新的请求才会被许可，同时还要有能力为小区中有相同或更高优先级的进程中会话提供可接收的服务。

例如，一个可行的用于OFDMA系统的准入控制算法已在[7]中被研究。

半永久性调度
对于其他系统如IEEE 802.16和3GPP HSDPA(叫做高速共享控制无信道调度[3])来说，半永久性调度是一个著名的方法。

基本原理是周期性地为一个特定的用户分配特定的传输资源。

通过RRC协议，半永久性调度的资源的时间图被首先设定。

基站总是可以在TTI中通过PDCCH动态调度同一个用户而无视半永久性调度。

由于持续不断地分配的资源在时间上是周期的，带宽是固定的，调制和编码的体系也是不变的，这些资源代表固定数据量的常规调度。

因此，半永久性调度方法主要为确定性的数据流设计(如Internet协议上的语音[V oIP]业务)。

举个例子，一个用户每20ms收到固定大小的V oIP分组，可以被(半)永久地调度到这个时间间隔和某个带宽(若干个PRBs)上，并依据预料的分组大小和估算的链路质量分配一个相适应的调制和编码体系。

半永久性调度的主要优点是每次传输时没有显式的物理层信令是必须的，这样使下行控制信令的开销减少。

但是，如果一个永久性调度的分组接收失败，任何混合ARQ重发将需要动态调度。

快速动态RRM算法
二层的RRM控制实体是动态分组调度者(dynamic packet scheduler, PS)，它在每个TTI做出调度决定：向多个用户分配PRBs，指定一种调制和编码体系，后者称为链路自适应。

分配的PRBs及所选的调制和编码体系作为信号通过PDCCH发给用户。

分组调度的总的目标是使小区的容量最大化，同时确保满足承载的最小QoS要求，并且保留足够的资源给那些没有严格QoS要求的尽力服务(best effort)的承载(bearers) [8]。

调度决定的做出是以每个用户为基准的，即使一个用户可以有几个数据流。

事实上，每个有一个承载的活动用户至少有2个二层数据流：一个用于RRC协议的控制平面数据流和一个或多个用户平面数据流。

为一个特定的用户给出某种已安排的运输块大小，MAC协议决定从每个数据流发送多少数据。

如图3所示，分组调度者和混合ARQ管理者紧密作用，后者负责调度的重发。

下行调度者拥有完全的机动性在时域和频域内动态调度待定的混合ARQ重发。

在一个TTI内，对每个调度的用户，分组调度者必须做出决定，是发送一个新的传输(transmission)还是发送一个待定的混合ARQ传输，因为把这二者同时调度给同一个用户是不允许的。

链路自适应(Link adaptation)根据选择的PRBs的集合向分组调度者提供支持的调制和编码方式的信息。

链路自适应单元主要基于小区用户的CQI反馈和QoS要求做出决定。

然而，如图3所示，一个环外的链路自适应单元也被用来控制头几次传输的块错误率，它基于过去传输中的混合ARQ确认(积极或消极)。

如图3所示，分组调度者可以被分解为时域和频域的调度者。

首先，时域调度者选择在下个TTI将被调度的用户，而频域调度者向所选的用户分配PRBs(如FDPS功能)。

这样一种解决方案有助于在性能和复杂度之间达成有吸引力的平衡，并且容许综合考虑控制信道的调度限制。

在这样的框架内，QoS感知(QoS awareness)可以被引入并被时域调度者控制，而频域内无线信道感知的(radio-channel-aware)调度被限制为仅能对用户的子集进行操作，这个子集是由时域调度者选择的(在[9]中查看更多细节)。

关于集中化传输的基本FDPS原理如图4所示。

FDPS的原理利用的频率选择性衰落，只把用户调度到具有高信道质量的PRBs上，避免那些用户体验到严重衰落的PRBs。

因此达到高FDPS增益（通常提高40%小区吞吐量）的一个条件是无线信道的相关带宽要小于系统带宽，并且用户设备(UE)的速度要是适中的(比如说至多20-30km/h)，如此使无线信道是可跟踪的，通过来自UE的周期的和频率选择性的CQI报告。

对高速的UE，由于信令的延迟，基站不能准确跟踪无线信道。

这样，对于高速UE，要达到最佳性能需要设定基站的分组调度者，来着眼于将PRBs分散地分配在整个系统带宽上，以从简单盲频分复用中获益。

然而，如果有足够多的数据让用户占据许多PRBs，比如说至少4-5个，后者只有在使用集中化的传输时才是严格可能的。

对较小数据量的用户，仅需要在不多的PRBs上传输的，频分复用可以从集中化的变为分布式的。

分布式的传输依靠虚拟资源块的概念。

一个虚拟资源块的数据被映射到若干非连续的PRBs，以将传输分配到一个更大的有效带宽。

因此，对
分布式传输模式，一个PRB通过使用TTI内的时分复用可以包含比如说两个虚拟资源块[10]。

对不同的用户，在不同PRBs的单个TTI内，集中化和分布式传输相结合是可行的。

对于至少有2个发送天线和2个接收天线的适应MIMO的链路，基站可以选择向一个用户发送一个运输块还是2个独立编码的运输块(又称码字)，通过分配的PRBs上的虚拟数据流。

2个独立编码的运输块的传输要求MIMO无线信道的等级(rank)至少是2。

在后一种情况，用户的CQI反馈将包含信息：允许基站链路自适应单元为2个独立的运输块选择不同的调制和编码体系。

基站可以在传输1个和2个码字间动态切换，依据被调度用户的CQI和Rank反馈。

作为一个简单的经验法则，平均SINR必须大于约10-12dB，而后2个独立运输块的传输才能在等级2的2×2MIMO链路上有吸引力。

LTE也支持多用户MIMO传输，2个用户调度在完全相同的PRB(s)上，通过应用一个合适的天线传输权重(weights)集合，向每个用户发送独立编码的运输块。

为了让多用户MIMO有吸引力(例如，让服务两个成对用户的总吞吐量最大)，天线传输权重的选择在时域和频域内都应当准确。

后者也称为协调分组调度行动，在相同PRB(s)上配对传输的用户是动态选择的，基于他们的联合短期无线信道特征。

用于LTE的MIMO感知RRM 在[12]中被进一步论述。

RRM特性和性能的运行
图5显示了不同负载状况下的RRM运行结果，从低负载到过载(分组呼叫阻塞可能开始发生)。

图中低负载的情景被描述为小区中只有少量的活动用户、少量的数据量及低的其他小区的干扰，这样，准入控制中没有呼叫阻塞，并且活动用户(承载)在他们的最低QoS限制下可以容易地得到服务。

由于小区中只有少量的活动用户，控制信道的传输资源原则上可以降低到只有1个OFDM符号，每个TTI中留下13个OFDM符号用于数据传输。

使用这样一种配置，如果只有一个用户，被调度在一个20MHz的带宽上使用双码字MIMO和64-QAM，下行峰值数据速率可达150Mb/s [3]。

推荐的默认传输模式是集中化传输加上动态二层调度，这种模式提供了有吸引力的FDPS增益[9]。

假定这少量的活动用户在基站中有有限的数据缓冲、提供低的话务量，那么系统很可能自动运行在低负载模式，每个TTI中传输只在PRBs的一个子集上进行。

随着话务量的增加，系统将开始以恒定功率全负载运行，在所有的PRBs上进行传输[11]。

随着小区开始容纳更多的活动用户，在每个TTI调度更多用户
的需要在增加，以满足不同用户的QoS限制。

这就要求下行控制信道的传输资源增加：随着话务量的增加，从1个OFDM符号到3个OFDM符号。

即便系统满负载运行、在所有的PRBs上传输，仍有空间接纳新用户，同时有能力依据QoS保证服务所有现有的用户。

随着有严格QoS保证(如GBR)的用户的话务量的增加，二层的分组调度者将开始减少小区中尽力服务的用户的容量。

然而，随着话务量的继续增加，需要进一步的优化。

在高话务量时，由于PDCCH的可用资源是最多3个OFDM符号，它可能在某些情况下限制了小区容量，这又称为控制信道阻塞。

例如，在小区中有许多低速率用户(以V oIP用户为典型)，他们频繁地发送一些相对较小的数据量，后者(控制信道阻塞)会发生。

在这样的情况下，从二层动态调度转为三层半永久性调度是有益的。

由于只有混合ARQ重传是动态调度的，半永久性调度的使用只需要更少的控制信道容量。

然而，如前面讨论的那样，半永久性调度只适用于这些用户：有确定性的准固定比特率的应用。

反之，它不适合有高动态流量的用户。

因此，在一个TTI内，一部分频率资源被保留作半永久性调度，而其余的PRBs 可以被动态调度。

V oIP是半永久性调度的典型应用。

从集中化传输模式转换到分布式传输模式，对移动太快而不能从FDPS中获益的用户，是另一种选择，这在前面也讨论过。

然而，随着话务量的增加，尽管有许多RRM选项在不同话务状况下优化小区容量，准入控制算法最终将开始阻塞新来的请求。

类似地，在最坏的情况下，根据拥塞控制和QoS管理策略，一些已被接纳的用户可能被降低实际的QoS。

对于一个已成型的系统，呼叫掉线应当只在很少的情况下发生。

容量问题可以被活动的网络监视、来自基站的统计数据和测量结果的收集探查到。

收集的统计数据可用于进一步的优化，例如，协调的基站天线倾斜行动、对那些需要更多小区的地区的识别、或从3个升级到6个扇区。

举个例子，低速移动(3km/s)UE、集中化传输的情形下，一组性能结果显示在图6和图7中。

这些结果是在全负载的宏蜂窝环境获得的，使用传统的三扇区
站点，站间距离是500m。

系统带宽是10MHz。

图6中结果的取得是使用了一个简单的“全缓冲”流量模型，这里的平均频谱效率是按小区报告的。

为了进行对比，图6也把HSDPA Rel. 6的结果包括进来，显示出原先的频谱效率性能改善的目标已经完成。

1个基站发送天线、2个终端接收天线(1×2)的LTE结果已给出，既有FDPS(假定按时-频比例公平调度)，又有非FDPS的情况(每个TTI整个系统带宽内只有一个终端被调度)。

这些结果显示了一个可观的40%的FDPS增益。

使用MIMO(2×2和4×4)的报告的结果是基于这样的情形：闭环基于码书(code-book-based)的体系以及与经验信道状况相一致的单双码字传输动态自适应[10, 12]。

这里观察到小区性能在应用带有至多4个发送和接收天线的MIMO体系时得到进一步提高。

对于宏蜂窝环境，4×4对2×2的相对增益主要来自于终端天线数量的增加。

然而，如[12]报告的那样，在更高的经验信干噪比(SINR)时，使用多个流(stream)传输的可能性就更高，因此宏蜂窝环境的2×2和4×4 MIMO 相对增益通常更大。

图7是在1×2天线配置下取得的结果，case #1采用无QoS限制的尽力服务(以简单文件下载为范例)，case #2和#3是尽力服务和有严格GBR QoS限制(256kb/s)的固定比特率(CBR)应用的混合。

这些结果的取得是使用了一个QoS感知的分组调度算法，它基于采用必要活动检测的比例公平调度技术的一个修改版，以满足CBR流量的GBR要求[13, 14]。

观察到仅有尽力服务的case #1，平均小区吞吐量是12.5Mb/s，而当更多CBR用户出现在小区中时，平均小区吞吐量下降了。

图中显示的case #2和#3分别有8和16个用户/小区。

观察到这种现象，是因为CBR用户是根据他们的GBR要求严格服务的，与他们在小区中的位置无关。

因此，这些用户对资源的消耗更大，这减少了分组调度的自由度来优化小区吞吐量。

不是用来服务CBR用户的那部分容量，通常称为附加容量(excess capacity)，在尽力服务的用户中按比例公平的方法进行分配。

QoS感知的准入控制算法确保只有链路状况和调度预算能够满足其GBR要求的那部分CBR用户得到许可。

结论
在这篇文章中我们简要阐述了主要的基站下行RRM机制(对共享单播信道)的基本LTE框架。

第三层包括了实现QoS参数化、无线准入控制和缓慢半永久分组调度的半动态RRM算法。

快速动态分组调度、快速链路自适应、混合ARQ 管理、MIMO自适应等等都位于第二层和第一层。

事实上，所有这些功能实体都位于同一个网络组件，基站控制一个或多个小区，提供跨功能优化和协调的多种选择。

后者有助于高效地适应无线信道状况、话务量等等。

默认的RRM配置是被推荐的，它依靠使用集中化传输的二层动态调度，它对中低速终端提供有吸引力的FDPS增益，同时依然有能力去服务不同QoS需求的用户。

如果下行控制信道容量开始成为一个瓶颈，三层的半永久性调度选项为准固定数据流提供了一个进一步优化系统性能的途径。

例如，如果在同一个小区中有很多V oIP用户，半永久性调度可以对这些用户使用。

最后，分布式传输的使用为低数据量高速移动的用户提供了潜在的性能改善方案，这种情况下全频率分集通过分散的集中化传输不再可实现。

给出了尽力服务和固定比特率流量模式混合的性能结果，它说明了QoS框架如何被用来高效地控制不同流量模式的性能。