动态资源分配

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。