移動(dòng)通信系統(tǒng)無線資源管理調(diào)度機(jī)制研究

姚偉

摘 要 文章介紹了移動(dòng)通信系統(tǒng)無線資源管理調(diào)度機(jī)制，說明了傳統(tǒng)的調(diào)度算法，給出4G LTE系統(tǒng)的無線資源調(diào)度方案，并對(duì)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的資源調(diào)度方案探討，對(duì)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的資源調(diào)度研究有一定意義。

關(guān)鍵詞 LTE系統(tǒng) 資源調(diào)度算法 5G AMC

1 無線資源調(diào)度基本概念

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無線資源是有限的，這些無線資源包括頻率，時(shí)間，空間，功率，碼字等資源，那么，如何能充分的利用有限的無線資源滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的無線業(yè)務(wù)需求，這就是無線資源調(diào)度分配機(jī)制需要完成的任務(wù)。資源調(diào)度分配機(jī)制的定義有多種，但是廣泛認(rèn)同的定義如下：基站上的調(diào)度器要能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制時(shí)頻資源的分配，將時(shí)頻資源在一定時(shí)間內(nèi)分配給某個(gè)用戶。調(diào)度算法要求在用戶的Qos和系統(tǒng)容量的最大化之間取得平衡。資源調(diào)度算法的三個(gè)重要的指標(biāo)分別是頻譜利用率，用戶公平性以及用戶Qos需求，從網(wǎng)絡(luò)角度來說，頻譜利用率是重要的，但是從用戶角度來說，用戶公平性和Qos是重要的，好的調(diào)度算法就是達(dá)到三者的折衷。

無線資源調(diào)度主要需要化解用戶對(duì)于資源的競(jìng)爭(zhēng)，廣義的調(diào)度要進(jìn)行時(shí)間，功率，頻率等資源的分配和共享，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化使用，這里的資源調(diào)度其實(shí)也就是資源分配。調(diào)度的目標(biāo)一是要實(shí)現(xiàn)無線資源的利用率提高和網(wǎng)絡(luò)容量的提高，二是要保證用戶的各種服務(wù)需求的質(zhì)量。無線調(diào)度技術(shù)就是在多個(gè)用戶等待接受服務(wù)的時(shí)候有合理的規(guī)則對(duì)資源進(jìn)行分配，這種對(duì)無線資源分配利用的規(guī)則就是無線調(diào)度技術(shù)，他的幾個(gè)判決原則包括最大化系統(tǒng)吞吐量，保證用戶的公平性，保證不同業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量。典型的無線調(diào)度包括盲調(diào)度和智能調(diào)度。盲調(diào)度是不需要用戶的信道質(zhì)量反饋信息，根據(jù)用戶的性能參數(shù)或完全不考慮用戶任何因素進(jìn)行調(diào)度，智能調(diào)度需要根據(jù)用戶的信道質(zhì)量反饋信息進(jìn)行調(diào)度。

無線資源管理算法的基本模式是在基站實(shí)現(xiàn)，主要用資源估計(jì)器resource estimator完成算法實(shí)現(xiàn)，對(duì)于分組業(yè)務(wù)，資源估計(jì)器resource estimator通過接入控制（admission control）裁決決定是否介入用戶請(qǐng)求，為用戶請(qǐng)求選擇基站和信道，用戶業(yè)務(wù)信號(hào)隨后進(jìn)入業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，并提供相應(yīng)信息給資源估計(jì)器resource estimator，資源估計(jì)器resource estimator然后經(jīng)過時(shí)間或碼資源調(diào)度，再進(jìn)行速率和功率控制，通過以上的流程完成無線資源管理和分配。

2 傳統(tǒng)的調(diào)度算法

傳統(tǒng)的調(diào)度算法主要有輪詢RR算法，最大C/I算法，比例公平PF算法等。

輪詢RR算法主要的方法如下：系統(tǒng)遍歷其中所有的用戶，循環(huán)的進(jìn)行調(diào)度，提供信道。RR算法主要的特點(diǎn)是循環(huán)調(diào)度每個(gè)用戶，使得每個(gè)用戶在任何時(shí)刻都有相同的調(diào)度機(jī)會(huì)，保證用戶的公平性，而且復(fù)雜度低，容易實(shí)現(xiàn)；但是在RR算法中，完全沒有考慮用戶的信道質(zhì)量，將不同用戶的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為相同的，系統(tǒng)吞吐量很難提高，而且被調(diào)度的信道質(zhì)量較差的用戶不能很好的利用資源，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率。

最大C/I算法的主要方法是為信道條件最好的用戶服務(wù)，信道條件最好即為最大C/I，所以在此算法中優(yōu)先級(jí)可以用在某個(gè)時(shí)刻用戶信道的載干比值來表示，載干比較高即優(yōu)先級(jí)較高。最大C/I算法的特點(diǎn)是，信道條件好的用戶可以一直占用信道資源，而信道條件差的用戶調(diào)度機(jī)會(huì)較小，所以此算法中，用戶公平性差，但是系統(tǒng)吞吐量可以達(dá)到最大，頻譜效率較高，而且算法復(fù)雜度也不高。

比例公平PF算法是對(duì)上述兩種算法的一種中和，使用較為普遍，比例公平算法同時(shí)考慮用戶信道質(zhì)量和前面一段時(shí)間內(nèi)此用戶在調(diào)度中獲得的吞吐量，用戶的優(yōu)先級(jí)可以用用戶某時(shí)刻信道質(zhì)量和用戶在此時(shí)刻前的一段時(shí)間窗口內(nèi)的平均吞吐量的比值，這樣信道質(zhì)量好的用戶在一段時(shí)間的持續(xù)調(diào)度后，優(yōu)先級(jí)就會(huì)減小，因?yàn)樵龃罅?。這樣在用戶的公平性和系統(tǒng)效率間取得了一定的平衡，該算法為每個(gè)用戶都分配了一個(gè)優(yōu)先級(jí)，每一個(gè)調(diào)度時(shí)刻，優(yōu)先級(jí)高的用戶會(huì)優(yōu)先進(jìn)行調(diào)度，該算法優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式如下：

其中為用戶的優(yōu)先級(jí)，為的瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率，即當(dāng)前信道質(zhì)量，為用戶在時(shí)間段的平均吞吐量。的更新規(guī)則為：

比率公平算法的時(shí)間窗口的選擇是比較復(fù)雜的，實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。改變不同的參數(shù)，該算法就可以帶來不同的公平性程度。

3 4G LTE系統(tǒng)的無線資源調(diào)度

無線通信系統(tǒng)的目前的發(fā)展方向是多載波，多天線，目前LTE系統(tǒng)已經(jīng)引入了OFDM技術(shù)，而OFDM信道的空時(shí)頻變化非常復(fù)雜，有很高的隨機(jī)性，故而在目前的無線資源管理需要考慮面對(duì)多維資源的合理分配。LTE系統(tǒng)中下行使用OFDMA， 上行使用SC-FDMA。下行資源包括頻率資源、時(shí)間資源和空間資源，上行使用頻分多址復(fù)用FDMA。LTE的最小資源單位是時(shí)頻資源塊RB。OFDMA是OFDM-FDMA的簡(jiǎn)稱，它為不同的用戶提供一個(gè)OFDM符號(hào)的一組子載波來實(shí)現(xiàn)多用戶接入，用戶用子載波頻率來劃分?；贠FDM的優(yōu)點(diǎn)，不同用戶間是不需要保護(hù)頻段的。

LTE系統(tǒng)中，資源分配和調(diào)度的研究是重要一點(diǎn)，資源分配主要考慮對(duì)時(shí)間，帶寬和功率的動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，資源調(diào)度指如何安排不同用戶接入OFDMA子信道，來滿足不同的用戶需求。 OFDMA系統(tǒng)的資源調(diào)度可以考慮為非線性的帶約束條件的優(yōu)化，包括子載波，功率，碼字，以及用戶的質(zhì)量需求和公平性需求，信道越多，用戶越多，算法復(fù)雜程度越高。

LTE在無線資源調(diào)度的過程中，要求基站調(diào)度器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制時(shí)頻資源，并將時(shí)頻資源合理分配給不同用戶。對(duì)LTE系統(tǒng)而言，調(diào)度最終體現(xiàn)在不同用戶占用的虛擬資源塊的數(shù)量和位置，這通常和用戶的質(zhì)量需求，信道狀態(tài)以及和系統(tǒng)的整體需求有關(guān)。

在調(diào)度中，對(duì)于下行鏈路，采用智能調(diào)度的模式，需要利用上行鏈路反饋的信道信息，進(jìn)行資源分配，用戶設(shè)備通過下行控制信令得知下一個(gè)傳輸周期內(nèi)的具體的下行資源塊和格式。在LTE系統(tǒng)中，功率分配一般和子載波的分配一起進(jìn)行來保證用戶Qos和系統(tǒng)容量。其中簡(jiǎn)單有效的下行功率分配一般有如下兩種：第一是平均分配方法，將功率平均分配到每個(gè)子載波上，用戶的發(fā)射功率則取決于占用了幾個(gè)子載波；第二是路徑損耗補(bǔ)償方法，基本上為系統(tǒng)采用方法，取系統(tǒng)功率的一部分補(bǔ)償部分用戶的較大的信號(hào)衰落，其余的功率用于功率注水。LTE系統(tǒng)下行資源分配中，分配子載波的方法主要包括基于子帶方法和間隔擴(kuò)展方法，基于子帶的分配是將用戶分配到一組相鄰的子載波上，基于間隔的分配中每個(gè)用戶的子載波是不連續(xù)的，將擴(kuò)展到整個(gè)帶寬。

LTE系統(tǒng)上行資源分配在LTE的調(diào)度中，下行鏈路用來通知用戶所獲得的具體的資源塊和傳輸格式，上行如果是基于調(diào)度的接入，那么用戶根據(jù)獲得的時(shí)頻資源，選擇相應(yīng)的時(shí)隙和頻率資源進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送。

4 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的資源調(diào)度方案探討

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)希望實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的無線通信技術(shù)融合，峰值速率希望達(dá)到10Gbps，希望引入更先進(jìn)技術(shù)，通過更加高的頻譜效率，更多的頻譜資源和增加更多的小區(qū)來滿足移動(dòng)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求，實(shí)現(xiàn)高速率，高容量，低時(shí)延，高可靠性。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)資源調(diào)度方案應(yīng)該具有以下特征。

4.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要求在網(wǎng)絡(luò)多樣性和終端差異性的前提下依然保持移動(dòng)用戶在任何條件下都擁有無縫業(yè)務(wù)，異構(gòu)的無線資源不僅包括無線頻譜，也包括其他資源，例如接入權(quán)限，連接方式等，所以未來的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理在多個(gè)方面進(jìn)行擴(kuò)展，首先在資源的內(nèi)涵，資源的取值范圍和資源之間的關(guān)系都有所擴(kuò)展，其次，由于資源內(nèi)涵的擴(kuò)展，一維變量已經(jīng)不能表達(dá)出資源分配的狀態(tài)，需要多維變量動(dòng)態(tài)表征，所以5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的資源分配需要為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的不同接入網(wǎng)動(dòng)態(tài)分配資源，進(jìn)行頻譜管理。

4.2 鏈路自適應(yīng)技術(shù)

鏈路自適應(yīng)技術(shù)基本的方法就是要以當(dāng)前無線信道的變化狀態(tài)為基礎(chǔ)，快速確定要選擇的鏈路速率和調(diào)制方式以及其他資源，這被稱為自適應(yīng)調(diào)制和編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）。鏈路自適應(yīng)技術(shù)對(duì)資源的選擇是不斷動(dòng)態(tài)變化的，目標(biāo)增加系統(tǒng)容量。若使用AMC，在空中無線環(huán)境的不斷變化的狀態(tài)中，系統(tǒng)不再改變終端的發(fā)射功率了，而是改變調(diào)制和編碼方式，這就是調(diào)制編碼方案 MCS。

AMC改變的是調(diào)制和編碼方式，取代了改變發(fā)射功率，以此方式在不同的信道狀態(tài)下獲得最大的吞吐量，所以需要建立一個(gè)MCS調(diào)制編碼傳輸格式集合，每個(gè)集合包括調(diào)制方式和編碼速率，當(dāng)信道發(fā)生變化的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)選擇相應(yīng)的傳輸格式。

5 總結(jié)

未來用戶多媒體信息，視頻，音頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求將不斷發(fā)展，需要未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)采用更合理的無線資源管理與資源調(diào)度算法來解決有限的無線資源和不斷發(fā)展的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間的矛盾。目前，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究已經(jīng)在不斷開展中，隨著5G制式、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)的不斷標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)于5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線資源管理也將不斷深入開展下去。

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