LTE基站端上行无线资源分配架构研究

【摘要】文章首先分析了LTE的无线资源分配机制的研究现状和上行无线资源分配的需求,在此基础上提出LTE基站端上行无线资源分配架构,阐述了该架构中涉及的功能模块和关键技术。

【关键词】LTE 带宽分配 上行无线资源分配 QoS

1 引言

随着移动用户数的快速增长和新类型业务的不断涌现,传统的无线接入技术无论是在带宽还是在业务提供能力上都已无法满足移动用户及网络运营商的要求。在这样的背景下,3GPP在3G已经取得成功的基础上,提出了Long Term Evolution(LTE)计划,继续推动移动通信技术不断向前发展。

3GPP LTE系统以分组域业务为主要目标,其系统在整体架构上是基于分组交换的。LTE系统在上行链路,要求基站端在有限的频谱带宽下能够为更多的用户提供较高的上行数据传输速率,同时还应满足用户各种业务时延等服务质量(QoS)要求。尽管在目前3GPP LTE的相关标准中定义了较完整的QoS机制,但是其中并没有给出保障用户各种业务QoS的上行无线资源分配方案。

在多业务和高容量用户的背景下,如何根据用户不同QoS要求和链路情况来有效地分配频谱资源,以提高频谱效率成为了一个相当具有挑战性的问题。本文主要针对LTE上行无线资源分配展开研究。

2LTE上行无线资源分配机制

2.1概述

LTE中基站端无线资源管理采用集中控制的方式,每个基站同时为多个用户服务。其无线资源分配技术包括基站端上行调度、基站端下行调度和终端调度等,具体如图1所示:

在下行方向,来自核心网的用户各类业务数据在基站端首先经过包映射器映射到无线承载radio bearer上。然后,由基站端下行调度器执行下行调度功能生成指示无线资源分配信息的DCI1/1A信令或其他格式;同时,基站端上行调度器根据来自终端的资源请求和缓存状态报告,执行上行调度功能,生成指示无线资源分配信息的DCI0信令。最后,基站将DCI1/1A、DCI0等信令连同下行数据发送给终端。在上行方向,终端各类业务数据也是先经过包映射器映射到对应的radio bearer上。终端调度器根据收到的DCI0信令,执行终端调度功能,最后终端将上行数据发送到基站端。本文主要针对基站端上行调度器功能的实现展开讨论。

2.2 场景分析

LTE作为准4G技术,为了实现其高速率和高频谱效率的目标而加入了许多新特性,上行无线资源分配也是在这个新的场景中发挥作用。在上行无线资源分配过程中,需要着重考虑如下要素:

(1)LTE上行链路物理层特性。LTE上行链路采用localized的单载波频分复用(SC-FDMA)作为传输方案。LTE上行无线资源分配的最小单位是一个物理资源块(PRB),一个PRB包含12个频域上相邻的子载波[1];同时LTE相关标准中也要求分配给一个终端的若干个PRB在频域上是相邻的,并且采用相同的调制编码方式。

(2)LTE媒体接入控制子层中半静态调度(SPS)的应用。半静态调度的特点[2]是终端占用的无线资源,包括占用物理资源块的分布和调制编码方式等,以一定的周期自动重复出现,不需要额外信令通知。

(3)LTE标准中提出了TTI bundle的概念。TTI(传输时间间隔)bundle[3]是指终端可以在连续的若干个传输时间间隔内占用相同的物理资源块和使用相同的调制编码方式发送相同的用户数据,其中连续传输时间间隔的个数定义为TTI_BUNDLE_SIZE,值为4。

(4)LTE上行链路采用同步HARQ无线传输技术。同步HARQ机制分为两种:自适应HARQ和非自适应HARQ,两种方式在LTE上行链路传输中都有应用[4]。

3 LTE上行无线资源分配架构

基于上述LTE上行链路无线资源分配机制的研究,本文提出一种适用于LTE的上行无线资源分配架构,如图2所示:

该框架的输入包括混合自动重传请求(HARQ)反馈、用户各个业务的QoS参数和用户的信道质量信息。该框架主要包括可用资源预处理器、动态分组调度器和资源分配器三个功能模块,各个功能模块的具体作用如下:

(1)可用资源预处理器,负责计算在当前上行子帧可用的物理资源块(PRB)队列。考虑到半静态调度和配置了TTI bundle功能的用户的无线资源分配过程涉及到了物理资源块的预留,该可用资源预处理器主要是减去之前为这些用户预留的物理资源块。

(2)动态分组调度器,包括用户队列预处理器、用户优先级处理器和带宽分配器。其主要功能是预处理用户队列,满足非自适应重传用户的请求,计算其余用户的优先级并为用户发送数据字节数。

(3)资源分配器,其主要功能是根据用户分配的带宽量确定用户占用物理资源块的分布和调制编码方式。该资源分配器能够充分考虑用户信道质量状况,在保证用户QoS的同时提高无线资源利用率。

上述LTE上行链路无线资源分配过程的输出是系统无线资源的分配结果,分配结果中包括用户占用物理资源块的起始值和长度、调制编码方式、新传和重传指示等。下面给出各个功能模块中的关键技术分析。

3.1 可用资源预处理器

基于LTE上行无线资源分配机制研究中关于半静态调度和TTI bundle功能的描述,可以看到其中涉及到了资源的预留,而可用资源预处理主要负责在当前系统可用物理资源块中减去之前预留的物理资源块,同时将剩余物理资源块队列分类并作为输入提供给动态分组调度器和资源分配器。

预留的物理资源块包括两部分内容:配置了半静态调度功能用户占用的物理资源块和配置了TTI bundle功能用户占用的物理资源块。

半静态调度存在于LTE基站端的上行无线资源分配和下行无线资源分配过程中。半静态调度的提出主要为了在LTE系统中能够较好地保证VoIP业务的服务质量[5],其要点是利用半静态调度分配的无线资源发送新传数据,利用动态调度分配的无线资源发送重传数据。

针对VoIP业务数据包小且传输时间间隔短的特点,如果采用动态调度的方式,那么每个VoIP业务数据包到达和重传的无线资源分配情况都需要基站向终端传输信令,这样会造成较大的信令开销,影响数据传输效率。而如果采用半静态调度的方式,由于半静态调度分配的无线资源是以一定的周期自动重复出现的,所以能够大大减少信令开销,同时也能较好地保证VoIP业务的服务质量。另外,由于半静态调度分配的资源可以通过特定信令被撤销,这样当VoIP业务的静默期来临时可以将资源分配给其他用户,从而有效提高无线资源的利用率。

配置了TTI bundle功能的用户,每份用户数据都将使用相同的物理资源块和调制编码方式被连续传输4次,其中每次传输结束都不用等待基站端的反馈就继续下一次传输直到一个bundle结束。这样做能够大大减少终端和基站端用于传输反馈的信令,也能更好地适应多变的无线信道。

3.2 用户队列预处理器

用户队列预处理器负责为重传用户选择重传方式,即选择自适应方式或者非自适应方式,并依据用户此时所处状态将用户分配到不同的用户队列中。如图3所示:

用户队列预处理器中重传用户处理部分为用户选择重传方式,从而将用户划分到自适应重传队列和非自适应重传队列,其中非自适应重传用户不需要后续处理;用户队列预处理器中新传用户处理部分,将用户细分为使用动态无线资源传输数据的用户、使用半静态无线资源传输数据的用户、请求半静态无线资源的用户等。

重传用户处理部分需要充分考虑两种HARQ方式的优缺点从而选择合适的重传方式。自适应HARQ方式比较灵活,当信道质量或系统带宽变化时基站可以通过信令调整用户重传数据占用的物理资源块分布和使用的调制编码方式,这样就能使重传占用上行无线资源分配过程中的碎片无线资源,从而提高资源利用率,但其缺点是信令开销大。非自适应HARQ方式要求重传占用同上次传输相同的物理资源块并使用相同的调制编码方式,其优点是没有信令开销,但是也存在缺点就是无法适应无线信道的变化;同时由于其要求占用与上次传输相同的物理资源块,可能导致上行无线资源分配过程中产生较多的碎片无线资源,从而降低无线资源利用率。

自适应重传方式和非自适应重传方式各有优缺点,用户队列预处理器优先满足用户非自适应重传请求。

3.3 用户优先级处理器

本文采用动态方法确定用户优先级,即每次执行无线资源分配的过程中都动态更新用户的优先级。这种方法较灵活,能够更好地满足不同用户服务质量。

用户优先级计算器,主要负责计算用户优先级,细分为主优先级和次优先级。主优先级指自适应重传的用户优先级最高,动态新传数据的用户次之,之后依次是请求半静态无线资源的用户、发送了资源请求的用户、要求随机接入的用户和仅需发送非周期性信道质量报告的用户。次优先级是指当用户的主优先级相同时,则根据用户的信道质量状况、用户的缓存数据量和用户一些特定参数确定其优先级。

3.4 带宽分配器

带宽分配器,其输入是用户优先级信息和用户各个业务的服务质量参数信息,其输出是各个用户可发送数据量。带宽分配器的重要组成部分是带宽分配算法。带宽分配算法的目标是满足用户的各个业务的服务质量要求,并且综合考虑各个用户间的公平性。

按照LTE标准的规定,用户的各种业务是映射到无线承载上的,而每个无线承载映射到上行和下行两条逻辑信道上。LTE标准中规定了逻辑信道的QoS参数,带宽分配算法主要是通过保证逻辑信道的QoS来保证用户各个业务的服务质量。

上行逻辑信道的QoS参数主要是数据优先传输速率值PBR和优先级。PBR值和优先级由来自网关的无线承载的QoS参数按照一定规则映射而来,作为上行链路无线资源分配过程中带宽分配算法的输入参数。

带宽分配算法能够使得用户在业务突发时发送较多数据,而在业务静默期减少数据发送量,从而在一段时间内保持用户业务所要求的数据传输速率。

3.5 物理资源块分配器

物理资源块分配器根据用户可以发送数据量的大小,确定用户占用物理资源块分布情况的算法。其目的是减少无线资源浪费,提高系统吞吐量。

为了实现低峰均比(PAPR)的上行传输[6,7],LTE选定采用localized的单载波频分复用(SC-FDMA)作为上行链路的传输方案。基于该传输方案,物理资源块分配算法能够充分利用用户信道质量状况信息,开发多用户分集,提高系统吞吐量。

自适应调制编码(AMC)和物理资源块的分配过程是相结合的,即根据用户PRB的分布确定用户MCS。这样物理资源块分配算法和AMC相结合,使得用户能够采取最佳调制编码方式占用最少的物理资源块发送较多的数据,从而大大提高系统吞吐量。

4 结束语

本文分析了LTE无线资源分配机制,然后提出一种LTE上行无线资源分配架构,并讨论了该架构中的关键技术。上述架构主要针对单天线配置场景,由于LTE默认支持多天线技术(MIMO),下一步考虑在已有基础上增加针对MIMO环境的增强带宽分配算法和物理资源块分配算法,以保证在满足用户业务QoS要求的同时更好地提高频谱利用率。

参考文献

[1]3GPP TR 36.211:Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical Channel and Modulation[S].

[2]3GPP TS 36.321:Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Medium Acces Control (MAC) protocol specification[S].

[3]3GPP TS 36.213:Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer procedures[S].

[4]3GPP TS36.300:Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) overall discription[S].

[5]王东洋. 3GPP LTE上行链路关键技术研究[D]. 北京: 北京邮电大学,2007.

[6]Fan Xiangning, Li Yuanjie, Li Mingqi, et al. Analysis and comparison of different sc-fdma schemes 3G LTE[C]. Wireless Communications, Networking and Mobile Computing (WiCom), 2007. International Conference, 21-25 Sept.2007: 787-790.

[7]Myung H.G., Junsung Lim, Goodman D.J. Single carrier FDMA for uplink wireless transmission[J]. Vehicular Technology Magazine, IEEE, 2006,1(3): 30-38.

【作者简介】

范晓雯:中国科学院计算技术研究所无线中心硕士研究生,主要研究方向为宽带无线通信网络中的无线资源分配。

黄伊:中国科学院计算技术研究所博士生,研究方向为宽带动通信,目前主要从事宽带无线通信系统无线资源管理以及多播广播的研究工作。

石晶林:研究员,博士生导师,中国科学院计算技术研究所ICT-ASTRI先进无线技术联合研究中心常务副主任。北京邮电大学客座教授,澳大利亚悉尼大学电子信息学院电信通信实验室客座教授,澳大利亚卧龙岗大学无线通信实验室客座教授。已发表学术论文近百篇,出版专著2本,申请国家发明专利90余项,获得软件著作权10余项。