關于5G移動通信系統(tǒng)無線資源調度探討

林汀

（大唐移動通信設備有限公司，北京 100083）

0 引言

在移動通信系統(tǒng)中，無線資源（一般指時間、頻率、碼字、空間、功率等）是稀缺的，即無線資源是有限的，為了滿足人們對無線業(yè)務日益增長需求，充分地利用有限的無線資源來為人類服務是非常必要的，無線資源調度分配機制需要做的就是完成這個任務[1]。一般大家普遍認同的關于無線資源調度分配機制的定義如下：在基站的調度器上實時動態(tài)的控制時頻資源的分配，某個用戶可以在一定時間內得到時頻資源。這樣就要求調度算法應該盡可能地在系統(tǒng)容量和用戶的QoS需求之間取得平衡[2]。無線資源調度算法一般是通過三個指標來衡量的，它們分別是用戶公平性、用戶QoS需求和頻譜利用率，對于網(wǎng)絡系統(tǒng)來說頻譜利用率是非常重要的，用戶公平性和QoS對于用戶來說，是很重要的，所以，高水平的調度算法就是使三者的需求均盡可能地滿足[3]。

1 無線資源調度的概念

無線資源調度就是資源分配，要對頻率、功率和時間等資源進行合理的共享和分配，使得資源的達到優(yōu)化使用[4]。調度的主要目的有以下方面：首先就是盡可能地提高網(wǎng)絡容量和無線資源的利用率，其次要能夠使用戶的各種服務需求的質量得到相對可靠的保證[5]。無線資源調度技術就是建立盡可能合理的規(guī)則，在多個用戶同時等待接受服務時，對無線資源進行合理的分配，無線調度技術也就是這種對無線資源分配利用的規(guī)則，其基本目的是使系統(tǒng)吞吐量最大化，且需保證各種不同業(yè)務流的服務質量，還要確保各用戶基本達到獲得資源的公平性[6]。一般來說無線資源調度從大體上來講分為智能調度和盲調度。智能調度主要考慮的因素是用戶的信道質量，也就是說系統(tǒng)會根據(jù)用戶的信道質量的反饋信息進行動態(tài)調度。而盲調度則不考慮用戶的任何其他因素，只根據(jù)用戶的性能參數(shù)進行調度[7]。

無線資源管理的主要過程是在基站端完成的，一般由資源管理估計器resource estimator來實現(xiàn)。對于分組業(yè)務來講，資源估計器首先通過接入控制進行裁決并判定是否需要接入用戶請求，如果需要則為用戶請求選擇與其相適應的基站和信道，接下來對用戶的業(yè)務信號進行業(yè)務優(yōu)先級排隊，與此同時資源估計器即可獲得用戶的相應信息，然后進行碼或時隙等資源調度，最后完成功率和速率控制，一般無線資源分配和管理過程是這樣實現(xiàn)的。

2 無線資源調度的傳統(tǒng)算法

人們常說的傳統(tǒng)的調度算法一般是指以下幾種：比例公平PF算法、最大比C/I算法和輪詢RR算法等。

2.1 比例公平PF算法

比例公平PF算法因為其中和了最大C/I算法和輪詢RR算法，所以使用的較為普遍，比例公平算法的基本原理是在考慮調度時刻前一段時間內此用戶的信道質量的同時還要考慮該用戶在調度中獲得的吞吐量，也就是用戶的優(yōu)先級是通過用戶的信道質量與用戶的平均吞吐量的比值決定的，由于信道質量好的用戶其平均吞吐量也會相應較高，也就是優(yōu)先級比值的分子分母同時增加，從而使其優(yōu)先級就會減小，也就是說信道質量好的用戶開始優(yōu)先級會較高，但經過一段時間的持續(xù)調度后，優(yōu)先級會自然下降。因此相對來講在系統(tǒng)效率和用戶的公平性之間達到了很好的平衡。該算法主要是優(yōu)先調度優(yōu)先級高的用戶，所以要對每個用戶的優(yōu)先級進行計算，該優(yōu)先級計算公式如下：

其中Pi（t）為用戶i的優(yōu)先級，DRCi（t）為i的瞬時數(shù)據(jù)速率，即當前信道質量，F(xiàn)i（t）為用戶i在tc時間段的平均吞吐量。

比例公平算法顧名思義其公平性是相對其他兩種算法是最好的，但是由于其時間窗口的選擇相對來講比較復雜，在實現(xiàn)過程中會有一定難度[8]。

2.2 最大C/I算法

最大比C/I算法是指首先考慮為信道質量條件最好的用戶提供信道資源服務的一種算法，因為用戶信道的C/I最大其信道的條件相對就最好，也就是說此算法中在某個時刻對用戶服務的優(yōu)先級別與該用戶信道的載干比值是一致的，該用戶信道的載干比越高，對用戶服務的優(yōu)先級別越高。由此看來最大比C/I算法其主要的特點是，當用戶的信道質量好的時候會一直占用信道資源，而用戶的信道條件差的用戶則沒有機會占用信道資源，這樣，對信道條件差的用戶就不太公平性，但系統(tǒng)的吞吐量相對最大，從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率，而且其算法也并不復雜。

2.3 輪詢算法

在輪詢（RR）算法中，系統(tǒng)對其所有用戶進行遍歷，循環(huán)調度，提供信道。由此看來RR算法的最主要特點是對每個用戶無論條件好壞一視同仁循環(huán)調度，因而對每個用戶來講在任何時刻調度機會是一樣的，用戶的公平性最好，且容易實現(xiàn)，復雜度低；但是在此算法中，由于所有用戶的設定相同的優(yōu)先級，也就是沒有考慮到用戶的信道質量，要想提高系統(tǒng)的吞吐量會有一定難度，進一步分析由于信道質量較差的用戶對給其調度的信道資源利用率不好，所以從頻譜資源利用率的角度來講，使整個系統(tǒng)的頻譜效率也降低了。

3 4G LTE系統(tǒng)的無線資源調度

4G LTE無線通信系統(tǒng)將OFDM技術和多載波、多天線技術引入，而OFDM信道的空時變化隨機性很強、復雜程度非常高，所以在4G LTE的無線資源管理中合理地分配多維資源是需要考慮的問題。在LTE系統(tǒng)中上行下行分別使用SC-FDMA和OFDMA。FDMA是屬于頻分多址復用，OFDMA的資源會包括空間資源、頻率資源和時間資源都有。LTE系統(tǒng)用時頻資源塊RB作為最小資源單位[9]。

OFDM-FDMA簡稱為OFDMA，從表面上看它也是通過不同載波頻率來劃分不同的用戶，也就是通過提供一個OFDM符號的一組子載波來區(qū)分，實現(xiàn)多用戶接入，而其與傳統(tǒng)的頻分多址復用顯著不同的就是基于OFDM的優(yōu)勢，不同用戶之間不需要保護頻段，從而大大提高了頻譜利用率。

在LTE系統(tǒng)中，對無線資源調度和分配是很重要的，因為系統(tǒng)性能優(yōu)化的重要渠道之一就是通過無線資源分配，也就是通過對帶寬、功率和時間的動態(tài)分配實現(xiàn)的。為了滿足不同用戶的需求，利用資源調度方法將不同用戶接入OFDMA子信道。OFDMA系統(tǒng)的資源調度包括功率、碼字、子載波以及用戶的質量需求和公平性需求等方面。該資源調度可以認為是非線性的帶約束條件的優(yōu)化方法，算法復雜程度隨信道、用戶的增多而增加。

在無線資源調度中，時頻資源是通過基站調度器來實時地控制的，基站調度器為不同的用戶分配時頻資源。對于LTE系統(tǒng)來講，無線資源調度就是指為不同的用戶分配其傳輸信號需占用的虛擬資源塊的位置和數(shù)量，而分配時需要考慮的主要因素包括這通系統(tǒng)的整體需求、用戶的質量需求以及信道狀態(tài)等[10]。

在智能調度的模式中，下行鏈路的資源分配是利用上行鏈路反饋的信道信息來確定。用戶設備在下一個傳輸周期中的下行資源塊和格式是通過下行控制信令獲得。在LTE系統(tǒng)中，用戶系統(tǒng)容量和QoS通常由子載波的分配和功率分配來保證。下行功率分配分為如下兩個方法：一是平均分配，顧名思義是在每個子載波上平均分配功率，因此用戶發(fā)射的功率與其占用的子載波數(shù)量成正比；二是路徑損耗補償，也就是說將功率的一部分用來對由于路徑損耗產生的信號衰落進行補償?；谧訋Х椒ê烷g隔擴展方法是LTE系統(tǒng)下行資源分配中分配子載波的兩種方法。其中，基于子帶的分配方式是將用戶分配到一組相鄰的子載波上，即分配在每個用戶的子載波應該是連續(xù)的；而在間隔擴展方法中，分配給每個用戶的子載波應該是不連續(xù)的。LTE系統(tǒng)上行的資源分配在調度中是應該是這樣實現(xiàn)的，用戶一般是通過下行鏈路獲得資源塊和傳輸格式，如果用戶上行的接入是基于調度的，則用戶需要根據(jù)下行鏈路提供的時隙和頻率資源，找到相應的時隙和頻率完成信號發(fā)送。

4 5G移動通信系統(tǒng)的資源調度探討

對現(xiàn)有的無線通信技術來講5G移動通信系統(tǒng)應該對其實現(xiàn)高度融合，也就是說通過引入更先進的無線通信技術，從而進一步提高頻譜利用率、增加更多的頻譜資源、增加更多的覆蓋區(qū)域，為了實現(xiàn)移動通信的終極目標滿足更多移動業(yè)務的不斷增長的需求，進而達到更高的速率、更高的容量、更高的可靠性、更低的時延。5G移動通信系統(tǒng)中的無線資源調度管理應該有如下的特征[11]。

4.1 異構網(wǎng)絡技術

異構網(wǎng)絡技術的要求是在各種不同且多樣性的網(wǎng)絡及終端的條件下，無論何時移動用戶都應擁有無縫業(yè)務的能力，這里異構的無線資源應該包括無線頻譜、接入權限以及連接方式等，也就是說異構網(wǎng)絡的資源管理在很多方面與傳統(tǒng)網(wǎng)絡有所不同。首先資源本身的含義都會有變化，再則資源的取值范圍和資源與資源間的關系等各個方面都應該有所擴展[12]。另外，根據(jù)資源含義的變化，用過去的一維變量來表達資源分配的狀態(tài)就會有困難，需要從多維角度動態(tài)的變量來描述，由此看來5G移動通信系統(tǒng)的資源管理和分配應該是多維的動態(tài)地，為異構網(wǎng)絡中的不同接入網(wǎng)絡分配資源并進行頻譜管理。

隨著異構網(wǎng)絡的進一步更密集化的發(fā)展，資源管理管理會面對著更加嚴峻的資源分配、甚至需要資源的循環(huán)、頻譜的再分配，以及更加合理的公平性以及更加嚴謹?shù)母蓴_管理等問題，也就是說密集化的異構網(wǎng)絡對無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中資源管理問題提出了更高的要求，從而成為一個非常重要的研究課題之一。

在對無線通信系統(tǒng)進行性能指標評估時，需要采用無線資源管理技術對不同的指標進行評估，例如：系統(tǒng)信道資源的分布是否公平、小區(qū)的覆蓋范圍、系統(tǒng)的用戶數(shù)量、對用戶的服務質量（QoS）等。上述這些指標期望同時達到最優(yōu)是很困難的。因此需要綜合考慮折中處理，下面是一些指標具體方案：

（1）小區(qū)覆蓋范圍與用戶服務質量的制約：從對用戶的服務質量來考慮，用戶越靠近基站其服務質量會越好，也就是說在小區(qū)邊緣用戶的QoS會比較在基站附近的用戶差，所以要根據(jù)小區(qū)邊緣用戶的最小的QoS要求確定小區(qū)覆蓋范圍。

（2）系統(tǒng)容量與小區(qū)覆蓋范圍的制約：從小區(qū)覆蓋范圍的角度來講，基站高功率傳輸，可以得到更好的小區(qū)覆蓋，但同時也要考慮到對附近小區(qū)產生的干擾，由于這些干擾使系統(tǒng)總容量降低。

（3）公平性與小區(qū)覆蓋范圍的制約：小區(qū)覆蓋范圍越大，小區(qū)內的信道質量就不穩(wěn)定，信道質量變化增加，會影響信道資源分配的公平性，造成公平性降低[13]。

（4）容量與公平性的制約：當信道資源分配給信道質量條件最好的用戶時，系統(tǒng)的容量會是最大的，但公平性不好。

（5）公平性與用戶服務質量的制約：將資源分配給用戶以提高用戶的服務質量，其他用戶的資源就會匱乏，結果犧牲了公平性。

合理地使用無線資源管理技術可以使這些指標因素達到較為合理的狀態(tài)[14]。

4.2 鏈路自適應技術

鏈路自適應技術顧名思義就是系統(tǒng)的鏈路速率、調制方式以及其他資源需要隨著當前無線信道的狀態(tài)及其變化的趨勢自適應地快速動態(tài)變化，即達到自適應的目的，稱為自適應調制和編碼（Adaptive Modula?tion and Coding，AMC）[15]。為了使系統(tǒng)容量不斷增加，通過鏈路自適應技術來不斷動態(tài)變化地選擇資源。這里的AMC，是在不斷變化的無線環(huán)境中，自適應地改變系統(tǒng)的調制和編碼方式，而不是改變終端的發(fā)射功率，也稱為調制編碼方案MCS。

為了在不同的信道狀態(tài)下都能得到系統(tǒng)最大的吞吐量，AMC是通過改變的是調制和編碼方式來適應信道狀態(tài)的變化[16]，具體實現(xiàn)時首先需要建立一個MCS調制編碼傳輸格式的數(shù)據(jù)集合，在每個傳輸格式的數(shù)據(jù)集合中都應包含調制方式和編碼速率，當信道狀態(tài)變化時，系統(tǒng)會在集合中選擇與之對應的傳輸格式。由此看來，5G系統(tǒng)是通過采用更高頻譜效率的調制編碼技術，實現(xiàn)更有效地利用有限的無線資源來達到更高吞吐率、更高頻譜效率和更高服務質量的無線傳輸[17]。

利用FSK和QAM相結合的設計信號調制編碼技術是其中之一，其可以達到星座點成倍增加，同時還可以有效地改變干擾的統(tǒng)計分布以達到對干擾的控制目的。例如波分編碼（OVTDM）傳輸技術就是其中之一，其基本原理是通過采用1組不同的波形來區(qū)別不同的信息，其編碼約束關系是通過符號的數(shù)據(jù)加權移位重疊產生的，從而使編碼輸出自然地呈現(xiàn)出與信道匹配的復高斯分布，不需要調制映射。研究結果表明，采用OVTDM傳輸技術可使頻譜效率大幅提高且降低對信噪比的要求，并具還有分集增益，而且對HPA的線性度要求很低，甚至可以在飽和狀態(tài)下工作。

5 結語

隨著信息時代的發(fā)展，今后的用戶對視頻、音頻以及更現(xiàn)代的多媒體信息等數(shù)據(jù)業(yè)務的需求將會不斷增加，因而無線資源管理調度機制合理有效的提升對移動通信系統(tǒng)的進一步升級有很大影響，目前，5G移動通信系統(tǒng)已經進入不斷完善中，隨著網(wǎng)絡結構和5G制式的標準化以及相關的關鍵技術的進一步完善，對5G移動通信系統(tǒng)的無線資源管理技術會得到更加深入的拓展。

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