TD-LTE無線資源管理系統研究

張長青 中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

1 引言

TD-LTE系統主要支持時域、頻域、空域和功率4大無線通信資源，每個基站下面的所有移動終端都是通過這4種資源來共享高速率、帶寬、品質的移動通信。RRM系統是移動通信系統對這4種有限的無線資源進行合理分配和有效管理的系統，能保證整個無線系統的性能和容量達到聯合模式下的最佳狀態。RRM的基本出發點是在網絡話務和流量分布不均，以及因信道衰落和干擾使信道特性發生變化時，可以靈活地分配和動態地調整無線傳輸網絡的可用資源。RRM的基本目標是在保證網絡QoS的前提下，確保小區覆蓋和最大限度地提高頻譜資源利用率與系統通信容量。

TD-LTE 系統支持靈活配置 1.4、3、5、10、15和20MHz傳輸帶寬，這些系統帶寬支持頻域承載帶寬為180kHz的載波數分別是6、15、25、50、75和100個，而每個載波可以承載帶寬為15kHz的子載波數是12個，所以TD-LTE系統帶寬支持的子載波數分別為72、180、300、600、900和1200個。TD-LTE系統在頻域的資源是以并行傳輸的子載波為最小單位，子載波分配總數視其系統帶寬而定。

TD-LTE數據在物理層傳輸的具體內容是串行比特流，數據傳輸過程按位順序進行，為了保證比特流在系統中的正確傳輸，并能被接收機接收識別，必須以幀為傳輸單位進行串行通信。無線幀和半幀是無線信道中同時保證上下行傳輸的兩個基本單位，子幀是無線信道中在上行或下行傳輸時的基本單位，正常CP時每個子幀有14個OFDM符號。TD-LTE系統在時域的資源是以串行傳輸的OFDM符號為最小單位。

TD-LTE系統采用MIMO天線技術，使得信息傳輸在空域環境得到了極大擴展。MIMO天線在空域傳輸以端口號為單位。從發射端口看，天線端口號是一個邏輯概念，與物理天線并非一一對應，每個天線端口信號可由一個物理天線發射，也可由多個物理天線同時發送。從接收端看，每個天線端口號是一個可以檢測的獨立發射信道。TD-LTE系統在空域的并行傳輸資源以天線端口號為基本單位，資源分配是離散的。

TD-LTE系統的功率控制主要用于補償無線信道的衰落影響，使信號能夠以比較合適的功率到達接收機。當信道狀態條件較好時，發射端可以減小發送功率，當信道狀態條件較差時，發射端可以提高發射功率，保證接收性能，并使接收端的信噪比維護在一個相對穩定夠用的范圍。功率控制既可降低發射功耗，又可避免區內區間干擾，對終端功耗控制、提升傳輸性能、增大系統容量有重要意義。功率是按子載波來分配的。

TD-LTE系統采用OFDM技術，使同一小區內的用戶信息承載在相互正交的子載波上，有效地避免了本小區內部的相互影響，所受的干擾主要來自鄰區的區間干擾，雖然小區的整體吞吐量較高，但小區邊緣的服務質量較差、吞吐量較低，結果是在優秀的時頻空無線資源配置下，卻得不到優秀的無線傳輸結果。這種現象表面上與無線資源管理無關，但若通過協調無線資源的調度和分配，調整天線的發射功率，使用RRM管理系統的頻域、時域、空域和功率，就可以有效地降低TD-LTE區間干擾，極大地提高系統的無線傳輸品質。

2 TD-LTE對RRM的影響

無線網絡具有可用頻率資源較少、無線傳播環境惡劣等特征，如何有效地提高無線資源的利用率，一直是無線網絡尋求解決的重點。RRM研究的對象是移動通信系統的空中接口資源，亦即頻域、時域、空域和功率等無線資源，目的是希望在無線資源有限和保證一定規劃覆蓋及服務質量的前提下，盡可能為更多的用戶提供良好的服務。實踐證明，在現代移動通信系統中，沒有良好的RRM技術，再先進的無線傳輸技術也無法發揮優勢。所以，RRM策略的設計是保證TD-LTE系統整體性能的關鍵技術。

TD-LTE系統的技術特點總結起來主要有：扁平化的網絡結構、OFDM多址技術、MIMO多天線技術、全PS業務優化、上下鏈路的物理共享信道和多種系統帶寬配置等。這些或多或少都對TD-LTE系統靈活分配接入網中的RRM和動態調度頻域、時域、空域和功率等性能產生一定影響，只有正確地認識了這些影響，才有可能做到因勢利導，化劣勢為優勢、變被動為主動，利用和管理好RRM。

TD-LTE網絡的扁平化架構使得系統接入網E-UTRAN僅包含基站eNB。目前，因網絡架構中沒有引入進行小區RRM功能的網元RRM Server，使得RRM只能位于eNB中管理本eNB下多個小區的無線資源，而不能直接通過eNB標準接口X2快速方便地獲取接入網中其他eNB的信息，不能調度管理其他eNB的資源。若能引入RRMServer網元，則RRM可通過接入網中所有eNB標準接口X2管理所有小區間的無線資源。這說明，RRMServer將會成為扁平化接入網中多余的網元，不便于象3G網絡那樣來管理RRM。

TD-LTE系統采用OFDM核心技術，上下行鏈路分別采用SC-FDMA和OFDMA多址尋址，同一小區的不同用戶承載在相互正交的子載波上，頻域資源以頻分方式復用，不存在小區內干擾，干擾僅來自小區間。3G的多址技術是CDMA，以碼字區分多用戶在同一頻率上通信時，任一UE的信號對其他UE都是干擾，是典型的自干擾系統。顯然，這種多址技術的差異，使得在3G接入網UMTS中的RRM與TD-LTE接入網E-UTRAN中的RRM存在諸如資源調度算法、干擾計算方法等很多的不同之處，不便于異網之間的RRM。

TD-LTE系統采用的MIMO多天線核心技術與3G的智能天線完全不同，直接改變了單天線的物理資源組織形式，引入了資源的空間維度，并支持天線在多種MIMO模式之間的動態切換。雖然，MIMO的應用使RRM對系統資源的管理從二維時頻兩域增加到時頻空三維，極大地增加了系統信息承載的資源數量；但因每種MIMO模式下的資源空域組織形式不同，而物理資源在空間維度的變化必然導致RRM算法的不同，這對系統正確管理RRM是一個挑戰，稍有不慎將會使系統性能大大降低。

TD-LTE是一個真正的全IP系統，僅有PS域，話務和數據都是分組包交換。但因PS域中的業務具有分組包的大小不固定和突發性到達的特點，業務參數的定義與CS域和PS域并存的3G系統中的業務完全不同，且業務參數是多種RRM過程的輸入，有可能導致TD-LTE接入網E-UTRAN中的RRM過程與3G接入網UMTS中的RRM過程不同，特別是異構網絡之間切換時，使得在3G與TD-LTE之間對承載資源的管理出現混亂，從而直接影響系統的無線傳輸性能，使RRM的作用適得其反。

TD-LTE放棄了TD-SCDMA的相關專用信道機制，采用了上下行物理共享信道機制，即物理上行共享信道PUSCH和物理下行共享信道PDSCH。在這兩個共享信道中，多業務可以共享同樣的資源，并通過分組調度方式在業務之間進行分配。具體來講，eNB通過控制信令為每個傳輸塊動態分配所需的傳輸資源，完成后會立即回收所使用的資源，并可繼續用于其他傳輸塊的傳輸，傳輸資源具有重復利用特征。與3G的專用信道設計不同，雖然也引入了分組調度功能，但卻受到限制，分組調度功能的局限性較大。

TD-LTE是一個寬帶系統，支持更高峰值傳輸速率，系統可靈活配置1.4、3、5、10、15和20MHz等傳輸帶寬。系統帶寬的不同，帶來了系統總的資源數量、頻率選擇性調度性能和MIMO模式中的Precoding性能等方面的差異，影響了RRM過程。TD-SCDMA系統僅允許1.6、5、10MHz3種帶寬配置，FDD僅允許5MHz一種配置，接入網中的RRM算法受系統帶寬的影響較小。所以，TD-LTE系統接入網中的RRM算法必須適應靈活的系統帶寬配置，方可取得預期效果。

3 RRM管理架構分析

TD-LTE對3G基站NodeB、無線網絡控制器RNC和核心網CN進行了功能整合，合并簡化了NodeB和RNC的功能，使得TD-LTE系統扁平化后僅有eNodeB組成的接入網E-UTRAN和核心網EPC兩部分（見圖1）。其中，EPC主要包括核心網控制處理部分的移動性管理實體MME和核心網數據承載部分的服務網關S-GW，擔負著上承分組交換網、下連無線接入網E-UTRAN的關鍵工作；E-UTRAN是專門負責移動終端UE的無線接入網，所有空中接口都終止于eNodeB，所有UE僅通過E-UTRAN接入移動通信網。

TD-LTE網絡的扁平化設計也使得網絡接口簡單化和標準化，eNodeB對外接口基本上為不依賴任何核心網設備和終端設備的標準化接口。eNodeB與上層EPC的接口是S1，其中與EPC中的MME的接口是S1-MME，與S-GW的接口是S1-U；而eNodeB之間的接口是X2，eNodeB與下層UE的空 中 接 口 是 Uu。eNodeB在EPC和UE之間起到了承上啟下的關鍵作用。E-UTRAN定義的標準接口S1和X2，在系統資源管理中非常重要，其中X2是同網基站間資源管理的主要通道，S1是異網基站間資源管理的主要通道。

眾所周知，在蜂窩系統中，RRM的功能對于系統的性能非常重要，它決定了系統的容量、覆蓋、服務質量和無線接口資源的使用效率。由于RRM提供空中接口無線資源管理功能，所提供的一些機制可以保證空中接口無線資源的有效利用，實現最優的資源使用效率、更高的數據傳輸速率和更低的移動通信時延，從而滿足了系統所定義的與無線資源相關的管理需求。TD-LTE網絡的扁平化設計和接入網采用了標準接口，也使得系統RRM架構模式發生了變化，使得RRM管理功能更全面、有效，也更復雜。

在3G系統中，由于存在RNC這個接入網的集中控制點，基站NB中的RRM各項功能及相關測量信息的處理工作主要在RNC上實現，或者系統可以在OMC中增加RRMServer，專門管理各基站空中接口的無線資源。TD-LTE系統實現了網絡扁平化，只有接入網EUTRAN和核心網EPC兩部分，沒有集中控制點，又因TD-LTE系統是全IP網絡，產生了許多新的RRM功能，既涉及單小區無線資源管理，還涉及多小區無線資源管理，需要重新考慮RRM架構，以便更好地實現TD-LTE系統中的RRM功能。

理論上，在TD-LTE系統中，根據RRM功能實現機制的不同，可分為集中式、分布式和混合式3種架構（見圖2，其中A為集中式、B為分布式、C為混合式）。集中式RRM架構又叫eNB間RRM，可對多個eNB下的所有小區的無線資源進行管理，需要通過eNBR標準接口X2獲取其他eNB的信息。集中式RRM實際上由每個eNB的eNB-RRM和集中網元中的RRM-Server兩部分組成，eNB-RRM負責本基站空中接口資源信息的采集，eNB-Server負責處理已經采集的信息，各eNB向集中網元上報采集信息，由集中網元執行資源調度決策。

圖2 RRM管理架構分類

集中式RRM的優點顯而易見，因為RRM-Server不僅可提高系統的決策能力，還是以接入網EUTRAN中大部分小區空中接口為參考對象來調度資源的，對于整個系統更合理、也更科學。但在TD-LTE系統中，這種集中式架構帶來了兩個問題，一是面對扁平化結構的網絡，RRM-Server集中網元是放在核心網EPC中？還是放在接入網EUTRAN中？還是另建網元？二是由于集中式RRM架構面臨眾多小區，會帶來復雜的信令流程和較大的時延，這不利于進行同步無線資源配置，從而影響系統最佳狀態的形成。

分布式RRM架構又叫eNB內RRM，只對一個eNB下對應的多個小區的無線資源管理，所有RRM功能都放在eNB中實現，將RRM終結在eNB中。eNB中的小區間可以交互信息，但由eNB執行決策，是一種典型的基站內無線資源自我管理模式，不需要通過X2接口獲取其他eNB的信息。由于分布式RRM面對的是本基站管理，最多也只有3個小區，無線資源數據的分析與處理非常有限，所以分布式RRM管理的優點是功能處理速度非常快，缺點是資源調度僅限本基站內的小區操作，是一種局部資源調度方式。

混合式RRM架構在圖2可以看出，其架構與集中式相似，仍由每個eNB的eNB-RRM和集中網元中的RRM-Server兩部分組成，但實質又與集中式不同，因為混合式RRM中每個eNB的eNB-RRM不僅采集本基站所有小區的資源信息，還要對這些信息做出相應決策，而集中網元中的RRM-Server只是執行決策機構。也就是說，在混合式RRM架構中，各eNB中的小區彼此交互采集信息，并由各自eNB做出相關決策，再將各自eNB的決策上報集中網元確認，各eNB得到集中網元確認后才能執決策操作。

顯然，集中式與3G的RRM架構如出一轍。集中式RRM架構中的RRM功能，是由集中網元中的RRM-Server和位于各eNB中的eNB-RRM共同完成。集中式RRM架構擁有一個，可用于掌握多小區拓撲信息和對多小區實時資源、干擾、負載等信息處理的功能節點，該節點可以用來輔助多小區RRM過程做相關決策。

混合式RRM集中了集中式RRM和分布式RRM兩者的優點，也解決了TD-LTE扁平化架構沒有集中網元節點的問題。由于各基站可以分析自己采集的小區信息，并具有決策能力，那么RRM-Server的工作量相對較少，完全有能力解決全區的eNB問題，甚至可以將RRM-Server直接位于TD-LTE核心網。

目前，集中式RRM架構主要應用在3G網絡中，分布式RRM架構主要應用在TD-LTE網絡中，混合式RRM架構不久將會在TD-LTE網絡應用，并可發揮更好的作用。

4 RRM管理功能分析

在TD-LTE系統中，RRM涵蓋的內容非常廣泛，主要有資源管理和承載管理兩大類，其中資源管理包括上下行動態資源分配和調度、功率控制、干擾協調和負載均衡等算法，承載管理則包括接納控制及連接移動性管理（切換）等算法。RRM所具有的功能是以包括資源分配、接納控制、負荷均衡等無線資源的分配和調整為基礎，而分配、調整和調度則是通過相應的算法來具體實現的，下面主來分析這些管理功能。

上下行動態資源分配和調度是指，系統對物理上行共享信道PUSCH和物理下行共享信道PDSCH中承載的資源進行分配或調度。在TD-LTE系統中，物理層的物理信道中有3條上行信道和6條下行信道，信道中的時頻資源分配僅在PUSCH和PDSCH中支持動態分配，其中PDSCH在時頻域分配時，UE通過PDCCH了解PDSCH位置，資源塊動態分配時只需避開同步信號、參考信號、PDCCH、PBCH、PCFICH等，以及另一個UE的PDSCH占用的資源塊。PUSCH的時頻域調度全憑系統動態分配，沒有任何附加條件。

調度是指在不同UE或同一UE不同邏輯信道間劃分共享信道資源的功能，是RRM的核心功能。TD-LTE引入了動態調度和半持續調度機制，前者是eNB在物理下行控制信道PDCCH上發送資源調度信令，UE檢測控制信道，若發現有自己的資源調度信令，則按資源調度信令中的信息進行數據傳輸；后者支持具有一定周期性和大小基本不變的數據業務（如VoIP），調度首先由eNB發送RRC信令，配置調度資源周期和HARQ反饋使用的資源，通過PDCCH指示調度資源的生成時頻兩域的資源位置，完成資源調度。

TD-LTE系統的功率控制方法可分為開環功率控制和閉環功率控制兩種，前者是系統根據用戶上報測量報告中的路徑損耗和接收端的期望接收功率來設置發射端功率，常用于確定用戶初始發射功率或期望接收功率發生突發的情況，但因路損測量和干擾誤差，精度難以保證；后者的接收端通過實際接收的信噪比和目標值比較，得到閉環功率控制命令反饋給發射端，發射端根據這個閉環功率控制命令調整發射功率，但因信道衰落、功率控制步長和控制時延等因素，同樣容易影響調制性能。

TD-LTE的上行功率控制用開環估計和閉環調整相結合，開環部分可為終端根據系統配置的期望值接收功率、上行資源分配方式、傳輸格式、路徑損耗測量等因素確定發射功率初值，再由基站下發功率控制命令TPC進行實時閉環調整。TD-LTE的下行功率控制設計較為簡單，沒有定義顯式的終端功率控制命令反饋，基站通過終端信號接收質量CQI等反饋的統計情況，較為慢速地調整各個用戶的下行業務信道和控制信道的功率分配。TD-LTE系統幾乎對所有上下行信道信號進行功率控制。

TD-LTE的核心技術OFDM是產生區間干擾的主要原因，系統只能通過抑制方式減小干擾。干擾協調的基本思想是在小區按照一定的規則和方法，協調承載資源的調度和分配，降低小區干擾。或者說，干擾協調可以從時域、頻域、空域和功率等方面進行，通過承載資源的協調分配，對小區信號進行一定的限制和約束，達到降低小區干擾、提高接收信噪比和小區邊緣吞吐量的目的。目前，TD-LTE系統采用的干擾協調主要有靜態干擾協調、半靜態干擾協調、干擾隨機化、干擾抑制和干擾協調增強等技術。

移動通信用戶通信時的位置，具有移動性和隨機性，常常引起某小區用戶多、業務負荷重，另一小區用戶少、業務負荷輕的情況，結果是負荷重小區用戶的體驗變差，負荷輕小區的空口資源浪費等現象。TD-LTE系統采用的負載均衡技術，可以均衡多個小區間的業務負荷分布，提升用戶通信體驗、提高無線資源利用率。負荷均衡技術，根據負荷調整區可分為系統內和系統間負荷均衡，前者可將用戶從負荷重小區調整到同系統負荷較輕的相鄰小區，后者可將用戶從負荷重小區調整到其他系統負荷較輕的相鄰小區。

接納控制是系統考慮是否繼續接納新用戶的判決，目的是保證入網用戶QoS的同時，盡量可以接入更多的用戶，保證系統質量，提升系統容量。TD-LTE無線信道受到空口資源閾值的限制，當接入用戶超過閾值時，區內所有通信用戶的QoS都會降低。接納控制要求，用戶接受服務時先建立信令承載，再根據是否發起業務和發起業務數量建立數據承載，這些承載具有QoS屬性，并以承載作為接納的基本粒度，以其為單位設置閾值。當新入用戶使系統總粒度超過閾時，系統將該用戶轉移到其他小區，達到接納控制的目的。

5 結束語

TD-LTE系統是一個高速率、高帶寬和高性能的復雜系統，無線資源的科學調度和合理應用，是保證系統正常運營的基本條件。TD-LTE的無線資源主要有時域、頻域、空域和功率，所以RRM也就主要是對這4類資源管理，有信息承載資源在時域、頻域和空域的位置的映射管理，也有對天線端口發射信號的功率強度進行調整的管理。而RRM管理的目的，既包含需要合理配置多用戶通信時的通信信息所占用時域、頻域和空域的位置，也包含怎樣通過調度時域、頻域、空域和功率等系統資源來減少或降低系統通信時產生的、或通信環境復雜引起的干擾等問題，甚至還要包含考慮小區的用戶承載能力，考慮用戶移動通信時小區切換等因素。

TD-LTE系統支持RRM應該是一個功能完善、性能優良的管理系統，因為它一方面要測量、采集盡可能多的小區無線資源信息，另一方面它應能支持更多的算法來分析和處理這些資源，并使其能更好地為系統服務。事實上，在支持RRM系統的模塊之間，存在著調用、觸發和信息3類交互關系，表現為一個過程可能調用另一個過程、一個過程可能觸發另一個過程、一個過程可能需要為另一個過程提供信息。在這個有機的整體中，任何RRM過程都不是孤立的，設計其中任一種RRM過程的算法時，都需要考慮該過程和其它過程的關系。只有周全地考慮到這種固有的關系，設計出來的RRM算法才能更加符合實際需求。