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LTE系统的MAC层算法研究.docx

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.79M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    1.概述
    1.1.基本概念
    1.1.1.RRM的基本概念
    1.1.2.调度的基本概念
    1.1.2.1.概念
    1.1.2.2.上/下行调度的区别
    1.1.3.调度周期
    1.2.无线资源管理分类
    1.2.1.集中式
    1.2.2.分布式
    1.3.MAC层分组调度
    1.3.1.MAC层结构和功能
    1.3.2.调度器的功能和特点
    1.3.3.调度模式
    1.3.4.调度粒度
    1.3.5.分组调度原理
    2.调度算法
    2.1.MAC层调度算法研究中面临的关键问题
    2.2.调度器
    2.2.1.分组调度系统模型
    2.2.2.基本概念
    2.2.3.下行调度
    2.2.3.1.下行调度的输入
    2.2.3.2.下行调度的基本功能和输出
    2.2.3.3.下行每TTI调度流程
    2.2.3.4.控制消息调度
    2.2.3.5.下行调度资源的获取
    2.2.3.6.HARQ重传调度
    2.2.3.7.下行初传调度
    2.2.3.8.下行初传调度流程
    2.3.传统的分组调度算法
    2.3.1.轮询算法RR
    2.3.2.最大载干比算法MAX C/I
    2.3.2.1.基本原理
    2.3.2.2.多用户分集效果
    2.3.2.3.公式
    2.3.2.4.特点总结
    2.3.3.正比公平算法PF
    2.3.4.增强正比公平算法EPF
    2.4.对比
    LTE 中的 MAC 层算法研究 1. 概述 MAC 主要实现与调度和 HARQ 相关的功能，具体包括：逻辑信道与传输信道之间的 映射；RLC PDU 的复用与解复用；业务量测量与上报；通过 HARQ 进行错误纠正；同一 UE 不同逻辑信道之间的优先级管理；UE 之间的优先级管理；传输格式选择；填充；AC 到 ASC 之间的映射；顺序递交 RLC PDU。 MAC 层协议软件主要分为 3 大模块：随机接入控制、复用/解复用、调度，分别对应 MAC 层的 3 大功能：随机接入过程、MAC PDU（分组数据单元）的封装与解析、UE 测针 对逻辑信道的资源分配。 1.1. 基本概念 1.1.1. RRM 的基本概念 无线资源管理（RRM，Radio Resource Management）提供控制接口无线资源管理的基 本功能，主要目的就是能够提供一些机制用以保证空中接口无线资源的有效利用，最大的 提高频谱利用率。包括对单小区进行的无线资源管理、多小区的无线资源管理。 无线资源管理提供空中接口的无线资源管理的功能，目的就是在有限的频谱带宽下， 给网络内的用户提供业务质量保证。比如，由于信道受到外部干扰和信道衰落引起信道特 性的起伏变化，网络的话务量分布不均匀等，在这些情况下，就会灵活的分配网络的可用 资源，动态的调整无线传输部分，最大限度的提高频谱的利用率，并尽可能的保持较小的 信令负荷，因此无线资源管理会涉及到一系列与无线资源分配相关的技术，包括： 1）连接移动性控制 CMC 连接移动性控制（CMC，Connection Mobility Control）的功能：主要是对处于连接模 式及空闲模式下的无线资源进行管理。在 CMC 模式下，连接具有移动性，即可以将用户 的连接从当前的服务小区切换到另外一个服务小区，这种切换的决策是基于 eNB 和 UE 的 测量结果。 2）无线接纳控制 无线接纳控制（RAC，Radio Admission Control）的任务：主要是用于判断是否接受或 拒绝新的无线承载建立请求。为了得到满意的判决结果，RAC 就有考虑到 E-UTRAN 中无 线资源的整体状况、各种业务的 QoS 需求和优先级水平、正在进行的会话业务的 QoS 情况 以及建立新的无线承载请求的 QoS 需求。 3）无线承载控制 无线承载控制（RBC，Radio Bearer Control）目的：配置无线承载相关的无线资源，主 要包括无线承载的建立、保持和释放，当为一个业务建立无线承载时，这时就要综合考虑 E-UTRAN 中的资源状况、正在进行的会话的 QoS 需求及新建业务的 QoS 需求。
    4）动态资源分配 动态资源分配（DRA，Dynamic Resource Allocation）又可称为分组调度（PS，Packet Scheduling），主要功能：释放和分配用户面和控制面数据包中的无线资源（包括进程资源、 资源块、缓冲区等）。DAR 功能：无线承载的选择及管理必要的资源，如功率、使用的无 线资源块等。 5）小区间干扰协调 小区间干扰协调（ICIC，Inter-cell Interference Coordination）的任务：对无线资源进行 管理，以使得小区间的干扰保持在可以控制的范围内，尤其是在小区边缘地带，这样就需 要对无线资源做一些特别的管理，用于提升小区边缘用户的业务质量需求。 6）负载均衡 负载均衡（LB，Load Balancing）作用：处理多个小区间不均衡的业务量，通过对小区 间进行均衡的业务量分配，以提高无线资源的利用率，同时将进行中的会话 QoS 保持在一 个合理的水平，用以降低掉话率。为了均衡多个小区间的负载状况，负载均衡算法有可能 会导致一些终端进行小区重选或者切换。 1.1.2. 调度的基本概念 1.1.2.1. 概念 由于 LTE 采用共享信道，因此 eNodeB 需要在每个调度周期内分配 PDSCH、PUSCH 的资源，并通过特定的信道通知 UE，这一过程称之为调度。 需要进行调度的信道：PDSCH、PUSCH 执行调度的信道：PDCCH 调度的周期：1）动态调度（1ms），支持所有业务类型；2）半静态调度（20ms），协 议中没有定义标准的周期，有些厂家为 20ms，支持实时业务，例如 VoIP。 调度的最小资源：VRB VRB 到 PRB 的映射方法：集中式和分布式 调度执行： 基站通过 PDCCH 的 DCI 控制信息来执行调度流程，DCI 信息包括以下几个重要信息： 1）资源映射信息（只针对下行调度）；2）PRB 映射信息；3）MCS；4）MIMO 模式；5） NDI。 通过下行 PDCCH 的 DCI 信息来执行，每个调度周期，UE 都要监听 PDCCH 以获取下 行调度信息。
    1.1.2.2. 上/下行调度的区别 下行调度：是 eNB 对 PDSCH 资源的分配，并通过 PDCCH 告知 UE； 上行调度：是 eNB 对 PUSCH 资源的分配，并通过 PDCCH 告知 UE； 1.1.3. 调度周期 LTE 中，调度周期如下表所示： 类型 动态调度/快 速调度 半静态调度 周期 1ms 支持的业务类型 所有业务 协议中没有定义标准的周期，有些厂家为 20ms 实时业务（eg：VoIP） 1.2. 无线资源管理分类 1.2.1. 集中式 集中式 RRM 功能是由 eNB 和集中的网元共同去完成，而 RRC 却是终结在集中的网元 中。 缺点：集中式 RRM 会造成较大时延以及带来复杂的信令流程，这样不利于同步的无 线资源配置。 1.2.2. 分布式 分布式 RRM 就是将 RRC 终结在 eNB 中，RRM 的功能同时也放在 eNB 中去实现。 1.3. MAC 层分组调度 分组调度是无线资源管理系统性能中最关键的一环，一个良好的系统资源分配方案， 可以很大程度上决定系统的效率。 在 PS 调度算法中，不仅要决定该 TTI 内调度哪些用户，同时还需要决定为这些用户 服务的顺序：同时，对于同一个用户所使用的各种不同类别的业务，也需要决定服务顺序。 因为在计算用户优先级时，是选取该用户所有业务中优先级别最高的业务优先级作为用户 优先级的，所以当某用户具有实时性较高的业务时，也就同时提升了该用户的调度优先级。 1.3.1. MAC 层结构和功能 E-UTRAN 提供了两种 MAC 实体：位于 UE 的 MAC、位于 E-UTRAN 的 MAC 实体。 二者执行不同的功能，下图从 UE 角度给出一种 MAC 实体结构：
    图 1 UE 侧 MAC 实体 图中，UE 侧 MAC 层功能包括： 1）逻辑信道与传输信道之间的映射； 2）将来自一个或多个逻辑信道的 MAC SDU 复用到一个传输快（TB），并通过传输信 道发送给物理层； 3）将来自一个或多个逻辑信道的 MAC SDU 进行解复用，这些 SDU 都是由物理层通 过传输信道发送的 TB； 4）调度信息上报； 5）通过 HARQ 进行错误纠正； 6）UE 之间通过动态调度进行优先级操作； 7）同一个 UE 的逻辑信道间进行优先级的操作； 8）逻辑信道优先级排序； 9）传输格式选择。 1.3.2. 调度器的功能和特点 在 LTE 中，调度器位于 eNB 的 MAC 层，其功能和特征包括： 1）负责相关的动态资源分配，主要是下行及上线共享信道； 2）调度器在分配资源时，可以利用信道的质量信息，而且资源的有效持续时间也可以 是多个 TTI； 3）调度器在分配资源时需要综合考虑业务量、QoS 等各种因素； 4）调度器在分配资源块的同时，还可能分配资源的重复周期和持续时间等。 1.3.3. 调度模式 在 LTE 中，调度器除了控制分配的时间、频率资源外，还控制着分配的传输数据块的 大小，或者数据速率。根据资源由哪个实体具体控制，可分为 4 种基本的调度模式，如下 图：
    图 2 调度模式示意图 1）动态分配（Dynamic Allocation） 在动态分配中，由 MAC 层调度器实时、动态的分配时频资源及允许的传输速率，在 每个子帧产生一次调度信息，并且终端在每次收到子帧的初始时刻均要读取调度信息。这 种方式虽然灵活性比较高，但是控制信令的开销同时也比较大，因此比较适合突发特征明 显的业务。 2）半静态分配（SPS，Semi-static Allocation） 由 RRC 在建立服务连接时，分配时频资源和允许的传输速率。通过 RRC 消息进行重 配置是可能的。这种方式类似于非调度传输或持续调度，灵活性稍差，但控制信令开销也 小，适合突发特征不明显，有保证速率要求的业务。 3）预定义分配（Pre-defined Allocation） 建立连接时，由 RRC 分配允许的传输速率，但是具体使用的时频资源由 MAC 调度器 动态分配。 4）固定速率分配（Rate-fixed Allocation） 建立连接时，由 RRC 分配允许的传输速率，但是具体使用的时频资源由 MAC 调度器 动态分配。 1.3.4. 调度粒度 关于调度粒度的问题，主要涉及以下两种方案： 1）基于 UE 的调度。调度器在分配资源时，以 UE 为单位进行，然后按照一定的规则 在 UE 的不同 RB 之间进一步划分资源； 2）基于 RB 的调度。调度器在分配资源时，以 RB 为单位进行，直接为每个 RB 分配 资源； 1.3.5. 分组调度原理 调度器位于 eNB 的 MAC 层，其功能是使共享资源得到充分利用。上下行调度器分别 操作，各自为上下行传输信道分配物理层资源。 调度器分配资源的依据：每个 UE 和相关承载的业务量、QoS 要求，以及由 eNB 测量
    或 UE 上报的无线信道状态。无线资源分配可在一个或多个 TTI 内有效，分配内容包括 PRB 和 MCS。 在下行方向，数据缓冲区位于 eNB。eNB 能够准确地知道每个 UE、每个 RB 对应的缓 冲区数据量，因此一般采用基于 RB 的调度，以便更好地满足 RB 的 QoS 要求。下图为 LTE 链路分组调度的模型： 图 3 LTE 下行链路分组调度模型 图中可以看出，在 eNB 的调度器中，为每个用户分配一个缓冲区，数据包按时间戳到 达缓冲区进行排列，按先进先出的顺序传输，在每个 TTI 内，基于分组调度算法，分度调 度器决定哪些用户被调度，在调度过程中，有的用户可能不分配 RBs，有的可能被分配 1 个或多个 RBs。 LTE 采用共享信道进行数据传输，因此 eNB 的 MAC 采用快速调度的机制对资源进行 分配，提升资源的利用率。 动态调度即快速调度机制。
    2. 调度算法 2.1. MAC 层调度算法研究中面临的关键问题 调度的定义：eNB 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 UE。 一个好的调度算法要求在保证用户 QoS 要求的同时，最大化系统容量，在系统与用户之间 进行折中。 因此，MAC 层调度算法的研究中主要考虑两个关键问题： 1）兼顾用户的 QoS 参数和小区内的整体吞吐量：当一个 eNB 中有多个 UE 接入时， 如何对这些 UE 进行最优化的调度，使得每个 UE 在长时间内都能等到相对公平的、满意 的服务，同时又必须保证每个 eNB 内系统的整体吞吐量。 2）兼顾业务需求量和小区内的整体吞吐量：如果在 1 个 TTI 内需要对多个 UE 进行调 度，如何对这些被调度的 UE 分配有限的频率资源，使得每个用户都获得满足业务需求的 资源，同时又要尽可能的保证小区内整体的系统吞吐量。 2.2. 调度器 2.2.1. 分组调度系统模型 无线分组调度器位于基站侧，调度器根据一定的调度算法/判决准则，对数据分组进行 调度，用户在调度器的控制下，完成分组的发送和接收。 对于下行链路的分组调度机制，假设每个 UE 仅通过 eNB 接收一个业务流，在 eNB 中 每个 UE 都有一个对应的发送队列，UE 的数据分组从核心网到达 eNB 时，首先缓存在与 其对应的发送队列中，经过调度算法的判决后，以特定的次序由无线信道传输至目标 UE。 注：（如果下行链路仅支持一个无线信道，则所有 UE 以时分复用的方式共享该信道，在每个 时隙只有一个用户的数据分组得到传输。）
    2.2.2. 基本概念 GBR（Guaranteed Bit Rate）：保证比特速率。所谓 GBR，是指系统保证承载的最小比 特速率，即使在网络资源紧张的情况下，相应的比特速率也能够保持。 相反的，Non－GBR 指的是在网络拥挤的情况下，业务（或者承载）需要承受降低速 率的要求，由于 Non－GBR 承载不需要占用固定的网络资源，因而可以长时间地建立。而 GBR 承载一般只是在需要时才建立。 AMBR：Aggregated Maximum Bit Rate（为了尽可能提高系统的带宽利用率，EPS 系统 引入了汇聚的概念，并定义了 AMBR（Aggregated Maximum Bit Rate）参数。AMBR 可以 被运营商用来限制签约用户的总速率，它不是针对某一个 Bearer，而是针对一组 Non－GBR 的 Bearer。当其他 EPS 承载不传送任何业务时，这些 Non-GBR 承载中的每一个承载都能 够潜在地利用整个 AMBR。AMBR 参数限制了共享这一 AMBR 的所有承载能所能提供的 总速率。 3GPP 定义了两种不同的 AMBR 参数：UE-AMBR 和(APN)-AMBR。UE－AMBR 定义 了每个签约用户的 AMBR；APN-AMBR 是针对 APN 的参数，它定义了同一个 APN 中的 所有 EPSBearer 提供的累计比特速率上限。AMBR 对于上行和下行承载可以定义不同的数 值。 ICIC（小区间干扰协调，Inter Cell Interference Coordination）是用来解决同频组网时， 小区间干扰的技术。 SRB（signalling radiobearers，信令无线承载）：作为一种特殊的无线承载（RB），其仅 仅用来传输 RRC 和 NAS 消息，在协议 36.331 中，定义了 SRBs 的传输信道。 IMS：（IP Multimedia Subsystem，移动多媒体子系统）。 2.2.3. 下行调度 下行调度主要负责为 UE 分配物理下行共享信道 PDSCH 上的资源，并选择合适的 MCS 用于系统消息和用户数据的传输。
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