基于C-RAN的BBU-RRH的动态调度方案设计

许 青，姚建国

(南京邮电大学 信息与通信工程学院，江苏 南京 210003)

基于C-RAN的BBU-RRH的动态调度方案设计

许 青，姚建国

(南京邮电大学 信息与通信工程学院，江苏 南京210003)

在云接入网络(CloudRadioAccessNetwork，C-RAN)架构中，传统的基站分为基带处理单元(BaseBandUnit，BBU)和射频拉远头(RemoteRadioHead，RRH)，所有的RRH分布在远程站点共享运行在云中心的BBU资源池。现有的方案考虑的RRH只能将数据传输到唯一归属的BBU上，导致不同的BBU之间不能共享数据。提出了一种基于C-RAN的BBU-RRH的动态调度方案(DSSC)，BBU间通过借用资源的方式动态地给RRH分配资源。仿真结果表明，本文提出的方案可以有效地提高系统的吞吐量和频谱效率，减少了资源的浪费。

云无线接入网络；资源分配；集中管理

0 引言

随着无线通信技术的日益增长，移动数据流量的需求呈现爆炸式增长，传统的无线接入网已经无法满足用户日益增长的流量需求[1]。云无线接入网(Cloud-Radio Access Network,C-RAN)应运而生。这是一种新型的无线接入网架构，具有集中化处理技术、协作式无线电技术和实时云计算架构的优点[2]。它主要包含三个部分：射频拉远头(Remote Radio Head,RRH)和天线组成的分布式网络；连接射频拉远头和基带单元(Baseband Unit ,BBU)的高宽带低延迟的光传输网络；由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池[3]。

本文采用BBU间借用资源的方式提出了基于C-RAN的BBU-RRH的动态调度方案DSSC，即资源利用率高的BBU向资源利用率低的BBU借用资源，构建有效资源利用的算法。BBU-RRH动态调度方案的主要思想如下：

(1)以集中管理的方式，将RRH集中分配给同一BBU，BBU可以共用RRH进行合作控制，有效利用资源。

(2)当BBU的资源利用率过高时，BBU会阻止这种方案的过度使用，切换一部分RRH以减少自身利用率。另一方面，切换的RRH会分配给资源利用率较低的BBU以提高吞吐量。

1 相关工作

C-RAN自提出以来，相关的研究一直在进行。文献[4]中提出了QP-FCRA框架，该框架可应用在基于C-RAN的毫微微小区网络资源和功率分配的集中算法中，但没有考虑用户到达和离开时资源的实时分配。文献[5]提出了两种组稀疏波束成形(GSB)算法，以最大限度地减少整个C-RAN的功耗。事实上，这些文献的研究是分开进行的，没有考虑到可以在BBU基带池重新分配资源。文献[6]中提出了两种基于C-RAN的BBU-RRH切换方案：半静态和自适应，但没有考虑到RRH可以在一段时间间隔内根据业务负载波动关闭。文献[7]介绍了U/C分裂机制来实现高效的小区覆盖和无缝切换。文献[8]提出了基于权重的频谱资源分配算法，在C-RAN架构下进行Hetnet的频谱资源分配。文献[9]在C-RAN TDD中引入了动态BBU-RRH方案。该方案旨在降低利用率大于上限的BBU数量，并将相应的RRH切换到合适的BBU。但该方案一次只分配单个BBU的资源，没有利用集中池的概念。

总之，现有的C-RAN资源分配方案并没有利用集中式BBU池的概念。本文利用BBU之间借用资源的方式实现了C-RAN中的BBU-RRH动态调度方案，通过仅有资源来改善负载平衡和吞吐量。为了达到这个目标，当BBU的利用率超过负载上限时，BBU必须将它所属的RRH切换到相邻的BBU以降低自身利用率。如果没有相邻BBU可以处理，则从下一个相邻的BBU借用资源，依此类推，直到找到利用率低于上限的BBU。

2 数学模型

在C-RAN中，所有的RRH共享一个BBU资源池，提高了资源利用率。为了实现资源分配管理，必须获得BBU的资源使用状态，BBU的状态定义如下：

定义1 BBU的状态Sstate：BBU的使用分为两种类型，过载组Sbusy，表示BBU超过资源使用的上限；正常组Snormal，表示BBU的资源使用量低于上限。

定义2 BBU组Gp：如果两个RRH是相连的，则这两个RRH对应的BBU也是相连的。BBU组Gp意味着该组中的BBU是相连的，且全部处于相同的状态。

本文为了增强BBU的管理，假定如果几个RRH归属同一个BBU，则这几个RRH具有相同的周期[10]。

2.1 下行资源分配问题制定

首先关注BBU和RRH之间的动态资源分配。当BBU的利用率超过上限时，归属它的RRH需切换到其他相邻BBU上，以降低利用率。如果相邻BBU的利用率也超过上限，则向下一个相邻的BBU借用资源。依此类推，直到找到利用率低于上限的BBU。与使用单个BBU进行的研究不同，本文着重于研究选择尽可能多的BBU进行一次调度的方案。因为在动态调度方案中，处于Sbusy状态的BBU会转化为Snormal状态，所以更多的Snormal状态的BBU可以在下一个回合中处理切换RRH。因此，需要找到BBU组Gp中BBU的最大数量，Gp表示如下：

(1)

式中，n(Gp)表示属于Gp组的BBU的数量,ζx是第x个BBU的利用率。TB为繁忙组树,若选择Gp，则找到辅助组中的Gh处理切换RRH。当BBU过载时，RRH从一个BBU切换到另一个BBU需要一定时间。为了减少切换时间，本文选择具有最少Snormal状态 的BBU组Gh来处理切换BBU。Gh表示如下：

(2)

式中，upper为每个BBU的资源利用率上限。如果Gh不适合所选的Gp，则Gp需要重新搜索，直到找到合适的Gh。所提出的方法将为选择Gp和Gh提供调度方案。

2.2 基本思想

本文的基本思想是考虑基带池中的所有BBU，在提出的BBU-RRH动态调度方案中，不是评估单个BBU的最大利用率，而是评估最大数量的BBU的最大利用率。在系统中，每个BBU的利用率要低于上限，防止发生网络拥塞[11]。相邻RRH必须分配给同一个BBU，便于集中管理。代表BBU和RRH之间的连接关系用分配矩阵A表示：

(3)

(4)

式中，ci,j表示Ri和Rj之间的连接权重。在本文中，BBU利用率ζx被视为一个重要指标，它是由相应BBU管理的所有单元的平均物理资源块(Physical Resource Block，PRB)的利用率，定义如下：

(5)

2.3 BBU-RRH的动态调度方案

BBU-RRH动态调度方案分三个阶段：网络流量统计阶段，最大和最小BBU搜索阶段以及动态调度阶段。

(1)网络流量统计阶段：该阶段旨在收集关于BBU和RRH的信息。用Ri获得连接权重矩阵ci,j来验证两个RRH之间现有的重叠区域。如果Ri和Rj具有重叠区域，则Ri和Rj相邻，它们可通过同一BBU进行协同控制。再用Bx获得分配矩阵以验证Bx和Ri之间的连接。然后由归属Bx的RRHui占用的资源导出利用率ζx。利用率大于上限的BBU分到过载组Sbusy中，需要借用资源。利用率低于上限的BBU分到正常组Snormal中，能够借出资源。这样可得到每个BBU的状态。为了记录每个BBU的连接权重，将邻接矩阵D(x,y)定义为:

(6)

根据文献[12]，式(6)所示邻接矩阵可表示为：

(7)

其中dx,y表示Bx和By之间的连通权重。如果两个RRHRi和Rj分别归属Bx和By，若ci,j=1，则Bx和By相邻，且dx,y=1。

(2)最大和最小BBU搜索阶段：该阶段旨在找到最大繁忙组GB和最小辅助组GH进行动态方案调度。为了找到这两个组，构建了繁忙组树TB和辅助组树TH，然后在这两棵树中找到GB和GH，从而找到调度方案的BBU的最大数和最小数。获取方法如下：

定义3 繁忙组树TB：给定BBU池中的(B1,B2,…,Gp,…,BM)，可以表示为(G1,G2,…,GM)，则以下条件成立：

①根节点选择所有SbusyBBU，形成繁忙组。

②每个节点的BBU数量为(maxn(Gq)-level+1)，树的级别越高，每个节点的BBU数越少。

③相同级别的节点利用率按照降序排列，左侧节点的利用率必须大于右侧的节点。

在BBU池(B1,B2,…,Gp…BM)中，从B1开始搜索所有的BBU，观察所有Sbusy状态的BBUBy，根节点根据dx,y=1选择BBU，形成一个繁忙组。然后选择Gp中BBU数量n(Gp)最大的子节点，节点排序按利用率降序排列，形成第一级。第一级的每个节点选择具有(maxn(Gp)-1)个BBU的组合作为子节点，节点使用率按降序排序，形成第二级。依此类推，直到搜索到叶节点，树TB叶节点只有一个BBU存在。

辅助组树TH的构造类似于TB。TH和TB构建之后，可以在这两棵树中找到GB和GH。

①繁忙组GB：从树TB的第一级开始从低级到高级，从左到右搜索出的节点作为GB。因为最低级别和最左侧节点的组具有最大数量的BBU，并具有最大的利用率。

②辅助组GH：GB确定之后，GH必须在树TH中查找。从树TH最高级开始，从高级到低级，从左到右地搜索节点。因为TH中的BBU的数量是从高级到低级是升序排列的，并且同一级别的节点的利用率是按降序排列的。为了利用每个BBU的资源，选择数量最少的BBU作为最小辅助组，因为正常组Snomal中BBU的数量越少，冗余越少。GB中至少有一个BBUBx与GH中的By的连接权重dx,y=1，以保证GB能够从GH借用资源。这两组(第p组和第h组)的总利用率必须满足如下限制：

(8)

如果总利用率低于上限，则GB和GH可以进行切换方案；否则，GH必须重新选择，并估计总利用率。如果TH中没有GH与GB匹配，则必须在TB中重新选择GB以找到最大繁忙组和最小辅助组。

为了避免调度方案中的冗余交换过多，构建映射路径。GH中与GB有最高连接权重的BBU被设置为Banc，RRH的转换必须在Banc的方向。如果多个BBU具有相同的连接权重，则应选择利用率较低的BBU。BBU的映射方案是从某个到Banc有最高连接权重的Bx开始。如果多个BBU具有相同的连接权重，则选择具有较高利用率的一个。若Bx要向其他BBU借用资源，则必须通过BBU的拓扑搜索By。By必须与Bx相邻，并且在Bx的所有相邻BBU中的利用率最小。找到By之后，通过By切换RRH的BBU也能被找到。映射路径的构造将被递归搜索，直到搜索到Banc。

(3)动态调度阶段：动态调度阶段关注于无线接入网络,SbusyBBU将其管理的RRH切换到相邻的BBU，直到利用率低于上限。具体流程如下：Bx管理Ri并与By相邻，现将Ri切换到By。若Bx的利用率低于上限，则完成Bx的动态调度方案；若Bx的利用率高于上限，则继续寻找相邻的Bz切换Ri，直到Bx的利用率低于上限，完成调度方案。接着，按照映射路径降低其他BBU的利用率，直到Gp和Gh中的所有BBU的利用率都低于上限。然后再选择新的GB和GH进行调度方案。直到所有BBU的利用率都低于上限。

3 仿真结果

本文提出了一种在C-RAN中借用资源方式的BBU-RRH动态调度方案,为了评估方案的性能，将该方案与文献[9]提出的方案进行比较。为了观察仿真效果，部署了100个RRH，带宽为15 MHz，载波频率为5 GHz，并将资源上限设置为0.9。仿真结果如图1和图2所示。

图1 吞吐量与RRH的性能曲线

图2 频谱效率与RRH的性能曲线

图1显示了吞吐量与不同数量RRH的性能关系。吞吐量都是随RRH数量的增加而增加。仿真结果表明，本文提出的DSSC方案具有较高的数据包吞吐量。这是因为更密集的部署增加了RRH重叠区域的范围，所提方案利用这些区域来增加分组吞吐量。图2显示了频谱效率与各种数量的RRH的性能关系。频谱效率都是随RRH数量的增加而降低的。仿真结果表明，本文提出的DSSC方案具有较高的频谱效率。这是因为RRH的密集部署增加了干扰，所提DSSC方案利用了同一BBU控制的重叠区域来增加频谱效率。

4 结论

本文提出了基于C-RAN的BBU-RRH的动态调度方案。该方案中BBU通过切换RRH到相邻的BBU，将过载组Sbusy的BBU应用于正常组Snormal，通过动态调度方案提高吞吐量，减少资源的过度使用。本文还利用集中式BBU池的概念，聚合相邻RRH并分配给同一BBU进行协作控制来提高频谱效率。仿真结果表明，该方案能有效提高系统的吞吐量和频谱资源利用率。

[1] 蒋伟．基于C-RAN架构的无线网络资源管理研究[D]．合肥：中国科学技术大学，2016.

[2] 杨丰瑞,董志明.第五代移动通信系统的研究分析[J]．电子技术应用，2015,41(2)：23-25.

[3] 熊琦.C-RAN网络中通信和计算资源的分配研究[D]．西安：西安电子科技大学，2014.

[4] HATOUM A,LANGAR R,AITSAADI N,et al. QoS based power control and resource allocation in OFDMA femtocell networks[C]. Global Communications Conference (GLOBECOM),IEEE,2012: 5116-5122.

[5] Shi Yuanming,Zhang Jun,LETAIEF K B. Group sparse beamforming for green Cloud-RAN[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(5)：2809-2823.

[6] KANEKO S,NAMBA S,WARABINO T. BBU-RRH switching schemes centralized RAN[C]. 2012 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China (CHINACOM),2012,112(423): 762-766.

[7] SAKAGUCHI K,SAMPEI S,SHIMODAIRA H,et al. Cloud cooperated heterogeneous cellular networks[C]. International Symposium on Intelligent Signal Processing & Communications Systems,2013: 787-791.

[8] Wang Zejue,Li Hongjia,Wang Heng,et al. Probability weighted based spectral resources allocation algorithm in HetNet under Cloud-RAN architecture[C]. 2013 IEEE/CIC International Conference on Communications in China-Workshops (CIC/ICCC),2013,6983(6):88-92.

[9] Zhu Dalin,Lei Ming. Traffic and interference-aware dynamic BBU-RRU mapping in C-RAN TDD with cross-subframe coordinated scheduling/beamforming scheduling/beamforming[C]. 2013 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC),2013: 884-889.

[10] CHEN Y S,CHIANG W L,SHIH M C. A dynamic BBU-RRH mapping scheme using borrow-and-lend approach in Cloud radio access networks[J]. IEEE Systems Journal,2014(99): 1-12.

[11] LYAZIDI M Y,AITSAADI N,LANGAR R. Dynamic resource allocation for Cloud-RAN in LTE with real-time BBU/RRH assignment[C]. 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC),2016.

[12] 刘言,赵锐,杜磊,等.基于改进生成树优化算法的抗毁性网络设计研究[J]．微型机与应用，2015,34(3):67-70.

Design of BBU-RRH dynamic scheduling scheme based on C-RAN

Xu Qing,Yao Jianguo

(College of Telecommunications Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

In the Cloud Radio Access Network (C-RAN) architecture,the traditional base station is divided into BaseBand Units (BBUs) and remote radio heads(RRHs). All RRHs are distributed in the remote site to share the BBU resource pool running in the Cloud center. Existing researchs consider RRH can only transfer data to the only attributable BBU,resulting in data not to be shared between different BBUs. This paper presents a BBU-RRH dynamic scheduling scheme based on C-RAN (DSSC),in which BBU can dynamically allocate resources to the RRH through the use of resources. The simulation results show that the proposed scheme can improve the throughput and spectrum efficiency of the system effectively and reduce the waste of resources.

Cloud Radio Access Network (C-RAN); resource allocation; centralized management

TN929.53

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.023

许青，姚建国.基于C-RAN的BBU-RRH的动态调度方案设计J.微型机与应用，2017,36(24)：80-83.

2017-06-30)

许青(1992-)，女，硕士研究生，主要研究方向:移动通信。

姚建国(1965-)，男，研究员，主要研究方向: 移动通信理论与关键技术。