关于5G移动通信系统无线资源调度探讨

林汀

（大唐移动通信设备有限公司，北京 100083）

0 引言

在移动通信系统中，无线资源（一般指时间、频率、码字、空间、功率等）是稀缺的，即无线资源是有限的，为了满足人们对无线业务日益增长需求，充分地利用有限的无线资源来为人类服务是非常必要的，无线资源调度分配机制需要做的就是完成这个任务[1]。一般大家普遍认同的关于无线资源调度分配机制的定义如下：在基站的调度器上实时动态的控制时频资源的分配，某个用户可以在一定时间内得到时频资源。这样就要求调度算法应该尽可能地在系统容量和用户的QoS需求之间取得平衡[2]。无线资源调度算法一般是通过三个指标来衡量的，它们分别是用户公平性、用户QoS需求和频谱利用率，对于网络系统来说频谱利用率是非常重要的，用户公平性和QoS对于用户来说，是很重要的，所以，高水平的调度算法就是使三者的需求均尽可能地满足[3]。

1 无线资源调度的概念

无线资源调度就是资源分配，要对频率、功率和时间等资源进行合理的共享和分配，使得资源的达到优化使用[4]。调度的主要目的有以下方面：首先就是尽可能地提高网络容量和无线资源的利用率，其次要能够使用户的各种服务需求的质量得到相对可靠的保证[5]。无线资源调度技术就是建立尽可能合理的规则，在多个用户同时等待接受服务时，对无线资源进行合理的分配，无线调度技术也就是这种对无线资源分配利用的规则，其基本目的是使系统吞吐量最大化，且需保证各种不同业务流的服务质量，还要确保各用户基本达到获得资源的公平性[6]。一般来说无线资源调度从大体上来讲分为智能调度和盲调度。智能调度主要考虑的因素是用户的信道质量，也就是说系统会根据用户的信道质量的反馈信息进行动态调度。而盲调度则不考虑用户的任何其他因素，只根据用户的性能参数进行调度[7]。

无线资源管理的主要过程是在基站端完成的，一般由资源管理估计器resource estimator来实现。对于分组业务来讲，资源估计器首先通过接入控制进行裁决并判定是否需要接入用户请求，如果需要则为用户请求选择与其相适应的基站和信道，接下来对用户的业务信号进行业务优先级排队，与此同时资源估计器即可获得用户的相应信息，然后进行码或时隙等资源调度，最后完成功率和速率控制，一般无线资源分配和管理过程是这样实现的。

2 无线资源调度的传统算法

人们常说的传统的调度算法一般是指以下几种：比例公平PF算法、最大比C/I算法和轮询RR算法等。

2.1 比例公平PF算法

比例公平PF算法因为其中和了最大C/I算法和轮询RR算法，所以使用的较为普遍，比例公平算法的基本原理是在考虑调度时刻前一段时间内此用户的信道质量的同时还要考虑该用户在调度中获得的吞吐量，也就是用户的优先级是通过用户的信道质量与用户的平均吞吐量的比值决定的，由于信道质量好的用户其平均吞吐量也会相应较高，也就是优先级比值的分子分母同时增加，从而使其优先级就会减小，也就是说信道质量好的用户开始优先级会较高，但经过一段时间的持续调度后，优先级会自然下降。因此相对来讲在系统效率和用户的公平性之间达到了很好的平衡。该算法主要是优先调度优先级高的用户，所以要对每个用户的优先级进行计算，该优先级计算公式如下：

其中Pi（t）为用户i的优先级，DRCi（t）为i的瞬时数据速率，即当前信道质量，Fi（t）为用户i在tc时间段的平均吞吐量。

比例公平算法顾名思义其公平性是相对其他两种算法是最好的，但是由于其时间窗口的选择相对来讲比较复杂，在实现过程中会有一定难度[8]。

2.2 最大C/I算法

最大比C/I算法是指首先考虑为信道质量条件最好的用户提供信道资源服务的一种算法，因为用户信道的C/I最大其信道的条件相对就最好，也就是说此算法中在某个时刻对用户服务的优先级别与该用户信道的载干比值是一致的，该用户信道的载干比越高，对用户服务的优先级别越高。由此看来最大比C/I算法其主要的特点是，当用户的信道质量好的时候会一直占用信道资源，而用户的信道条件差的用户则没有机会占用信道资源，这样，对信道条件差的用户就不太公平性，但系统的吞吐量相对最大，从而提高了系统的频谱效率，而且其算法也并不复杂。

2.3 轮询算法

在轮询（RR）算法中，系统对其所有用户进行遍历，循环调度，提供信道。由此看来RR算法的最主要特点是对每个用户无论条件好坏一视同仁循环调度，因而对每个用户来讲在任何时刻调度机会是一样的，用户的公平性最好，且容易实现，复杂度低；但是在此算法中，由于所有用户的设定相同的优先级，也就是没有考虑到用户的信道质量，要想提高系统的吞吐量会有一定难度，进一步分析由于信道质量较差的用户对给其调度的信道资源利用率不好，所以从频谱资源利用率的角度来讲，使整个系统的频谱效率也降低了。

3 4G LTE系统的无线资源调度

4G LTE无线通信系统将OFDM技术和多载波、多天线技术引入，而OFDM信道的空时变化随机性很强、复杂程度非常高，所以在4G LTE的无线资源管理中合理地分配多维资源是需要考虑的问题。在LTE系统中上行下行分别使用SC-FDMA和OFDMA。FDMA是属于频分多址复用，OFDMA的资源会包括空间资源、频率资源和时间资源都有。LTE系统用时频资源块RB作为最小资源单位[9]。

OFDM-FDMA简称为OFDMA，从表面上看它也是通过不同载波频率来划分不同的用户，也就是通过提供一个OFDM符号的一组子载波来区分，实现多用户接入，而其与传统的频分多址复用显著不同的就是基于OFDM的优势，不同用户之间不需要保护频段，从而大大提高了频谱利用率。

在LTE系统中，对无线资源调度和分配是很重要的，因为系统性能优化的重要渠道之一就是通过无线资源分配，也就是通过对带宽、功率和时间的动态分配实现的。为了满足不同用户的需求，利用资源调度方法将不同用户接入OFDMA子信道。OFDMA系统的资源调度包括功率、码字、子载波以及用户的质量需求和公平性需求等方面。该资源调度可以认为是非线性的带约束条件的优化方法，算法复杂程度随信道、用户的增多而增加。

在无线资源调度中，时频资源是通过基站调度器来实时地控制的，基站调度器为不同的用户分配时频资源。对于LTE系统来讲，无线资源调度就是指为不同的用户分配其传输信号需占用的虚拟资源块的位置和数量，而分配时需要考虑的主要因素包括这通系统的整体需求、用户的质量需求以及信道状态等[10]。

在智能调度的模式中，下行链路的资源分配是利用上行链路反馈的信道信息来确定。用户设备在下一个传输周期中的下行资源块和格式是通过下行控制信令获得。在LTE系统中，用户系统容量和QoS通常由子载波的分配和功率分配来保证。下行功率分配分为如下两个方法：一是平均分配，顾名思义是在每个子载波上平均分配功率，因此用户发射的功率与其占用的子载波数量成正比；二是路径损耗补偿，也就是说将功率的一部分用来对由于路径损耗产生的信号衰落进行补偿。基于子带方法和间隔扩展方法是LTE系统下行资源分配中分配子载波的两种方法。其中，基于子带的分配方式是将用户分配到一组相邻的子载波上，即分配在每个用户的子载波应该是连续的；而在间隔扩展方法中，分配给每个用户的子载波应该是不连续的。LTE系统上行的资源分配在调度中是应该是这样实现的，用户一般是通过下行链路获得资源块和传输格式，如果用户上行的接入是基于调度的，则用户需要根据下行链路提供的时隙和频率资源，找到相应的时隙和频率完成信号发送。

4 5G移动通信系统的资源调度探讨

对现有的无线通信技术来讲5G移动通信系统应该对其实现高度融合，也就是说通过引入更先进的无线通信技术，从而进一步提高频谱利用率、增加更多的频谱资源、增加更多的覆盖区域，为了实现移动通信的终极目标满足更多移动业务的不断增长的需求，进而达到更高的速率、更高的容量、更高的可靠性、更低的时延。5G移动通信系统中的无线资源调度管理应该有如下的特征[11]。

4.1 异构网络技术

异构网络技术的要求是在各种不同且多样性的网络及终端的条件下，无论何时移动用户都应拥有无缝业务的能力，这里异构的无线资源应该包括无线频谱、接入权限以及连接方式等，也就是说异构网络的资源管理在很多方面与传统网络有所不同。首先资源本身的含义都会有变化，再则资源的取值范围和资源与资源间的关系等各个方面都应该有所扩展[12]。另外，根据资源含义的变化，用过去的一维变量来表达资源分配的状态就会有困难，需要从多维角度动态的变量来描述，由此看来5G移动通信系统的资源管理和分配应该是多维的动态地，为异构网络中的不同接入网络分配资源并进行频谱管理。

随着异构网络的进一步更密集化的发展，资源管理管理会面对着更加严峻的资源分配、甚至需要资源的循环、频谱的再分配，以及更加合理的公平性以及更加严谨的干扰管理等问题，也就是说密集化的异构网络对无线网络系统中资源管理问题提出了更高的要求，从而成为一个非常重要的研究课题之一。

在对无线通信系统进行性能指标评估时，需要采用无线资源管理技术对不同的指标进行评估，例如：系统信道资源的分布是否公平、小区的覆盖范围、系统的用户数量、对用户的服务质量（QoS）等。上述这些指标期望同时达到最优是很困难的。因此需要综合考虑折中处理，下面是一些指标具体方案：

（1）小区覆盖范围与用户服务质量的制约：从对用户的服务质量来考虑，用户越靠近基站其服务质量会越好，也就是说在小区边缘用户的QoS会比较在基站附近的用户差，所以要根据小区边缘用户的最小的QoS要求确定小区覆盖范围。

（2）系统容量与小区覆盖范围的制约：从小区覆盖范围的角度来讲，基站高功率传输，可以得到更好的小区覆盖，但同时也要考虑到对附近小区产生的干扰，由于这些干扰使系统总容量降低。

（3）公平性与小区覆盖范围的制约：小区覆盖范围越大，小区内的信道质量就不稳定，信道质量变化增加，会影响信道资源分配的公平性，造成公平性降低[13]。

（4）容量与公平性的制约：当信道资源分配给信道质量条件最好的用户时，系统的容量会是最大的，但公平性不好。

（5）公平性与用户服务质量的制约：将资源分配给用户以提高用户的服务质量，其他用户的资源就会匮乏，结果牺牲了公平性。

合理地使用无线资源管理技术可以使这些指标因素达到较为合理的状态[14]。

4.2 链路自适应技术

链路自适应技术顾名思义就是系统的链路速率、调制方式以及其他资源需要随着当前无线信道的状态及其变化的趋势自适应地快速动态变化，即达到自适应的目的，称为自适应调制和编码（Adaptive Modula⁃tion and Coding，AMC）[15]。为了使系统容量不断增加，通过链路自适应技术来不断动态变化地选择资源。这里的AMC，是在不断变化的无线环境中，自适应地改变系统的调制和编码方式，而不是改变终端的发射功率，也称为调制编码方案MCS。

为了在不同的信道状态下都能得到系统最大的吞吐量，AMC是通过改变的是调制和编码方式来适应信道状态的变化[16]，具体实现时首先需要建立一个MCS调制编码传输格式的数据集合，在每个传输格式的数据集合中都应包含调制方式和编码速率，当信道状态变化时，系统会在集合中选择与之对应的传输格式。由此看来，5G系统是通过采用更高频谱效率的调制编码技术，实现更有效地利用有限的无线资源来达到更高吞吐率、更高频谱效率和更高服务质量的无线传输[17]。

利用FSK和QAM相结合的设计信号调制编码技术是其中之一，其可以达到星座点成倍增加，同时还可以有效地改变干扰的统计分布以达到对干扰的控制目的。例如波分编码（OVTDM）传输技术就是其中之一，其基本原理是通过采用1组不同的波形来区别不同的信息，其编码约束关系是通过符号的数据加权移位重叠产生的，从而使编码输出自然地呈现出与信道匹配的复高斯分布，不需要调制映射。研究结果表明，采用OVTDM传输技术可使频谱效率大幅提高且降低对信噪比的要求，并具还有分集增益，而且对HPA的线性度要求很低，甚至可以在饱和状态下工作。

5 结语

随着信息时代的发展，今后的用户对视频、音频以及更现代的多媒体信息等数据业务的需求将会不断增加，因而无线资源管理调度机制合理有效的提升对移动通信系统的进一步升级有很大影响，目前，5G移动通信系统已经进入不断完善中，随着网络结构和5G制式的标准化以及相关的关键技术的进一步完善，对5G移动通信系统的无线资源管理技术会得到更加深入的拓展。

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