TD-LTE无线资源管理系统研究

张长青 中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师

1 引言

TD-LTE系统主要支持时域、频域、空域和功率4大无线通信资源，每个基站下面的所有移动终端都是通过这4种资源来共享高速率、带宽、品质的移动通信。RRM系统是移动通信系统对这4种有限的无线资源进行合理分配和有效管理的系统，能保证整个无线系统的性能和容量达到联合模式下的最佳状态。RRM的基本出发点是在网络话务和流量分布不均，以及因信道衰落和干扰使信道特性发生变化时，可以灵活地分配和动态地调整无线传输网络的可用资源。RRM的基本目标是在保证网络QoS的前提下，确保小区覆盖和最大限度地提高频谱资源利用率与系统通信容量。

TD-LTE 系统支持灵活配置 1.4、3、5、10、15和20MHz传输带宽，这些系统带宽支持频域承载带宽为180kHz的载波数分别是6、15、25、50、75和100个，而每个载波可以承载带宽为15kHz的子载波数是12个，所以TD-LTE系统带宽支持的子载波数分别为72、180、300、600、900和1200个。TD-LTE系统在频域的资源是以并行传输的子载波为最小单位，子载波分配总数视其系统带宽而定。

TD-LTE数据在物理层传输的具体内容是串行比特流，数据传输过程按位顺序进行，为了保证比特流在系统中的正确传输，并能被接收机接收识别，必须以帧为传输单位进行串行通信。无线帧和半帧是无线信道中同时保证上下行传输的两个基本单位，子帧是无线信道中在上行或下行传输时的基本单位，正常CP时每个子帧有14个OFDM符号。TD-LTE系统在时域的资源是以串行传输的OFDM符号为最小单位。

TD-LTE系统采用MIMO天线技术，使得信息传输在空域环境得到了极大扩展。MIMO天线在空域传输以端口号为单位。从发射端口看，天线端口号是一个逻辑概念，与物理天线并非一一对应，每个天线端口信号可由一个物理天线发射，也可由多个物理天线同时发送。从接收端看，每个天线端口号是一个可以检测的独立发射信道。TD-LTE系统在空域的并行传输资源以天线端口号为基本单位，资源分配是离散的。

TD-LTE系统的功率控制主要用于补偿无线信道的衰落影响，使信号能够以比较合适的功率到达接收机。当信道状态条件较好时，发射端可以减小发送功率，当信道状态条件较差时，发射端可以提高发射功率，保证接收性能，并使接收端的信噪比维护在一个相对稳定够用的范围。功率控制既可降低发射功耗，又可避免区内区间干扰，对终端功耗控制、提升传输性能、增大系统容量有重要意义。功率是按子载波来分配的。

TD-LTE系统采用OFDM技术，使同一小区内的用户信息承载在相互正交的子载波上，有效地避免了本小区内部的相互影响，所受的干扰主要来自邻区的区间干扰，虽然小区的整体吞吐量较高，但小区边缘的服务质量较差、吞吐量较低，结果是在优秀的时频空无线资源配置下，却得不到优秀的无线传输结果。这种现象表面上与无线资源管理无关，但若通过协调无线资源的调度和分配，调整天线的发射功率，使用RRM管理系统的频域、时域、空域和功率，就可以有效地降低TD-LTE区间干扰，极大地提高系统的无线传输品质。

2 TD-LTE对RRM的影响

无线网络具有可用频率资源较少、无线传播环境恶劣等特征，如何有效地提高无线资源的利用率，一直是无线网络寻求解决的重点。RRM研究的对象是移动通信系统的空中接口资源，亦即频域、时域、空域和功率等无线资源，目的是希望在无线资源有限和保证一定规划覆盖及服务质量的前提下，尽可能为更多的用户提供良好的服务。实践证明，在现代移动通信系统中，没有良好的RRM技术，再先进的无线传输技术也无法发挥优势。所以，RRM策略的设计是保证TD-LTE系统整体性能的关键技术。

TD-LTE系统的技术特点总结起来主要有：扁平化的网络结构、OFDM多址技术、MIMO多天线技术、全PS业务优化、上下链路的物理共享信道和多种系统带宽配置等。这些或多或少都对TD-LTE系统灵活分配接入网中的RRM和动态调度频域、时域、空域和功率等性能产生一定影响，只有正确地认识了这些影响，才有可能做到因势利导，化劣势为优势、变被动为主动，利用和管理好RRM。

TD-LTE网络的扁平化架构使得系统接入网E-UTRAN仅包含基站eNB。目前，因网络架构中没有引入进行小区RRM功能的网元RRM Server，使得RRM只能位于eNB中管理本eNB下多个小区的无线资源，而不能直接通过eNB标准接口X2快速方便地获取接入网中其他eNB的信息，不能调度管理其他eNB的资源。若能引入RRMServer网元，则RRM可通过接入网中所有eNB标准接口X2管理所有小区间的无线资源。这说明，RRMServer将会成为扁平化接入网中多余的网元，不便于象3G网络那样来管理RRM。

TD-LTE系统采用OFDM核心技术，上下行链路分别采用SC-FDMA和OFDMA多址寻址，同一小区的不同用户承载在相互正交的子载波上，频域资源以频分方式复用，不存在小区内干扰，干扰仅来自小区间。3G的多址技术是CDMA，以码字区分多用户在同一频率上通信时，任一UE的信号对其他UE都是干扰，是典型的自干扰系统。显然，这种多址技术的差异，使得在3G接入网UMTS中的RRM与TD-LTE接入网E-UTRAN中的RRM存在诸如资源调度算法、干扰计算方法等很多的不同之处，不便于异网之间的RRM。

TD-LTE系统采用的MIMO多天线核心技术与3G的智能天线完全不同，直接改变了单天线的物理资源组织形式，引入了资源的空间维度，并支持天线在多种MIMO模式之间的动态切换。虽然，MIMO的应用使RRM对系统资源的管理从二维时频两域增加到时频空三维，极大地增加了系统信息承载的资源数量；但因每种MIMO模式下的资源空域组织形式不同，而物理资源在空间维度的变化必然导致RRM算法的不同，这对系统正确管理RRM是一个挑战，稍有不慎将会使系统性能大大降低。

TD-LTE是一个真正的全IP系统，仅有PS域，话务和数据都是分组包交换。但因PS域中的业务具有分组包的大小不固定和突发性到达的特点，业务参数的定义与CS域和PS域并存的3G系统中的业务完全不同，且业务参数是多种RRM过程的输入，有可能导致TD-LTE接入网E-UTRAN中的RRM过程与3G接入网UMTS中的RRM过程不同，特别是异构网络之间切换时，使得在3G与TD-LTE之间对承载资源的管理出现混乱，从而直接影响系统的无线传输性能，使RRM的作用适得其反。

TD-LTE放弃了TD-SCDMA的相关专用信道机制，采用了上下行物理共享信道机制，即物理上行共享信道PUSCH和物理下行共享信道PDSCH。在这两个共享信道中，多业务可以共享同样的资源，并通过分组调度方式在业务之间进行分配。具体来讲，eNB通过控制信令为每个传输块动态分配所需的传输资源，完成后会立即回收所使用的资源，并可继续用于其他传输块的传输，传输资源具有重复利用特征。与3G的专用信道设计不同，虽然也引入了分组调度功能，但却受到限制，分组调度功能的局限性较大。

TD-LTE是一个宽带系统，支持更高峰值传输速率，系统可灵活配置1.4、3、5、10、15和20MHz等传输带宽。系统带宽的不同，带来了系统总的资源数量、频率选择性调度性能和MIMO模式中的Precoding性能等方面的差异，影响了RRM过程。TD-SCDMA系统仅允许1.6、5、10MHz3种带宽配置，FDD仅允许5MHz一种配置，接入网中的RRM算法受系统带宽的影响较小。所以，TD-LTE系统接入网中的RRM算法必须适应灵活的系统带宽配置，方可取得预期效果。

3 RRM管理架构分析

TD-LTE对3G基站NodeB、无线网络控制器RNC和核心网CN进行了功能整合，合并简化了NodeB和RNC的功能，使得TD-LTE系统扁平化后仅有eNodeB组成的接入网E-UTRAN和核心网EPC两部分（见图1）。其中，EPC主要包括核心网控制处理部分的移动性管理实体MME和核心网数据承载部分的服务网关S-GW，担负着上承分组交换网、下连无线接入网E-UTRAN的关键工作；E-UTRAN是专门负责移动终端UE的无线接入网，所有空中接口都终止于eNodeB，所有UE仅通过E-UTRAN接入移动通信网。

TD-LTE网络的扁平化设计也使得网络接口简单化和标准化，eNodeB对外接口基本上为不依赖任何核心网设备和终端设备的标准化接口。eNodeB与上层EPC的接口是S1，其中与EPC中的MME的接口是S1-MME，与S-GW的接口是S1-U；而eNodeB之间的接口是X2，eNodeB与下层UE的空 中 接 口 是 Uu。eNodeB在EPC和UE之间起到了承上启下的关键作用。E-UTRAN定义的标准接口S1和X2，在系统资源管理中非常重要，其中X2是同网基站间资源管理的主要通道，S1是异网基站间资源管理的主要通道。

众所周知，在蜂窝系统中，RRM的功能对于系统的性能非常重要，它决定了系统的容量、覆盖、服务质量和无线接口资源的使用效率。由于RRM提供空中接口无线资源管理功能，所提供的一些机制可以保证空中接口无线资源的有效利用，实现最优的资源使用效率、更高的数据传输速率和更低的移动通信时延，从而满足了系统所定义的与无线资源相关的管理需求。TD-LTE网络的扁平化设计和接入网采用了标准接口，也使得系统RRM架构模式发生了变化，使得RRM管理功能更全面、有效，也更复杂。

在3G系统中，由于存在RNC这个接入网的集中控制点，基站NB中的RRM各项功能及相关测量信息的处理工作主要在RNC上实现，或者系统可以在OMC中增加RRMServer，专门管理各基站空中接口的无线资源。TD-LTE系统实现了网络扁平化，只有接入网EUTRAN和核心网EPC两部分，没有集中控制点，又因TD-LTE系统是全IP网络，产生了许多新的RRM功能，既涉及单小区无线资源管理，还涉及多小区无线资源管理，需要重新考虑RRM架构，以便更好地实现TD-LTE系统中的RRM功能。

理论上，在TD-LTE系统中，根据RRM功能实现机制的不同，可分为集中式、分布式和混合式3种架构（见图2，其中A为集中式、B为分布式、C为混合式）。集中式RRM架构又叫eNB间RRM，可对多个eNB下的所有小区的无线资源进行管理，需要通过eNBR标准接口X2获取其他eNB的信息。集中式RRM实际上由每个eNB的eNB-RRM和集中网元中的RRM-Server两部分组成，eNB-RRM负责本基站空中接口资源信息的采集，eNB-Server负责处理已经采集的信息，各eNB向集中网元上报采集信息，由集中网元执行资源调度决策。

图2 RRM管理架构分类

集中式RRM的优点显而易见，因为RRM-Server不仅可提高系统的决策能力，还是以接入网EUTRAN中大部分小区空中接口为参考对象来调度资源的，对于整个系统更合理、也更科学。但在TD-LTE系统中，这种集中式架构带来了两个问题，一是面对扁平化结构的网络，RRM-Server集中网元是放在核心网EPC中？还是放在接入网EUTRAN中？还是另建网元？二是由于集中式RRM架构面临众多小区，会带来复杂的信令流程和较大的时延，这不利于进行同步无线资源配置，从而影响系统最佳状态的形成。

分布式RRM架构又叫eNB内RRM，只对一个eNB下对应的多个小区的无线资源管理，所有RRM功能都放在eNB中实现，将RRM终结在eNB中。eNB中的小区间可以交互信息，但由eNB执行决策，是一种典型的基站内无线资源自我管理模式，不需要通过X2接口获取其他eNB的信息。由于分布式RRM面对的是本基站管理，最多也只有3个小区，无线资源数据的分析与处理非常有限，所以分布式RRM管理的优点是功能处理速度非常快，缺点是资源调度仅限本基站内的小区操作，是一种局部资源调度方式。

混合式RRM架构在图2可以看出，其架构与集中式相似，仍由每个eNB的eNB-RRM和集中网元中的RRM-Server两部分组成，但实质又与集中式不同，因为混合式RRM中每个eNB的eNB-RRM不仅采集本基站所有小区的资源信息，还要对这些信息做出相应决策，而集中网元中的RRM-Server只是执行决策机构。也就是说，在混合式RRM架构中，各eNB中的小区彼此交互采集信息，并由各自eNB做出相关决策，再将各自eNB的决策上报集中网元确认，各eNB得到集中网元确认后才能执决策操作。

显然，集中式与3G的RRM架构如出一辙。集中式RRM架构中的RRM功能，是由集中网元中的RRM-Server和位于各eNB中的eNB-RRM共同完成。集中式RRM架构拥有一个，可用于掌握多小区拓扑信息和对多小区实时资源、干扰、负载等信息处理的功能节点，该节点可以用来辅助多小区RRM过程做相关决策。

混合式RRM集中了集中式RRM和分布式RRM两者的优点，也解决了TD-LTE扁平化架构没有集中网元节点的问题。由于各基站可以分析自己采集的小区信息，并具有决策能力，那么RRM-Server的工作量相对较少，完全有能力解决全区的eNB问题，甚至可以将RRM-Server直接位于TD-LTE核心网。

目前，集中式RRM架构主要应用在3G网络中，分布式RRM架构主要应用在TD-LTE网络中，混合式RRM架构不久将会在TD-LTE网络应用，并可发挥更好的作用。

4 RRM管理功能分析

在TD-LTE系统中，RRM涵盖的内容非常广泛，主要有资源管理和承载管理两大类，其中资源管理包括上下行动态资源分配和调度、功率控制、干扰协调和负载均衡等算法，承载管理则包括接纳控制及连接移动性管理（切换）等算法。RRM所具有的功能是以包括资源分配、接纳控制、负荷均衡等无线资源的分配和调整为基础，而分配、调整和调度则是通过相应的算法来具体实现的，下面主来分析这些管理功能。

上下行动态资源分配和调度是指，系统对物理上行共享信道PUSCH和物理下行共享信道PDSCH中承载的资源进行分配或调度。在TD-LTE系统中，物理层的物理信道中有3条上行信道和6条下行信道，信道中的时频资源分配仅在PUSCH和PDSCH中支持动态分配，其中PDSCH在时频域分配时，UE通过PDCCH了解PDSCH位置，资源块动态分配时只需避开同步信号、参考信号、PDCCH、PBCH、PCFICH等，以及另一个UE的PDSCH占用的资源块。PUSCH的时频域调度全凭系统动态分配，没有任何附加条件。

调度是指在不同UE或同一UE不同逻辑信道间划分共享信道资源的功能，是RRM的核心功能。TD-LTE引入了动态调度和半持续调度机制，前者是eNB在物理下行控制信道PDCCH上发送资源调度信令，UE检测控制信道，若发现有自己的资源调度信令，则按资源调度信令中的信息进行数据传输；后者支持具有一定周期性和大小基本不变的数据业务（如VoIP），调度首先由eNB发送RRC信令，配置调度资源周期和HARQ反馈使用的资源，通过PDCCH指示调度资源的生成时频两域的资源位置，完成资源调度。

TD-LTE系统的功率控制方法可分为开环功率控制和闭环功率控制两种，前者是系统根据用户上报测量报告中的路径损耗和接收端的期望接收功率来设置发射端功率，常用于确定用户初始发射功率或期望接收功率发生突发的情况，但因路损测量和干扰误差，精度难以保证；后者的接收端通过实际接收的信噪比和目标值比较，得到闭环功率控制命令反馈给发射端，发射端根据这个闭环功率控制命令调整发射功率，但因信道衰落、功率控制步长和控制时延等因素，同样容易影响调制性能。

TD-LTE的上行功率控制用开环估计和闭环调整相结合，开环部分可为终端根据系统配置的期望值接收功率、上行资源分配方式、传输格式、路径损耗测量等因素确定发射功率初值，再由基站下发功率控制命令TPC进行实时闭环调整。TD-LTE的下行功率控制设计较为简单，没有定义显式的终端功率控制命令反馈，基站通过终端信号接收质量CQI等反馈的统计情况，较为慢速地调整各个用户的下行业务信道和控制信道的功率分配。TD-LTE系统几乎对所有上下行信道信号进行功率控制。

TD-LTE的核心技术OFDM是产生区间干扰的主要原因，系统只能通过抑制方式减小干扰。干扰协调的基本思想是在小区按照一定的规则和方法，协调承载资源的调度和分配，降低小区干扰。或者说，干扰协调可以从时域、频域、空域和功率等方面进行，通过承载资源的协调分配，对小区信号进行一定的限制和约束，达到降低小区干扰、提高接收信噪比和小区边缘吞吐量的目的。目前，TD-LTE系统采用的干扰协调主要有静态干扰协调、半静态干扰协调、干扰随机化、干扰抑制和干扰协调增强等技术。

移动通信用户通信时的位置，具有移动性和随机性，常常引起某小区用户多、业务负荷重，另一小区用户少、业务负荷轻的情况，结果是负荷重小区用户的体验变差，负荷轻小区的空口资源浪费等现象。TD-LTE系统采用的负载均衡技术，可以均衡多个小区间的业务负荷分布，提升用户通信体验、提高无线资源利用率。负荷均衡技术，根据负荷调整区可分为系统内和系统间负荷均衡，前者可将用户从负荷重小区调整到同系统负荷较轻的相邻小区，后者可将用户从负荷重小区调整到其他系统负荷较轻的相邻小区。

接纳控制是系统考虑是否继续接纳新用户的判决，目的是保证入网用户QoS的同时，尽量可以接入更多的用户，保证系统质量，提升系统容量。TD-LTE无线信道受到空口资源阈值的限制，当接入用户超过阈值时，区内所有通信用户的QoS都会降低。接纳控制要求，用户接受服务时先建立信令承载，再根据是否发起业务和发起业务数量建立数据承载，这些承载具有QoS属性，并以承载作为接纳的基本粒度，以其为单位设置阈值。当新入用户使系统总粒度超过阈时，系统将该用户转移到其他小区，达到接纳控制的目的。

5 结束语

TD-LTE系统是一个高速率、高带宽和高性能的复杂系统，无线资源的科学调度和合理应用，是保证系统正常运营的基本条件。TD-LTE的无线资源主要有时域、频域、空域和功率，所以RRM也就主要是对这4类资源管理，有信息承载资源在时域、频域和空域的位置的映射管理，也有对天线端口发射信号的功率强度进行调整的管理。而RRM管理的目的，既包含需要合理配置多用户通信时的通信信息所占用时域、频域和空域的位置，也包含怎样通过调度时域、频域、空域和功率等系统资源来减少或降低系统通信时产生的、或通信环境复杂引起的干扰等问题，甚至还要包含考虑小区的用户承载能力，考虑用户移动通信时小区切换等因素。

TD-LTE系统支持RRM应该是一个功能完善、性能优良的管理系统，因为它一方面要测量、采集尽可能多的小区无线资源信息，另一方面它应能支持更多的算法来分析和处理这些资源，并使其能更好地为系统服务。事实上，在支持RRM系统的模块之间，存在着调用、触发和信息3类交互关系，表现为一个过程可能调用另一个过程、一个过程可能触发另一个过程、一个过程可能需要为另一个过程提供信息。在这个有机的整体中，任何RRM过程都不是孤立的，设计其中任一种RRM过程的算法时，都需要考虑该过程和其它过程的关系。只有周全地考虑到这种固有的关系，设计出来的RRM算法才能更加符合实际需求。