林汀

（大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司，北京 100083）

0 引言

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無線資源（一般指時(shí)間、頻率、碼字、空間、功率等）是稀缺的，即無線資源是有限的，為了滿足人們對(duì)無線業(yè)務(wù)日益增長(zhǎng)需求，充分地利用有限的無線資源來為人類服務(wù)是非常必要的，無線資源調(diào)度分配機(jī)制需要做的就是完成這個(gè)任務(wù)[1]。一般大家普遍認(rèn)同的關(guān)于無線資源調(diào)度分配機(jī)制的定義如下：在基站的調(diào)度器上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制時(shí)頻資源的分配，某個(gè)用戶可以在一定時(shí)間內(nèi)得到時(shí)頻資源。這樣就要求調(diào)度算法應(yīng)該盡可能地在系統(tǒng)容量和用戶的QoS需求之間取得平衡[2]。無線資源調(diào)度算法一般是通過三個(gè)指標(biāo)來衡量的，它們分別是用戶公平性、用戶QoS需求和頻譜利用率，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說頻譜利用率是非常重要的，用戶公平性和QoS對(duì)于用戶來說，是很重要的，所以，高水平的調(diào)度算法就是使三者的需求均盡可能地滿足[3]。

1 無線資源調(diào)度的概念

無線資源調(diào)度就是資源分配，要對(duì)頻率、功率和時(shí)間等資源進(jìn)行合理的共享和分配，使得資源的達(dá)到優(yōu)化使用[4]。調(diào)度的主要目的有以下方面：首先就是盡可能地提高網(wǎng)絡(luò)容量和無線資源的利用率，其次要能夠使用戶的各種服務(wù)需求的質(zhì)量得到相對(duì)可靠的保證[5]。無線資源調(diào)度技術(shù)就是建立盡可能合理的規(guī)則，在多個(gè)用戶同時(shí)等待接受服務(wù)時(shí)，對(duì)無線資源進(jìn)行合理的分配，無線調(diào)度技術(shù)也就是這種對(duì)無線資源分配利用的規(guī)則，其基本目的是使系統(tǒng)吞吐量最大化，且需保證各種不同業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量，還要確保各用戶基本達(dá)到獲得資源的公平性[6]。一般來說無線資源調(diào)度從大體上來講分為智能調(diào)度和盲調(diào)度。智能調(diào)度主要考慮的因素是用戶的信道質(zhì)量，也就是說系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的信道質(zhì)量的反饋信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。而盲調(diào)度則不考慮用戶的任何其他因素，只根據(jù)用戶的性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)度[7]。

無線資源管理的主要過程是在基站端完成的，一般由資源管理估計(jì)器resource estimator來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分組業(yè)務(wù)來講，資源估計(jì)器首先通過接入控制進(jìn)行裁決并判定是否需要接入用戶請(qǐng)求，如果需要?jiǎng)t為用戶請(qǐng)求選擇與其相適應(yīng)的基站和信道，接下來對(duì)用戶的業(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，與此同時(shí)資源估計(jì)器即可獲得用戶的相應(yīng)信息，然后進(jìn)行碼或時(shí)隙等資源調(diào)度，最后完成功率和速率控制，一般無線資源分配和管理過程是這樣實(shí)現(xiàn)的。

2 無線資源調(diào)度的傳統(tǒng)算法

人們常說的傳統(tǒng)的調(diào)度算法一般是指以下幾種：比例公平PF算法、最大比C/I算法和輪詢RR算法等。

2.1 比例公平PF算法

比例公平PF算法因?yàn)槠渲泻土俗畲驝/I算法和輪詢RR算法，所以使用的較為普遍，比例公平算法的基本原理是在考慮調(diào)度時(shí)刻前一段時(shí)間內(nèi)此用戶的信道質(zhì)量的同時(shí)還要考慮該用戶在調(diào)度中獲得的吞吐量，也就是用戶的優(yōu)先級(jí)是通過用戶的信道質(zhì)量與用戶的平均吞吐量的比值決定的，由于信道質(zhì)量好的用戶其平均吞吐量也會(huì)相應(yīng)較高，也就是優(yōu)先級(jí)比值的分子分母同時(shí)增加，從而使其優(yōu)先級(jí)就會(huì)減小，也就是說信道質(zhì)量好的用戶開始優(yōu)先級(jí)會(huì)較高，但經(jīng)過一段時(shí)間的持續(xù)調(diào)度后，優(yōu)先級(jí)會(huì)自然下降。因此相對(duì)來講在系統(tǒng)效率和用戶的公平性之間達(dá)到了很好的平衡。該算法主要是優(yōu)先調(diào)度優(yōu)先級(jí)高的用戶，所以要對(duì)每個(gè)用戶的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行計(jì)算，該優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式如下：

其中Pi（t）為用戶i的優(yōu)先級(jí)，DRCi（t）為i的瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率，即當(dāng)前信道質(zhì)量，F(xiàn)i（t）為用戶i在tc時(shí)間段的平均吞吐量。

比例公平算法顧名思義其公平性是相對(duì)其他兩種算法是最好的，但是由于其時(shí)間窗口的選擇相對(duì)來講比較復(fù)雜，在實(shí)現(xiàn)過程中會(huì)有一定難度[8]。

2.2 最大C/I算法

最大比C/I算法是指首先考慮為信道質(zhì)量條件最好的用戶提供信道資源服務(wù)的一種算法，因?yàn)橛脩粜诺赖腃/I最大其信道的條件相對(duì)就最好，也就是說此算法中在某個(gè)時(shí)刻對(duì)用戶服務(wù)的優(yōu)先級(jí)別與該用戶信道的載干比值是一致的，該用戶信道的載干比越高，對(duì)用戶服務(wù)的優(yōu)先級(jí)別越高。由此看來最大比C/I算法其主要的特點(diǎn)是，當(dāng)用戶的信道質(zhì)量好的時(shí)候會(huì)一直占用信道資源，而用戶的信道條件差的用戶則沒有機(jī)會(huì)占用信道資源，這樣，對(duì)信道條件差的用戶就不太公平性，但系統(tǒng)的吞吐量相對(duì)最大，從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率，而且其算法也并不復(fù)雜。

2.3 輪詢算法

在輪詢（RR）算法中，系統(tǒng)對(duì)其所有用戶進(jìn)行遍歷，循環(huán)調(diào)度，提供信道。由此看來RR算法的最主要特點(diǎn)是對(duì)每個(gè)用戶無論條件好壞一視同仁循環(huán)調(diào)度，因而對(duì)每個(gè)用戶來講在任何時(shí)刻調(diào)度機(jī)會(huì)是一樣的，用戶的公平性最好，且容易實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜度低；但是在此算法中，由于所有用戶的設(shè)定相同的優(yōu)先級(jí)，也就是沒有考慮到用戶的信道質(zhì)量，要想提高系統(tǒng)的吞吐量會(huì)有一定難度，進(jìn)一步分析由于信道質(zhì)量較差的用戶對(duì)給其調(diào)度的信道資源利用率不好，所以從頻譜資源利用率的角度來講，使整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率也降低了。

3 4G LTE系統(tǒng)的無線資源調(diào)度

4G LTE無線通信系統(tǒng)將OFDM技術(shù)和多載波、多天線技術(shù)引入，而OFDM信道的空時(shí)變化隨機(jī)性很強(qiáng)、復(fù)雜程度非常高，所以在4G LTE的無線資源管理中合理地分配多維資源是需要考慮的問題。在LTE系統(tǒng)中上行下行分別使用SC-FDMA和OFDMA。FDMA是屬于頻分多址復(fù)用，OFDMA的資源會(huì)包括空間資源、頻率資源和時(shí)間資源都有。LTE系統(tǒng)用時(shí)頻資源塊RB作為最小資源單位[9]。

OFDM-FDMA簡(jiǎn)稱為OFDMA，從表面上看它也是通過不同載波頻率來劃分不同的用戶，也就是通過提供一個(gè)OFDM符號(hào)的一組子載波來區(qū)分，實(shí)現(xiàn)多用戶接入，而其與傳統(tǒng)的頻分多址復(fù)用顯著不同的就是基于OFDM的優(yōu)勢(shì)，不同用戶之間不需要保護(hù)頻段，從而大大提高了頻譜利用率。

在LTE系統(tǒng)中，對(duì)無線資源調(diào)度和分配是很重要的，因?yàn)橄到y(tǒng)性能優(yōu)化的重要渠道之一就是通過無線資源分配，也就是通過對(duì)帶寬、功率和時(shí)間的動(dòng)態(tài)分配實(shí)現(xiàn)的。為了滿足不同用戶的需求，利用資源調(diào)度方法將不同用戶接入OFDMA子信道。OFDMA系統(tǒng)的資源調(diào)度包括功率、碼字、子載波以及用戶的質(zhì)量需求和公平性需求等方面。該資源調(diào)度可以認(rèn)為是非線性的帶約束條件的優(yōu)化方法，算法復(fù)雜程度隨信道、用戶的增多而增加。

在無線資源調(diào)度中，時(shí)頻資源是通過基站調(diào)度器來實(shí)時(shí)地控制的，基站調(diào)度器為不同的用戶分配時(shí)頻資源。對(duì)于LTE系統(tǒng)來講，無線資源調(diào)度就是指為不同的用戶分配其傳輸信號(hào)需占用的虛擬資源塊的位置和數(shù)量，而分配時(shí)需要考慮的主要因素包括這通系統(tǒng)的整體需求、用戶的質(zhì)量需求以及信道狀態(tài)等[10]。

在智能調(diào)度的模式中，下行鏈路的資源分配是利用上行鏈路反饋的信道信息來確定。用戶設(shè)備在下一個(gè)傳輸周期中的下行資源塊和格式是通過下行控制信令獲得。在LTE系統(tǒng)中，用戶系統(tǒng)容量和QoS通常由子載波的分配和功率分配來保證。下行功率分配分為如下兩個(gè)方法：一是平均分配，顧名思義是在每個(gè)子載波上平均分配功率，因此用戶發(fā)射的功率與其占用的子載波數(shù)量成正比；二是路徑損耗補(bǔ)償，也就是說將功率的一部分用來對(duì)由于路徑損耗產(chǎn)生的信號(hào)衰落進(jìn)行補(bǔ)償?；谧訋Х椒ê烷g隔擴(kuò)展方法是LTE系統(tǒng)下行資源分配中分配子載波的兩種方法。其中，基于子帶的分配方式是將用戶分配到一組相鄰的子載波上，即分配在每個(gè)用戶的子載波應(yīng)該是連續(xù)的；而在間隔擴(kuò)展方法中，分配給每個(gè)用戶的子載波應(yīng)該是不連續(xù)的。LTE系統(tǒng)上行的資源分配在調(diào)度中是應(yīng)該是這樣實(shí)現(xiàn)的，用戶一般是通過下行鏈路獲得資源塊和傳輸格式，如果用戶上行的接入是基于調(diào)度的，則用戶需要根據(jù)下行鏈路提供的時(shí)隙和頻率資源，找到相應(yīng)的時(shí)隙和頻率完成信號(hào)發(fā)送。

4 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的資源調(diào)度探討

對(duì)現(xiàn)有的無線通信技術(shù)來講5G移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)其實(shí)現(xiàn)高度融合，也就是說通過引入更先進(jìn)的無線通信技術(shù)，從而進(jìn)一步提高頻譜利用率、增加更多的頻譜資源、增加更多的覆蓋區(qū)域，為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信的終極目標(biāo)滿足更多移動(dòng)業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)的需求，進(jìn)而達(dá)到更高的速率、更高的容量、更高的可靠性、更低的時(shí)延。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無線資源調(diào)度管理應(yīng)該有如下的特征[11]。

4.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求是在各種不同且多樣性的網(wǎng)絡(luò)及終端的條件下，無論何時(shí)移動(dòng)用戶都應(yīng)擁有無縫業(yè)務(wù)的能力，這里異構(gòu)的無線資源應(yīng)該包括無線頻譜、接入權(quán)限以及連接方式等，也就是說異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源管理在很多方面與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有所不同。首先資源本身的含義都會(huì)有變化，再則資源的取值范圍和資源與資源間的關(guān)系等各個(gè)方面都應(yīng)該有所擴(kuò)展[12]。另外，根據(jù)資源含義的變化，用過去的一維變量來表達(dá)資源分配的狀態(tài)就會(huì)有困難，需要從多維角度動(dòng)態(tài)的變量來描述，由此看來5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的資源管理和分配應(yīng)該是多維的動(dòng)態(tài)地，為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的不同接入網(wǎng)絡(luò)分配資源并進(jìn)行頻譜管理。

隨著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步更密集化的發(fā)展，資源管理管理會(huì)面對(duì)著更加嚴(yán)峻的資源分配、甚至需要資源的循環(huán)、頻譜的再分配，以及更加合理的公平性以及更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母蓴_管理等問題，也就是說密集化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中資源管理問題提出了更高的要求，從而成為一個(gè)非常重要的研究課題之一。

在對(duì)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行性能指標(biāo)評(píng)估時(shí)，需要采用無線資源管理技術(shù)對(duì)不同的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，例如：系統(tǒng)信道資源的分布是否公平、小區(qū)的覆蓋范圍、系統(tǒng)的用戶數(shù)量、對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量（QoS）等。上述這些指標(biāo)期望同時(shí)達(dá)到最優(yōu)是很困難的。因此需要綜合考慮折中處理，下面是一些指標(biāo)具體方案：

（1）小區(qū)覆蓋范圍與用戶服務(wù)質(zhì)量的制約：從對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量來考慮，用戶越靠近基站其服務(wù)質(zhì)量會(huì)越好，也就是說在小區(qū)邊緣用戶的QoS會(huì)比較在基站附近的用戶差，所以要根據(jù)小區(qū)邊緣用戶的最小的QoS要求確定小區(qū)覆蓋范圍。

（2）系統(tǒng)容量與小區(qū)覆蓋范圍的制約：從小區(qū)覆蓋范圍的角度來講，基站高功率傳輸，可以得到更好的小區(qū)覆蓋，但同時(shí)也要考慮到對(duì)附近小區(qū)產(chǎn)生的干擾，由于這些干擾使系統(tǒng)總?cè)萘拷档汀?/p>

（3）公平性與小區(qū)覆蓋范圍的制約：小區(qū)覆蓋范圍越大，小區(qū)內(nèi)的信道質(zhì)量就不穩(wěn)定，信道質(zhì)量變化增加，會(huì)影響信道資源分配的公平性，造成公平性降低[13]。

（4）容量與公平性的制約：當(dāng)信道資源分配給信道質(zhì)量條件最好的用戶時(shí)，系統(tǒng)的容量會(huì)是最大的，但公平性不好。

（5）公平性與用戶服務(wù)質(zhì)量的制約：將資源分配給用戶以提高用戶的服務(wù)質(zhì)量，其他用戶的資源就會(huì)匱乏，結(jié)果犧牲了公平性。

合理地使用無線資源管理技術(shù)可以使這些指標(biāo)因素達(dá)到較為合理的狀態(tài)[14]。

4.2 鏈路自適應(yīng)技術(shù)

鏈路自適應(yīng)技術(shù)顧名思義就是系統(tǒng)的鏈路速率、調(diào)制方式以及其他資源需要隨著當(dāng)前無線信道的狀態(tài)及其變化的趨勢(shì)自適應(yīng)地快速動(dòng)態(tài)變化，即達(dá)到自適應(yīng)的目的，稱為自適應(yīng)調(diào)制和編碼（Adaptive Modula?tion and Coding，AMC）[15]。為了使系統(tǒng)容量不斷增加，通過鏈路自適應(yīng)技術(shù)來不斷動(dòng)態(tài)變化地選擇資源。這里的AMC，是在不斷變化的無線環(huán)境中，自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的調(diào)制和編碼方式，而不是改變終端的發(fā)射功率，也稱為調(diào)制編碼方案MCS。

為了在不同的信道狀態(tài)下都能得到系統(tǒng)最大的吞吐量，AMC是通過改變的是調(diào)制和編碼方式來適應(yīng)信道狀態(tài)的變化[16]，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)首先需要建立一個(gè)MCS調(diào)制編碼傳輸格式的數(shù)據(jù)集合，在每個(gè)傳輸格式的數(shù)據(jù)集合中都應(yīng)包含調(diào)制方式和編碼速率，當(dāng)信道狀態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在集合中選擇與之對(duì)應(yīng)的傳輸格式。由此看來，5G系統(tǒng)是通過采用更高頻譜效率的調(diào)制編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更有效地利用有限的無線資源來達(dá)到更高吞吐率、更高頻譜效率和更高服務(wù)質(zhì)量的無線傳輸[17]。

利用FSK和QAM相結(jié)合的設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)制編碼技術(shù)是其中之一，其可以達(dá)到星座點(diǎn)成倍增加，同時(shí)還可以有效地改變干擾的統(tǒng)計(jì)分布以達(dá)到對(duì)干擾的控制目的。例如波分編碼（OVTDM）傳輸技術(shù)就是其中之一，其基本原理是通過采用1組不同的波形來區(qū)別不同的信息，其編碼約束關(guān)系是通過符號(hào)的數(shù)據(jù)加權(quán)移位重疊產(chǎn)生的，從而使編碼輸出自然地呈現(xiàn)出與信道匹配的復(fù)高斯分布，不需要調(diào)制映射。研究結(jié)果表明，采用OVTDM傳輸技術(shù)可使頻譜效率大幅提高且降低對(duì)信噪比的要求，并具還有分集增益，而且對(duì)HPA的線性度要求很低，甚至可以在飽和狀態(tài)下工作。

5 結(jié)語

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，今后的用戶對(duì)視頻、音頻以及更現(xiàn)代的多媒體信息等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求將會(huì)不斷增加，因而無線資源管理調(diào)度機(jī)制合理有效的提升對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)有很大影響，目前，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入不斷完善中，隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和5G制式的標(biāo)準(zhǔn)化以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步完善，對(duì)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線資源管理技術(shù)會(huì)得到更加深入的拓展。

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