LTE学习笔记之无线资源管理

LTE的无线资源调度模块设置在基站侧,可以根据无线环境的变化更加灵活高效的完成无线资源调度任务。

LTE无线资源管理(Radio Resource Management)包括无线准入控制、无线承载控制、动态资源分配、小区间干扰协调、负载均衡、连接移动性控制、小区间和系统间RRM等多个模块。

覆盖、容量、质量(QoS)是无线网络性能的三个支柱,既相互影响,又相互作用。无线资源管理的目的就是在保证服务质量的同时,最大限度地增强覆盖和提高频谱利用效率,寻求覆盖、容量、质量三者之间的最佳工作平衡点。

管理权力高度集中,将无线资源管理的功能模块集中放置在一个网元中(如GSM中的BTS、UMTS中的RNC),控制多个基站设备的无线资源调度,是一种计划经济时代的资源分配方式。集中式RRM有利于基站间的无线资源的协调控制,但会带来复杂的信令流程和较大的时延。

分布式RRM中,RRM和无线资源之间成为基站内部的信令交互,而不是基站和上层设备之间的信令交互。

分布式RRM一定包括两部分:

  • 基站内部的RRM,只对一个基站下的多个小区进行无线资源管理。
  • 基站之间的RRM,对多个eNodeB下的各个小区间的无线资源进行管理,需通过X2接口和其他基站交互信息。

不同业务的吞吐量要求、 实时性要求、QoS要求、突发性要求就是各种RRM模块的输入,RRM根据这些输入作出灵活的无线资源安排。

在UMTS系统中,采用固定带宽,RRM模块无须考虑带宽灵活调度问题。LTE支持多种系统带宽灵活配置。带宽的灵活配置给RRM增加了两类工作:

  • 子载波频域资源的调度;
  • 考虑频率选择性衰落(不同的子载波,信道衰落特性是不一样的)的调度。

频率资源的多少和不同频率的调度性能是LTE RRM模块需要重新考虑的问题。

LTE摒弃了以往无线制式的专用信道机制,而采用了多业务多用户共享同样的信道资源,通过分组调度的方式,在业务之间进行分配的机制。RRM模块要适应这种共享信道机制的动态性、灵活性、快速性,就要改变以往专用信道机制的刻板,eNodeB通过控制信令为每一个传输块(TB)动态地分配所对应的无线资源,用完后,立即收回,继续为其他调度服务。这就必然给RRM模块的资源调度带来更复杂的信令交互过程。

RRM的职能范围,具体职能包括:
(1) 无线准入控制(Radio Admission Control,RAC);
(2) 无线承载控制(Radio Bearer Control,RBC);
(3) 动态资源调度分配(Dynamic Resource Allocation, DRA);
(4 )小区间干扰协调(Inter Cell Interference Coordination, ICIC);
(5) 负载均衡(Load Balance, LB);
(6) 连接移动性控制(Connection Mobility Control, CMC);
(7) 系统间无线资源管理(Inter-RAT RRM)。

RRM功能模块之间的管理关系大致分为以下三类:
(1) 调用和被调用关系。
(2) 触发和被触发关系。
(3) 信息需求与信息提供关系。
第一类:一个功能需要调用另外一个功能才能正常工作。

移动性控制(CMC)在将一个用户切换出去的过程中,先要调用一下无线准入控制(RAC)功能,看一下可以把这个用户切换到哪个小区。

第二类:一个功能触发另外一个功能。

第三类:一个功能为另外一个功能提供信息。

单向信息提供关系:无线准入控制(RAC)根据负载均衡(LB)模块为其提供的负载信息,以及动态资源调度分配(DRA)和为其提供的剩余可分配的资源信息来判断是否允许接入某一业务请求。

双向信息提供关系:动态资源调度分配(DRA)可以为无线承载控制(RBC)、小区间干扰协调(ICIC)、负载均衡(LB)提供资源调度的信息;反过来,无线承载控制(RBC)给动态资源调度分配(DRA)提供业务初始接入资源占用情况;小区间干扰协调(ICIC)给动态资源调度分配(DRA)提供目前小区间干扰情况及如何抑制;负载均衡(LB)给动态资源调度分配(DRA)提供小区负载情况及如何均衡负载。

RAC功能的目标就是尽量提髙无线资源的利用率,同时保证己有会话的业务质量(QoS)。只要有可用的、能够满足申请要求的无线资源,就要接纳新RB的建立申请,以提髙无线资源的利用效率;假若新申请建立的RB的QoS无法保证,或者没有可用无线资源,则拒绝RB建立申请,以尽可能确保已有会话的QoS。

RAC模块输入的是资源利用状况、QoS现状和新要求,输出的是”Yes”(接收)或者”No”(拒绝)。

一个用户使用某一业务,涉及从UE到eNodeB;再从eNodeB到SGW,最后到PDN(PGW,分组网关)的业务承载过程。整个EPS业务承载包括无线承载(RB)、S1承载、S5/S8承载。

在LTE中,由核心网EPC的控制单元MME,给无线侧下发QoS控制消息,指示QoS保障的目标,最终使业务承载按照要求建立在业务单元上。

MME进行QoS控制的基本粒度是一个EPS业务承载(Bearer),同一业务承载上的所有数据流只能使用相同的QoS配置(调度策略、缓冲队列管理、链路层配置等),不同的业务承载QoS配置可以不相同。

无线承载的QoS是核心网MME指示的,由eNodeB的RBC在RAC准入允许后进行QoS控制的。

毎个无线承载都对应有QoS参数,包括:

(1) ARP(Allocation and Retention Priority,分配保留优先级);

(2) QCI(QoS Class Identifier,QoS 等级指示);

(3) GBR(Guaranteed Bit Rate,保证比特速率);

(4) MBR(Maximum Bit Rate,最大比特速率);

(5) AMBR(Aggregated Maximum Bit Rate,组合最大比特速率)。

分配保留优先级ARP主要用于在资源受限的条件下,系统按照该优先级所指定的先后顺序决定是否接受相应的承载建立请求,是否抢占已经存在承载的资源,也就是说,一个承载的ARP仅在承载建立之前对承载的建立产生影响,在建立之后对系统没有影响。

承载建立之后对承载有影响的是QCI值、GBR、MBR、AMBR等QoS特性参数。

根据QoS保证类型的不同,业务承载可以划分为两大类:
(1) GBR (保证比特速率);
(2) Non-GBR (非保证比特速率)。

GBR是指业务承载要求无线网络“永久”恒定分配的比特速率,不管无线网络资源是否紧张,要求的比特速率必须保持。

Non-GBR是指没有比特速率保证的业务承载,不需要占用固定的网络资源。在无线资源利用率较高及发生拥塞的情况下,可以要求一些业务承载降低速率,不必考虑保证速率。

GBR承载只有在需要时才建立,但由于Non-GBR的资源占用较少,可以长时间地建立。

为了提髙系统的带宽利用率,防止多个Non-GBR承载占用过多的无线资源,定义 AMBR (Aggregated Maximum Bit Rate,组合最大速率),可以用来限制签约用户所有业务承载的总速率

AMBR不是针对一个承载(Bearer),而是针对一组Non-GBR的承载(Bearer)。系统可以分别定义上行和下行的AMBR。

(1)无线资源利用率的RAC判决。

拒绝个申请的目的是确保已有会话的QoS,接收一个申请的目的是提髙系统资源利用率。

RAC准入控制的对象有信令RB(Signalling RB,SRB,如RRC连接建立)和业务数据RB(Data RB,DRB),先申请信令RB,信令RB成功建立后,再申请业务数据RB。

在LTE系统中,SRB的准入控制不但要依据无线资源的利用状况(小区负荷状况、无线接口负荷),还需要根据核心网MME的负荷状况(与SI接口负荷状况直接相关)。当小区拥塞或MME过载时,会拒绝一些SRB建立请求,也就没有后续的业务数据RB(DRB)建立请求了。

DRB准入控制的主要依据是无线资源利用的状况。LTE的无线资源利用率是时间和子载波组成的二维资源的利用率。

(2) QoS水平的RAC判决。

当无线资源利用率过高,发生拥塞的时候,或者无线环境恶劣,空中接口速率下降的时候,QoS水平会恶化,对新的业务承载请求,其QoS要求无法保证。当实际QoS水平低于系统配置的QoS水平,就是一次QoS水平不达标,当QoS水平不达标的比例 过高的时候,新申请承载的QoS要求就可能不能满足。

**NOTE:**信令链接(SRB)请求不做判断,一律准入;SRB建立失败,不执行抢占,因为此时抢占会导致别的用户业务中断;对于紧急业务呼叫,只要资源不受限,则始终准入;如果资源受限,则触发抢占。

当系统过载及QoS水平恶化严重的时候,除信令连接SRB和紧急呼叫外的所有新业务和切换业务都拒绝接入。

RBC功能位于eNodeB中,配置信令可以直接从eNodeB发给UE,方便实现同步方式的RB配置或重配置。相对于UMTS的RBC位于RNC设备上及底层操作单元位于NodeB的方式,LTE的方式可以有效地减少相关信令交互的复杂性及降低信令交互的时延。

建立新的RB之前,RRC(Radio Resource Connection,无线资源连接)必须建立,终端和核心网的一些NAS(Non-Access Stratum,非接入层)协商已经完成。(注:NAS是从终端直接到核心网的信令,eUTRAN无须处理,直接透明传输即可。)

RBC负责无线承载(Radio Bearer, RB)的建立、维护和释放。

新产生的会话,或者从原小区切换过来的会话,需要在目标小区建立RB,RBC则调用RAC决定该RB是否允许建立。RAC给RBC输出允许RB建立还是拒绝RB建立的指示,指导RBC进行后续的操作。

RBC在RB资源配置前,要和DRA模块交互信息。DRA将为RBC提供小区资源的总体情况,而RBC根据RB的QoS需求向DRA提出资源调度要求,RBC在RB资源释放后,要通知DRA资源已经释放。

根据资源分配方式调整频繁程度的不同,可以将调度分为动态调度(Dynamic Scheduling,DS)、持续调度(Persistent Scheduling,PS)、半持续调度(Semi-Persistent Scheduling,SPS)。

动态调度,也就是动态资源分配,是最基本、最灵活的调度方式。在动态调度下,无线资源分配采用按需分配方式,用户和网络在每个调度时刻都需要交互层1、层2的调度信令

持续调度,就是指在一定的周期内,持续按照一定的资源分配方式,为用户分配无线资源,无须层1、层2控制信道调度信令的交互,直接发送或者接收数据。

动态调度可以提高频率分集和多用户分集增益,比较适合数据类业务,但层1和层2调度信令开销较大。对于持续调度资源的分配方式,有效期长,通常持续多个TTL可以大幅减少层1和层2调度信令开销,比较适合语音类业务,但是资源利用率较低、实时性较差

为了克服动态调度信令开销较大、持续调度资源利用率低的缺点,提出了半持续调度,主要应用于VoIP业务。

VoIP半持续调度方案的核心思想是:需要时一定确保,不需要时则要动态调整。对于处于激活(Active)状态的数据包,采用持续调度的方式,确保有足够的无线资源;处于静默(Silent)状态的数据包,采用动态调度的方式,
以便灵活处理空闲的无线资源;对于重传的数据包,无论是静默期,还是激活期,均采用动态调度的方式。

**NOTE:**在一些RRM实现技术中,ICIC与DRA的关系不只是信息提供的关系,还是相互配合工作的关系。ICIC为了降低小区间的干扰,需要DRA采用特殊的调度策略;DRA也需要ICIC根据资源和干扰情况,采用特殊的干扰协调机制,来提高资源的使用效率。

DRA三要素:

(1)动态调度的依据。
(2)动态调度的算法。
(3)动态调度的结果。

UE想要发送数据的时候,先把自己要发送的数据放入缓存中,然后给领导eNodeB提交自己的缓存状态报告(Buffer State Report,BSR),同时递交上行调度请求。基站的上行调度器根据UE的缓存状态报告及其上行调度请求、上行信道状况决定给该UE调度什么样的无线资源,把调度结果通过PDCCH信道的上行调度准许(UL Grant)告知UE; UE按照领导eNodeB的指示,在上行数据承载的信道PUSCH发送业务数据。

在LTE中,小区间干扰对系统性能的影响比小区内的干扰严重得多,主要表现在以下几点:

小区间干扰控制技术主要有:
(1) 干扰随机化技术。
(2) 干扰消除技术。
(3) 小区间干扰协调(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC)技术。

干扰随机化的方法包括:加扰(Scrambling)、交织多址(Interleaving Division Multiple Address, IDMA)和跳频(Frequency Hopping)等。

干拢消除(Interference Cancelation,IC)技术就是将服务小区、同频邻区的信号都进行解调、解码,利用小区间干扰的相关性,将各自的干扰信号、有用信号分离开来。

小区间干扰协调技术的本质是通过对小区边缘用户无线资源的调度,降低小区间干扰的影响。本质上是一种时间、频率、功率资源的调度和控制策赂。处于服务小区边缘的用户在一个调度周期内,选择小区间干扰较低的时、频资源限制使用干扰较大的时、频资源控制干扰较大时、频资源的发射功率,以达到降低干扰和保证边缘覆盖速率的目的。

这里面有以下两种情况:
(1) 事前规避、过载发生之前,尽量控制干扰,减少过载发生的槪率,
(2) 事后控制、过载发生之后,快速降低干扰,使之恢复正常工作的范围。

事前规避的方式是提前规划好每个小区边缘用户可用的时、频资源,在哪些PRB上以大功率发送。

软频率复用SFR是频率复用与功率控制相结合的干扰协调方法,核心思想是:中心区域用户可以使用全部资源块,但只能以低功率使用部分资源块;边界区域用户以全功率使用部分资源块

UE是否是小区边缘用户,系统根据对服务小区和邻区的RSRP测量来判断。

软频率复用SFR将频率资源分为若干个频率复用集,其中一个频率集作为主频,用于边缘区域的用户;其余一个频率集作为副频,用于小区中心的用户。

根据频率复用方案是否随时间变化、随时间变化的频次,可以将软频率复用SFR方法分为三种:静态干扰协调、半静态干扰协调、动态干扰协调。

  • 静态干扰协调

小区边缘用户固定使用预留的部分带宽资源,小区中心可使用整个带宽资源,在整个时间轴上分配的频率资源是固定不变的。

**优点:**简单易行,信令开销较少,使用效率高。

**缺点:**在LTE系统负荷剧烈变化的时候,无法适应小区间干扰情况的变化,缺乏灵活机动性尤其是在小区边缘处于髙负荷状态,小区中央处于低负荷状态时,难以有效地提高小区边缘性能。

  • 动态干扰协调

频率资源的划分方案和空间分配方案,每调度周期(TTI)都会随干扰分布和负荷状态的变化而变化,即每个小区用于干扰协调的资源都会随着时间的变化而増加或者减少。

**优点:**可以动态(每TTI)调整频率资源的划分,能够很好地适应小区间干扰分布和负荷状态的变化。

  • 半静态干扰协调

频率资源的划分方案和空间分配方案可以随时间的变化而变化,但并不是时刻变化,而是根裾干扰协调的需要,经过多个TTI才会变化一次。

**特点:**只有在干扰分布和负荷大小变化较大的时候,才进行动态资源协调,在减少信令开销的同时,适应小区间干扰变化。

  • 高干扰指示(High Interference Indication,HII)

相邻小区进行干扰及负荷状态交互的信令指示。HII指示本小区在未来一段时间将分配哪些PRB给边缘用户,相邻小区使用这些资源可能产生较高的干扰,所以在调度边缘用户的时候,邻小区尽量避免使用这些PRB。

  • 相对窄带发射功率指示(Relative Narrowband TX Power Indicator, RNTP)

本小区PRB上的下行发送功率等级的指示,用于通知邻小区哪些PRB以高功率发送;邻小区在给边缘UE调度无线资源时,尽量避开这些PRB。

  • 过载指示(Overload Indicator, OI)

在小区边缘高负荷的情况下,服务小区将会检测到较强的上行干扰。当基站测量的PRB 上行干扰(Interference Over Thermal Noise, IOT)超过一定门限时,即满足了 OI的触发条件,产生干扰的小区将确定干扰等级,向邻区
发送过载指示,通知邻区,服务小区哪些资源受到上行干扰。邻区收到OI后,确认是否是由自己引起的干扰,若是则进行降干扰处理。

降干扰措施有

高干扰指示HII是在中低负荷的时候,对干扰较大的PRB迸行标识的,是过载前的干扰协调机制。

负荷过载指示OI是在系统负荷较大的时候,对已经产生的上行干扰的指示。在系统过载、半静态干扰机制无法奏效的时候,OI提供额外的保护机制,是一种事后处理策略。

HII、RNTP、OI信息都是通过eNodeB之间的X2接口传送。

HII和OI周期性传送可能带来较大的X2信令开销。

OI由多比特构成的(如2〜5 bit),分为三个等级,分别表示低、中、高干扰水平。

由于本小区和不同的相邻小区,在某一个时频资源上的干扰可能大不相同,因此需要对不同的相邻小区发送不同的HII。

负载均衡是指多小区间的负荷分布不均衡,甚至已经出现了较大比例的超忙小医或 者超闲小区,通过一定的协调,降低超忙小区的利用率、提髙超闲小区的利用率,使得小区间负荷分担更加均衡,在小区资源利用率和业务质量(QoS,掉话率)之间寻找到一个合适的平衡点。

根据参与话务分流的小区范围不同,负荷均衡可以分为:

  • 基站内小区之间的负荷均衡;
  • 基站间的负荷均衡;
  • MME之间的负荷均衡;
  • 跨系统间的负荷均衡。

评估负载均衡算法的好坏有三个维度:

(1) 资源利用率;

(2) 业务QoS满意率;

(3) 掉话率。

系统资源利用率越高,业务QoS满意率越髙,掉话率越低,则负载均衡的算法越有效。

负载均衡算法包括两个重要工作:过载判断、负载均衡控制。

满足下面两个条件的时候,负载均衡算法判断为过载

(1) 业务QoS满意率低于一个门限,RB利用率高于一个门限;

(2) 业务QoS满意率低于一个门限,下行功率受限。

小区负荷过载后,系统就需要启动负载均衡的控制动作,包括以下内容:

(1) 业务保证速率GBR降速。

(2) 释放一些优先级太高、占用资源太多业务。

(3) 要求其他RRM配合。通知CMC变更小区重选门限、小区切换门限,让多余话务到别处去吧;通知RAC,
本小区的接入控制严厉一些,新增话务非请莫入:通知DRA,本小区过载,寻找其他资源。

CMC负责处理UE移动时,驻留小区或服务小区发生变化的情况下,无线资源如何使用。

LB模块可以触发基于负载的切换,CMC又需要调用RAC决定是否切入目标小区;当允许切入目标小医的时候,需要触发源小区的RB释放过程目标小区的RB建立过程。当需要切换到异系统的时候,又会触发跨系统的RRM。

根据UE和网络是否进行业务连接,可以把UE的状态分为以下两种:

(1) 空闲状态(Idle);

(2) 连接状态(Connected)。

在空闲状态下,UE的移动性处理有PLMN选择(开机时选择网络)、小区选择(Cell Selection)或者小区重选(Cell Reselection)。

  • 切换的第一步测量

“切换”的测量由eNodeB控制(RRC层),UE进行测量(物理层)。

测量控制的消息是eNodeB通过RRCConnectionReconfiguralion消息下发给UE。

这个测量控制消息有测量ID、测量对象、测量报告方式、测量的物理量、测量Gap等内容。

每一个测量ID对应一个测量对象、一个测量报告方式、一个服务小区。

测量对象

就是要求UE进行什么样的测量?是同频测量、异频测量,还是不同无线制式(其他RAT,如UMTS、GSM、cdma2000)之间的测量?

测量报告方式

指的是UE测量完成后,如何给eNodeB汇报工作?是周期性报告(Periodical Report)?还是事件触 发(Event Triggered)?

在一般情况下,上报触发事件一次后,就会转成针对该事件的周期性汇报,直到不满足事件触发条件为止。

服务小区

测量过程中,需要区别小区类型:服务小区(Server Cell, 和UE正在进行业务链接的小区)、列表内小区(Listed Cell, 测量对象中列出须测量的小区)、监测小区(Detected Cell, 在测量对象中没有列出,但UE可以监测的小区)。

  • 切换的第二步判决

eNodeB如何选择切换的目标小区呢? eNodeB 要把上报事件的所有小区集合起来生成切换目标小区列表(HO_Candidate_List)。按照配置的规则,进行目标小区列表的过滤,经过过滤以后留下的目标小区进行优先级的排列,选择最合适的目标小区切换过去。

  • 切换的第三歩执行

切换的执行是在eNodeB控制下,eNodeB和UE共同完成业务数据转发路径,由源小区到目的小区的变更;eNodeB完成相应接口 X2/S1信令的交互;切换成功后,要完成源小区的资源释放。切换失败,UE要重新选择小区,重新建立RRC链接。

待看…

切换分为硬切换、软切换。

  • 硬切换

手机先释放和源小区的业务连接,然后再和新小区建立连接,是一个”释放——建立”的过程;源小区和目的小区之间是一种竞争关系,有你没我。

  • 软切换

手机将会同时和两个或更多的小区建立业务连接,然后比较这些连接的质量好坏,选用一个最好的小区继续保持连接,其余小区释放,是一个”建立——比较——释放”的过程;源小区和目的小区之间是可以共存一段时间的。

切换流程可以简单地分为**切换准备(Handover Preparation)、切换执行(Handover Execution)、切换完成(Handover Completion)**三个过程。

  • 切换准备

在切换准备过程中,源小区向目的小区申请切换,告知业务信息;目的小区所在的基站进行准入控制(RAC),将准入控制结果告知源小区,源小区通知UE切换。

基站内的两个小区间切换,无须源小区发送切换申请,直接告知源小区切换。

在基站间的两个小区切换,流程交互需要通过基站间的X2接口。

在不同MME所属的基站的小区间切换,流程交互则需要通过基站与MME之间的S1接口。

  • 切换执行

在切换执行过程中,主要完成UE与源小区断开业务连接,与目的小区建立业务连接。在切换执行过程中,也需要源小区将缓冲数据、数据的系统顺序号(SN)转发给目的小区。

在基站内的两个小区间的切换执行。

在基站间的两个小区切换,流程交互需要通过基站间的X2接口。

在不同MME所属的基站的小区间切换,流程交互则需要通过基站与MME之间的S1接口。

  • 切换完成

在切换完成阶段,主要完成目标小区与SGW用户平面的切换以及源小区无线资源的彻底释放。

在基站内的两个小区间的切换完成阶段,SGW与eNodeB的路由不变,没有用户平面的切换过程。

在基站间的两个小区切换完成之后,UE需要重新建立经目标eNodeB到SGW的数据路由,信令流程交互需要通过基站间的X2接口。

在不同MME所属的基站的小区间切换完成,信令流程交互则需要通过基站与MME之间的S1接口。

原文链接:https://blog.csdn.net/iyuanshuo/article/details/89669904?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522165277103516781435431788%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=165277103516781435431788&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_ecpm_v1~times_rank-13-89669904-null-null.nonecase&utm_term=%E8%B5%84%E6%BA%90

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