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移动通信网络中的资源

在 LTE 领域,要想完成一次呼叫,资源是非常重要的。​从系统带宽,最初接入的码资源,功率资源,时频资源,到 EPC 侧相关的 QoS 资源,无不影响着用户在整个 LTE 系统中的体验。

天线资源

天线端口:LTE 使用天线端口来区分空间上的资源。天线端口是从无线信号接收端的角度来定义的,即如果接收端需要区分资源在空间上的差别,就需要定义多个天线端口。注意,天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系。由于目前 LTE 上行链路仅支持单射频链路的传输,不需要区分空间上的资源,所以上行还没有引入天线端口的概念。目前 LTE 下行链路定义了三类天线端口,分别对应于天线端口序号 0~5。

  • 小区专用参考信号传输天线端口:天线端口 0~3。
  • MBSFN 参考信号传输天线端口:天线端口 4。
  • 终端专用参考信号传输天线端口:天线端口 5。

时频资源

时频资源是 LTE 至关重要的资源类型,分为时域(时间)和频域(频率),构成一个二维资源模型。
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对于 LTE 而言,最小的无线资源单位是 RE(资源单元,Resource Element):对于每一个天线端口,OFDM 频域上一个 Subcarrier(子载波)和时域上一个 Symbol(符号),称为一个 RE。其中,1 个 OFDM 时域 Symbol 可以容纳 2、4、6 个数据位。

子载波:LTE 采用的是 OFDM(正交频分复用)无线通信技术。不同于 WCDMA 采用的扩频技术,每个 Symbol 占用的带宽都是 3.84MHz,通过扩频增益来对抗干扰;OFDM 则是每个 Symbol 都对应一个正交的子载波,通过载波间的正交性来对抗干扰。OFDM 协议规定,通常情况下一个子载波等于 15KHz,Normal CP(Cyclic Prefix)情况下,每个子载波一个 Slot(时隙)有 7 个 Symbol;而 Extend CP 情况下,每个子载波一个 Slot 有 6 个 Symbol。

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RE 是物理层最小的资源单位,出于方便管理的考虑,LTE 引入了比 RE 大一级的单位 RB(资源块,Resource Block):频域上连续 12 个子载波(180KHz),时域上一个 Slot(7 个 Symbol)的物理资源,称为 1 个 RB(= 84RE,即 84×6=504 个数据位)。RB 才是 LET 管理和调度的基本资源单位,上下行业务信道都以 RB 为单位进行调度。

通俗的讲,1RB 就是用 12 个子载波传送 7 个 OFDM Symbol

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1RB 在时域上,就对应是一个 Slot(时隙)。再因为,1 组子载波包含了 12 个子载波。所以,通俗的也称为:1RB 就是同时用 1 组子载波传送了 1 个 Slot

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RG(资源栅格,Resource Grid):一个 Slot 中传输的信号所占用的所有资源单元构成一个资源栅格,它可以包含整数个 RB。

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此外,常见的资源调度单位还有 REG(资源粒子组,Resource Element Group):即 RE 的组,一个 REG 包括 4 个连续未被占用的 RE(REG = 4RE)。REG 主要针对 PCFICH(物理控制格式指示信道)和 PHICH(物理 HARO 指示信道)这种速率很小的控制信道进行资源分配,提高资源的利用效率和分配灵活性。

CCE(Control Channel Element):每个 CCE 由 9 个 REG 组成,之所以定义 CCE,是为了用于数据量相对较大的 PDCCH(物理下行控制信道)分配资源。每个用户的 PDCCH 只能占用 1,2,4,8 个 CCE,称为聚合级别。

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带宽资源

从香农定理可以知道,带宽越宽,信道的容量就越大,实际体验到的速率也就越快。但带宽资源也往往是有限的,因为资源宝贵,就会有管制。所以 LTE 也就定义了不同的带宽:​1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz 和 20MHz。不同带宽下,速率就会有不一样。以 TD-LTE 为例,20MHz 带宽下,最高峰值速率会到 112Mbps,而 10M 带宽,速率就会减少一半。

为什么最大的带宽是 20MHz 呢?因为 LTE 被设计为最多允许 110 组子载波(1组 = 12个)同时传输。所以:

# 110 × (每个子载波的赫兹 × 每组 12 个子载波)
110 ×(15KHz×12)= 19800 KHz ≈ 20 MHz

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又因为 1 个 Slot 为 0.5ms,所以 1s=1000ms=2000 个 Slot。所以,理论上,手机和基站之间最高的传输速率等于:

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需要注意的是,实际上我们通过手机上网的速率很难达到过 110 Mbps。原因有很多:信号、用户数量等等。但是,为了在多用户场景中可以尽量保证速率的良好体验,LTE 可以通过划分多个频段来处理,例如:中移动具有 3 个频段,所以,它可以提供多个 20MHz 来满足用户需求。
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实在是人特别多的场合(演唱会或比赛),还可以通过增加基站,或使用应急通信保障车来扩充网络容量。

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需要注意的是,有些朋友可能已经发现问题了。为什么理论最大传输速率是 110 Mbps,而不是 3GPP 标准的 300Mbps?事实上,电信运营商网络的系统演进是缓慢的,但利益追求确实紧迫的。我们之前常说的 LTE 其实只是 3.9G,而 LTE-A(LTE-Advanced,或称 LTE+)才是真正的 4G。

LTE-A 采用了载波聚合技术(Carrier Aggregation,CA),使得上行和下行的速率大幅度得到提升,其中下行可以达到 300Mbps,满足 4G 标准规范。所谓的载波聚合,简单地说,它可以将多个载波聚合成一个更宽的频谱,同时也可以把一些不连续的频谱碎片聚合到一起。频谱更宽了,速率当然就翻倍提高了。

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QoS 资源

在 EPC 中,QoS 控制的单位粒度是 EPS Bearer,即相同 Bearer 上所有的 SDF(业务数据流,Service Data Flow)将获得相同的 QoS 保障(e.g. 调度策略、缓冲队列管理、链路层配置等),不同的 QoS 保障需要不同类型的 EPS Bearer 来提供

根据 QoS 的不同,EPS Bearer 又可以划分为两大类:GBR 和 Non-GBR。缺省承载是 Non-GBR 类型承载,而专有承载则可以是 GBR,也可以是 Non-GBR。

  • GBR(Guranteed Bit Rate):指 Bearer 要求的比特速率被网络 “永久” 恒定的分配,即使在网络资源紧张的情况下,相应的比特速率也能够保持。常用于 Dedicated Bearer(专用承载)。
  • Non-GBR:指的是在网络拥挤的情况下,业务需要承受低速率的要求,由于 Non-GBR 承载不需要占用固定的网络资源,因而可以长时间地建立。常用于 Default Bearer(缺省承载)。

QCI(QoS Class Identifier)是 QoS 的类别标识,一个 QCI 就是一个值,可标识多个 QoS,用于指定访问节点内定义的控制承载分组转发方式(如:调度权重、接纳门限、队列管理门限等)。QCI 能够同时应用于 GBR 和 Non-GBR 承载。在接口上使用 QCI 而不是传输一组 QoS 参数主要是为了减少接口上的控制信令传输量,并且在多厂商互连环境和漫游环境中使得不同设备/系统间的互连互通更加容易,由此,需要规定一定数量的处理行为。

QCI 等级规定有 9 种,分别对应于不同业务

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除了 OCI 之外,还有以下 QoS 类型

  • 分配和保留优先级(ARP,Allocation and Retention Priority):ARP 可同时应用于 GBR 和 Non-GBR 承载。主要目的是能够决定是否接受请求的承载建立或修改(尤其对于 GBR 承载的无线容量是否有效),或者在资源受限时拒绝上述请求。

  • 保证比特速率(GBR):仅应用于 GBR 承载,提供给 GBR 承载保证的比特速率。GBR 承载的业务包括语音、流媒体、实时游戏等。

  • 最大比特速率(MBR),仅应用于 GBR 承载,它为业务设置数据传输速率的限制。如果发现业务的数据传输速率超过 MBR 时,网络将通过业务量整形算法来限制速率。MBR 的值一般大于或等于 GBR 的值。

  • 聚合最大比特速率(AMBR):仅应用于 Non-GBR 承载,同一个 UE 的多个 SAE 承载可以共享同一个 AMBR,即一组 SAE 承载中的每个承载可以使用全部的 AMBR 资源。如果超出了 AMBR 限制,网络可能在上行链路和下行链路使用业务流量调节算法,就像 MBR 的调节算法一样。

码资源

在 UE 随机接入过程中,随机接入前导码(Preamble)是必不可少的。每个小区(Cell)有 64 个 preamble 序列,也称随机码,UE 会选择其中一个做随机接入。前导码一共有 64 个,这都是有限的码资源。随机接入前导码由具有零相关区的 ZC 序列产生,由一个或多个根 Zadoff-Chu 序列产生。

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对于这个公式,Nzc 是固定的,所以根据这些参数输入,就会循环的产生 preamble 序列,直到 64 个为止。而这 64 个码就是 UE 接入的时候所需要的。当 UE 拿到码资源,就有资格再去做进一步的动作,这才是随机接入的开始。

随机接入又分两种类型,竞争随机接入和非竞争随机接入。所以 preamble 序列也分为两种类型。而在基于竞争的 preamble 序列中,又分为 GroupA 和 GroupB。

  • NumberOfRaPreambles:竞争的 preamble 序列
  • 64-NumberOfRaPreambles:非竞争的 preamble 序列
    • SizeOfRaGroupA:GroupA
    • NumberOfRaPreambles-SizeOfRaGroupA:GroupB

上述右边的标识都是 eNB 配置的参数,不同的厂商会有命名差异,这些信息会在 SIB2 中进行广播。所以,UE 在选择 preamble 序列时,会随机确定 preamble index,然后从中选择一个 preamble 序列码。

在竞争随机接入场景中,对于是从 GroupA 还是从 GroupB 选择,需要根据 pathloss 以及 Msg3 的大小来决定。

  • Pcmax:UE 传输功率
  • preambleInitialReceivedTargetPower:前导码初始发射功率
  • messagePowerOffsetGroupB:前导选择极限,属于功率范畴
  • deltaPreambleMsg3:前导码和 Msg3 间的偏移量
  • messageSizeGroupA:前导选择极限

这些参数也都会自 SIB2 中广播。当 Msg3 的大小大于 messageSizeGroupA,并且:

PCMAX – preambleInitialReceivedTargetPower – deltaPreambleMsg3 – messagePowerOffsetGroupB

UE 就会选择 GroupB 中的 preamble 序列。并且,如果这次接入失败,那下次再次接入的时候,还是选择和上一次接入同一个 Group。

在非竞争随机接入场景中,UE 的 preamble 序列是由 eNB 来指定的,最典型的场景就是切换。当 UE 接收到重配消息的时候,里面有个 IE 指定 UE 需用的 preamble 序列。

rach-ConfigDedicated   {                 
    ra-PreambleIndex 52,                 
    ra-PRACH-MaskIndex 0
    }
  • ra-PreambleIndex:码索引
  • ra-PRACH-MaskIndex:查表 36.321 table 7.3,可以得到资源情况