移動通信網絡中的資源類型


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移動通信網絡中的資源

在 LTE 領域,要想完成一次呼叫,資源是非常重要的。​從系統帶寬,最初接入的碼資源,功率資源,時頻資源,到 EPC 側相關的 QoS 資源,無不影響着用戶在整個 LTE 系統中的體驗。

天線資源

天線端口:LTE 使用天線端口來區分空間上的資源。天線端口是從無線信號接收端的角度來定義的,即如果接收端需要區分資源在空間上的差別,就需要定義多個天線端口。注意,天線端口與實際的物理天線端口沒有一一對應的關系。由於目前 LTE 上行鏈路僅支持單射頻鏈路的傳輸,不需要區分空間上的資源,所以上行還沒有引入天線端口的概念。目前 LTE 下行鏈路定義了三類天線端口,分別對應於天線端口序號 0~5。

  • 小區專用參考信號傳輸天線端口:天線端口 0~3。
  • MBSFN 參考信號傳輸天線端口:天線端口 4。
  • 終端專用參考信號傳輸天線端口:天線端口 5。

時頻資源

時頻資源是 LTE 至關重要的資源類型,分為時域(時間)和頻域(頻率),構成一個二維資源模型。
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對於 LTE 而言,最小的無線資源單位是 RE(資源單元,Resource Element):對於每一個天線端口,OFDM 頻域上一個 Subcarrier(子載波)和時域上一個 Symbol(符號),稱為一個 RE。其中,1 個 OFDM 時域 Symbol 可以容納 2、4、6 個數據位。

子載波:LTE 采用的是 OFDM(正交頻分復用)無線通信技術。不同於 WCDMA 采用的擴頻技術,每個 Symbol 占用的帶寬都是 3.84MHz,通過擴頻增益來對抗干擾;OFDM 則是每個 Symbol 都對應一個正交的子載波,通過載波間的正交性來對抗干擾。OFDM 協議規定,通常情況下一個子載波等於 15KHz,Normal CP(Cyclic Prefix)情況下,每個子載波一個 Slot(時隙)有 7 個 Symbol;而 Extend CP 情況下,每個子載波一個 Slot 有 6 個 Symbol。

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RE 是物理層最小的資源單位,出於方便管理的考慮,LTE 引入了比 RE 大一級的單位 RB(資源塊,Resource Block):頻域上連續 12 個子載波(180KHz),時域上一個 Slot(7 個 Symbol)的物理資源,稱為 1 個 RB(= 84RE,即 84×6=504 個數據位)。RB 才是 LET 管理和調度的基本資源單位,上下行業務信道都以 RB 為單位進行調度。

通俗的講,1RB 就是用 12 個子載波傳送 7 個 OFDM Symbol

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1RB 在時域上,就對應是一個 Slot(時隙)。再因為,1 組子載波包含了 12 個子載波。所以,通俗的也稱為:1RB 就是同時用 1 組子載波傳送了 1 個 Slot

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RG(資源柵格,Resource Grid):一個 Slot 中傳輸的信號所占用的所有資源單元構成一個資源柵格,它可以包含整數個 RB。

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此外,常見的資源調度單位還有 REG(資源粒子組,Resource Element Group):即 RE 的組,一個 REG 包括 4 個連續未被占用的 RE(REG = 4RE)。REG 主要針對 PCFICH(物理控制格式指示信道)和 PHICH(物理 HARO 指示信道)這種速率很小的控制信道進行資源分配,提高資源的利用效率和分配靈活性。

CCE(Control Channel Element):每個 CCE 由 9 個 REG 組成,之所以定義 CCE,是為了用於數據量相對較大的 PDCCH(物理下行控制信道)分配資源。每個用戶的 PDCCH 只能占用 1,2,4,8 個 CCE,稱為聚合級別。

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帶寬資源

從香農定理可以知道,帶寬越寬,信道的容量就越大,實際體驗到的速率也就越快。但帶寬資源也往往是有限的,因為資源寶貴,就會有管制。所以 LTE 也就定義了不同的帶寬:​1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz 和 20MHz。不同帶寬下,速率就會有不一樣。以 TD-LTE 為例,20MHz 帶寬下,最高峰值速率會到 112Mbps,而 10M 帶寬,速率就會減少一半。

為什么最大的帶寬是 20MHz 呢?因為 LTE 被設計為最多允許 110 組子載波(1組 = 12個)同時傳輸。所以:

# 110 × (每個子載波的赫茲 × 每組 12 個子載波)
110 ×(15KHz×12)= 19800 KHz ≈ 20 MHz

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又因為 1 個 Slot 為 0.5ms,所以 1s=1000ms=2000 個 Slot。所以,理論上,手機和基站之間最高的傳輸速率等於:

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需要注意的是,實際上我們通過手機上網的速率很難達到過 110 Mbps。原因有很多:信號、用戶數量等等。但是,為了在多用戶場景中可以盡量保證速率的良好體驗,LTE 可以通過划分多個頻段來處理,例如:中移動具有 3 個頻段,所以,它可以提供多個 20MHz 來滿足用戶需求。
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實在是人特別多的場合(演唱會或比賽),還可以通過增加基站,或使用應急通信保障車來擴充網絡容量。

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需要注意的是,有些朋友可能已經發現問題了。為什么理論最大傳輸速率是 110 Mbps,而不是 3GPP 標准的 300Mbps?事實上,電信運營商網絡的系統演進是緩慢的,但利益追求確實緊迫的。我們之前常說的 LTE 其實只是 3.9G,而 LTE-A(LTE-Advanced,或稱 LTE+)才是真正的 4G。

LTE-A 采用了載波聚合技術(Carrier Aggregation,CA),使得上行和下行的速率大幅度得到提升,其中下行可以達到 300Mbps,滿足 4G 標准規范。所謂的載波聚合,簡單地說,它可以將多個載波聚合成一個更寬的頻譜,同時也可以把一些不連續的頻譜碎片聚合到一起。頻譜更寬了,速率當然就翻倍提高了。

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QoS 資源

在 EPC 中,QoS 控制的單位粒度是 EPS Bearer,即相同 Bearer 上所有的 SDF(業務數據流,Service Data Flow)將獲得相同的 QoS 保障(e.g. 調度策略、緩沖隊列管理、鏈路層配置等),不同的 QoS 保障需要不同類型的 EPS Bearer 來提供

根據 QoS 的不同,EPS Bearer 又可以划分為兩大類:GBR 和 Non-GBR。缺省承載是 Non-GBR 類型承載,而專有承載則可以是 GBR,也可以是 Non-GBR。

  • GBR(Guranteed Bit Rate):指 Bearer 要求的比特速率被網絡 “永久” 恆定的分配,即使在網絡資源緊張的情況下,相應的比特速率也能夠保持。常用於 Dedicated Bearer(專用承載)。
  • Non-GBR:指的是在網絡擁擠的情況下,業務需要承受低速率的要求,由於 Non-GBR 承載不需要占用固定的網絡資源,因而可以長時間地建立。常用於 Default Bearer(缺省承載)。

QCI(QoS Class Identifier)是 QoS 的類別標識,一個 QCI 就是一個值,可標識多個 QoS,用於指定訪問節點內定義的控制承載分組轉發方式(如:調度權重、接納門限、隊列管理門限等)。QCI 能夠同時應用於 GBR 和 Non-GBR 承載。在接口上使用 QCI 而不是傳輸一組 QoS 參數主要是為了減少接口上的控制信令傳輸量,並且在多廠商互連環境和漫游環境中使得不同設備/系統間的互連互通更加容易,由此,需要規定一定數量的處理行為。

QCI 等級規定有 9 種,分別對應於不同業務

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除了 OCI 之外,還有以下 QoS 類型

  • 分配和保留優先級(ARP,Allocation and Retention Priority):ARP 可同時應用於 GBR 和 Non-GBR 承載。主要目的是能夠決定是否接受請求的承載建立或修改(尤其對於 GBR 承載的無線容量是否有效),或者在資源受限時拒絕上述請求。

  • 保證比特速率(GBR):僅應用於 GBR 承載,提供給 GBR 承載保證的比特速率。GBR 承載的業務包括語音、流媒體、實時游戲等。

  • 最大比特速率(MBR),僅應用於 GBR 承載,它為業務設置數據傳輸速率的限制。如果發現業務的數據傳輸速率超過 MBR 時,網絡將通過業務量整形算法來限制速率。MBR 的值一般大於或等於 GBR 的值。

  • 聚合最大比特速率(AMBR):僅應用於 Non-GBR 承載,同一個 UE 的多個 SAE 承載可以共享同一個 AMBR,即一組 SAE 承載中的每個承載可以使用全部的 AMBR 資源。如果超出了 AMBR 限制,網絡可能在上行鏈路和下行鏈路使用業務流量調節算法,就像 MBR 的調節算法一樣。

碼資源

在 UE 隨機接入過程中,隨機接入前導碼(Preamble)是必不可少的。每個小區(Cell)有 64 個 preamble 序列,也稱隨機碼,UE 會選擇其中一個做隨機接入。前導碼一共有 64 個,這都是有限的碼資源。隨機接入前導碼由具有零相關區的 ZC 序列產生,由一個或多個根 Zadoff-Chu 序列產生。

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對於這個公式,Nzc 是固定的,所以根據這些參數輸入,就會循環的產生 preamble 序列,直到 64 個為止。而這 64 個碼就是 UE 接入的時候所需要的。當 UE 拿到碼資源,就有資格再去做進一步的動作,這才是隨機接入的開始。

隨機接入又分兩種類型,競爭隨機接入和非競爭隨機接入。所以 preamble 序列也分為兩種類型。而在基於競爭的 preamble 序列中,又分為 GroupA 和 GroupB。

  • NumberOfRaPreambles:競爭的 preamble 序列
  • 64-NumberOfRaPreambles:非競爭的 preamble 序列
    • SizeOfRaGroupA:GroupA
    • NumberOfRaPreambles-SizeOfRaGroupA:GroupB

上述右邊的標識都是 eNB 配置的參數,不同的廠商會有命名差異,這些信息會在 SIB2 中進行廣播。所以,UE 在選擇 preamble 序列時,會隨機確定 preamble index,然后從中選擇一個 preamble 序列碼。

在競爭隨機接入場景中,對於是從 GroupA 還是從 GroupB 選擇,需要根據 pathloss 以及 Msg3 的大小來決定。

  • Pcmax:UE 傳輸功率
  • preambleInitialReceivedTargetPower:前導碼初始發射功率
  • messagePowerOffsetGroupB:前導選擇極限,屬於功率范疇
  • deltaPreambleMsg3:前導碼和 Msg3 間的偏移量
  • messageSizeGroupA:前導選擇極限

這些參數也都會自 SIB2 中廣播。當 Msg3 的大小大於 messageSizeGroupA,並且:

PCMAX – preambleInitialReceivedTargetPower – deltaPreambleMsg3 – messagePowerOffsetGroupB

UE 就會選擇 GroupB 中的 preamble 序列。並且,如果這次接入失敗,那下次再次接入的時候,還是選擇和上一次接入同一個 Group。

在非競爭隨機接入場景中,UE 的 preamble 序列是由 eNB 來指定的,最典型的場景就是切換。當 UE 接收到重配消息的時候,里面有個 IE 指定 UE 需用的 preamble 序列。

rach-ConfigDedicated   {                 
    ra-PreambleIndex 52,                 
    ra-PRACH-MaskIndex 0
    }
  • ra-PreambleIndex:碼索引
  • ra-PRACH-MaskIndex:查表 36.321 table 7.3,可以得到資源情況


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