LTE中RRM功能及架构分析

摘要：RRM相关功能是LTE的E-UTRAN系统中的一个重要组成部分。通过逐个分析LTE的E-UTRAN系统中的RRM功能，给出了LTE系统中RRM的一种较优的实现架构，对于蜂窝移动通信系统RRM功能的架构设计、实现具有很好的指导意义。
关键词：LTE；RRM；集中式；分布式

0 引言
    RRM即无线资源管理，提供空中接口的无线资源管理的功能，目的是能够提供一些机制保证空中接口无线资源的有效利用，实现最优的资源使用率，从而满足系统所定义的无线资源相关需求。在LTE的E-UTRAN系统中，RRM功能的定义参考了现有3G系统RRM的基本功能，并基于LTE的E-UTRAN架构和需求特性对RRM功能进行了扩展。
    目前，LTE的E-UTRAN系统中RRM管理部分涉及到如下几个功能：接纳控制、负荷管理、移动性管理、小区间干扰协调、无线承载控制。

1 总体论述
    RRM架构的设计是为了支持RRM的功能，因此如何将RRM功能分配到LTE系统的节点上是定义RRM架构的基础。在3G系统中，由于存在RNC这一UTRAN集中控制点，RRM的各项功能以及相关测量信息的处理主要在RNC上实现。LTE系统中E-UTRAN不存在集中控制点，并且由于LTE系统产生的新的RRM功能需求，因此需要重新考虑RRM的架构以更好地实现LTE系统中的RRM功能。
    由于LTE的RRM功能不但涉及单小区无线资源管理，还涉及多小区的无线资源管理，因此在LTE系统架构的基础上，根据RRM功能实现机制的不同，可考虑集中式和分布式两种架构，不同的架构也需要不同的无线网络架构来支持。
    集中式管理的RRM架构中，存在一个用于掌握多小区拓扑信息和多小区实时资源／干扰／负载信息的额外功能节点，来辅助多小区RRM相关过程的决策，比如OMC。分布式管理的RRM架构不存在额外的RRM功能节点，RRM所有功能位于eNB中来实现。集中式和分布式架构图分别如图1，图2所示。

2 RRM功能架构分析
2．1 接纳控制
    接纳控制功能用于在请求建立新的无线承载时判断允许接入或拒绝接入。为得到合理、可靠的判决结果，在进行接纳判决时，接纳控制需要考虑E-UTRAN中无线资源状态的整体情况(包括资源的已使用情况和剩余情况)、正在进行中的会话的QoS情况以及该请求新建无线承载的QoS需求。接纳控制的目标是在无线资源许可的情况下，在保证已接入承载的QoS的同时，尽可能多的接入承载，并保证接入承载的QoS，提高系统的容量和资源利用率。
    一般来说，建立新的无线承载发生在RRC连接建立／重建、初始上下文建立、E-RAB建立以及切换等场景下。而这些场景，都对应UE的整个接入流程，具体到网元上，都分布于各个eNB上的无线网络层。因此分布式架构更适合于接纳控制功能。
    假设以集中式架构来实现接纳控制功能，则在UE的接入或切换流程中，当需要进行资源接纳时，势必存在eNB和该集中网元之间的消息交互，并且对于该集中网元来说，还需要事先和eNB交互以获取对应小区的资源并保存和处理接入的UE的相关信息，这不但增加了整个资源接纳过程的时延，并增加了系统实现和处理的复杂度。
2．2 负荷管理
    负荷管理的作用是在系统发生过载的情况下，采取措施使系统的负荷尽快恢复正常，以保持系统的稳定。其中，负荷过载是指系统的上行或下行负荷超过网络规划时设置的负荷过载门限，此时系统容量接近于极限，系统处于不稳定状态，需要采取措施降低系统负荷。解决负荷过载的方法有很多，一般都涉及到和其他功能、流程的交互。比如和接纳控制、移动性管理的交互等。
    负荷管理功能的实现需要实时测量各小区的负荷信息并在各邻区之间交互这些负荷信息，以供负荷管理功能选择负荷解决措施时使用。负荷管理功能如以集中式来实现，需要各个eNB把关于小区的负荷信息集中报给该集中网元，而这些负荷信息的测量是周期性的并且一般都比较频繁，大量的频繁的网元之间信息上报会给接口带来极大冲击和压力并带来处理上的时延增加。而负荷管理的处理一般以小区为单位，以分布式架构反而能很好的实现，并且分属不同eNB上邻区之间信息的交互通过eNB之间的X2口交互即可完成。由此可知，负荷管理功能的实现架构基于分布式更合适一些。
2．3 移动性管理
    移动性管理用于对空闲模式及连接模式下的无线资源进行管理。在空闲模式下，为小区重选提供一系列参数以确定最好的小区，使得UE能够选择新的服务小区。在连接模式下，支持无线连接的移动性，基于UE与eNB的测量结果进行切换判决，将连接从一个服务小区切换到另一个小区。切换决策还需要依据其他方面的信息，如小区负荷状况、业务量分布情况、UE的移动速度等。移动性管理还包括无线接入技术之间的连接移动性管理，即无线接入技术之间的切换，也涉及基于覆盖、基于负荷和基于业务等的切换。
    对于空闲模式而言，移动性管理主要涉及广播参数的配置下发，而这些广播参数，都是以小区为单位的，并且需要通过空口发给UE，很自然的就依从小区分布于各个eNB处理。如果以集中式架构实现，反而会增加处理的复杂度。
    对于连接模式而言，移动性管理以UE为单位，对于基于覆盖的切换，移动性管理分析和处理UE的测量报告并作出切换的决策。由于在LTE系统中，eNB得不到UE的IMSI，所以在eNB内部对于UE的识别只能是一个临时的识别并且在eNB内部是惟一的。如果以集中式架构实现移动性管理，则存在集中网元对于不同eNB上UE临时识别值相同的两个UE如何识别的问题(见图3)。如果为了做这个识别而限制各个eNB之间UE临时识别值的分段限制，又增加了各个eNB之间的耦合并带来极大的复杂度。对于基于业务、移动速度、负荷的切换，也同样存在问题。其次，移动性决策的效率也影响切换的时延，对于集中式而言，由于RRC存在于eNB，则会导致切换时存在各个eNB和集中处理网元之间的交互，会在很大程度上增加切换的时延。而移动性管理如果分布于eNB，则这些问题都可以很容易解决。

2．4 小区间干扰协调
    小区间干扰是蜂窝移动通信系统的一个固有问题。在LTE系统中，OFDM技术保证了小区内用户之间的正交性，比CDMA技术更好地解决了小区内干扰的问题，但在同频组网场景下，小区间干扰依然存在，小区间干扰协调用于降低小区间干扰对于用户的影响，保证用户的QoS。小区间干扰协调功能的基本思想就是通过小区间协调的方式对用户资源的使用进行限制，包括限制那些时频资源可用，或在一定的时频资源上限制其发射功率，从而达到避免和降低干扰、保证边缘覆盖速率的目的。小区间干扰协调本质上是一种多小区无线资源管理功能，它需要同时考虑来自多个小区的资源使用状态信息和业务负载状态信息。
    ICIC功能除了需要在小区之间传递HI，OI指示相关信息外，对于RRM来说，需要能根据UE的测量报告识别出UE的位置并将该位置告知底层调度。因此同负荷管理及移动性管理功能的分析，ICIC功能适合以分布式架构存在于eNB中。
2．5 无线承载控制
    无线承载控制包括无线承载的建立、保持、释放，是对无线承载相关的资源进行配置。当为一个服务连接建立无线承载时，无线承载控制需要综合考虑eNB中无线资源的整体状况、正在进行中的业务的QoS需求无线承载控制还需要对正在进行中的会话的无线承载进行动态管理。无线承载控制还需要处理会话结束、切换以及与无线承载相关的无线资源的释放。具体体现在对于UE和eNB的各种协议实体(如PHY，MAC，RLC等)进行合理的配置。其中也包括用于不同承载控制的控制信道的配置。
    在LTE架构中，所有用户面的无线接入层面处理都位于eNB，这样为了完成无线承载的配置与重配置，无线承载控制功能很自然的应该放到eNB中，配置信令可以直接从eNB发给UE。同时，由于这种操作方式，无线承载和操作实体如PHY，MAC，RLC等位于同一个网元eNB中，因此可以有效降低信令交互的复杂性和降低时延。

3 结论
    本文分析了LTE中RRM功能的具体需求及架构实现，结合分析可知，基于目前的RRM功能，分布式的RRM架构(将RRM功能放在eNB)能更好地满足RRM功能的实现并能减少信令交互、降低设计实现的复杂度并获得较低的时延和更好的QoS需求，从而能有效提升整个系统的性能。