TWI638573B

TWI638573B - Radio resource allocation method for mobile communication system

Info

Publication number: TWI638573B
Application number: TW105124565A
Authority: TW
Inventors: 戴玲玲; 魏宏宇; 林冠宇
Original assignee: 中華電信股份有限公司
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-10-11
Also published as: TW201806424A

Abstract

本發明揭露一種行動通信系統之無線電資源配置方法，其中基地台先估計希望新建立連線且符合特定條件(如裝置種類與欲傳輸資料量)的裝置數目。接著，基地台依照需求調整無線電資源在各用途與種類上的比例與範圍，並決定控制新連線裝置數量的隨機存取參數。最後，將決定好的資源分配與隨機存取參數廣播給所有裝置，使所有裝置皆以最佳化的資源分配與參數進行連線與傳輸。

Description

行動通信系統之無線電資源配置方法

本發明係關於一種行動通信系統之無線電資源配置方法，特別是關於一種可動態且適應性的根據裝置的數量與傳輸需求，調整無線電資源在資源種類與資源用途的比例之行動通信系統之無線電資源配置方法。

目前，主流通信系統(例如長期演進系統，Long Term Evolution，LTE)，主要的基地台無線電資源規劃方式，是將固定數量且較少的無線資源保留作控制信令的傳輸(control resource)，而將大部分的無線資源留作資料傳輸(data resource)，這種規劃方式適合過去以人為主且傳輸資料較大的通訊方式，如電話(Voice call)、網頁瀏覽、檔案下載...等。

然而，在未來物聯網(Internet of Things)的情境下可能會遭遇困難，因為物聯網應用多樣、具備各種不同的傳輸特性。而且預計需要支援的連線裝置數量將大幅成長，而這些裝置所需要傳的資料卻可能很少，這樣一來大量的無線電資源就會消耗在控制信令的傳輸。

目前的系統因為只規劃少數量的控制資源供裝置使用，在控制資源不足的情況下，導致裝置的連線與上傳資料遭受到極大的延遲或極高的失敗機率。而導致網路效能低落的原因，即是因為無線電資源的配置，並沒有根據目前裝置的需求(包括裝置的數量與資料傳輸量)進行資源配置的最佳化。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種行動通信系統之無線電資源配置方法，以分別將上、下行的控制資源與資料資源整合，進行資源分配最佳化，避免控制或資料資源不足而造成裝置連線過程的信令交換失敗、浪費了無線電資源又無法讓裝置完成傳送。

本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法包含下列步驟：獲得連線需求數量；根據連線需求數量中的每一個連線需求分配無線電資源給各該連線需求；廣播基於用途(purpose-based)的資源區塊劃分資訊；以及廣播隨機存取參數來控制單位時間得以進行隨機存取的裝置數目。

承上所述，依本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法，其可具有一或多個下述優點：

1.根據連線裝置的需求，對執行各項功能的資源數量的數量或比例進行動態的調整。

2.根據資源調整的結果，管控單位時間可連線裝置的數量，使得裝置的連線與資料傳輸順暢，不會遭遇額外的延遲或較高的失敗機率。

3.本發明所揭露的方法，基地台不論裝置的數量與各裝置的資料量，都可以適應性的避免資源匱乏所帶來的壅塞，並改善資源效率與提升系統效能。

S301~S303‧‧‧步驟

圖1係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之現有LTE系統下行資源的時間與頻率結構示意圖。

圖2係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之現有LTE的隨機存取程序流程圖。

圖3係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之流程圖。

圖4係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之根據無線電資源的用途與用量化分資源區塊示意圖。

圖5係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之實施例示意圖。

圖6係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之動態資源分配機制第一流程圖。

圖7係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之動態資源分配機制第二流程圖。

圖8係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之動態資源分配機制第三流程圖。

圖9係為本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法之後退視窗大小參數設定。

本發明之範例實施例是以4G系統長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)的隨機存取為例，然而須注意到的是，本發明實際上也可應用在任意的隨機存取系統，例如2G、 3G通信系統的隨機存取機制，與傳統的IEEE 802.11(WiFi)系統。

現有4G系統長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)的資源配置方式，UE(user equipment)為使用者裝置的縮寫，泛指所有可能的終端裝置，例如手機、平板與機器對機器的裝置(machine-to-machine device或MTC(machine type communications)device)...等。而eNB則是長期演進系統中基地台的英文名稱。

LTE系統的下行資源(downlink resource)的示意圖如圖1所示，在LTE系統中，無線電資源是一個包含時間軸與頻域軸的二維平面。一個子禎(subframe)的時間長度是1毫秒，每個subframe共包含12(extended)或14(normal)個OFDM symbol，每個OFDM symbol是無線電傳輸的最小基本時間單位，每個subframe的前1~3個symbol是用來傳輸控制信令的無線電資源(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)，其他則屬於傳輸資料內容的無線電資源(physical downlink shared channel，PDSCH)。PDCCH的功能是用來傳遞下行控制信令給UE，在PDCCH中的DCI(downlink control indicator)message中放入資源分配的訊息(DL grant)，UE便根據DCI中的資源分配訊息在PDSCH指定的資源位置接收完整的訊息或資料。

目前的LTE系統，只有每個subframe的前面1~3 個symbol作為控制信令的傳輸，這是因為過去無線通訊主要是由人與人之間的通話或網路閱讀下載使用，因此連線數量少、傳速需求高，因此PDCCH的空間明顯較PDSCH少。但這樣的控制信令空間在未來的物聯網情境下很可能是不夠用的，這是因為在物聯網的情境下，預期將有數量非常可觀的裝置都將與網路連線。因此在同一時間內可能有大量的裝置希望進行連線，進而需要占用大量控制資源來達成。物聯網的裝置種類繁多，本案聚焦於低傳輸需求(小封包、高延遲容忍、耗電低)的物聯網裝置。這樣的裝置數量多，但大部分裝置都只需傳輸小封包(數十或數百bytes)，所以資料資源(data resource)的使用量反而不是那麼大。故在物聯網的情境下，控制資源的耗費量極大，但是資料資源的耗費量反而可能少，與目前的LTE系統的資源配置比例不符。

因為目前的控制資源不夠支援大量的物聯網裝置同時進行連線，就可能造成很多裝置無法成功連線或無法成功傳輸資料。企圖連線的大量裝置消耗掉大部分的控制資源，而排擠到已經連線但需要控制資源來傳資料的裝置。結果，不僅很多裝置無法成功進行連線，還連帶的讓已經連線的裝置因為控制資源不足而造成資料傳輸的極大延遲。

過去的文獻與處理方法，主要是透過接取類別阻擋(access class barring，ACB)或進階接取阻擋(enhanced access barring，EAB)的方式，這種方式將原本集中於同一時間的連線請求在時間軸上散開，以使得單位時間進行連線請求的裝置數目在系統可以承受的範圍內。避免因同時大量隨機接取產生嚴重碰撞而造成失敗率大增。

事實上裝置要從啟動接取程序到成功進行傳輸需要很多步驟，前述的ACB與EAB方式僅針對接取程序的第一步(見圖2的RACH preamble)在時間軸上分散，但無法保證裝置在後續的步驟中有足夠的無線資源來協助它完成連線的建立與資料的傳輸。例如在圖2中，過去的方法固然可以讓第一步的隨機存取資源保持在最大的資源效率與吞吐量(RACH throughput)，但裝置可能因為基地台沒有足夠的下行資源及時的回傳第二訊息(Msg2)或第四訊息(Msg4)，而導致計時器逾時，讓本來可以成功完成的隨機存取程序失敗。這樣的失敗會讓裝置必須等待一段時間後重新自第一步開始進行隨機存取程序，不斷地重覆耗用控制資源。

本發明企圖解決控制資源不足，所導致的連線失敗與資料傳輸延遲的問題。核心精神有二：第一，必須要有流量控管，單位時間進行連線的裝置數目不可以超過基地台的控制資源所能支援的裝置數目。第二，管理單位時間支援各信令的下行資源的數量。

本發明的具體步驟如下所述，請一併參閱圖3。

步驟S301：新連線需求數量估計。

估計「想要連線」且「要傳輸特定數據量」的裝置數目。(例如欲上傳1 K bytes data的裝置數量)如果目標的物聯網應用的資料是以下行為主，則基地台有下行資料量與裝置數量等資訊，則不需要估計。但若目標的物聯網應用的資料是以上行為主，則基地台則對特定裝置的數量進行估計。

步驟S302：分配無線電資源給連線過程中的每個信令訊息。

首先確定每個步驟所需的資源：基地台可由技術規範知道每個裝置進行連線、傳輸、直至斷線為止所需要的上下行控制資源與資料資源的需求量。

上行資源包括隨機存取資源(random access channel)、上行控制資源(PUCCH,physical uplink control channel)、上行資料資源(PUSCH,physical uplink control channel)；下行資源包括下行控制資源(PDCCH,physical downlink control channel)與下行資料資源(PDSCH,physical downlink shared channel)。

依每個裝置的資源需求量，從現有可用的無線資源中，進行資源分配。其中可用的原LTE上行控制資源與上行資料資源在本發明中合拼作為可用的上行無線資源分配；而可用的原LTE下行控制資源與下行資料資源在本發明中合拼作為可用的下行無線資源分配。

其中，資源的分配規則是盡可能讓各個步驟中所能支援的裝置數目的最小值最大化。

步驟S303：廣播基於用途(purpose-based)的資源區塊劃分資訊。基地台明確的廣播無線電資源的分割方式與格式(如聚集層級，aggregation level)，例如，哪些範圍的下行資源是下行控制資源，哪些範圍是下行資料資源。下行控制資源亦可再依格式細分，如RAR、downlink assignment或uplink grant...等。如此可以減輕裝置解碼(decode)時的負擔，下行資源的劃分示意圖如圖4所示。其中，不同subframe的資源區塊範圍可以不同，以使得資源配置更加彈性。

步驟S304：廣播隨機存取參數(例如後退視窗大小，backoff window size)來控制單位時間得以進行隨機存取的裝置數目。

單位時間內得以進行隨機存取程序來與網路連結的裝置數目，本範例實施例均簡稱「系統流量」。單位時間內網路可以支援完成「連線→傳輸(→斷線)」所有步驟的最大裝置數量叫做「最大可接受系統流量」。

隨機存取參數的設定，要使的系統流量不可以超過「連線→傳輸(→斷線)」過程中任一個步驟被分配到的資源所可以支持的裝置數目。

本發明為適應性的根據傳輸需求動態調整資源配置的方法，其特徵與架構可以總結為以下幾點：

1.基地台在廣播資訊中要求估計裝置的數量，符合條件的裝置滿足(1)該裝置想要連線傳輸或接收資料，與(2)傳輸資料量在特定範圍內。

2.基地台瞭解有多少裝置具有特定封包大小的傳輸需求後，結合考慮舊有已在傳輸中的裝置步驟狀態規劃無線資源，以所有步驟中最小容量值盡可能最大化的原則進行無線資源規劃。

3.基地台廣播規劃完成的資源分配方式，以及廣播網路隨機接取參數以控制新建立連線的裝置數量。

本發明動態資源整合的目的在於分別將上、下行的控制資源與資料資源整合，進行資源分配最佳化，避免控制或資料資源不足而造成裝置連線過程的信令交換失敗、浪費了無線電資源又無法讓裝置完成傳送。

本發明提出的動態資源分配機制如圖6~圖8，在發現現在系統容量不足(可能是控制資源(control resource)或資料資源(data resource)短缺)而遇到壅塞狀況時，啟動本項機制。本機制將先瞭解整個連線過程的瓶頸，如果瓶頸是在控制資源，我們就把部分的資料資源分給控制資源；反之，若是在瓶頸資料資源，就把控制資源分給資料資源。根據水桶理論，系統容量取決於接取能力最小的部分，因此我們的目的是要最大化最小容量來提升系統的容量。

本發明之範例實施例中不同類型的裝置資料傳輸需求量不同，這將影響到系統資源的分配方式與大小，應進行各種傳輸量裝置之數量估計。然而，為簡化說明起見，以下說明假設連線裝置只有一種僅傳極小的封包(資料量小於1RB)的裝置種類，且欲上線之數量相當多。

本發明之範例實施例採用具代表性的3GPP LTE隨機存取程序效能評估技術報告(TR 37.868)的所有參數，並參考了其他文件，除了TR37.868以外的其他模擬設定為：CFI=3，antenna port=4，cyclic prefix=normal，PHICH Ng factor=2；1個RAR(Msg.2)需要4個CCE，但可以攜帶1~3個UL Grant；1個Msg4需要4個CCE；Msg3和Msg4都各可以傳輸5次，使用HARQ，但考慮最壞的情況，讓每次傳輸Msg3或Msg4的機率都是0.9；以及Data最多傳送次數為10次。

依據LTE系統中裝置從連線到斷線的過程，如圖5所示，可以計算出每個交換信息的大小及所使用的通道。如此一來我們可以知道一個裝置完成整個連線過程分別需要多少上、下行的控制資源與資料資源。

接下來本發明之範例實施例會被分成兩個部分做敘述：(1)分析LTE系統瓶頸以及(2)動態資源整合系統。首先瞭解現行LTE標準下大量小封包需求裝置上線時，瓶頸在哪裡。隨後以我們的專利進行資源分配最佳化，達到整體系統支援裝置數提升的目的。

(1)分析LTE系統瓶頸：考量到LTE分配資源的方式，本發明之範例實施例在計算系統的總資源量時並未扣除廣播信號及解調信號，已知LTE系統的資源分配是以一對RB pair為最小資源單位，再加上PDCCH使用QPSK的調變方式，因此每個分配出去的RB pair能傳送的資料量為42bytes，而分配到的RB pair數量取決於信號大小。同時，在本發明之範例實施例中也考慮HARQ ACK、RACH Msg.3、RACH Msg.4、Data失敗的重傳可能性，即失敗會再多給一對RB pair傳，因此可得裝置所需的上、下行資源如下：per UE：下行13 PDCCH+8 PDSCH RB pair+7 HARQ ACK上行7 PUCCH RB pair+9 PUSCH RB pair；per 2 UE：下行25 PDCCH+15 PDSCH RB pair+14 HARQ ACK上行14 PUCCH RB pair+18 PUSCH RB pair；per 3 UE：下行37 PDCCH+22 PDSCH RB pair+21 HARQ ACK

上行21 PUCCH RB pair+27 PUSCH RB pair；以及Note：RRC Connection Reconfiguration需要2對RB pair。Scheduling Request、ACK用一對RB pair傳

系統總資源量(5MHz)：PDCCH：16 CCEs/ms=40 PDCCH/frame；PDSCH：25 PDSCH RB pair/ms=250 RB pair/frame；PHICH：56 PHICH/ms=560 PHICH/frame；PUCCH：40 RB/5ms=80 RB/frame；以及PUSCH：198 RB/5ms=396 RB/frame。

因此可得到每個通道的接取量為：PDCCH capacity：40(PDCCH/frame)÷37(PDCCH/3UE)×3=3.24(UE/frame)；PDSCH capacity：250(RB pair/frame÷22(RB pair/3UE)×3=34(UE/frame)；PHICH capacity：560(PHICH/frame÷(21(ACK/3UE)×1.1111(PHICH/ACK))×3=72(UE/frame)；PUCCH capacity：80(RB/frame)÷(7(RB pair/UE)×2)=5.714(UE/frame)；以及PUSCH capacity：396(RB/frame)÷(9(RB pair/UE)×2)=22(UE/frame)。因此，在LTE下的瓶頸是在PDCCH，且最大的接取量僅有3.24/frame。

(2)動態資源整合系統：在此系統，我們打散了原先LTE系統分配資源的架構，整合了控制資源與資料資源，原先LTE系統中上下行的資源區塊分別會帶有解調信號或廣播信號，在這邊我們會先扣除得到剩下可使用的系統總資源量，同時為了資源的使用效率，僅以1RB為資源分配的最小單位，因此可得裝置所需的上下行資源如下：per UE：下行13*2+11 PDCCH/PDSCH RBs+7 HARQ ACK上行11 PUSCH/PUSCH RBs+1.1111 RB(HARQ Msg3)PUSCH/PUSCH+5.5555 RB(HARQ ACK)PUSCH/PUSCH+1.1111 RB(data)PUSCH/PUSCH；per 2 UE：下行25*2+21 PDCCH/PDSCH RBs+14 HARQ ACK；per 3 UE：下行37*2+31 PDCCH/PDSCH RBs+21 HARQ ACK；Note1：考慮到HARQ ACK、Msg.3、Msg.4、Data失敗重傳的期望值為1.1111RB；以及Note2：考慮到原4CCEs的PDCCH訊息相當於1.7RBs空間，在此以2RBs為PDCCH基本傳輸單位。

系統總資源量(5MHz)：PDCCH+PDSCH：202 RBs in subframe 0~4,205 RBs in subframe 5~9；PUCCH：27 RB/5ms=54 RB/frame；以及PUSCH：162 RB/5ms=324 RB/frame。

因此可得到每個通道的接取量為下行capacity：floor((202/105)*3)+floor((205/105)*3)=5+5=10；以及上行capacity：378/18.7777=20.13 UE/frame。可得到在動態資源整合系統中接取量提升到10 UE/frame。

由上可知本發明於範例中的「最大可接受系統流量」為10UEs/10ms，而LTE典型為每5ms一次RACH機會，可換算「最大可接受系統流量」為5UEs/5ms。在系統設定為每次RACH機會有R個preamble、且「最大可接受系統流量」N為5UEs/5ms時，假設有m個裝置preamble可以成功傳出，由其期望值公式可推得m約為5。因此若總共有A個裝置希望連線時，每5個裝置就必需多等待一次RACH的機會(5ms)，可推得需等待的RACH機會個數BT為，如圖9所示。其中ceil()為ceiling function。

網路在發現因資源不足或分配不佳的情形發生而啟動本機制，經過預估與計算後瞭解以目前的裝置種類狀況，系統最大只能支援的數量(如範例中系統支援10個僅傳小封包的UE/10 ms)，則設計隨機存取參數(例如後退視窗大小，backoff window size)試圖將未來規劃時間單位(如範例以10ms為規劃單位)內能接取上網路的裝置控制在系統最大支援數量內，使得所有裝置都可能順完成步驟，並提升網路支援裝置數量(範例由3 UEs/10 ms提升為10UEs/10ms)。

綜上所述，根據本發明之行動通信系統之無線電資源配置方法，基地台不論裝置的數量與各裝置的資料量，都可以適應性的避免資源匱乏所帶來的壅塞，並改善資源效率與提升系統效能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

Claims

一種行動通信系統之無線電資源配置方法，包含：獲得一連線需求數量；根據該連線需求數量中的每一個連線需求分配一無線電資源給各該連線需求；基地台取得每個裝置進行連線、傳輸、直至斷線為止每一步驟所需要的上下行控制資源與資料資源的需求量後，從現有無線資源中扣除解調和廣播所需資源後剩下的部分為可用的無線資源，以每一步驟能支援的裝置數最小值最大化之原則進行資源分配；於規劃完成的資源分配方式，廣播各無線通道資源區塊劃分資訊；以及廣播複數個隨機存取參數來控制一單位時間得以進行隨機存取的裝置數目。
如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統之無線電資源配置方法，其中該連線需求數量係根據發出一連線需求以及一傳輸預定數據量需求之複數個裝置來估計。
如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統之無線電資源配置方法，其中根據該連線需求數量中的每一個連線需求分配無線電資源給各該連線需求的步驟包括：獲得各該連線中之一控制資源需求量以及一資料資源需求量；以及獲得各該連線中之一隨機存取資源需求量以及一傳送資料至斷線資源需求量。
如申請專利範圍第3項所述之行動通信系統之無線電資源配置方法，其中該些資源需求量包含一上行資源以及一下行資源之需求量。
如申請專利範圍第4項所述之行動通信系統之無線電資源配置方法，其中：該上行資源包含隨機存取資源(random access channel)、上行控制資源(PUCCH,physical uplink control channel)及上行資料資源(PUSCH,physical uplink control channel)；以及該下行資源包含下行控制資源(PDCCH,physical downlink control channel)及下行資料資源(PDSCH,physical downlink shared channel)。
如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統之無線電資源配置方法，其中廣播基於用途的該資源區塊劃分資訊的步驟包含廣播該無線電資源的一分割方式與一格式。
如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統之無線電資源配置方法，其中該複數個隨機存取參數包含後退視窗大小(backoff window size)。
如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統之無線電資源配置方法，其中該一單位時間得以進行隨機存取的裝置數目係為一系統流量，且該複數個隨機存取參數係根據該系統流量不超過連線後傳輸至斷線的過程中任一步驟被分配到的資源所可以支持的裝置數。