許 青，姚建國

(南京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于C-RAN的BBU-RRH的動態(tài)調(diào)度方案設(shè)計

許 青，姚建國

(南京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京210003)

在云接入網(wǎng)絡(luò)(CloudRadioAccessNetwork，C-RAN)架構(gòu)中，傳統(tǒng)的基站分為基帶處理單元(BaseBandUnit，BBU)和射頻拉遠頭(RemoteRadioHead，RRH)，所有的RRH分布在遠程站點共享運行在云中心的BBU資源池?，F(xiàn)有的方案考慮的RRH只能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿ㄒ粴w屬的BBU上，導(dǎo)致不同的BBU之間不能共享數(shù)據(jù)。提出了一種基于C-RAN的BBU-RRH的動態(tài)調(diào)度方案(DSSC)，BBU間通過借用資源的方式動態(tài)地給RRH分配資源。仿真結(jié)果表明，本文提出的方案可以有效地提高系統(tǒng)的吞吐量和頻譜效率，減少了資源的浪費。

云無線接入網(wǎng)絡(luò)；資源分配；集中管理

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的日益增長，移動數(shù)據(jù)流量的需求呈現(xiàn)爆炸式增長，傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)已經(jīng)無法滿足用戶日益增長的流量需求[1]。云無線接入網(wǎng)(Cloud-Radio Access Network,C-RAN)應(yīng)運而生。這是一種新型的無線接入網(wǎng)架構(gòu)，具有集中化處理技術(shù)、協(xié)作式無線電技術(shù)和實時云計算架構(gòu)的優(yōu)點[2]。它主要包含三個部分：射頻拉遠頭(Remote Radio Head,RRH)和天線組成的分布式網(wǎng)絡(luò)；連接射頻拉遠頭和基帶單元(Baseband Unit ,BBU)的高寬帶低延遲的光傳輸網(wǎng)絡(luò)；由高性能通用處理器和實時虛擬技術(shù)組成的集中式基帶處理池[3]。

本文采用BBU間借用資源的方式提出了基于C-RAN的BBU-RRH的動態(tài)調(diào)度方案DSSC，即資源利用率高的BBU向資源利用率低的BBU借用資源，構(gòu)建有效資源利用的算法。BBU-RRH動態(tài)調(diào)度方案的主要思想如下：

(1)以集中管理的方式，將RRH集中分配給同一BBU，BBU可以共用RRH進行合作控制，有效利用資源。

(2)當BBU的資源利用率過高時，BBU會阻止這種方案的過度使用，切換一部分RRH以減少自身利用率。另一方面，切換的RRH會分配給資源利用率較低的BBU以提高吞吐量。

1 相關(guān)工作

C-RAN自提出以來，相關(guān)的研究一直在進行。文獻[4]中提出了QP-FCRA框架，該框架可應(yīng)用在基于C-RAN的毫微微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)資源和功率分配的集中算法中，但沒有考慮用戶到達和離開時資源的實時分配。文獻[5]提出了兩種組稀疏波束成形(GSB)算法，以最大限度地減少整個C-RAN的功耗。事實上，這些文獻的研究是分開進行的，沒有考慮到可以在BBU基帶池重新分配資源。文獻[6]中提出了兩種基于C-RAN的BBU-RRH切換方案：半靜態(tài)和自適應(yīng)，但沒有考慮到RRH可以在一段時間間隔內(nèi)根據(jù)業(yè)務(wù)負載波動關(guān)閉。文獻[7]介紹了U/C分裂機制來實現(xiàn)高效的小區(qū)覆蓋和無縫切換。文獻[8]提出了基于權(quán)重的頻譜資源分配算法，在C-RAN架構(gòu)下進行Hetnet的頻譜資源分配。文獻[9]在C-RAN TDD中引入了動態(tài)BBU-RRH方案。該方案旨在降低利用率大于上限的BBU數(shù)量，并將相應(yīng)的RRH切換到合適的BBU。但該方案一次只分配單個BBU的資源，沒有利用集中池的概念。

總之，現(xiàn)有的C-RAN資源分配方案并沒有利用集中式BBU池的概念。本文利用BBU之間借用資源的方式實現(xiàn)了C-RAN中的BBU-RRH動態(tài)調(diào)度方案，通過僅有資源來改善負載平衡和吞吐量。為了達到這個目標，當BBU的利用率超過負載上限時，BBU必須將它所屬的RRH切換到相鄰的BBU以降低自身利用率。如果沒有相鄰BBU可以處理，則從下一個相鄰的BBU借用資源，依此類推，直到找到利用率低于上限的BBU。

2 數(shù)學(xué)模型

在C-RAN中，所有的RRH共享一個BBU資源池，提高了資源利用率。為了實現(xiàn)資源分配管理，必須獲得BBU的資源使用狀態(tài)，BBU的狀態(tài)定義如下：

定義1 BBU的狀態(tài)Sstate：BBU的使用分為兩種類型，過載組Sbusy，表示BBU超過資源使用的上限；正常組Snormal，表示BBU的資源使用量低于上限。

定義2 BBU組Gp：如果兩個RRH是相連的，則這兩個RRH對應(yīng)的BBU也是相連的。BBU組Gp意味著該組中的BBU是相連的，且全部處于相同的狀態(tài)。

本文為了增強BBU的管理，假定如果幾個RRH歸屬同一個BBU，則這幾個RRH具有相同的周期[10]。

2.1 下行資源分配問題制定

首先關(guān)注BBU和RRH之間的動態(tài)資源分配。當BBU的利用率超過上限時，歸屬它的RRH需切換到其他相鄰BBU上，以降低利用率。如果相鄰BBU的利用率也超過上限，則向下一個相鄰的BBU借用資源。依此類推，直到找到利用率低于上限的BBU。與使用單個BBU進行的研究不同，本文著重于研究選擇盡可能多的BBU進行一次調(diào)度的方案。因為在動態(tài)調(diào)度方案中，處于Sbusy狀態(tài)的BBU會轉(zhuǎn)化為Snormal狀態(tài)，所以更多的Snormal狀態(tài)的BBU可以在下一個回合中處理切換RRH。因此，需要找到BBU組Gp中BBU的最大數(shù)量，Gp表示如下：

(1)

式中，n(Gp)表示屬于Gp組的BBU的數(shù)量,ζx是第x個BBU的利用率。TB為繁忙組樹,若選擇Gp，則找到輔助組中的Gh處理切換RRH。當BBU過載時，RRH從一個BBU切換到另一個BBU需要一定時間。為了減少切換時間，本文選擇具有最少Snormal狀態(tài) 的BBU組Gh來處理切換BBU。Gh表示如下：

(2)

式中，upper為每個BBU的資源利用率上限。如果Gh不適合所選的Gp，則Gp需要重新搜索，直到找到合適的Gh。所提出的方法將為選擇Gp和Gh提供調(diào)度方案。

2.2 基本思想

本文的基本思想是考慮基帶池中的所有BBU，在提出的BBU-RRH動態(tài)調(diào)度方案中，不是評估單個BBU的最大利用率，而是評估最大數(shù)量的BBU的最大利用率。在系統(tǒng)中，每個BBU的利用率要低于上限，防止發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞[11]。相鄰RRH必須分配給同一個BBU，便于集中管理。代表BBU和RRH之間的連接關(guān)系用分配矩陣A表示：

(3)

(4)

式中，ci,j表示Ri和Rj之間的連接權(quán)重。在本文中，BBU利用率ζx被視為一個重要指標，它是由相應(yīng)BBU管理的所有單元的平均物理資源塊(Physical Resource Block，PRB)的利用率，定義如下：

(5)

2.3 BBU-RRH的動態(tài)調(diào)度方案

BBU-RRH動態(tài)調(diào)度方案分三個階段：網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計階段，最大和最小BBU搜索階段以及動態(tài)調(diào)度階段。

(1)網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計階段：該階段旨在收集關(guān)于BBU和RRH的信息。用Ri獲得連接權(quán)重矩陣ci,j來驗證兩個RRH之間現(xiàn)有的重疊區(qū)域。如果Ri和Rj具有重疊區(qū)域，則Ri和Rj相鄰，它們可通過同一BBU進行協(xié)同控制。再用Bx獲得分配矩陣以驗證Bx和Ri之間的連接。然后由歸屬Bx的RRHui占用的資源導(dǎo)出利用率ζx。利用率大于上限的BBU分到過載組Sbusy中，需要借用資源。利用率低于上限的BBU分到正常組Snormal中，能夠借出資源。這樣可得到每個BBU的狀態(tài)。為了記錄每個BBU的連接權(quán)重，將鄰接矩陣D(x,y)定義為:

(6)

根據(jù)文獻[12]，式(6)所示鄰接矩陣可表示為：

(7)

其中dx,y表示Bx和By之間的連通權(quán)重。如果兩個RRHRi和Rj分別歸屬Bx和By，若ci,j=1，則Bx和By相鄰，且dx,y=1。

(2)最大和最小BBU搜索階段：該階段旨在找到最大繁忙組GB和最小輔助組GH進行動態(tài)方案調(diào)度。為了找到這兩個組，構(gòu)建了繁忙組樹TB和輔助組樹TH，然后在這兩棵樹中找到GB和GH，從而找到調(diào)度方案的BBU的最大數(shù)和最小數(shù)。獲取方法如下：

定義3 繁忙組樹TB：給定BBU池中的(B1,B2,…,Gp,…,BM)，可以表示為(G1,G2,…,GM)，則以下條件成立：

①根節(jié)點選擇所有SbusyBBU，形成繁忙組。

②每個節(jié)點的BBU數(shù)量為(maxn(Gq)-level+1)，樹的級別越高，每個節(jié)點的BBU數(shù)越少。

③相同級別的節(jié)點利用率按照降序排列，左側(cè)節(jié)點的利用率必須大于右側(cè)的節(jié)點。

在BBU池(B1,B2,…,Gp…BM)中，從B1開始搜索所有的BBU，觀察所有Sbusy狀態(tài)的BBUBy，根節(jié)點根據(jù)dx,y=1選擇BBU，形成一個繁忙組。然后選擇Gp中BBU數(shù)量n(Gp)最大的子節(jié)點，節(jié)點排序按利用率降序排列，形成第一級。第一級的每個節(jié)點選擇具有(maxn(Gp)-1)個BBU的組合作為子節(jié)點，節(jié)點使用率按降序排序，形成第二級。依此類推，直到搜索到葉節(jié)點，樹TB葉節(jié)點只有一個BBU存在。

輔助組樹TH的構(gòu)造類似于TB。TH和TB構(gòu)建之后，可以在這兩棵樹中找到GB和GH。

①繁忙組GB：從樹TB的第一級開始從低級到高級，從左到右搜索出的節(jié)點作為GB。因為最低級別和最左側(cè)節(jié)點的組具有最大數(shù)量的BBU，并具有最大的利用率。

②輔助組GH：GB確定之后，GH必須在樹TH中查找。從樹TH最高級開始，從高級到低級，從左到右地搜索節(jié)點。因為TH中的BBU的數(shù)量是從高級到低級是升序排列的，并且同一級別的節(jié)點的利用率是按降序排列的。為了利用每個BBU的資源，選擇數(shù)量最少的BBU作為最小輔助組，因為正常組Snomal中BBU的數(shù)量越少，冗余越少。GB中至少有一個BBUBx與GH中的By的連接權(quán)重dx,y=1，以保證GB能夠從GH借用資源。這兩組(第p組和第h組)的總利用率必須滿足如下限制：

(8)

如果總利用率低于上限，則GB和GH可以進行切換方案；否則，GH必須重新選擇，并估計總利用率。如果TH中沒有GH與GB匹配，則必須在TB中重新選擇GB以找到最大繁忙組和最小輔助組。

為了避免調(diào)度方案中的冗余交換過多，構(gòu)建映射路徑。GH中與GB有最高連接權(quán)重的BBU被設(shè)置為Banc，RRH的轉(zhuǎn)換必須在Banc的方向。如果多個BBU具有相同的連接權(quán)重，則應(yīng)選擇利用率較低的BBU。BBU的映射方案是從某個到Banc有最高連接權(quán)重的Bx開始。如果多個BBU具有相同的連接權(quán)重，則選擇具有較高利用率的一個。若Bx要向其他BBU借用資源，則必須通過BBU的拓撲搜索By。By必須與Bx相鄰，并且在Bx的所有相鄰BBU中的利用率最小。找到By之后，通過By切換RRH的BBU也能被找到。映射路徑的構(gòu)造將被遞歸搜索，直到搜索到Banc。

(3)動態(tài)調(diào)度階段：動態(tài)調(diào)度階段關(guān)注于無線接入網(wǎng)絡(luò),SbusyBBU將其管理的RRH切換到相鄰的BBU，直到利用率低于上限。具體流程如下：Bx管理Ri并與By相鄰，現(xiàn)將Ri切換到By。若Bx的利用率低于上限，則完成Bx的動態(tài)調(diào)度方案；若Bx的利用率高于上限，則繼續(xù)尋找相鄰的Bz切換Ri，直到Bx的利用率低于上限，完成調(diào)度方案。接著，按照映射路徑降低其他BBU的利用率，直到Gp和Gh中的所有BBU的利用率都低于上限。然后再選擇新的GB和GH進行調(diào)度方案。直到所有BBU的利用率都低于上限。

3 仿真結(jié)果

本文提出了一種在C-RAN中借用資源方式的BBU-RRH動態(tài)調(diào)度方案,為了評估方案的性能，將該方案與文獻[9]提出的方案進行比較。為了觀察仿真效果，部署了100個RRH，帶寬為15 MHz，載波頻率為5 GHz，并將資源上限設(shè)置為0.9。仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 吞吐量與RRH的性能曲線

圖2 頻譜效率與RRH的性能曲線

圖1顯示了吞吐量與不同數(shù)量RRH的性能關(guān)系。吞吐量都是隨RRH數(shù)量的增加而增加。仿真結(jié)果表明，本文提出的DSSC方案具有較高的數(shù)據(jù)包吞吐量。這是因為更密集的部署增加了RRH重疊區(qū)域的范圍，所提方案利用這些區(qū)域來增加分組吞吐量。圖2顯示了頻譜效率與各種數(shù)量的RRH的性能關(guān)系。頻譜效率都是隨RRH數(shù)量的增加而降低的。仿真結(jié)果表明，本文提出的DSSC方案具有較高的頻譜效率。這是因為RRH的密集部署增加了干擾，所提DSSC方案利用了同一BBU控制的重疊區(qū)域來增加頻譜效率。

4 結(jié)論

本文提出了基于C-RAN的BBU-RRH的動態(tài)調(diào)度方案。該方案中BBU通過切換RRH到相鄰的BBU，將過載組Sbusy的BBU應(yīng)用于正常組Snormal，通過動態(tài)調(diào)度方案提高吞吐量，減少資源的過度使用。本文還利用集中式BBU池的概念，聚合相鄰RRH并分配給同一BBU進行協(xié)作控制來提高頻譜效率。仿真結(jié)果表明，該方案能有效提高系統(tǒng)的吞吐量和頻譜資源利用率。

[1] 蔣偉．基于C-RAN架構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理研究[D]．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016.

[2] 楊豐瑞,董志明.第五代移動通信系統(tǒng)的研究分析[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2015,41(2)：23-25.

[3] 熊琦.C-RAN網(wǎng)絡(luò)中通信和計算資源的分配研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[4] HATOUM A,LANGAR R,AITSAADI N,et al. QoS based power control and resource allocation in OFDMA femtocell networks[C]. Global Communications Conference (GLOBECOM),IEEE,2012: 5116-5122.

[5] Shi Yuanming,Zhang Jun,LETAIEF K B. Group sparse beamforming for green Cloud-RAN[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(5)：2809-2823.

[6] KANEKO S,NAMBA S,WARABINO T. BBU-RRH switching schemes centralized RAN[C]. 2012 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China (CHINACOM),2012,112(423): 762-766.

[7] SAKAGUCHI K,SAMPEI S,SHIMODAIRA H,et al. Cloud cooperated heterogeneous cellular networks[C]. International Symposium on Intelligent Signal Processing & Communications Systems,2013: 787-791.

[8] Wang Zejue,Li Hongjia,Wang Heng,et al. Probability weighted based spectral resources allocation algorithm in HetNet under Cloud-RAN architecture[C]. 2013 IEEE/CIC International Conference on Communications in China-Workshops (CIC/ICCC),2013,6983(6):88-92.

[9] Zhu Dalin,Lei Ming. Traffic and interference-aware dynamic BBU-RRU mapping in C-RAN TDD with cross-subframe coordinated scheduling/beamforming scheduling/beamforming[C]. 2013 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC),2013: 884-889.

[10] CHEN Y S,CHIANG W L,SHIH M C. A dynamic BBU-RRH mapping scheme using borrow-and-lend approach in Cloud radio access networks[J]. IEEE Systems Journal,2014(99): 1-12.

[11] LYAZIDI M Y,AITSAADI N,LANGAR R. Dynamic resource allocation for Cloud-RAN in LTE with real-time BBU/RRH assignment[C]. 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC),2016.

[12] 劉言,趙銳,杜磊,等.基于改進生成樹優(yōu)化算法的抗毀性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究[J]．微型機與應(yīng)用，2015,34(3):67-70.

Design of BBU-RRH dynamic scheduling scheme based on C-RAN

Xu Qing,Yao Jianguo

(College of Telecommunications Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

In the Cloud Radio Access Network (C-RAN) architecture,the traditional base station is divided into BaseBand Units (BBUs) and remote radio heads(RRHs). All RRHs are distributed in the remote site to share the BBU resource pool running in the Cloud center. Existing researchs consider RRH can only transfer data to the only attributable BBU,resulting in data not to be shared between different BBUs. This paper presents a BBU-RRH dynamic scheduling scheme based on C-RAN (DSSC),in which BBU can dynamically allocate resources to the RRH through the use of resources. The simulation results show that the proposed scheme can improve the throughput and spectrum efficiency of the system effectively and reduce the waste of resources.

Cloud Radio Access Network (C-RAN); resource allocation; centralized management

TN929.53

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.023

許青，姚建國.基于C-RAN的BBU-RRH的動態(tài)調(diào)度方案設(shè)計J.微型機與應(yīng)用，2017,36(24)：80-83.

2017-06-30)

許青(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向:移動通信。

姚建國(1965-)，男，研究員，主要研究方向: 移動通信理論與關(guān)鍵技術(shù)。