4G网络数据传输流程与速率分析系列（二）--资源调度

iyangxin

摘要：兵马未动，粮草先行。要在4G网络下传小视频得有资源呀，资源怎么分配？作为《4G网络数据传输系列》第二篇文章，本文将介绍下行和上行的资源调度过程。

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前回书（微信公众号 Wisdom365 回复“数据流程”）说到Alice手机的微信小视频想要通过4G网络到达Bob手机需经过空口层层处理：小视频的IP包经过PDCP、RLC、MAC、物理层发射出去，通过基站等网络设备转发，Bob手机接收到后再经过物理层、MAC、RLC、PDCP层层剥离，露出小视频的IP包。同时，小编也介绍了PDCP、RLC、MAC各层的功能。

PDCP讲了，RLC讲了，MAC也讲了，就差物理层没说了。啊哈，你没猜错，今天Bob通信大讲堂第二课走起：扒一扒物理层里的那些事，从上行和下行两个方向一起扒一扒。

我们把物理层的上一层MAC层传下来的数据叫传输块（TB，Transport Blocks），物理层以1ms的调度周期对TB进行处理，最终通过天线发射出去。那么问题来了：物理层到底对TB干了什么？也就是物理层的处理流程是什么？

答：物理层处理流程与典型通信系统发射机和接收机处理流程类似，具体到4G LTE中，对TB处理包括CRC、信道编码、交织（对抗衰落）、调制、层映射（使用MIMO）、资源映射等。

原来是酱紫，那么问题又来了：上面提到的各种处理中参数如何决定？比如调制阶数如何确定？资源映射中资源多少如何确定？这些物理层都得提前知道才能开工呀。

答：这些参数其实是由上一层MAC层决定的，这也是MAC层的重要功能之一。基站中有一个资源调度器逻辑上属于MAC层，它从物理层获取一些关键信息（如无线信道质量），通过算法得出各种参数，再告诉物理层怎么怎么做，这个过程小编把它称为资源调度。（这么看物理层只是个干活的呀，MAC才是领导）。

上面这两个问题，第一个物理层处理流程，第二个资源调度，就是这个系列文章中物理层要讲的内容。虽然第二个问题资源调度的决定权不在物理层，不过需要物理层提供关键信息，姑且就把它放在这里吧。另外，按照实际数据传输的流程，先有第二个问题，才有第一个问题（不知道资源位置和参数，叫物理层怎么开工），所以小编要先讲资源调度，再讲物理层处理流程。

艾玛，终于铺垫完了，可以正式开讲了。

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4G网络数据传输流程之资源调度

4G网络的资源调度有以下几个特点，请先拿小本记下：

• 4G LTE网络中，资源调度就是指如何分配无线资源PRB；
• 资源调度分上行和下行，都是由基站来最终决定的，手机重在参与；
• 基站中的资源调度器执行调度过程，不仅要考虑如何给一个用户分配资源，还要考虑多个用户之间的协调、优先级问题。多个用户之间协调通过多用户调度算法（像轮询、比例公平等）实现，本文中小编暂（qi）不（shi）讨（bu）论（dong），重点讲单用户的资源分配；
• 资源调度中需要手机参与反馈重要信息，比如信道质量。
  
  

先说下行（Bob从基站中下载Alice发给他的小视频）的资源分配再说上行。简单讲：每个1ms的调度周期时间里，基站君的资源调度器收到Bob手机反馈上来的下行链路无线信道质量，查表得出调制方式和最高码率。信号好，采用高阶调制方式，码率高；信号差，采用低阶调制方式，码率低。然后，基站君的资源调度器考虑待传数据量，查表确定分配多少PRB，如下示意图。

能不能说的再具体些？

1、Bob手机物理层向基站君发送CQI，表示下行无线信道质量。这个CQI是Channel Quality Indicate 的缩写，一共4bit，取值1~15，如下表（TS 36.213 Table 7.2.3）。（啥？你问我手机是怎么算出CQI的？鬼才知道，通过解调小区参考信号估计出来的？）

2、基站君收到CQI后，查上表就知道了调制方式和最大码率。CQI越小，说明信号越不好，采用低阶调制方式，码率越低，即保护比特越多。从表中也能看出，对于同一种调制方式，对应多种码率。比如CQI = 1~6，调制方式都是QPSK，但码率越来越高，通过这样的细分保证调度灵活性。

到这里，基站君已经确定了调制方式和最高码率，下面就要确定分配多少物理资源（PRB）了。此时，不同基站厂商按照某种小编不知道的算法，将手机反馈的4bit CQI值，换算成一个5bit的MCS值，取值0~26 。MCS是Modulation and Coding Scheme的缩写，称为调制编码策略，如下表（TS 36.213 Table 7.1.7.1） 。后续将通过MCS来确定物理资源，调整调制阶数。

3、确定MCS后，继续查上表，得到一个对应的TBS Index值，范围也是0~26。TBS Index看名字就知道是用来找TBS的，那TBS是什么鬼？TBS，Transport Block Size，顾名思义是传输块大小，为什么要弄这么个参数呢？小编认（xia）为（chai）：

从MAC传到物理层的TB数据大小是没有规律、随机的，而TBS就相当于用来装数据的标准大小的筐，用什么样的车（即多少无线资源）来送走这个筐是固定的。这样，MAC传下来的数据先往TBS这个筐里装，一个小筐不够就换一个大筐，装好后，按照所使用筐的标准找车就好了。因为框有好多种，小小框，小框，中筐，大筐，大大筐等等，所以MAC传下来的数据总能找到合适的筐，这样一切就是流程化、标准化。只要筐的分类合理，总能在复杂性和有效性之间找到平衡点，这就是TBS的意义。(^o^)/

4、得到TBS Index值后，继续查表（如下TS 36.213 Table 7.1.7.2.1）确定PRB数 。有了TBS Index就锁定了表的某一行，不同的列代表不同的TBS大小，就是小编上面提到的筐，对应有不同的车（PRB）在等着送货。根据货的多少（传输的数据量）在这一行中选择一个最合适的筐，即选择一个大于或等于待传数据量且与待传数据量最接近的TBS。这样，为待传数据分配多少PRB就跟着确定了。

举个栗子，TBS Index = 12， 锁定上表最后一行；假设待传数据量是4000bit，该行中大于4000且与4000最接近的是4136，所以就选TBS = 4136这个筐来装数据，对应的PRB = 18，也就是说基站君分配18个PRB来传这次的数据。

此时，基站君已经知道待传数据的调制阶数、最高码率、MCS、TBS、PRB数，是不是可以交给物理层发射了？呵呵，还没完呢。。。难道没有发现最高码率还没派上用场吗？下面有请最高码率登场。

5、基站君根据上一步选择的TBS和PRB数，计算码率（CR），看是否超过最高码率。如果没超过，则万事大吉；如果超过，MCS就降低一个值，重复第3~5步，直到计算出的码率小于最高码率。

那到底要怎么算码率？(+﹏+)~，码率 = 信息比特数 / PRB中承载数据的总比特数，其中：

• 信息比特数 = TBS + CRC，信息比特数是指信道编码前的数据，所以要包括CRC附加的24bit；
• PRB中承载数据的总比特数 = 能用来传输数据的RE数 x 调制阶数。调制阶数已经知道，还要计算总共有多少RE用来传数据。1个PRB总有168个RE，但这168个RE不能都用来传数据，要减去开销（包括同步信道，PBCH，PDCCH等控制信息占用的RE数），不同网络配置开销数还不一样（想知道如何计算开销？私撩小编吧）。所以PRB中承载数据的总比特数 = PRB数 x （168 - 每个PRB中开销占用RE数）x 调制阶数 。
  
  

继续举栗子。手机反馈CQI=7，基站君通过小编不知道的算法得到MCS=13，查表TBS Index=12，假设待传数据是4000bit，查表得到TBS=4136，对应PRB=18，则：

• CR的分子，信息比特数 = TBS+CRC = 4136+24 = 4160；
• CR的分母，PRB中承载数据的总比特数 = 18（PRB数）x138（1个PRB中传输数据的RE）x 4（调制阶数） = 9936； （小编才不会告诉你138是用168减去CFI=2时PDCCH占用RE和CRS占用RE得到的，O(∩_∩)O~）
• 所以码率CR = 4160/9936 = 0.419 > 最高码率0.369；
• 所以MCS降阶选择12，则TBS Index=11，TBS=4008，PRB=20，重新计算码率 =（4008+24）/（20x138x4）= 4032/11040 = 0.365 < 最高码率0.369。
• 结果OK，Game Over。
  
  

艾玛，总算是把下行资源调度完了，简单总结下：

啥？还有上行资源调度？

上行资源调度和下行资源调度总原则是一样的，遵循“获取无线信道质量→MCS→TBS Index→确定TBS及PRB数”，但是也略有不同。示意图如下：

1、虽然上行方向是手机发送数据给基站，不过手机的物理层如何处理数据、用哪些无线资源发送也是由基站决定的，在本文一开始，小编就提到，上行和下行的资源调度都是由基站决定的。

2、上行方向资源调度，基站君也要首先获取无线信道质量。对于下行的无线信道质量，基站君是通过手机反馈的CQI知晓的；那么对于上行，基站君亲自操刀测量手机发送的上行SRS（Sounding Reference Signal）信号，估计出信道质量。

3、上行方向由于是手机给基站发数据，所以基站事先不知道手机有多少数据要发，基站不知道数据量大小就没法决定分配多少资源啊，所以手机要向基站发送BSR（Buffer Status Report），表明手机的缓存里有多少数据要传。

4、基站君通过信道质量得出MCS，进而查表得到TB Index、TBS、PRB，这个过程和下行一样，不详述。

5、基站将决定好的TBS、调制阶数、资源数量等信息打包成TF（Transport Format ）发给手机，手机按这些参数指导物理层开工，准备发射。

至此，我们4G网络数据传输流程系列的第二课就Over了，这一课里我们讲了物理层中两个关键问题的第一个：下行和上行资源调度，下一课小编将介绍物理层的详细处理流程，敬请期待。

下课~~