一種排隊(duì)延遲感知的LTE調(diào)度機(jī)制

吳大鵬，龔長河，王汝言，王 建

(1.重慶郵電大學(xué)寬帶泛在接入技術(shù)研究所，重慶 400065；2.中興通訊股份有限公司上海研發(fā)中心，上海 201203)

1 概述

以正交頻分多路復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)為核心技術(shù)的長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)系統(tǒng)能夠顯著提高用戶吞吐量和扇區(qū)容量，降低用戶可感知的時(shí)延，從而大幅提升用戶的移動通信體驗(yàn)[1]。VoIP語音業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)[2]的期待得到了廣泛關(guān)注，其關(guān)鍵在于VoIP語音業(yè)務(wù)的QoS需求是否得到滿足。

語音業(yè)務(wù)對時(shí)延的要求較高，在目前的第三代移動通信系統(tǒng)及其以前的系統(tǒng)中，此類業(yè)務(wù)均以電路域承載，通過專用資源調(diào)度語音業(yè)務(wù)，系統(tǒng)開銷較大。LTE系統(tǒng)采用了扁平化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了鏈路時(shí)延[3]，使其能夠在分組域以VoIP的方式承載語音業(yè)務(wù)，且服務(wù)質(zhì)量與電路域相當(dāng)。與其他類型的業(yè)務(wù)不同，VoIP業(yè)務(wù)具有諸多特殊性，其中包括分組長度較短、分組間隔相對固定、時(shí)延要求嚴(yán)格等，適用于傳統(tǒng)分組交換網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)調(diào)度方法并未充分考慮上述業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，無法滿足無線環(huán)境下的語音業(yè)務(wù)需求，因此，研究適用于LTE系統(tǒng)的VoIP分組調(diào)度方法是保障語音通信的基礎(chǔ)，也是LTE系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題之一[4]。

目前，廣泛應(yīng)用于LTE系統(tǒng)的調(diào)度方法只針對隊(duì)列長度和信噪比調(diào)整分組的調(diào)度順序[5]，使得信道條件差的用戶無法得到足夠的系統(tǒng)資源，公平性較差；另外，與其他類型業(yè)務(wù)不同，語音業(yè)務(wù)對分組的延遲有嚴(yán)格要求[6]，上述調(diào)度方法增加了分組等待延遲，引發(fā)了分組丟棄，進(jìn)而降低了用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。為了克服傳統(tǒng)的LTE系統(tǒng)語音分組調(diào)度方法的不足，本文提出排隊(duì)延遲感知的分組調(diào)度機(jī)制，利用隊(duì)列等待延遲和業(yè)務(wù)允許的最大延遲來產(chǎn)生一個(gè)延遲權(quán)重，然后用這個(gè)權(quán)重動態(tài)地調(diào)整分組調(diào)度的優(yōu)先級，從而達(dá)到有效利用網(wǎng)絡(luò)資源及改善用戶公平性的目的。

2 排隊(duì)延遲感知的分組調(diào)度機(jī)制

LTE的分組調(diào)度機(jī)制主要是確定用戶調(diào)度優(yōu)先級，然后給其分配資源，與其他通信系統(tǒng)不同，LTE系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)承載存在其特殊性，通過專用資源調(diào)度語音業(yè)務(wù)[7]。調(diào)度和資源分配在每一個(gè)傳輸時(shí)間間隔(Transmission Time Interval, TTI)執(zhí)行[8]，但是每一個(gè)TTI都會更新重新確定用戶調(diào)度優(yōu)先級，傳輸資源物理資源塊(Physical Resource Block, PRB)其特殊性如下：在LTE中，VoIP業(yè)務(wù)的傳輸資源最小單位是PRB，從圖1可以看出，LTE在時(shí)域和頻域內(nèi)將資源進(jìn)行了二維劃分，劃分出的最小單位稱為一個(gè)物理資源塊。每個(gè)PRB都具有相同的大小，即頻域最小單位為1.25 MHz，時(shí)域最小單位為0.5 ms。在每一個(gè)子幀的開始，LTE中VoIP業(yè)務(wù)通過特定的調(diào)度算法將這些PRB分配給不同的用戶，一個(gè)用戶可以在幾個(gè)連續(xù)子幀中占用同一個(gè)PRB，也可以在一個(gè)子幀中同時(shí)占用幾個(gè)PRB，或是以上方式的靈活組合[9-10]。當(dāng)前的LTE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一個(gè)PRB在時(shí)域上分為2個(gè)子幀，頻域上分為12個(gè)子載波[11]。

圖1 LTE系統(tǒng)時(shí)/頻域資源調(diào)度原理

如前所述，主要有4個(gè)方面因素影響LTE系統(tǒng)VoIP業(yè)務(wù)的 QoS，分別為信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)、隊(duì)列長度、排隊(duì)延遲、業(yè)務(wù)允許最大延遲等。綜合考慮上述多個(gè)方面的因素，本文提出了排隊(duì)延遲感知(Queuing Delay Aware, QDA)的語音業(yè)務(wù)分組調(diào)度機(jī)制，該機(jī)制的核心思想是在第一個(gè)傳輸時(shí)間間隔通過用戶的隊(duì)列長度和信道條件來確定優(yōu)先級，從第 2次調(diào)度開始，利用排隊(duì)延遲和業(yè)務(wù)允許最大延遲雙重約束產(chǎn)生基于指數(shù)函數(shù)的權(quán)重值，進(jìn)而動態(tài)地調(diào)整用戶調(diào)度優(yōu)先級，直到?jīng)]有可用的資源或者沒有用戶需要調(diào)度。

傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)調(diào)度機(jī)制僅考慮隊(duì)列長度和信噪比，用戶分組的調(diào)度優(yōu)先級如式(1)所示：

其中，Qlen(i)和iγ分別表示語音業(yè)務(wù)用戶i的隊(duì)列長度和信噪比。式(1)表明隊(duì)列長度越長，信噪比值越大的語音分組優(yōu)先級越高，其獲得系統(tǒng)資源的概率較大。

但是，單純地采用隊(duì)列長度和信噪比這 2個(gè)參數(shù)來確定語音分組的優(yōu)先級，將導(dǎo)致信道條件差的用戶遲遲得不到調(diào)度，使得公平性下降，而且還會導(dǎo)致丟包率的增加，難以有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。除了上述隊(duì)列長度和信噪比之外，語音分組調(diào)度機(jī)制還需要考慮隊(duì)列等待延遲、數(shù)據(jù)包傳輸速率、VoIP業(yè)務(wù)允許的最大延遲等因素。每一種業(yè)務(wù)對延遲的敏感度不同，而VoIP業(yè)務(wù)是對延遲反應(yīng)最敏感的業(yè)務(wù)，因此，針對VoIP業(yè)務(wù)就需要把其最大允許延遲作為計(jì)算優(yōu)先級的一個(gè)參數(shù)，同時(shí)排隊(duì)延遲直接影響丟包率以及系統(tǒng)的公平性，所以，在本文調(diào)度機(jī)制中把這 2個(gè)參數(shù)作為重要參考來計(jì)算調(diào)度優(yōu)先級。

信道條件差的用戶遲遲得不到調(diào)度導(dǎo)致排隊(duì)延遲增加，排隊(duì)延遲增加會造成丟包率上升，而且這些用戶遲遲得不到調(diào)度就會處于“餓死”狀態(tài)，用戶公平性得不到體現(xiàn)。因此，本文采用延遲權(quán)重作為優(yōu)先級判斷的主要參數(shù)，該參數(shù)主要描述了隊(duì)頭(Head of Line, HOL)數(shù)據(jù)包排隊(duì)時(shí)間接近最大允許延遲的程度，所使用的延遲權(quán)重定義如下：

其中，Tqueue為分組在隊(duì)列中的等待時(shí)間，該參數(shù)根據(jù)HOL包的等待時(shí)間來確定；Dmax表示業(yè)務(wù)允許最大延遲。與其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)相同，本文令VoIP業(yè)務(wù)的最大允許延遲Dmax為20 ms[12]。延遲權(quán)重值的函數(shù)如圖2所示。

圖2 延遲權(quán)重值的函數(shù)

如圖 2所示，權(quán)重值隨著排隊(duì)延遲的增加而變大，但權(quán)重值的最大值不超過1，即排隊(duì)延遲不超過最大延遲門限20 ms，其主要原因在于VoIP業(yè)務(wù)對時(shí)延十分敏感，當(dāng)排隊(duì)延遲超過業(yè)務(wù)所允許的最大時(shí)延后，用戶通話質(zhì)量就會急劇下降，使得建立起來的通話顯得毫無意義，而且為這些用戶分配資源將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率的下降。因此，在本文所提出的調(diào)度方法中，當(dāng)排隊(duì)延遲超過最大允許延遲的數(shù)據(jù)包就直接丟棄，即圖 2中超過最大允許延遲 20 ms后的權(quán)重設(shè)置為0。

綜合考慮上述影響用戶分組調(diào)度的多個(gè)參數(shù)，本文提出的分組調(diào)度機(jī)制能夠有效提高用戶公平性，改善信道條件較差的用戶服務(wù)質(zhì)量，使其避免出現(xiàn)超過業(yè)務(wù)最大允許延遲后形成“餓死”狀態(tài)。語音分組的優(yōu)先級如式(3)所示：

所使用的信噪比iγ定義如式(4)所示：

其中，F(xiàn)、N0、B、I分別是噪聲因數(shù)、噪聲譜密度、資源塊的帶寬以及干擾。

接收功率PRX,i定義如式(5)所示：

其中，PTX表示傳輸功率；Mi、Li、iT、Si分別表示多徑損失、路勁損耗、滲透以及陰影。

根據(jù)式(3)計(jì)算出優(yōu)先權(quán)后，優(yōu)先權(quán)越大的用戶越先獲得調(diào)度，調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先權(quán)值將HOL包降序排列，并且分配PRB給用戶，直到PRB沒有剩余為止。每個(gè)TTI都在執(zhí)行優(yōu)先權(quán)的計(jì)算。本文提出的QDA算法偽代碼具體如下：

用戶公平性的判定準(zhǔn)則如式(6)所示：

其中，k表示用戶的數(shù)量；xi表示用戶i的平均速率，其計(jì)算方法如式(7)所示：

其中， ri( k)表示的是數(shù)據(jù)流i在第k個(gè)TTI獲得的速率；xi( k - 1)表示上一個(gè)TTI的平均速率。

3 數(shù)值結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文提出的調(diào)度機(jī)制對VoIP業(yè)務(wù)的QoS滿足度，以及對整個(gè)系統(tǒng)的影響。仿真場景為單小區(qū)有干擾，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文選取LTE系統(tǒng)中的典型調(diào)度機(jī)制VSM(VoIP Scheduling Model)進(jìn)行比較，兩者丟包率仿真結(jié)果如圖3所示，隨著用戶數(shù)的增加，2條曲線呈上升趨勢，但是QDA調(diào)度機(jī)制的丟包率一直比VSM的丟包率低，且用戶數(shù)越多的時(shí)候表現(xiàn)越明顯，QDA調(diào)度機(jī)制在丟包率性能方面得到了很大提升，當(dāng)用戶數(shù)達(dá)到60時(shí)丟包率沒有超過1%，完全滿足用戶對丟包率的要求。其主要原因在于本文提出的QDA調(diào)度機(jī)制提高了接近允許最大延遲用戶的調(diào)度優(yōu)先級，從而使這些用戶不會因?yàn)槌^最大允許延遲而被丟棄，使得系統(tǒng)整體丟包率得到改善。

圖3 VoIP丟包率比較

圖4為VSM和QDA調(diào)度機(jī)制公平性的比較，由此可知QDA調(diào)度機(jī)制的公平性始終優(yōu)于VSM，表明QDA調(diào)度機(jī)制的公平性相對 VSM 整體都得到了顯著的提高。因?yàn)镼DA調(diào)度機(jī)制給那些信道條件差而得不到調(diào)度從而導(dǎo)致排隊(duì)延遲增加的用戶提高了調(diào)度優(yōu)先級，增加了其獲得調(diào)度的概率，使得信道條件差的用戶避免長期得不到調(diào)度甚至處于“餓死”狀態(tài)。所以系統(tǒng)整體的公平性就得到了一定的提升。

圖4 公平性比較

VSM與QDA調(diào)度機(jī)制系統(tǒng)延遲比較如圖5所示，QDA調(diào)度機(jī)制的延遲比VSM略高，性能有所下降，其主要原因在于 QDA調(diào)度機(jī)制把排隊(duì)延遲作為確定用戶調(diào)度優(yōu)先級的參數(shù)，使得排隊(duì)延遲較大而信道條件較差的用戶的調(diào)度優(yōu)先級得到了提高。因此，系統(tǒng)延遲性能方面略低于VSM。從圖中可以看出，用戶數(shù)到達(dá)60時(shí)延遲為11 ms，小于最大允許延遲20 ms，滿足用戶語音通信的要求。QDA調(diào)度機(jī)制在滿足用戶延遲方面需求的前提下提升了其他性能。

圖5 系統(tǒng)延遲比較

圖6為系統(tǒng)吞吐量的比較，由圖中可知，QDA調(diào)度機(jī)制的吞吐量相對VSM略低，其主要原因在于其中一部分信道條件差的用戶提高了調(diào)度優(yōu)先級，反之，一部分信道條件好的用戶的調(diào)度優(yōu)先級降低。這導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量有所下降，但是從中可以看到QDA調(diào)度機(jī)制相比VSM吞吐量下降的并不明顯。因此，QDA調(diào)度機(jī)制對系統(tǒng)吞吐量的影響是可以忽略的。

圖6 系統(tǒng)吞吐量比較

綜上所述，本文提出的調(diào)度機(jī)制在滿足VoIP業(yè)務(wù)QoS需求的前提下，同時(shí)最小化了延遲和吞吐量這 2個(gè)性能方面的負(fù)面影響。仿真結(jié)果表明，本文提出的QDA調(diào)度機(jī)制在滿足延遲需求的前提下，降低了丟包率以及提升了系統(tǒng)的公平性。

4 結(jié)束語

本文針對 LTE的 VoIP業(yè)務(wù)提出了一個(gè)有效的調(diào)度機(jī)制。該調(diào)度機(jī)制的重點(diǎn)是在綜合考慮影響VoIP業(yè)務(wù)的各個(gè)因素前提下，為信道條件差的用戶提高了調(diào)度優(yōu)先權(quán)。應(yīng)用本文提出的調(diào)度機(jī)制對 VoIP業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度，可以滿足VoIP業(yè)務(wù)對QoS的需求，同時(shí)最小化了系統(tǒng)吞吐量和延遲這2個(gè)性能方面的負(fù)面影響。通過仿真結(jié)果可知，QDA調(diào)度機(jī)制在用戶數(shù)達(dá)到 60左右時(shí) VoIP業(yè)務(wù)的丟包率不到1%，同時(shí)公平性和延遲有所提高，但是吞吐量稍微有所下降。下一步工作將研究在兼顧語音業(yè)務(wù)吞吐量和公平性的前提下，盡量降低語音業(yè)務(wù)的延遲與丟包率，使用戶對QoS的滿意度得到提高。

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