基于延遲快速調(diào)度算法的VoLTE低丟包評估

朱仕達

（中國移動通信集團廣東有限公司中山分公司，廣東 中山 528400）

0 引言

VoLTE 技術是在LTE 網(wǎng)絡上支持清晰度極高的語音/視頻通話，且能讓用戶在使用數(shù)據(jù)業(yè)務上網(wǎng)的同時使用語音通話業(yè)務，提高了用戶體驗，這是2G/3G 技術無法做到的。VoLTE 高清語音業(yè)務具有呼叫時延短、話音質(zhì)量高、支持高清視頻等優(yōu)點[1]。隨著4G 新技術的快速發(fā)展與推廣，運營商的VoLTE 用戶數(shù)呈爆發(fā)性增漲，在使用VoLTE 通話時遇到的語音質(zhì)量下降、單通、串話甚至接續(xù)不通[2]等各種問題將影響用戶感知。

無線網(wǎng)絡對傳輸延遲、延遲抖動、丟包率以及帶寬有很高的要求，以保證業(yè)務的QoS 需求[3]。早期的傳輸包資源調(diào)度算法，如輪詢（Round Robin）[4]算法默認一個小區(qū)內(nèi)所有用戶優(yōu)先級都是相同的，按照固定順序周期性地調(diào)度用戶，但這樣不論信道質(zhì)量好壞，用戶均會被調(diào)度，系統(tǒng)的平均吞吐量將受到較大影響。目前常用的最大載干比（Maximum C/I）[5]算法的基本思想是在調(diào)度時，調(diào)度器會對全部等候調(diào)度的用戶進行載頻/干擾比率（能讓用戶達到最高瞬時傳輸速度）的順序進行整理，然后調(diào)度器將信道質(zhì)量極優(yōu)的用戶加入隊列并調(diào)度，這樣就能確保系統(tǒng)每次調(diào)度的用戶質(zhì)量都是極優(yōu)的，也確保系統(tǒng)質(zhì)量的最優(yōu)率，資源利用率最高。但該算法毫無用戶間的公平性可言，對于處于小區(qū)信號覆蓋邊緣或受建筑物阻擋嚴重的終端，因為弱信號和干擾的原因?qū)蛊涮幱谡{(diào)度隊伍的最后方，終端一直處于無法發(fā)起業(yè)務的狀態(tài)；而對于處于小區(qū)信號覆蓋最佳點的終端，由于信道質(zhì)量極優(yōu)，其將會一直處于調(diào)度隊列的最前方，終端一直處于被調(diào)度的狀態(tài)。

因此，輪詢算法和最大載干比算法均不能確保信號質(zhì)量差用戶的調(diào)度和用戶間的公平性，由此會增加用戶在業(yè)務中的丟包情況，而且這兩種算法的復雜度較高。

針對這些問題，為了能夠滿足VoLTE 語音通話的服務質(zhì)量需求，本文提出了結合用戶信道狀態(tài)和時延問題，算法復雜度低的延遲快速調(diào)度（Delay Fast Dispatching,DFD）算法，且在估算用戶延遲的條件后，通過組建參數(shù)模型組來優(yōu)化VoLTE 語音丟包率。本文從VoLTE 語音的相關網(wǎng)元及其功能入手，結合時延優(yōu)先調(diào)度算法，建立合理的參數(shù)模型，可以在確保每個用戶的調(diào)度率平等的前提下，改善用戶由于調(diào)度問題導致丟包的幾率。

1 算法介紹分析

1.1 DFD 算法

DFD 算法結合VoLTE 用戶的信道狀態(tài)和時延大小，利用公式算出調(diào)度各個用戶的順序：

式中，Pu(t)為用戶u 在所有PRB 上的平均頻帶效率。從表1 可得，頻帶效率根據(jù)用戶終端上發(fā)的CQI 值來確定，因此Pk(t)可代表用戶當時信道質(zhì)量的好壞。

根據(jù)公式(1)算出結果，獲取調(diào)度隊列中用戶的優(yōu)先級順序，結合其優(yōu)先級順序?qū)τ脩暨M行優(yōu)先級排序。當該用戶調(diào)度需求符合優(yōu)先級隊列排序后，從服務列表中清除，根據(jù)公式(2)重新從服務列表中挑選用戶接受調(diào)度。

從公式(1)可以看出，Wu(t)和Pu(t)值增加，用戶的優(yōu)先級也相應增加。當申請業(yè)務的用戶數(shù)較大時，在等候調(diào)度列表中將有很多數(shù)據(jù)包處于系統(tǒng)設定延遲門限的臨界值，此時對于信道條件情況一致的用戶來說，延遲小的用戶需要優(yōu)先調(diào)度，這樣就能在相同時間內(nèi)最大限度地調(diào)度用戶，緩解系統(tǒng)負擔。因此DFD 算法根據(jù)用戶的延遲情況和信道狀態(tài)，快速調(diào)度用戶，減少在用戶數(shù)多時由于等候調(diào)度而導致的丟包情況，能最大限度利用系統(tǒng)性能。

在DFD 算法中，根據(jù)公式算出TTI 中處于等候調(diào)度列表用戶的優(yōu)先級，隨后將最好的資源分配給優(yōu)先級高的用戶，當分配的資源符合其業(yè)務所需的資源數(shù)時，該用戶會被移出服務列表外，系統(tǒng)將重新根據(jù)服務列表里用戶的優(yōu)先級繼續(xù)分配資源，當所有資源分配完畢，系統(tǒng)會停止優(yōu)先級計算和資源調(diào)度流程。

表1 MCS與SINR映射表

本文采用的調(diào)度算法的調(diào)度流程如下：

輸入：

（1）系統(tǒng)調(diào)度時隙數(shù)目：NTTI；

（2）每個用戶時延門限：D1、D2、…、Dk；

（3）每個用戶的HoL 時延：W1、W2、…、Wk；

（4）每個用戶在每個PRB上頻帶效率：11、21、…、ik；

（5）用戶GBR 要求：GBR。

輸出：

建立資源配置矩陣：distribution－RB。

（1）賦值i_TTI=1；

（2）從公式(1)算出當前TTI 中所有用戶的頻帶效率，即P1(i_TTI)、P2(i_TTI)、…、Pk(i_TTI)；

（3）根據(jù)公式(2)對調(diào)度優(yōu)先級第一的用戶K 進行調(diào)度；

（4）從空閑的資源中選擇用戶K 中信道質(zhì)量極好的資源；

（5）將上述選擇的資源調(diào)出資源空閑列表，執(zhí)行用戶u 的業(yè)務，并刷新資源配置矩陣distribution－RB；

（6）若發(fā)現(xiàn)當前用戶分配到的資源數(shù)小于業(yè)務需求的所需資源數(shù)，則重復步驟（4）～（6），直至用戶K 分配到的資源數(shù)大于等于業(yè)務需求的所需資源數(shù)，并將當前用戶移出服務列表外；

（7）核查資源是否分配完畢，當發(fā)現(xiàn)有未分配的資源，則重復步驟（3）～（7），直至資源分配完畢；

（8）i_TTI=i_TTI+1；

（9）判斷i_TTI 是否等于NTTI，若不相等，則重復步驟（2）～（9），直至i_TTI=NTTI；

（10）返回資源塊配置矩陣distribution－RB。

1.2 優(yōu)化策略

本文通過調(diào)整上述算法中的各個用戶的時延門限參數(shù)D，從而達到優(yōu)化效果。

由于VoLTE 語音業(yè)務中，網(wǎng)元MGW（Media Gateway，媒體網(wǎng)關）支持各種不同呼叫相關業(yè)務的網(wǎng)絡實體，主要有以下功能：

（1）媒體資源處理。當撥打語音電話時，會聽到各種語音提醒，如當語音通話接通時聽到的回鈴音，再者是通話不能正常接通時播放的“您撥打的電話暫時未能接通，請稍后再撥”等特殊情況下的播音提醒，其均通過MGW網(wǎng)元去處理并播放提醒用戶語音通話是否正常進行。

（2）媒體轉(zhuǎn)換。VoLTE 語音技術采用不同于GSM/TD-SCDMA 的先進語音編碼方式，需要MGW 網(wǎng)元在VoLTE 用戶與GSM/TD-SCDMA 用戶進行語音通話時，將攜帶GSM/TD-SCDMA 語音編碼的語音包解譯成VoLTE 技術能處理的編碼方式，這樣VoLTE 用戶就能聽到GSM/TD-SCDMA 用戶所說的話，相反也是如此。

（3）承載控制。當用戶撥打語音通話時，MGW 網(wǎng)元需要處理MSCS 網(wǎng)元發(fā)出的各種語音提醒的信息，由此得知用戶通話時哪個步驟需要提取語音提醒資源，哪個步驟需要播放語音提醒等，MGW 網(wǎng)元全程協(xié)助MSCS網(wǎng)元處理這些信息。

（4）抗抖動功能[6]。在語音業(yè)務傳輸過程中，語音包期望到達時間和語音包實際到達時間的時間差，叫做抖動。為了讓語音通話達到實時通話效果，抗抖動這項功能顯得至關重要。本文通過調(diào)整MGW 的抗抖動門限，達到降低丟包率，改善用戶通話質(zhì)量的目的。圖1 為MGW 的拓撲圖：

圖1 MGW的拓撲圖

目前MGW 使用MFD semi-static jitter buffering 的算法，對普通的static jitter buffering 有增強。該算法中超出初始抗抖動門限（initialDeJitterBufferSizeIpCn）的包才會丟棄，未超過初始抗抖動門限的包，會推遲發(fā)送，放在下一個scheduled processing time slot 里發(fā)送，不會造成丟包現(xiàn)象。初始抗抖動門限是通過maximum jitter buffer size (TjitMax)算出來，反映在統(tǒng)計上只有對于too late 的包才算在too late packet 的計數(shù)器里面，對于過度延遲、超出了初始抗抖動門限的包就丟棄，統(tǒng)計計數(shù)器不會計算這部分。

為了驗證初始抗抖動門限參數(shù)對丟包率的影響，本文建立了4 組參數(shù)模型，分別應用在業(yè)務情況和指標相近的4 個網(wǎng)格里，評估不同參數(shù)值對指標的影響。

通過4 組參數(shù)模型對比（如表2），在網(wǎng)管上提取參數(shù)調(diào)整前后的late 包數(shù)和指標對比，發(fā)現(xiàn)初始抗抖動門限調(diào)整至20 ms 的優(yōu)化效果最佳。網(wǎng)格4 參數(shù)調(diào)整后late 包數(shù)減少38 241，單通率由0.777%優(yōu)化至0.728%，優(yōu)化了0.049%；丟包率由0.217%優(yōu)化至0.204%，優(yōu)化了0.013%。所以，通過將MGW 的初始抗抖動門限調(diào)整至20 ms，減少丟包情況，避免單通問題的出現(xiàn)，改善用戶感知，提高用戶通話質(zhì)量。

2 效果

初始抗抖動門限調(diào)整后，VoLTE 丟包率和單通率指標有不同程度的提升。調(diào)整后late 包數(shù)為1 090 085個，比調(diào)整前減少了99 108 個，占比47.62%（由圖2 可知）；VoLTE 單通率由0.778% 優(yōu)化至0.729%，優(yōu)化了0.049%（由圖3 可知）；RTP 上行丟包率由0.217%優(yōu)化至0.204%，優(yōu)化了0.013%（由圖4 可知）。將網(wǎng)格4 的參數(shù)模型推廣至全網(wǎng)實行，指標得到優(yōu)化，證明該參數(shù)模型有利于優(yōu)化VoLTE 單通率和丟包率。

表2 參數(shù)調(diào)整前后指標對比情況

圖2 參數(shù)調(diào)整前后late包數(shù)統(tǒng)計對比

圖3 參數(shù)調(diào)整前后VoLTE單通率指標對比

圖4 參數(shù)調(diào)整前后RTP上行丟包率指標對比

3 結束語

根據(jù)用戶在等候調(diào)度時的信道狀態(tài)和時延問題，結合DFD 算法，通過組建參數(shù)模型組，評估方案后，推廣調(diào)整核心網(wǎng)參數(shù)，達到優(yōu)化VoLTE 語音丟包率的效果。在日常網(wǎng)絡優(yōu)化中，更多的是從覆蓋天線的天饋參數(shù)、現(xiàn)場信號覆蓋情況和干擾情況等方面分析，復現(xiàn)用戶單通、斷話等影響用戶感知的情景，優(yōu)化方式耗費人力和時間。而結合DFD 算法，提出通過調(diào)整核心網(wǎng)參數(shù)初始抗抖動門限，從網(wǎng)元上優(yōu)化全網(wǎng)指標，使VoLTE 丟包率的優(yōu)化工作獲得顯著的成效。