3GPP LTE系統中無線視頻傳輸調度算法研究

王冉冉，宋建新

（南京郵電大學圖像處理與圖像通信實驗室，江蘇南京 210003）

3GPP LTE系統中無線視頻傳輸調度算法研究

王冉冉，宋建新

（南京郵電大學圖像處理與圖像通信實驗室，江蘇南京 210003）

針對3GPP LTE系統，提出了適用于下行鏈路視頻業務的一種新的分組調度算法，即時延優先比例公平調度。當需要做出調度決策時，該算法利用每個用戶的數據包時延信息和瞬時下行信道條件，在滿足用戶QoS前提下最大限度地提高系統吞吐量。同時，當用戶選擇資源塊（RB）進行傳輸后，即從用戶集合中將該用戶刪除，避免接近eNodeB的用戶一直占用無線資源，確保了資源分配的公平性。實驗仿真結果表明，該算法在丟包率和PSNR性能上優于最大權重時延優先（M－LWDF）算法，在保證用戶間公平性前提下，滿足了視頻業務的QoS要求。

3GPP LTE;時延優先比例公平調度;分組調度;服務質量;視頻業務

【本文獻信息】王冉冉，宋建新.3GPP LTE系統中無線視頻傳輸調度算法研究［J］.電視技術，2013，37（3）.

第三代合作伙伴計劃長期演進（3GPP LTE）是一種新的無線接入技術，它通過提供更高的峰值數據傳輸速率、全面的分組交換核心網絡以及支持多媒體應用多樣化的服務質量（QoS）要求，改善了系統的性能。在下行鏈路，3GPP LTE采用了正交頻分多址接入（OFDMA）技術，OFDMA能夠抵抗無線信道的頻率選擇性衰落，對碼間干擾也有一定的穩健性。3GPP LTE無線網絡結構中，在用戶與核心網之間只有一個被稱為eNodeB的節點，該節點負責執行所有的無線資源管理（RRM）功能。分組調度是RRM功能之一，為了高效地利用無線資源并滿足用戶的QoS要求，它負責智能地選擇用戶并傳輸它們的數據包。

視頻流是需要3GPP LTE系統支持的實時（RT）應用之一。為了確保滿足視頻流用戶的QoS要求，其丟包率在保持低于某閾值的前提下，必須最小。視頻流用戶的數據包應該在該用戶的時延閾值內接收到，否則將被丟棄，并視為丟失的數據包。

已經有很多分組調度算法在多載波的無線系統中支持RT業務。如文獻［1－3］提出的算法將著名的最大權重時延優先（M－LWDF）算法［4］擴展到了OFDMA系統中。M－LWDF算法利用瞬時下行信道條件（如信噪比）、平均吞吐量以及數據包信息，被認為是單載波無線系統中適用于RT業務的最好的分組調度算法。文獻［5－6］提出了多載波無線系統中適用于RT業務的分組調度算法，該算法將數據包調度分解為資源調整（resource allocation）和資源分配（resource assignment）技術。資源調整技術確定分配給每個用戶的無線資源的數量，而資源分配技術將可用的無線資源映射給用戶。

雖然前面討論的分組調度算法，在多載波無線系統中支持RT業務方面已經實現了良好的性能，但是它們不能直接應用到下行3GPP LTE系統中以支持視頻流的應用，原因如下:1）視頻流應用對丟包非常敏感;2）下行3GPP LTE系統中的數據包調度在1 ms的時間間隔內（傳輸時間間隔TTI）執行，并且提供給用戶之間共享的無線資源是由作為資源塊（RB）的子載波組組成的［7－12］。因此，本文提出了下行3GPP LTE系統中支持視頻流應用的一種新的分組調度算法，稱為時延優先比例公平調度（DF－PFS）。DF－PFS算法通過利用每個用戶的數據包延遲信息和瞬時下行信噪比（SNR），在保證用戶間公平性的前提下，滿足了視頻業務的QoS要求。

1 系統模型

這里主要研究單蜂窩LTE系統下行鏈路的多用戶調度問題。場景中包括1個基站（eNodeB）和K個用戶設備（UE）。每一個UE都對應一個獨立的緩沖區。基站通過主干網接收來自流媒體服務器已預先編碼好的視頻流，假設主干網絡帶寬很高，不存在丟包現象，視頻序列通過H.264編碼器進行編碼。

eNodeB在接收到UE的視頻發送請求后，調度器在每一個傳輸時隙（TTI）基于某種調度策略，選擇優先權最高的用戶進行調度，然后進行調制編碼，發送視頻流。

2 時延優先比例公平調度

視頻流應用要求丟包率保持低于某個閾值。通過監測每個用戶的HOL數據包時延值并調度接近該時延閾值的數據包，可以達到該要求。在數據包調度中，除數據包時延信息（HOL數據包時延和時延閾值）外，瞬時下行信噪比也發揮了重要的作用。根據文獻［8］，當需要作出調度決策時，如果分組調度能利用當前瞬時下行信道條件，那么就可以充分利用無線資源。

現有的其他分組調度算法在選擇用戶時除了基于數據包時延信息外，還考慮其他的調度準則（如瞬時下行信道條件、平均吞吐量、丟包率等），當與這些算法進行比較時，由于DF－PFS算法在每個TTI選擇用戶時，僅考慮數據包時延信息，因此復雜度很低。DF－PFS算法可分為以下3個步驟。

第1步，在每個TTI開始時，為每個用戶計算HOL數據包時延與時延閾值之差，得出剩余時間為

式中:K是總的用戶數;Tk是用戶k的時延閾值;Wk（t）是用戶k在第t個TTI的HOL數據包時延。

第2步，選擇具有最小dk（t）的用戶k，即

第3步，從一系列可用的RB中為該用戶k選擇最好的RB（由該用戶報告的具有最高瞬時下行SNR值的RB）傳輸該用戶的數據包，然后從用戶集合中刪除用戶k，并更新剩余用戶的dk（t）。最后從可用RB列表中刪除已被選擇的RB。重復以上步驟，直到可用RB的列表為空。

圖1是DF－PFS算法的調度流程圖，該算法在LTE系統下行鏈路的廣義模型如圖2所示。在每個TTI，基于在每個用戶緩沖區獲得的數據包時延信息，包調度程序確定即將被調度的用戶。利用由用戶報告的瞬時下行SNR值，確定使用哪個RB來進行數據包傳輸。該算法中，在每個TTI，每個用戶至少會分配到一個RB。這樣在一定程度上確保了用戶間的公平性。

3 實驗仿真環境

在系統中，對于所有可用的下行子信道，用戶在每個TTI估計接收到的下行參考信號的信干噪比（SINR）值。然后，用戶將這些值映射為一組CQI反饋，并使用上行信道將其報告給相應的基站（eNodeB）。如文獻［7］中所述，為了保證誤塊率（BLER）值低于10%，CQI值由估計的SINR值量化得到。通過BLER－SINR曲線可以得出SINR值與CQI值之間的映射關系［7］。

在確定完調度策略后，分組調度器為某個即將調度的UE在下行鏈路選擇合適的調制編碼方案（MCS）。eNodeB通過使用指數有效SINR映射方法［7］為該用戶指定一種MCS。

在相應的eNodeB中，為每個用戶分配一個緩沖區。到達該eNodeB的每個用戶的數據包都被蓋上時間戳，并基于先進先出（FIFO）準則在其緩沖區排隊以等待傳輸。對于eNodeB緩沖區隊列中的每個數據包，計算出隊頭（HOL）數據包時延（當前時間與數據包到達時間之差）。如果HOL數據包時延超過了時延閾值，那么該包就被丟棄。下面詳細介紹仿真中使用的系統參數和性能指標。

1）系統參數

這里使用的蜂窩小區帶寬是5 MHz，25個RB，2 GHz載波頻率。服務的eNodeB固定在小區的中心位置，并控制所有可用的RB。這些RB由小區內的所有用戶共享。小區中有K（10和15）個視頻流用戶，它們均勻分布在相應的eNodeB周圍。用戶以3 km/h的速度以隨機方向不斷地移動。本文中3GPP LTE系統下行鏈路使用的參數如表1所示。

表1 3GPP LTE系統下行鏈路參數

由于時間限制以及為了降低系統仿真的復雜度，本文做了幾個假設。假設每個用戶在每個TTI都會向相應的eNodeB報告其在每個RB上的瞬時下行SNR值，并假設該報告是沒有差錯和延遲的。另外，也假設在每個RB上等量分配下行發射功率。

使用Lk，Sk，n，Tk和Mk，n（t）來確定信道增益［7］，從而確定在每個TTI，每個用戶在每個RB上的瞬時下行SNR值。在第t個TTI，用戶k在第j個RB上的信道增益為

式中:Lk和Sk，n分別是用戶k在第t個TTI的路徑損耗（以dB為單位）和陰影衰落（以dB為單位）;Tk是穿透損耗（以dB為單位）;Mk，n（t）是用戶k在第t個TTI，在RB上的多徑衰落（以dB為單位）。從計算出來的信道增益，可以使用文獻［7］提出的方法計算第t個TTI，用戶k在RBj的瞬時下行SNR值為

式中:Ptotal是eNodeB總的下行發射功率;N是可用RB數;N0是加性高斯白噪聲;I是小區間的干擾。由于仿真中只有一個小區，因此假設小區間干擾是一個常數。

根據文獻［7］，Lk采用如下模型

式中:d為UE與eNodeB之間的距離，單位是千米（km）。

此外，Tk設置為10 dB，Sk，n服從均值為0、標準差為8 dB的對數正態分布，Mk，n為瑞利衰落信道模型。

2）性能指標

基于丟包率PLR和峰值信噪比PSNR對DF－PFS算法進行性能評估。

PLR定義為丟棄的數據包的總大小與進入相應的eNodeB的緩沖區的所有數據包的總大小之比，即

式中:pdiscardk（t）與psizek（t）分別是在第t個TTI，用戶k丟棄的數據包的大小和進入用戶k的eNodeB緩沖區的所有數據包的總大小;K是總用戶數;T是總仿真時間。

峰值信噪比（PSNR）是目前應用最普遍的一種用于評價視頻質量的客觀指標，其計算式為

式中:MSE為原始圖像和目的圖像之間的均方誤差。

4 實驗結果

本節介紹DF－PFS算法的仿真結果，并與M－LWDF算法進行了比較。由于M－LWDF算法是為單載波無線系統開發的，因此，需要做一些修改，這樣它就可以支持下行3GPP LTE系統中的數據包調度。

本文中，在每個TTI，M－LWDF算法根據式（8）選擇用戶，并將所有可用的無線資源分配給選定的用戶。

式中:Rk（t）和Wk（t）是用戶k在時刻t的平均吞吐量和HOL數據包時延;rk（t－1）是用戶k在時刻t－1傳輸的總比特量。SNRk，j（t）是用戶k在時刻t，在RBj上的瞬時下行SNR值，N是可用的RB數量。由于所有的用戶都有同樣的應用即視頻流，所以變量ak設置為1。

1）丟包率（PLR）

圖3和圖4比較了當用戶數K分別為10和15時，在不同的時延閾值下，DF－PFS算法和M－LWDF算法的PLR變化。對比圖3和圖4可以發現，隨著用戶數的增加，由于有更多用戶的數據包來不及調度，HOL數據包時延超過時延閾值而被丟棄，因此PLR會增大。從圖中可以看出，隨著時延閾值的增加，PLR降低，原因是有更多的數據包在HOL數據包時延達到時延閾值前被調度。由于在每個TTI，M－LWDF算法只調度一個用戶，導致其他用戶HOL數據包時延的增加超過時延閾值而被丟棄，因此與M－LWDF算法相比，DF－PFS算法具有更好的PLR性能。

2）峰值信噪比

圖5和圖6比較了當用戶數K分別為10和15時，在不同的時延閾值下，DF－PFS算法和M－LWDF算法的PSNR變化。正如理論分析的那樣，PSNR隨著PLR的降低而增大。從兩幅圖可以明顯地看出，DF－PFS算法要優于M－LWDF算法。

5 結論

本文提出了一種新的分組調度算法稱為時延優先比例公平調度，該算法支持3GPP LTE系統的下行鏈路傳輸視頻業務。DF－PFS算法通過利用每個用戶的瞬時下行SNR值和數據包時延信息，旨在滿足視頻用戶QoS要求下最大化系統吞吐量。同時，通過將已經選擇完RB的用戶從用戶集合中刪除，避免了接近eNodeB的用戶一直占用無線資源，在一定程度上確保了資源分配的公平性。從實驗仿真結果中可以看出，當與M－LWDF算法作比較時，DF－PFS算法通過降低PLR和提高接收端視頻的PSNR值，大大提高了系統的性能。

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Research on Scheduling for Wireless Video Communication in 3GPP LTE Systems

WANG Ranran，SONG Jianxin

（Image Processing and Communication Lab，Nanjing University of Posts＆Telecommunications，Nanjing 210003，China）

A new packet scheduling algorithm for video traffic in downlink third generation partnership project long term evolution（3GPP LTE）system is proposed in this paper，namely Delay First－Proportional Fair Scheduling（DF－PFS）.The proposed algorithm utilizes each user’s packet delay information and its instantaneous downlink channel conditions when making scheduling decisions.After scheduling one user，it will be deleted from the uer set，which ensures fairness during resource allocation.Simulation results show that the proposed algorithm outperforms maximum－largest weighted delay first algorithm by satisfying the QoS requirements of the video traffic and ensuring fairness among users.

3GPP LTE;DF－PFS;packet scheduling;QoS;video traffic

TN919.85

A

王冉冉（1988— ），女，碩士生，主研圖像處理與流媒體通信;

宋建新（1959— ），教授，碩士生導師，主要研究領域為流媒體理論技術與應用、多媒體無線通信等。

責任編輯:許 盈

2012－09－05