LTE系統ARQ重傳資源重分配

馬 康，金 杰，蘇寒松，李園園

MA Kang,JIN Jie,SU Hansong,LI Yuanyuan

天津大學 電子信息工程學院，天津 300072

School of Electronic Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China

1 引言

長期演進（Long Term Evolution，LTE）項目作為新一代移動通信技術，需要提供很高的業務速率和很大的業務容量，如何最大限度地靈活利用有限的資源來達到目標需求至關重要。

LTE系統采用扁平的全IP分組交換網絡架構，無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層[1]配置三種實體：透明模式（Transparent Mode，TM）、非確認模式（Unacknowledged Mode，UM）、確認模式（Acknowledged Mode，AM）。其中AM實體會對傳輸失敗的協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）進行重傳，該模式主要應用于錯誤敏感、時延容忍的非實時業務以及對時延要求不高的流媒體業務。RLC層采用自動重傳請求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）的重傳機制，傳輸失敗則重新發送相同的數據進行糾錯[2]。

媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層負責為各個業務分配傳輸資源，并將調度的數據包復用后傳至物理層[3]。上行邏輯信道復用采用單令牌桶算法[4]，即不同優先級的業務將配置不同的優先級比特率進行復用[5]。而下行邏輯信道復用由基站調度器為不同用戶的不同業務分配指示不同大小的傳輸資源，經典的調度算法包括輪詢算法（Round Robin，RR），最大載干比算法（Maximum Carrier to Interference，Max C/I），正比公平算法（Proportional Fair，PF）[6]以及修正最大加權時延優先算法（Modified Largest Weighted Delay First，M-LWDF）[7-9]等。目前，現有的復用或調度算法在實現時均未考慮RLC重傳時重傳PDU的長度，而3GPP標準規定重傳PDU不可以級聯，即MAC層復用時對于指示值比重傳PDU大的情況只允許傳輸一個PDU，致使剩余的資源不發送任何信息，造成資源浪費。

針對RLC重傳造成的資源浪費，本文提出了一種新的方案，在復用時如果某業務指示值大于重傳PDU，則將該業務封裝一個重傳PDU后剩余資源分配給其他業務，達到資源利用的最大化。

2 RLC層重傳與MAC層復用

2.1 RLC層重傳

RLC層處于PDCP層和MAC層中間，RLC實體主要接收來自高層的SDU封裝成PDU通過下層發送給對等實體，或通過下層接收來自其對等實體的PDU并解包重組SDU按序遞交給高層。RLC層每次發送時主要根據MAC層邏輯信道復用指示該業務需要封裝的PDU的長度，如果一個SDU長度過大，不能完全封裝進一個PDU，則進行分段封裝，該SDU剩余分段等待下次傳輸；如果一個SDU長度較小，封裝一個SDU后還有剩余資源，則繼續在該PDU中封裝下一個SDU，即與其他SDU進行級聯，使得每次封裝的PDU將充分地利用指示的資源。接收端對接收的PDU進行重排序并將解包重組的SDU按序遞交高層。

RLC實體中只有AM實體對接收結果進行狀態報告反饋，如果狀態報告表明接收失敗，發送端將根據新的指示值直接對該PDU進行重傳，不需要封裝SDU。如果該重傳PDU長度大于新的復用指示值，則需要重分段；但是如果該重傳PDU長度小于指示值，則3GPP標準規定不能進行級聯，只發送該重傳PDU。

2.2 MAC層復用

邏輯信道復用主要是將邏輯信道映射到傳輸信道上，將MAC層SDU封裝成PDU。LTE系統中調度器位于基站側，上行發送時調度器根據信道質量、用戶優先級等因素為每個用戶分配傳輸資源，用戶側復用模塊根據基站調度指示傳輸塊大小對不同業務進行復用，復用過程采用單令牌桶算法，即為每個優先級的業務配置一個優先比特率（Prioritised Bit Rate，PBR），令牌數為 Bj，Bj初始值設為零，每次添加令牌數為PBR×TTI，TTI為發送時間間隔（Transmission Time Interval），大小為一個子幀（1 ms）。復用時按優先級順序對Bj＞0的業務進行資源分配，Bj的值更新為原Bj減去已經復用的SDU的長度。如果全部業務分配完后還有資源剩余，則不管Bj＞0是否成立，按優先級順序繼續為業務分配資源，Bj的值不發生改變。

下行發送時調度器根據調度算法直接為每個用戶的每個業務分配資源[10]。調度主要考慮可用時頻資源、發送端傳輸隊列情況、接收端緩存狀態、信道質量指示、資源分配歷史等。PF算法給小區中的每個待服務用戶配置一個優先級，優先級最大的用戶接受服務。已經享受服務的用戶優先級將降低，讓其他用戶獲得服務，該算法兼顧了公平性和系統吞吐量，適用于非實時業務，且算法復雜度較低[11]。M-LWDF算法是在PF算法的基礎上充分考慮業務時延和接收端緩存狀態，對于實時業務性能較佳，但不適合非實時業務[12]。

3 新的復用方案

基于以上上行發送復用方法或者下行發送調度方法指示各個業務復用大小均未考慮到該指示值大于RLC層重傳PDU長度的情況，即該業務本次傳輸最大可以傳輸大小，本文提出在復用過程中把某業務剩余資源分配給其他業務的方案。新的復用方案主要考慮哪些業務最需要這些剩余資源，需要多少，以此來決定重分配的順序以及大小。

上行發送時用戶首先獲得基站指示發送大小，依據令牌桶算法對不同優先級的業務進行資源初分配，即給每個業務一個指示值指示該業務復用字節數。然后遍歷各個業務所在的信道，根據接收到的狀態報告判斷該業務是否需要重傳，對需要重傳的業務比較PDU長度與指示值。如果PDU長度比指示值小，則將指示值減去PDU長度剩余部分重分配給其他業務。由于每次傳輸均需添加RLC頭部，耗費一定的資源，且為了減少下次傳輸機會到來時重傳PDU小于指示值的概率，需要盡量減少本次重傳PDU的重分段數，以使一個重傳PDU盡可能一次發送完成。所以對資源重分配時優先為需要重傳但是重傳PDU長度大于指示值的業務分配，分配大小為重傳PDU長度減去原復用指示值。該業務由于指示值較小導致需要重分段才能發送，所以這樣分配使得重傳PDU的傳輸效率大大增加，下次傳輸需要發送重傳PDU或PDU分段的概率大大降低。

如果之前重分配完成后還有資源剩余，由于優先級高的業務時延敏感，需要盡快傳輸，所以根據優先級高的業務優先得到服務的原則，將剩余資源分配給優先級最高但是非重傳的業務。具體分配方法如圖1所示。

圖1 上行發送復用重分配流程圖

下行發送時首先根據調度算法對所有業務進行資源分配，為每個業務配置復用指示值。遍歷非實時業務或時延不敏感的流媒體業務，即流經AM實體的業務，同樣將重傳PDU長度小于指示值的剩余資源分配給重傳PDU大于指示值的業務。

下行調度過程相對復雜，基于互聯網協議的語音（Voice over Internet Protocol，VoIP）業務對實時性要求最高，且每次發送包的字節數固定在一定范圍之內，活動期每個包發送35～49個字節[13-14]，靜默期每個包發送10～24個字節。所以如果還有資源剩余，判斷VoIP處于哪個時期，然后判斷剩余部分是否滿足該時期需要發送的包的大小，如果滿足該條件，則將相應字節數分配給VoIP業務。重復給VoIP業務分配資源的過程，直到剩余部分不能滿足VoIP業務需要的字節數。將最后剩余資源分配給其他實時業務，具體重分配方案如圖2所示。

整個資源重分配方案針對上下行復用方法的不同，提出不同的復用重分配方案。以上所有重分配方法是在對RLC層SDU進行封裝之前進行的，為每個業務確定好復用大小之后才進行封裝，這樣保證該過程只是對資源分配方案的改進，不會造成數據封裝的困難。優先為需要重傳但是最初資源分配不滿足重傳大小的業務服務，減少了重分段數，使下次重傳概率降低。根據優先級高的業務實時性能要求高的特性，優先為VoIP業務等優先級最高的業務分配剩余資源。由于所有重分配的資源是RLC層重傳PDU不能級聯而初次分配過大造成浪費的資源，所以本文提出的方案是對該資源的有效利用，不會對原有業務的傳輸性能造成任何影響。

圖2 下行發送復用重分配流程圖

4 仿真與結果分析

4.1 仿真

仿真基于上行發送令牌桶算法，下行發送聯合使用PF算法和M-LWDF算法進行資源重分配。上行發送時配置一個用戶，5個優先級的信道，傳輸不同優先級的業務，編號1～5，并設置每個信道RLC緩存均有足夠的業務進行發送，用戶每次從基站獲得總傳輸大小，相關參數配置[15]如表1所示。

表1 上行仿真參數配置

考慮到不同業務的不同特性，下行發送復用對3類業務進行仿真，仿真基于開源的系統級仿真平臺LTE-sim，具體業務設置如表2所示，具體參數設置如表3所示。

4.2 仿真結果分析

上行復用對每個業務的資源利用率進行了考察，資源利用率為每個業務復用的有效資源占該業務復用指示總值的比例，其計算公式為：

表2 下行仿真業務設置

表3 下行仿真參數配置

其中，PL表示PDU中有效載荷（SDU）所占字節數比例，Pre為RLC重傳概率，Ps為重傳PDU長度小于指示值的概率，I為復用指示值，Lpdu為重傳PDU長度。具體的資源利用率是由每個業務復用的有效載荷總字節數與每個業務最初分配總復用大小的比值來獲得的，其仿真結果如圖3所示。從圖可以看出傳統令牌桶算法業務1資源利用率為96%左右，而其他業務資源利用率相對較小。新方案對令牌桶算法進行資源重分配后，業務1的資源利用率有明顯的提高，并且超過100%（注：這里的資源利用率指的是業務2～5大部分剩余資源分配給了優先級最高的實時業務1，使業務1獲得了額外的傳輸資源，并不是指業務1本身的資源利用率超過了100%）。業務2～5的資源利用率有所提高但并不顯著，這是因為業務2～5在RLC層通過AM實體傳輸，但是多個業務同時需要發送重傳PDU的概率很小，這樣每個業務分配給其他業務的資源并不多。

圖3 上行復用資源利用率

下行復用充分考慮不同調度算法的特點，結合使用PF和M-LWDF算法。使用PF算法計算非實時業務BE的優先級，使用M-LWDF算法計算實時業務VoIP和Video的優先級，然后根據計算出的優先級進行資源調度。在此基礎上進行資源重分配，將重分配結果與未進行資源重分配的調度算法進行吞吐量和丟包率兩個主要性能的比較。

圖4表示下行復用各個業務的吞吐量，可以看出圖4（a）所示的VoIP業務經過資源重分配后的吞吐量較傳統調度算法有明顯的提高，而圖4（b）所示的Video業務和圖4（c）所示的BE業務經過資源重分配后的吞吐量和傳統調度算法相比略有提高，或者基本持平。這與實際相符合：將重傳剩余資源優先分配給需要重傳但是資源指示值小于重傳PDU長度的業務，這部分所占比例很少，但是提高了公式（1）中的PL，而系統總資源利用率將有大幅提升。此外主要的資源分配給了VoIP業務，VoIP業務的吞吐量有顯著增加，最后剩下極少的資源分配給Video業務，使得Video業務的吞吐量僅有較小的提高。

圖5展示了VoIP業務的丟包率，經過資源重分配方案的VoIP業務丟包率明顯低于傳統調度算法。這是由于VoIP業務的吞吐量提高，每次發送的數據包增多，接收端等待時延降低，達到最大等待時延的數據包減少，需要丟棄的數據包隨之減少。

圖4 下行復用各業務吞吐量

圖5 下行復用VoIP業務丟包率

5 結束語

本文針對LTE系統MAC層進行邏輯信道復用時的資源浪費提出了一種新的資源重分配方案，該方案基于上行發送的令牌桶算法，下行發送的調度算法，并對上下行發送的復用過程進行了仿真對比。對比結果表明，提出的資源重分配方案較未進行重分配的復用方案對優先級最高的實時業務在資源利用率、業務吞吐量和業務丟包率性能方面均有較大改善，且并不影響為其他業務分配資源的業務的吞吐量。此外，本文提出的方案與RLC層ARQ重傳的概率緊密相關，非常適合信道條件差的情況。因為隨著信道質量變差，重傳概率就會增加，可以重分配的資源增多，該方案的優勢就會越明顯。

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