一種排隊延遲感知的LTE調度機制

吳大鵬，龔長河，王汝言，王 建

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

1 概述

以正交頻分多路復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)為核心技術的長期演進(Long Term Evolution, LTE)系統能夠顯著提高用戶吞吐量和扇區容量，降低用戶可感知的時延，從而大幅提升用戶的移動通信體驗[1]。VoIP語音業務對服務質量(Quality of Service, QoS)[2]的期待得到了廣泛關注，其關鍵在于VoIP語音業務的QoS需求是否得到滿足。

語音業務對時延的要求較高，在目前的第三代移動通信系統及其以前的系統中，此類業務均以電路域承載，通過專用資源調度語音業務，系統開銷較大。LTE系統采用了扁平化的架構設計，降低了鏈路時延[3]，使其能夠在分組域以VoIP的方式承載語音業務，且服務質量與電路域相當。與其他類型的業務不同，VoIP業務具有諸多特殊性，其中包括分組長度較短、分組間隔相對固定、時延要求嚴格等，適用于傳統分組交換網絡的動態調度方法并未充分考慮上述業務的特點，無法滿足無線環境下的語音業務需求，因此，研究適用于LTE系統的VoIP分組調度方法是保障語音通信的基礎，也是LTE系統亟待解決的關鍵問題之一[4]。

目前，廣泛應用于LTE系統的調度方法只針對隊列長度和信噪比調整分組的調度順序[5]，使得信道條件差的用戶無法得到足夠的系統資源，公平性較差；另外，與其他類型業務不同，語音業務對分組的延遲有嚴格要求[6]，上述調度方法增加了分組等待延遲，引發了分組丟棄，進而降低了用戶的業務體驗。為了克服傳統的LTE系統語音分組調度方法的不足，本文提出排隊延遲感知的分組調度機制，利用隊列等待延遲和業務允許的最大延遲來產生一個延遲權重，然后用這個權重動態地調整分組調度的優先級，從而達到有效利用網絡資源及改善用戶公平性的目的。

2 排隊延遲感知的分組調度機制

LTE的分組調度機制主要是確定用戶調度優先級，然后給其分配資源，與其他通信系統不同，LTE系統中的業務承載存在其特殊性，通過專用資源調度語音業務[7]。調度和資源分配在每一個傳輸時間間隔(Transmission Time Interval, TTI)執行[8]，但是每一個TTI都會更新重新確定用戶調度優先級，傳輸資源物理資源塊(Physical Resource Block, PRB)其特殊性如下：在LTE中，VoIP業務的傳輸資源最小單位是PRB，從圖1可以看出，LTE在時域和頻域內將資源進行了二維劃分，劃分出的最小單位稱為一個物理資源塊。每個PRB都具有相同的大小，即頻域最小單位為1.25 MHz，時域最小單位為0.5 ms。在每一個子幀的開始，LTE中VoIP業務通過特定的調度算法將這些PRB分配給不同的用戶，一個用戶可以在幾個連續子幀中占用同一個PRB，也可以在一個子幀中同時占用幾個PRB，或是以上方式的靈活組合[9-10]。當前的LTE標準規定，一個PRB在時域上分為2個子幀，頻域上分為12個子載波[11]。

圖1 LTE系統時/頻域資源調度原理

如前所述，主要有4個方面因素影響LTE系統VoIP業務的 QoS，分別為信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)、隊列長度、排隊延遲、業務允許最大延遲等。綜合考慮上述多個方面的因素，本文提出了排隊延遲感知(Queuing Delay Aware, QDA)的語音業務分組調度機制，該機制的核心思想是在第一個傳輸時間間隔通過用戶的隊列長度和信道條件來確定優先級，從第 2次調度開始，利用排隊延遲和業務允許最大延遲雙重約束產生基于指數函數的權重值，進而動態地調整用戶調度優先級，直到沒有可用的資源或者沒有用戶需要調度。

傳統語音業務調度機制僅考慮隊列長度和信噪比，用戶分組的調度優先級如式(1)所示：

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

但是，單純地采用隊列長度和信噪比這 2個參數來確定語音分組的優先級，將導致信道條件差的用戶遲遲得不到調度，使得公平性下降，而且還會導致丟包率的增加，難以有效地利用網絡資源。除了上述隊列長度和信噪比之外，語音分組調度機制還需要考慮隊列等待延遲、數據包傳輸速率、VoIP業務允許的最大延遲等因素。每一種業務對延遲的敏感度不同，而VoIP業務是對延遲反應最敏感的業務，因此，針對VoIP業務就需要把其最大允許延遲作為計算優先級的一個參數，同時排隊延遲直接影響丟包率以及系統的公平性，所以，在本文調度機制中把這 2個參數作為重要參考來計算調度優先級。

信道條件差的用戶遲遲得不到調度導致排隊延遲增加，排隊延遲增加會造成丟包率上升，而且這些用戶遲遲得不到調度就會處于“餓死”狀態，用戶公平性得不到體現。因此，本文采用延遲權重作為優先級判斷的主要參數，該參數主要描述了隊頭(Head of Line, HOL)數據包排隊時間接近最大允許延遲的程度，所使用的延遲權重定義如下：

其中，Tqueue為分組在隊列中的等待時間，該參數根據HOL包的等待時間來確定；Dmax表示業務允許最大延遲。與其他相關標準與文獻相同，本文令VoIP業務的最大允許延遲Dmax為20 ms[12]。延遲權重值的函數如圖2所示。

圖2 延遲權重值的函數

如圖 2所示，權重值隨著排隊延遲的增加而變大，但權重值的最大值不超過1，即排隊延遲不超過最大延遲門限20 ms，其主要原因在于VoIP業務對時延十分敏感，當排隊延遲超過業務所允許的最大時延后，用戶通話質量就會急劇下降，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致網絡資源利用率的下降。因此，在本文所提出的調度方法中，當排隊延遲超過最大允許延遲的數據包就直接丟棄，即圖 2中超過最大允許延遲 20 ms后的權重設置為0。

綜合考慮上述影響用戶分組調度的多個參數，本文提出的分組調度機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質量，使其避免出現超過業務最大允許延遲后形成“餓死”狀態。語音分組的優先級如式(3)所示：

所使用的信噪比iγ定義如式(4)所示：

其中，F、N0、B、I分別是噪聲因數、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。

根據式(3)計算出優先權后，優先權越大的用戶越先獲得調度，調度器根據優先權值將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TTI都在執行優先權的計算。本文提出的QDA算法偽代碼具體如下：

用戶公平性的判定準則如式(6)所示：

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

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

3 數值結果與分析

為了驗證本文提出的調度機制對VoIP業務的QoS滿足度，以及對整個系統的影響。仿真場景為單小區有干擾，具體參數設置如表1所示。

表1 仿真參數設置

本文選取LTE系統中的典型調度機制VSM(VoIP Scheduling Model)進行比較，兩者丟包率仿真結果如圖3所示，隨著用戶數的增加，2條曲線呈上升趨勢，但是QDA調度機制的丟包率一直比VSM的丟包率低，且用戶數越多的時候表現越明顯，QDA調度機制在丟包率性能方面得到了很大提升，當用戶數達到60時丟包率沒有超過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調度機制提高了接近允許最大延遲用戶的調度優先級，從而使這些用戶不會因為超過最大允許延遲而被丟棄，使得系統整體丟包率得到改善。

圖3 VoIP丟包率比較

圖4為VSM和QDA調度機制公平性的比較，由此可知QDA調度機制的公平性始終優于VSM，表明QDA調度機制的公平性相對 VSM 整體都得到了顯著的提高。因為QDA調度機制給那些信道條件差而得不到調度從而導致排隊延遲增加的用戶提高了調度優先級，增加了其獲得調度的概率，使得信道條件差的用戶避免長期得不到調度甚至處于“餓死”狀態。所以系統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調度機制系統延遲比較如圖5所示，QDA調度機制的延遲比VSM略高，性能有所下降，其主要原因在于 QDA調度機制把排隊延遲作為確定用戶調度優先級的參數，使得排隊延遲較大而信道條件較差的用戶的調度優先級得到了提高。因此，系統延遲性能方面略低于VSM。從圖中可以看出，用戶數到達60時延遲為11 ms，小于最大允許延遲20 ms，滿足用戶語音通信的要求。QDA調度機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 系統延遲比較

圖6為系統吞吐量的比較，由圖中可知，QDA調度機制的吞吐量相對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度優先級，反之，一部分信道條件好的用戶的調度優先級降低。這導致了整個系統的吞吐量有所下降，但是從中可以看到QDA調度機制相比VSM吞吐量下降的并不明顯。因此，QDA調度機制對系統吞吐量的影響是可以忽略的。

圖6 系統吞吐量比較

綜上所述，本文提出的調度機制在滿足VoIP業務QoS需求的前提下，同時最小化了延遲和吞吐量這 2個性能方面的負面影響。仿真結果表明，本文提出的QDA調度機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的公平性。

4 結束語

本文針對 LTE的 VoIP業務提出了一個有效的調度機制。該調度機制的重點是在綜合考慮影響VoIP業務的各個因素前提下，為信道條件差的用戶提高了調度優先權。應用本文提出的調度機制對 VoIP業務進行調度，可以滿足VoIP業務對QoS的需求，同時最小化了系統吞吐量和延遲這2個性能方面的負面影響。通過仿真結果可知，QDA調度機制在用戶數達到 60左右時 VoIP業務的丟包率不到1%，同時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務吞吐量和公平性的前提下，盡量降低語音業務的延遲與丟包率，使用戶對QoS的滿意度得到提高。

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