基于MRR調度的認知LTE-R基站和服務類型值優先隊列管理

鄧宏宇，汪一鳴，吳澄

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基于MRR調度的認知LTE-R基站和服務類型值優先隊列管理

鄧宏宇，汪一鳴，吳澄

（蘇州大學軌道交通學院，江蘇 蘇州 215006）

利用認知無線電技術在長期演進鐵路（LTE-R）通信系統中構建認知無線網絡，提出認知LTE-R基站網絡架構和MRR調度算法，用以提高鐵路專網頻譜利用率。特別針對單一車載網關中認知LTE-R基站的先入先出隊列策略造成次用戶的實時業務的時延過大問題，提出基于服務類型值優先的認知LTE-R基站隊列管理策略。該策略優先將服務類型值大的分組送出隊列，從而達到優先服務實時業務的目的。仿真結果表明，在保障車地正常通信的前提下，構建的認知LTE-R基站能為旅客提供額外互聯網接入鏈路，提高了長期演進鐵路通信系統頻譜的利用率。此外，基于服務類型值優先的隊列管理策略可以有效地減少旅客實時業務的時延。

長期演進鐵路通信系統；認知無線電網絡；認知LTE-R基站；車載網關；服務類型

1 引言

近年來，高鐵、地鐵和有軌電車等軌道交通得到了快速的發展。研究表明，美國已經提出建設高鐵的計劃，而我國高鐵總里程到2020年將突破18 000 km[1]。目前，鐵路通信系統大多使用基于GSM通信的ETCS（European train control system，歐洲列車控制系統）技術，也就是GSM-R（GSM-railway，鐵路數字移動）通信系統。但GSM-R數據承載能力弱，不能滿足日益蓬勃的鐵路業務的發展需求，且不能給旅客提供便捷的寬帶無線接入服務等[2-3]。

作為當前主流的寬帶無線通信技術，LTE具有較高的數據速率和頻譜效率。全IP的扁平化網絡架構使其網絡時延大大減少，1 ms的TTI（time transmission interval，傳輸時間間隔）使其能處理更多的網絡通信數據[4]，采用MIMO（multiple input multiple output，多輸入多輸出）技術后能夠獲得更快的速率。因此，在鐵路通信的演進過程中，LTE-R（LTE-railway，長期演進鐵路）通信系統很有可能成為下一代鐵路無線通信系統，并在2020年前后開始部署逐步替代現有的GSM-R。中國將在2020年建成首個LTE-R網絡[3]。LTE-R帶寬可能達到20 MHz，以滿足更多的鐵路通信業務需求。此外，LTE-R還被寄希望于為列車上的旅客提供Internet接入服務[5]。

參考文獻[6]在LTE技術的基礎上，設計ATO（automatic train operation，自動列車控制）系統的相關通信應用，并對設計的系統進行外場測試。測試結果表明，在LTE上實現基于通信的列車控制是可行的，LTE能夠滿足列車控制應用業務的QoS要求。此外，筆者還說明列車控制業務的特點是數據量小，但對時延、抖動敏感。參考文獻[3,5,7]討論了現有的高鐵通信技術和被廣泛研究的高鐵通信方案，通過分析和比較可以發現LTE技術最能滿足鐵路通信的需求。參考文獻[8]研究了高速列車在經過不同LTE基站時的接入和切換問題，仿真結果表明，該文提出的方法能夠滿足高速列車在LTE系統中的接入和切換的QoS需求，保證列車通信的可靠性和安全性。參考文獻[9]則討論了公共安全和鐵路專網使用相同頻段通信時存在的多種共存場景，并針對共存場景提出了基于優先的資源分配方案，優先給鐵路通信分配資源，確保列車的運行安全。

鐵路通信是一個復雜的專用通信系統，受到很多現實條件的影響。如高速運動的列車受到多普勒頻移的影響；鐵路道路路況復雜，有高架、封閉隧道等。因此，保障鐵路通信系統的可靠性和低時延是關鍵。鐵路通信作為專用的通信系統，享有專用的通信頻段，但其下行網絡數據量小、頻譜空閑時間多，存在明顯的頻譜浪費[10-11]。FCC（Federal Communications Commission，美國聯邦通信委員會）提供的研究也表明現已分配的大部分授權頻譜存在時域、頻域和空間上的利用不充分。特別是一些授權頻譜，大部分時間里沒有用戶使用，造成了嚴重的頻譜浪費[12]。

為了提高LTE-R系統的下行頻譜利用率，改善旅客在列車上的通信質量和乘車體驗。本文利用CR（cognitive radio，認知無線電）技術[13]，將LTE-R系統中的軌旁eNode B升級成C-eNode B（cognitive eNode B，認知LTE-R基站），并在LTE-R系統中構建基于C-eNode B和VG（vehicle gateway，車載網關）的CRN（cognitive radio network，認知無線網絡），實現PU（primary user，主用戶）和SU（secondary user，次用戶）的頻譜共享，從而提高LTE-R下行頻譜利用率。本文還從基于通信的鐵路應用的角度出發，研究PU使用資源與SU可用資源間的關系。針對由FIFO（first input first output，先入先出）隊列管理策略造成的實時業務時延過大的問題，提出基于ToS（type of service，服務類型）值優先的C-eNode B隊列管理策略，最大限度減少SU的RTS（real-time service，實時業務）的接收時延。本文假設PU是列車上的車載通信設備，每個PU僅接收1種鐵路應用業務數據，各PU相互獨立。SU是列車上的旅客設備，如手機、平板電腦、筆記本電腦等。

2 系統模型

2.1 LTE-R系統及存在的問題

2.1.1 LTE-R系統

很多學者對LTE-R系統進行了比較深入的研究[1-3,5,7,14]。圖1是一種常見的LTE-R系統網絡架構，圖1中，CS指內容服務器（content server）。它分為核心網絡、匯聚層網絡、接入網和鐵路沿線網絡4個部分[5,15]。核心網絡包括列車控制中心和Internet服務兩個部分的網絡；匯聚層主要負責將不同通信技術的數據匯聚到服務網關進行數據交換；接入網在本文中包括LTE-R專用網絡和運營商的LTE網絡；鐵路沿線網絡主要包括與LTE-R基站通信的列車車載設備和與運營商基站通信的旅客設備。

在一般的LTE-R系統中，列車控制中心的數據首先經過SGW（service gateway，服務網關）和AGW（access gateway，接入網關），然后到達軌旁的LTE-R eNode B，最后LTE-R eNode B將數據通過空中無線接口發送給列車上的PU，PU根據接收到的數據控制列車的運行，如加速、減速和制動等。在這樣的網絡架構中，SU只能通過軌旁運營商的LTE eNode B接入并使用Internet（線路1）。基于通信的列車應用是小流量應用[6]，導致LTE-R系統的下行鏈路在大多時間里處于空閑狀態，造成大量頻譜浪費。

2.1.2 LTE-R系統中RR調度方案存在的問題

RR（round robin，輪詢）調度算法以輪詢的方式在每個TTI里將系統的資源平均分配給活躍的UE。因為不考慮UE的信道條件和流量特點，所以RR在所有的調度算法中公平性最高。但由于RR的平均分配原則，在TTI中也造成了一定的資源浪費。本文假設C-eNode B使用RR調度算法。

表1 1個TTI中需要被調度的PU數量與浪費的RBG之間的關系

圖1 鐵路通信網絡架構

2.2 基于通信的鐵路應用和旅客應用

2.2.1 基于通信的鐵路應用

LTE-R的業務可以歸結為以下3種類型[16]：

? 關鍵性安全應用（如ETCS信號）；

? 鐵路運營相關的操作（如語音通話）；

? 不影響列車移動的額外應用（如視頻監控、語音報站、文件更新、旅客互聯網應用等）。

本文僅研究LTE-R下行鏈路資源分配，仿真中將使用以下4種下行鐵路通信應用。

（1）ETCS應用

負責在列車車載單元和地面控制中心的數據交換，主要完成列車加速、減速、制動等操作。每條ETCS信息數據量大小約為128 byte，ETCS是關鍵的安全性應用。

（2）對講機通話，鐵路運營的基本應用

如鐵路施工工人之間的對話。本文中，為了增加CRN的負載，假設整個仿真時間里鐵路工人一直保持通話，數據速率是64 kbit/s。

（3）語音報站應用

告知車上旅客當前列車上的人流量和列車所在位置。在本文的仿真中，假設每隔20 s列車接收到來自地面控制中心的語音報站信息，平均每個報站信息持續時間是5 s，數據速率是64 kbit/s。

（4）文件更新應用

從地面控制中心下載文件以更新列車車載設備信息。前面3種鐵路應用業務的數據速率較小，不容易對網絡容量產生影響。為了觀察PU使用網絡資源對SU的接收時延的影響，本文中文件更新的下行速率分別是500 kbit/s、1 Mbit/s、2 Mbit/s。

2.2.2 旅客應用

在很多已有關于CRN的研究中，大部分研究者僅把SU的服務類型考慮為BE（best effort），沒有考慮不同業務需求SU的QoS。本文假設列車上的旅客使用VoIP、video和BE這3種業務，且設定VoIP業務的ToS值是224、video業務的ToS值是160、BE業務的ToS值是0。

3 LTE-R CRN架構和C-eNode B隊列管理策略

3.1 LTE-R CRN架構

通過第2節的分析發現，基于RR調度的LTE-R系統不僅存在空閑時間的資源浪費，還有TTI里的資源浪費。為提高LTE-R系統的頻譜利用率，本文提出將LTE-R eNode B升級成C-eNode B，并定義C-eNode B具有以下能力：準確區分PU和SU的業務數據，保障PU通信，確保列車運行安全；在有RB浪費的TTI里，將浪費的RB分配給SU通信；在SU有可用RB的TTI里，對不同業務的SU數據按照ToS值優先策略區別處理，減少實時業務的時延。

為降低系統的復雜度、減少穿透損耗和SU使用LTE-R授權頻段對車地通信的干擾，本文采用在列車車頂上增加VGW的方法來實現旅客與列車在LTE-R系統中的頻譜共享。不同車廂的無線AP（access point，接入點）通過光纖連接至無線VG，旅客在不同車廂僅需要連接到其所在車廂的無線AP即可享受Internet服務。該方法的優點是減少了由大量旅客在越區切換時產生的信令風暴對PU通信的影響。

本文的目的在于使用CR技術提高LTE-R系統頻譜利用率，如圖2所示，在不改變圖1網絡架構的基礎上，為旅客提供一條經過LTE-R系統的鏈路來給旅客提供Internet接入服務（線路2）。在圖2中，原LTE-R eNode B變成C-eNode B，并與PU和SU構成CRN（如圖2虛線框所示）。列車上的SU除了通過運營商的LTE eNode B接入Internet外，還可通過VG與LTE-R C-eNode B進行通信，接入并使用Internet。在下行鏈路方向，Internet的數據經過SG和AG后可通過線路1到達LTE eNode B或通過線路2到達LTE C-eNode B，若經線路2到達C-eNode B，在不影響PU通信的情況下，C-eNode B將SU的數據通過空中接口發送給列車上的VG，VG通過光纖轉發到AP，最后到達旅客設備，實現PU和SU在LTE-R系統的頻譜共享。

3.2 基于FIFO的C-eNode B隊列管理策略

3.3 提出的算法和C-eNode B的隊列管理策略

3.3.1 提出的算法

圖3 基于FIFO的C-eNode B隊列管理策略

圖2 基于C-eNode B和VG的LTE-R系統CRN頻譜共享架構

TTI begin

Resource allocation:

else

if SUs is active

else

//do nothing

end if

end if

Generate downlink schedule instruction

TTI end

3.3.2 ToS值優先的C-eNode B隊列管理策略

3.4 復雜度分析

圖4 基于ToS值優先的C-eNode B隊列管理策略

4 仿真結果與分析

4.1 仿真場景

本文選擇離散事件網絡模擬器NS3來仿真LTE-R CRN的網絡架構和基于ToS值優先的C-eNode B隊列管理算法。本次仿真研究的是一個C-eNode B覆蓋范圍內的兩個問題：在不影響車地通信的前提下，MRR能否有效地將空閑資源塊和TTI剩余不足以分配給PU的資源塊給SU使用，實現頻譜共享；在第1個問題的基礎上，C-eNode B對不同QoS要求的SU按ToS值優先的隊列管理原則減少實時性業務的時延。

對于第一個問題，假設LTE-R基站工作在700 MHz的頻段，系統帶寬5 MHz。在C-eNode B覆蓋范圍內同時有3輛列車，每輛列車上有4個接收不同鐵路應用業務的設備（即12個PU）需要接收來自列車控制中心的數據，各PU獨立存在。PU對網絡的使用服從on-off模型，其中on服從正態分布，off服從指數分布。假設列車速度不影響車載設備的越區切換和對無線信號接收，本文列車以30 m/s的速度由遠到近穿過LTE-R C-eNode B的覆蓋范圍。

對于第2個問題，仿真采用第2.2節中描述的鐵路應用參數，假設C-eNode B的隊列緩沖區無限大。除了第2.2.2節中描述的PU的業務外，列車上30%的旅客使用VoIP業務，VoIP的編碼方式是G.729，數據速率是8 kbit/s；20%的旅客接收視頻流，數據速率是128 kbit/s，編碼方式是H.264；50%的旅客只需要BE服務，主要的仿真參數總結在表2中。

表2 仿真參數

4.2 結果與討論

本研究的目的是在保障車地通信穩定安全、低時延的前提下，利用CR技術提高LTE-R系統下行頻譜的利用率，并在資源受限的條件下盡量減少實時業務SU的接收時延。RB的利用率、主用戶業務的平均時延和不同隊列管理策略下SU的接收時延將在下面討論。

圖5 單位時間SU可用資源與PU on的平均時間與仿真時間的關系

表3 一個TTI中需要被調度PU的數量與頻譜利用率的關系

認知LTE-R使用MRR下的PU業務的平均時延如圖6所示。

圖6 認知LTE-R使用MRR下的PU業務的平均時延

由圖6可知，在未對RR算法改進前，為保障列車運行的安全，LTE-R系統的資源只有PU可以使用，此時PU業務的平均時延最小，是固定值，不隨次用戶的增加而變化。當C-eNode B使用MRR調度算法后，PU業務的平均時延有所上升，但幅度不大，大約為1 ms，遠遠小于鐵路通信系統50 ms的時延要求[14]。時延增加是因為MRR在給PU分配完資源后還需要檢查是否有剩余資源要分配給SU。從圖6的上半部分還可得到，在file update速率相同的前提下，PU的平均時延是固定值，不隨SU的數量增加而變化，不管C-eNode B采用的是FIFO，還是ToS隊列管理策略，對PU業務的端到端時延影響不大?？傊?，MRR能夠保證PU的接收時延較小，保障車地通信的安全。

為了更接近真實的鐵路通信環境，本文選擇4種不同的鐵路通信應用進行仿真，在第2.2.3節中描述。由圖7（a）知，隨著SU數量和PU業務速率的增加，基于FIFO隊列原則的VoIP業務的平均時延在不斷增加。在PU速率等于2 Mbit/s、系統總的SU數量等于80個時，時延達到最大值；繼續增加SU的數量，時延變小。原因是達到系統可用資源瓶頸，C-eNode B隊列緩沖區中的分組沒有被發送出，平均每個SU接收到的數據變少，平均接收時延變小。基于ToS值優先策略的C-eNode B在每個可用的TTI里優先發送ToS值大的分組。本仿真中VoIP業務分組具有最大的ToS值，所以在有轉發機會的TTI里最先得到轉發。圖7（b）是C-eNode B使用ToS策略時VoIP業務的平均時延，即圖7（a）底部的局部放大圖，從圖7（b）可知，在C-eNode B使用ToS值優先隊列策略后，盡管總的SU數量和PU占用資源在不斷增加，VoIP業務的平均時延都小于16 ms。證明了ToS值優先策略能夠保障VoIP業務的時效性和有效性。

圖8給出了C-eNode B在使用FIFO和ToS值優先這兩種隊列管理策略時，video業務的平均時延與PU占用資源和系統SU數量之間的關系。由圖8（a）可知，基于FIFO的隊列管理策略在SU數量較少和PU的速率較小時，video業務的平均時延較小。隨著SU數量的增加和PU速率的提高，video業務的平均時延與VoIP業務類似，不斷上升。圖8（b）是C-eNode B使用ToS策略時video業務的平均時延，即圖8（a）底部的局部放大圖，由圖8（b）可知，在C-eNode B使用ToS值優先策略后，由于video業務的ToS值大于BE業務但小于VoIP，且VoIP業務數據分組長度較小，video業務在VoIP業務之后能夠較快得到轉發，最大時延不超過20 ms。綜合圖7、圖8可知，C-eNode B使用ToS值優先策略能夠有效地保障實時業務的通信質量。

圖7 VoIP業務的平均時延

圖9給出了C-eNode B在使用FIFO和ToS值優先這兩種隊列管理策略時， BE業務的平均時延與PU占用資源和系統SU數量之間的關系。由圖9可知，C-eNode B使用FIFO的隊列管理策略，當SU數量較少和PU的速率較小時，BE業務的平均時延較小。隨著SU數量的增加和PU速率的提高，平均時延在不斷上升。到達資源瓶頸后，再增加SU的數量，時延最終基本維持不變。原因是隨著系統中總的SU數量的增加，每個使用BE業務的SU接收到的數據在變少，導致時延基本維持不變?；赥oS值優先的C-eNode B隊列管理策略優先轉發ToS至更大的VoIP、video業務，BE業務在隊列中無VoIP或video分組時才能被轉發，所以在使用ToS值優先策略后，VoIP、video的平均時延較FIFO的時延小，BE業務的平均時延較FIFO的大。

圖8 video業務的平均時延

圖9 BE業務的平均時延與PU占用資源和系統SU數量之間的關系

未來，鐵路運營商可以利用LTE-R系統中的空閑頻譜資源為旅客提供Internet服務。將為乘客提供不同服務質量等級的Internet接入作為鐵路運營的增值服務，在增加鐵路運營收入的同時提高旅客的乘車體驗。

5 結束語

本文針對下行基于RR調度算法的LTE-R系統存在的空閑和TTI里存在的頻譜資源浪費問題，提出將LTE-R基站升級成C-eNode B，改進RR算法，并在LTE-R系統中構建基于C-eNode B和VG的認知無線網絡。C-eNode B在保障PU通信的前提下，通過MRR調度算法實現PU和SU頻譜資源共享。通過ToS值優先的C-eNode B隊列管理策略，減小高QoS要求的SU分組時延。仿真結果表明，基于MRR調度算法的C-eNode B能很好地提高LTE-R授權頻段的頻譜利用率?；赥oS值優先的C-eNode B隊列管理策略可以有效地減少實時業務的時延。下一步將研究認知LTE-R基站對整條鐵路線上頻譜的利用情況和不同QoS業務的SU如何在資源有限的條件下更好地完成通信。

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MRR scheduling based cognitive LTE-R eNode B and type of service value priority queue management strategy

DENG Hongyu, WANG Yiming, WU Cheng

School of Rail Transportation, Soochow University, Suzhou 215006, China

Cognitive radio technology was used to build cognitive radio networks in long-term evolution railway communication systems, and cognitive base station network architecture and MRR scheduling algorithms were proposed to improve the spectrum utilization of railway dedicated networks. In particular, the FIFO policy for cognitive LTE-R base stations in a single vehicle gateway causes excessive delay in real-time services of secondary users, and a cognitive LTE-R base station queue management strategy based on priority of service types was proposed. This strategy gave priority to sending packets with large service type values to the queue, so as to achieve the purpose of prioritizing real-time services. Simulation results show that under the premise of ensuring the normal communication of vehicles, the constructed cognitive base station can provide passengers with additional internet access links, and at the same time, improve the spectrum utilization rate of the LTE-R communication system. In addition, the cognitive base station queue management strategy based on service type value priority can effectively reduce the delay of passenger real-time services.

LTE-R communication system, cognitive radio network, cognitive LTE-R eNode B, vehicle gateway, type of service

TN929

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018165

鄧宏宇（1991?），男，蘇州大學碩士生，主要研究方向為認知無線電中的資源分配和共享等。

汪一鳴（1956?），女，博士，蘇州大學教授、博士生導師，中國電子學會高級會員，IEEE會員，主要研究方向為無線通信網絡、認知無線電、超寬帶通信等。

吳澄（1976?），男，博士，蘇州大學副教授，主要研究方向為認知無線電、人工智能、圖像處理等。

2017?10?30；

2018?04?20