韋 鵬 李筱林

【摘要】由于無線鏈路的容量受限,廣播組播信道需要更加科學的調度機制,以便充分地利用無線資源。文章在綜合考慮CN業(yè)務調度、RAN業(yè)務調度策略以及反饋機制的基礎上,提出了一種有效用于MBMS業(yè)務的端到端調度方法,并給出了業(yè)務調度的仿真分析。該方法包括從所有實體中分離調度子功能的分配方法、反饋策略以及架構的演進。

【關鍵詞】MBMS 端到端調度 CN RAN 跨層反饋

1 引言

MBMS(移動廣播組播業(yè)務)的出現(xiàn),使得向大量訂閱用戶提供多媒體業(yè)務成為現(xiàn)實。一些豐富的多媒體內容,如視頻剪輯、新聞咨詢、天氣預報等,都可以源源不斷地“流向”廣大用戶。而有效的端到端的調度無疑是這些MBMS業(yè)務傳輸?shù)闹匾ＷC之一。

3GPP已經(jīng)在MBMS標準[1]中對RAN(無線接入網(wǎng))端的PTM(Point-To-Multipoint)傳輸及CN(核心網(wǎng))中端到端的IP廣播組播作了規(guī)范。MBMS可以同時向大量用戶傳送相同的業(yè)務,也允許多個用戶同時通過同一公共信道接收相同的數(shù)據(jù);其最大優(yōu)點在于取代了原有多路單播及PTP(Point-To-Point)的連接模式,避免了重復傳輸大量相同數(shù)據(jù)而造成的空中接口擁塞。當大量用戶接收相同的多播業(yè)務時,網(wǎng)絡資源需要存儲在支持MBMS的CN中;在支持MBMS的RAN端,資源管理也將變得愈加復雜。日益增長的帶寬及數(shù)據(jù)速率需求,也對信息承載的有效分配提出了更高的要求。因此不僅需要對小區(qū)內的UE(用戶終端)數(shù)進行估計,而且需要對發(fā)送功率的控制以及組播群的空間分布進行準確的分析。

2 端到端調度方法的目標

移動通信網(wǎng)絡最初的設計旨在支持語音電話業(yè)務,而豐富的多媒體業(yè)務的大眾化對調度策略提出了更高的要求。要向大量接收終端有效地傳輸多媒體內容,配置、可執(zhí)行文件以及約束條件等都要求具備廣播組播功能。3GPP將所有的MBMS業(yè)務分為3大類[2]:流業(yè)務、下載業(yè)務和互動業(yè)務,隨之帶來了不同的QoS需求。

本文提出的端到端的MBMS調度策略由不同等級的調度過程組成,從簡單的時間片(如10分鐘新聞節(jié)目)的預留,到RAN的更低調度層中包括業(yè)務與會話調度及具體指定時間的分組調度等。RAN的分組調度主要負責處理無線幀和IP包,CN則主要負責業(yè)務安排,也就是決定何時發(fā)送何種業(yè)務,以便最有效地利用網(wǎng)絡資源,在滿足更多用戶需求的同時降低成本。3GPP Release 6[3]中負責業(yè)務調度功能的實體主要是BM-SC(Broadcast/Multicast Service Centre)。

3 端到端調度的架構設計

3.1 架構描述

如圖1所示,本文的端到端調度機制主要由兩方面組成,CN和RAN在各自的范圍內通過其自身的調度規(guī)則來使傳輸效率最大化。當RAN向CN反饋的信息包括當前以及可預測的小區(qū)狀態(tài)時,例如在一定的小區(qū)或區(qū)域內有多少資源可以用于MBMS業(yè)務等,將進一步提高傳輸效率。

圖1端到端的調度機制

3.2 CN調度

(1)CN調度功能分析

CN將業(yè)務調度功能置于其內部,由BM-SC來支持。3GPP MBMS標準對廣播組播調度及MBMS傳輸會話作了規(guī)定,但是業(yè)務調度的具體情況未作說明,有待各研發(fā)單位自己解決。

CN調度功能可以劃分為業(yè)務承載層的業(yè)務調度管理和媒體傳輸層的會話調度控制。如圖2所示,業(yè)務調度管理代表會話調度控制器來觸發(fā)實際的數(shù)據(jù)傳輸。文獻[4]中所定義的業(yè)務承載層面由一些不同功能的承載實體組成,為調度實體所用。業(yè)務調度管理實體必須檢測能否得到所需的傳輸時隙,或是預留或是提出一條新的申請;為此,必須通過業(yè)務組播管理承載功能在業(yè)務和接收的組之間建立聯(lián)系。此外,定位管理承載實體也將考慮移動性及接收端的位置情況。業(yè)務調度的目標是為了產生一項業(yè)務,該業(yè)務可以為ESG/EPG(Electronic Service/Program Guide)所用。經(jīng)鑒權許可后,CP(Content Provider)才被允許加入新的MBMS業(yè)務,也就是可以提供給用戶。會話調度控制負責調度MBMS傳輸會話,一個完整的MBMS業(yè)務傳輸可以分成若干個傳輸會話。

圖2 CN調度功能

(2)RAN向CN的反饋

CN中的業(yè)務調度實體需要各小區(qū)的容量信息,而RAN可以看作整個MBMS系統(tǒng)的“頸部”,能為MBMS協(xié)同與調整資源,這一點與非MBMS業(yè)務是相同的。擁塞控制功能同樣有根據(jù)RAN的狀況來判斷的能力。例如,當組播組在無線衰落信道上的情況在一段時間里變得越來越好或越來越壞,CN將會決定是否支持這個組播組。

由此可見,向CN提供一種新穎的帶RRM信息的反饋機制是必不可少的,這種反饋可以用來提高業(yè)務調度決策性能。無論是直接還是間接的擁塞監(jiān)控的應用,都將形成一種閉環(huán)的控制機制,也就是調度可以被看作是擁塞控制的一部分。

3.3 RAN調度

(1)用戶反饋機制

根據(jù)文獻[5]的評估,MBMS中的功率控制將是UTRAN增強的主要措施,它將提供一種高效的頻譜利用組播業(yè)務。文獻[6]中的功率控制算法旨在根據(jù)小區(qū)中的信道狀況調整發(fā)送功率,信道條件較好的小區(qū)可以減小發(fā)送功率。然而,這種方法并未從根本上解決問題,如沒有考慮用戶移動、小區(qū)中組播組的數(shù)量及存在的非MBMS業(yè)務等。

圖3給出了一種通用的MBMS組管理策略,旨在通過提高功率發(fā)送的有效性來解決公共信道短缺問題。在組播組初始化之前,小區(qū)需要獲得其支持的所有MBMS業(yè)務的數(shù)量;這可以根據(jù)小區(qū)中MBMS與非MBMS用戶的數(shù)量,通過合理設置無線資源的比例來實現(xiàn)。一旦小區(qū)中的MBMS業(yè)務量能夠跟蹤,RNC的資源管理器就可以決定其能夠支持的RAB(Radio Access Bearer)數(shù)量。因此,小區(qū)中的專用、公共信道可以適應性地分配。接下來必須對應用業(yè)務的類型進行檢驗,也就是確認無線承載實體與業(yè)務類型之間是否匹配。在業(yè)務傳輸之前還須確定數(shù)據(jù)速率。一旦這些功能中的任何一個不正常,組播服務就會立即停止。當公共信道用來傳輸MBMS業(yè)務時,該功率控制算法會被啟用,一直持續(xù)到組播組失去連接或業(yè)務停止。

(2)分組調度

DRMS(Dynamic Resource MBMS Scheduler)的提出正是為了支持MBMS業(yè)務的需求,負責向MBMS用戶組傳送業(yè)務。圖4反映了此動態(tài)資源調度措施。作為一個集中式的QoS架構,DRMS可以根據(jù)相應的功率控制算法對無線信道的變化進行實時監(jiān)測,根據(jù)UE反饋的情況,針對各種類型的業(yè)務對發(fā)送功率進行動態(tài)的調整。調度實體從組播組那里收到會話請求,這些請求被分為兩類,分別存儲在GQ(Guaranteed Queue)和BEQ(Best Effort Queue)兩個隊列中。

GQ根據(jù)預定的速率進行傳輸,包括CBR(Constant Bit Rate)、NRT-VBR(Non Real-Time Variable Bit Rate)、RT-VBR(Real-Time VBR)及ABR(Available Bit Rate)等類型的業(yè)務。BEQ服務于UBR(Unspecified Bit Rate)類型的業(yè)務。這些業(yè)務將根據(jù)可用的帶寬分配到各自的組播群中。當不能再提供功率資源時,組播群的數(shù)量也就達到了飽和狀態(tài),調度實體需要決定哪種業(yè)務需要最有效的方式傳輸。為了提供其他影響調度決策的信息,組播組的信道狀況將被反饋給優(yōu)先級控制功能模塊,該模塊中的機制必須確保各用戶能夠共享該業(yè)務。

4 仿真分析

4.1 基于RAN擁塞信息的交互業(yè)務調度

交互業(yè)務伴隨著周期性的數(shù)據(jù)重復。需求概率pi指公眾對內容的興趣程度或接收組群的大小;fi表示MBMS業(yè)務的頻率,也就是在一個周期內出現(xiàn)的次數(shù);時間li表示傳輸業(yè)務i的時間。有式(1):

如式(2),文獻[7]中描述的交互調度算法可以擴展到RAN的擁塞控制中,擁塞的狀況主要取決于小區(qū)的容量。RAN能夠獲得這些信息,并將其匯總發(fā)送給CN。

仿真結果表明,這種RAN反饋機制十分有效。調度實體為各個優(yōu)先級的業(yè)務制定了一個平均接入時間,其頻率適應是以犧牲低優(yōu)先級業(yè)務為代價的。圖5、6反映了擁塞等級隨著時間的變化而導致的平均接入時間的變化。

圖5擁塞程度仿真

圖6各類型的平均接入時間

4.2 基于UE反饋的動態(tài)分組調度

在FACH中引入功率控制機制,增大了容量增益。為了在沒有MBMS組播用戶的SIR的支持下使整個小區(qū)達到較好的覆蓋率,FACH上64kbps的MBMS業(yè)務所需的Ec/Ior必須占總發(fā)送功率的15%。這就不得不綜合考慮MBMS業(yè)務的增加情況及預先存在的業(yè)務。圖7反映了DCH(Dedicated Channel)通過不斷地向Node B反饋來減小發(fā)送功率(從0.2w減小到0.02w)的功率控制能力,藍色和綠色分別表示FACH在覆蓋率為25%和50%時的功率發(fā)送情況。恒定功率發(fā)送時,可以看到在沒有功率控制的情況下,即使UE更加靠近Node B或信道環(huán)境變得很好,FACH的效益也不會提高。而沒有MBMS用戶位于小區(qū)邊緣時,向整個小區(qū)覆蓋范圍發(fā)送功率無疑是一種浪費。

為了支持用戶訂閱的多媒體業(yè)務,對RRM進行修改,以達到最優(yōu)的功率控制和擁塞控制。在本修改架構中,增加了UE反饋機制及調度技術,可以滿足向用戶傳輸MBMS業(yè)務。該反饋機制對現(xiàn)存的公共信道增加了輕權重的功率控制。通過這種考慮到瞬時業(yè)務加載及干擾情況的功率控制策略,動態(tài)分組調度能夠提供可靠的QoS。

5 小結

流業(yè)務、下載業(yè)務和互動業(yè)務這三種類型的MBMS業(yè)務在吞吐量、時延等方面都不同,其所需的QoS也有很大的差別。因為不是所有的單個小區(qū)信息都能夠為調度所考慮,為了降低計算的復雜度,這些信息需要綜合考慮。因此,無論是基于事件的還是基于時間的統(tǒng)計量都需要計算、集中、更新。此外,通過對系統(tǒng)動態(tài)行為的補償,一種基于知識的網(wǎng)絡預判可以使性能得到進一步提高。

在跨層結構設計中,本文提出的反饋技術可以進一步地用于自適應地轉換CN中的視頻音頻流,以減小RAN端的擁塞控制。而且,與其在一段給定的時間內消耗資源傳輸文件,不如根據(jù)時空資源將該文件分成幾個子部分;這樣,因為接收用戶有可能處于更好的無線環(huán)境,傳輸會更加成功。