馬　超，仇潤鶴

（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

基于通話優(yōu)先級的用戶結(jié)對VoLTE半持續(xù)調(diào)度機制*

馬超1,2，仇潤鶴1,2

（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

根據(jù)3GPP的規(guī)定，VoLTE（Voice over LTE）使用半持續(xù)調(diào)度，但已有的半持續(xù)調(diào)度方案沒有針對通話設(shè)定優(yōu)先級，不能充分利用無線資源。因此，提出一種改進(jìn)的基于VoIP（Voice over Internet Protocol）通話優(yōu)先級的用戶結(jié)對半持續(xù)調(diào)度算法，根據(jù)隊列長度、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）、物理資源塊需求數(shù)、平均信道質(zhì)量、平均傳輸速率等，計算每個VoIP通話的優(yōu)先級，通過將用戶兩兩結(jié)對，使其共享分配到的無線資源。此外，將該算法應(yīng)用于VoLTE，以進(jìn)一步降低無線資源調(diào)度信令開銷，提高對無線資源的利用率及調(diào)度效率，提高用戶滿意度和小區(qū)中VoLTE用戶容量。最后，通過MATLAB仿真工具，仿真驗證了該改進(jìn)算法對VoLTE語音分組丟包率、用戶滿意度和用戶容量等的性能提升。

VoLTE；VoIP；優(yōu)先級；用戶結(jié)對；半持續(xù)調(diào)度

0　引 言

LTE（Long Term Evolution）是4G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［1］。VoLTE全稱為Voice over LTE，即基于LTE的VoIP服務(wù)，是以IMS（IP Multimedia Subsystem）核心網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，LTE網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸通道的LTE語音解決方案。在不需要2G/3G網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以將音視頻業(yè)務(wù)承載于LTE網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的承載。隨著4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的逐步完善及LTE智能手機市場占有率的大幅提高，對于全球的運營商來說，解決4G網(wǎng)絡(luò)的IP（Internet Protocol）語音服務(wù)這個終極問題，成為目前的當(dāng)務(wù)之急。分組域傳輸是盡最大努力交付且受制于時延及分組丟失，使得LTE網(wǎng)絡(luò)上的VoIP業(yè)務(wù)實現(xiàn)比以往更具挑戰(zhàn)性。LTE無線接口資源是共享的，所以信令和數(shù)據(jù)需競爭這些資源進(jìn)行傳輸。因此，如何充分利用及合理分配LTE的無線資源以進(jìn)行語音傳輸，是一個值得研究的課題。

目前，LTE已有的調(diào)度方案有動態(tài)調(diào)度［2］、持續(xù)調(diào)度、組調(diào)度、半持續(xù)調(diào)度［3］等。由于語音分組小、數(shù)量多、間隔固定、對時延敏感等特性，VoIP的上下行傳輸都采用了半持續(xù)調(diào)度方案［4］。半持續(xù)調(diào)度相比于全動態(tài)調(diào)度，可針對VoIP的特點，一次授權(quán)，周期使用，需要更少的L1/L2控制信令，因此可以支持更高的系統(tǒng)用戶容量［5-6］。但是，在現(xiàn)有半持續(xù)調(diào)度方案中，用戶設(shè)備的請求都是先到先服務(wù)。這雖然保證了公平性，但沒有充分利用無線資源。半持續(xù)調(diào)度中，信道質(zhì)量較差的用戶和信道質(zhì)量較好的用戶具有同樣的優(yōu)先級使用資源，致使信道質(zhì)量較差的用戶的重傳數(shù)據(jù)帶來不必要的資源浪費，還會導(dǎo)致其他用戶設(shè)備的調(diào)度請求等待超時，從而降低無線資源的利用率［7］及小區(qū)用戶容量。

針對這些問題，許多研究者從不同角度提出了針對半持續(xù)調(diào)度的改進(jìn)方案。例如，文獻(xiàn)［4］提出一種自適應(yīng)調(diào)度算法作為半持續(xù)調(diào)度的改進(jìn)，動態(tài)調(diào)度應(yīng)用一種適應(yīng)性機制幫助調(diào)度過大的分組，由系統(tǒng)已知的緩沖信息觸發(fā)調(diào)度而不需專門的信令。文獻(xiàn)［7］提出一種基于用戶優(yōu)先級的無線資源調(diào)度方案，即根據(jù)用戶等級、用戶設(shè)備對物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）的需求量、用戶設(shè)備的平均信道質(zhì)量以及平均傳輸速率等因素，計算VoLTE用戶設(shè)備的優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度來提高無線資源的利用率，但其沒有考慮資源過多和資源較少用戶間資源的再次分配問題。文獻(xiàn)［8］提出一種基于信道質(zhì)量改變預(yù)估的半持續(xù)調(diào)度資源分配算法，同時自適應(yīng)調(diào)整AMR（Adaptive Multi Rate）編碼速率，以免影響其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)［9］提出一種VoIP通話優(yōu)先級計算方式，并根據(jù)通話的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，但其通話優(yōu)先級僅根據(jù)隊列長度和信道質(zhì)量反饋進(jìn)行計算，考慮因素較少。此外，該調(diào)度算法沒有考慮VoIP優(yōu)先模式過多占用資源導(dǎo)致其他業(yè)務(wù)饑餓的情況。

鑒于此，本文基于文獻(xiàn)［9］進(jìn)行改進(jìn)，提出根據(jù)隊列長度、SINR、物理資源模塊需求數(shù)、平均信道質(zhì)量、平均傳輸速率，計算每個VoIP通話的優(yōu)先級，使得通話優(yōu)先級的計算更為全面。同時，利用組調(diào)度中將用戶分組的方法，基于優(yōu)先級進(jìn)行用戶兩兩結(jié)對的方法進(jìn)行調(diào)度，從而進(jìn)一步提高用戶對無線資源的利用率。此外，在應(yīng)用通話優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度前，評估語音分組的丟包率，自適應(yīng)調(diào)整分配給VoIP優(yōu)先模式的最大TTI（Transmission Time Interval）個數(shù)，以避免非語音業(yè)務(wù)分配的資源過少而造成饑餓。

本文其余部分的安排如下：第一部分提出針對半持續(xù)調(diào)度的改進(jìn)算法，第二部分闡述構(gòu)建的仿真模型及參數(shù)，第三部分則針對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后總結(jié)本文工作。

1　改進(jìn)的半持續(xù)調(diào)度算法

為解決動態(tài)調(diào)度因語音業(yè)務(wù)分組小、出現(xiàn)頻率高所導(dǎo)致的高控制信令開銷問題，提出了半持續(xù)調(diào)度（Semi-persistent Scheduling，SPS）算法。半持續(xù)調(diào)度算法在上下行中均可使用，主要包括兩個方面：初始發(fā)送持續(xù)調(diào)度和重復(fù)發(fā)送動態(tài)調(diào)度［8］。向每個用戶設(shè)備分配PRB時，初始發(fā)送可以不使用PDCCH（Physical Downlink Control Channel）信令。如果初始發(fā)送失敗，則演進(jìn)型基站通過使用控制信令來嘗試動態(tài)調(diào)度對應(yīng)的HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）重傳［10］。半持續(xù)調(diào)度可以消耗更少的控制信令，提供更高的VoLTE容量，比前幾種調(diào)度機制更適合語音分組的傳輸。但是，現(xiàn)有方案中，對用戶的請求都是先到先服務(wù)，沒有考慮不同用戶的優(yōu)先級，也沒有充分考慮無線資源的利用率，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)算法。

改進(jìn)的半持續(xù)調(diào)度算法，目的是進(jìn)一步提高半持續(xù)調(diào)度的無線資源使用率及VoLTE用戶容量，同時減少控制信令的開銷。本文提出對文獻(xiàn)［9］VoIP通話優(yōu)先級的計算方式進(jìn)行改進(jìn)，通過更加詳盡的計算方式評定通話優(yōu)先級，并依據(jù)優(yōu)先級對每個通話分配無線資源。然后，將改進(jìn)的優(yōu)先級計算應(yīng)用到用戶結(jié)對調(diào)度算法中，根據(jù)優(yōu)先級及授權(quán)狀態(tài)對語音分組進(jìn)行調(diào)度。

1.1VoIP優(yōu)先模式

VoIP優(yōu)先模式僅在TTI上傳輸語音分組數(shù)據(jù)，即僅將PRB資源分配給VoIP通話，以滿足語音業(yè)務(wù)的QoS（Quality of Service）要求。因此，這種模式下，會在其他業(yè)務(wù)前調(diào)度VoIP通話。該模式的激活決定于是否有正在進(jìn)行的VoIP通話及VoIP優(yōu)先模式的持續(xù)時間。VoIP優(yōu)先模式的持續(xù)時間必須嚴(yán)格控制，因為它會持續(xù)將無線資源分配給VoIP通話。當(dāng)通話數(shù)量較多時，會導(dǎo)致其他業(yè)務(wù)分配不到資源而降低整體系統(tǒng)性能，并造成無線資源的低利用率。文獻(xiàn)［9］中優(yōu)先級的計算僅考慮了通話隊列長度和信道質(zhì)量反饋，考慮的因素不夠具體。事實上，一個通話可能需要占用多個PRB資源。于是，本文提出在VoIP優(yōu)先模式中，通話的調(diào)度順序還需考慮通話信道質(zhì)量、平均傳輸速率、通話PRB資源需求數(shù)。具體地，可以表示為下述方程：

為了避免語音通話過多占用PRB資源而造成其他業(yè)務(wù)饑餓，應(yīng)對VoIP優(yōu)先模式的持續(xù)時間實行動態(tài)控制?？刂埔蛩貨Q定于語音分組的整體丟包率，這里預(yù)定義最大丟包率閾值Rmax和最小丟包率閾值Rmin。若語音分組的丟包率R＜Rmin，則減少應(yīng)用于優(yōu)先模式的最大TTI個數(shù)，因為有足夠的資源可用于通話或已經(jīng)給通話分配了足夠的資源；若R＞Rmax，則增加應(yīng)用于優(yōu)先模式的最大TTI個數(shù)，因為沒有足夠的資源可分配給通話；若Rmin≤R≤Rmax，則應(yīng)用于優(yōu)先模式的最大TTI個數(shù)保持不變。

1.2用戶結(jié)對

為進(jìn)一步提升LTE的系統(tǒng)容量，提出了用戶結(jié)對方案，讓兩個用戶共享它們所分配到的無線資源。結(jié)對方案主要包括兩個部分：用戶結(jié)對和鏈接授權(quán)更改。由于無線網(wǎng)絡(luò)不斷改變的特性，每個用戶的信道質(zhì)量很難保證一致。因此，一些用戶可能因為信道衰落或者較差的信道質(zhì)量而不能充分利用分配給它的資源。本文提出將具有相反信道質(zhì)量（即一個信道質(zhì)量好的用戶與一個信道質(zhì)量差的用戶）的兩個用戶結(jié)對，避免信道質(zhì)量差的用戶多次重傳，以抵消無線資源的低利用率。授權(quán)根據(jù)用戶優(yōu)先級實時進(jìn)行更改，優(yōu)先將授權(quán)分配給一個用戶對中信道質(zhì)量較差的用戶，從而盡量減少信道質(zhì)量較差用戶的重傳次數(shù)。綜上所述，用戶結(jié)對保證了資源的高效利用，鏈接授權(quán)更改保證了需要資源的用戶擁有授權(quán)，因而隨時都能通過鏈接獲取資源。

1.3整體調(diào)度算法

整體調(diào)度算法的流程圖如圖1所示。

圖1　每個TTI的調(diào)度算法流程

在半持續(xù)調(diào)度中，每個TTI-PRB資源塊序列的調(diào)度間隔為20 ms［11］。調(diào)度算法在每個TTI開始時進(jìn)行。算法將VoIP優(yōu)先模式與用戶結(jié)對方法相結(jié)合，對VoIP用戶提供動態(tài)授權(quán)，并根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。調(diào)度開始時，首先判斷是否存在VoIP通話，若不存在，則應(yīng)用普通模式進(jìn)行調(diào)度，以減少對其他業(yè)務(wù)的影響。當(dāng)存在VoIP通話時，比較語音分組丟包率的大小，以調(diào)整分配給VoIP優(yōu)先模式的最大TTI個數(shù)。其中，當(dāng)R＜Rmin時，說明VoIP通話狀況較好，此時減少最大TTI個數(shù)并轉(zhuǎn)向應(yīng)用普通模式。當(dāng)R＞Rmin時，應(yīng)用VoIP優(yōu)先模式，判斷是否多于一個用戶。若多于一個，則采用結(jié)對方式調(diào)度，將鏈接授權(quán)分配給信道質(zhì)量較差的用戶；若只有一個用戶，則直接根據(jù)授權(quán)和優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。調(diào)度一直進(jìn)行，直到?jīng)]有可供調(diào)度的語音分組或沒有VoIP用戶為止。

2　仿真模型及參數(shù)

2.1VoLTE狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型及VoIP參數(shù)

2.1.1VoLTE狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型

這里，根據(jù)文獻(xiàn)［12］中的假設(shè)，VoLTE狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型是一個兩階馬爾科夫鏈，如圖2所示。

圖2 VoLTE狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型

圖2中，a是從狀態(tài)1轉(zhuǎn)移到狀態(tài)0（不活躍狀態(tài)）的概率，b是留在狀態(tài)0的概率，c是由狀態(tài)0轉(zhuǎn)移到狀態(tài)1（活躍狀態(tài)）的概率，d是留在狀態(tài)1的概率。VoLTE會話在活躍與不活躍兩個狀態(tài)間交替進(jìn)行。

2.1.2VoIP參數(shù)

VoIP參數(shù)主要來自于文獻(xiàn)［12-13］，模型參數(shù)如表1所示。

表1　VoIP模型參數(shù)

當(dāng)用戶講話即在狀態(tài)1時，每20 ms生成大小為40 bytes的VoIP分組；當(dāng)用戶不講話即在狀態(tài)0時，每160 ms生成大小為15 bytes的SID（Silence Insertion Descriptor）分組。用戶可能講話的概率VAF（Voice Activity Factor）為50%，活躍與不活躍狀態(tài)的次數(shù)服從均值為2的指數(shù)分布［10］。其他的詳細(xì)參數(shù)如狀態(tài)持續(xù)時間和分布、編譯碼器、AMR（Adaptive Multi-Rate）速率、分組大小、時間間隔、幀長度等，見表1。

2.2LTE仿真參數(shù)

LTE仿真模型采用19個小區(qū)，每個小區(qū)均有3個扇區(qū)，小區(qū)間的站點間距為500 m。LTE帶寬選用5 MHz，仿真長度為100個TTI，每個TTI時長1 ms。仿真是評估VoLTE性能，LTE業(yè)務(wù)模型選用VoIP。根據(jù)文獻(xiàn)［14］的定義，用戶滿意是指其VoIP數(shù)據(jù)包時延超過50 ms的比例不超過2%。因此，這里將最大語音分組時延取為50 ms，最小丟包率閾值Rmin設(shè)置為2%。由于5%被認(rèn)為是滿足QoS所允許的最大丟包率，所以這里將最大丟包率閾值Rmax設(shè)置為5%。其他仿真參數(shù)如自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)AMC［15］（Adaptive Modulation and Coding）等，見表2。

表2　LTE仿真參數(shù)

3　仿真結(jié)果及分析

3.1語音分組丟包率

分別針對普通模式、VoIP優(yōu)先模式、用戶結(jié)對的VoIP優(yōu)先模式進(jìn)行仿真，對比其隨VoIP通話數(shù)量增長時語音分組的丟包率變化，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在普通模式下隨著通話數(shù)量的增長，語音分組丟包率近似呈線性增加。這說明該模式不能充分利用無線資源，通話數(shù)量越多，語音分組丟包率越高，資源浪費越嚴(yán)重。對于其他兩種模式，當(dāng)通話數(shù)量低于10時，語音分組丟包率為0。之后，隨著通話數(shù)量的增加，語音分組丟包率逐漸增加。VoIP優(yōu)先模式下，語音分組的丟包率相比普通模式降低了很多。當(dāng)有50個通話時，語音分組丟包率為2.2%。這說明VoIP優(yōu)先模式的引入有效減少了語音分組的重傳數(shù)量，從而大幅減少了無限資源的浪費。用戶結(jié)對VoIP優(yōu)先模式下，當(dāng)有50個通話時，語音分組丟包率為1.08%。相比原來的VoIP優(yōu)先模式，分組丟包率降低了50.9%。這說明本文提出的算法，通過改進(jìn)VoIP優(yōu)先模式中優(yōu)先級的計算方式及將用戶結(jié)對，相比原VoIP優(yōu)先模式進(jìn)一步降低了語音分組丟包率，從而提升了無線資源利用率。

圖3　不同模式下通話數(shù)量與語音分組丟包率關(guān)系

3.2用戶容量

分別針對原半持續(xù)調(diào)度及本文提出的改進(jìn)算法進(jìn)行仿真，對比其隨UE（User Equipment）數(shù)目增多時滿意用戶所占比例的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同調(diào)度算法下滿意用戶比例對比

根據(jù)文獻(xiàn)［14］的定義，VoIP容量為單個小區(qū)內(nèi)95%的用戶為滿意用戶時的用戶數(shù)。由圖4可以看出，對于半持續(xù)調(diào)度，當(dāng)UE個數(shù)超過255個時，滿意用戶比例開始下降；當(dāng)UE個數(shù)為264時，滿意用戶比例達(dá)到95%，即半持續(xù)調(diào)度算法下的用戶容量為264。對于改進(jìn)的半持續(xù)調(diào)度，當(dāng)UE個數(shù)超過270個時，滿意用戶比例才開始下降；當(dāng)UE個數(shù)為281時，滿意用戶比例達(dá)到95%，即改進(jìn)的半持續(xù)調(diào)度算法下用戶容量為281。可見，改進(jìn)算法相比于原半持續(xù)調(diào)度算法用戶容量增加了17個，提高了6.44%。這說明本文提出的通話優(yōu)先級改進(jìn)方案及用戶結(jié)對方案，可更加充分地利用無線資源，從而進(jìn)一步提升半持續(xù)調(diào)度機制下的用戶容量。

4　結(jié) 語

本文提出了一種改進(jìn)的VoLTE半持續(xù)調(diào)度算法，算法分為VoIP優(yōu)先模式通話優(yōu)先級計算改進(jìn)和用戶結(jié)對方法兩個部分。在VoIP優(yōu)先模式中，提出將通話信道質(zhì)量、平均傳輸速率、通話PRB資源需求數(shù)納入通話優(yōu)先級的計算，使得優(yōu)先級計算考慮的因素更為全面，更加合理地評估通話的調(diào)度順序，減少對信道控制信令的消耗，提高無線資源的利用率。在用戶結(jié)對方法中，將信道質(zhì)量差的用戶與信道質(zhì)量好的用戶兩兩結(jié)對共享資源，以減少信道質(zhì)量較差用戶的重傳次數(shù)，避免資源浪費。在整體調(diào)度算法中，提出根據(jù)語音分組的丟包率，實時調(diào)整分配給VoIP優(yōu)先模式的最大TTI個數(shù)。當(dāng)語音分組丟包率低于最小丟包率閾值時應(yīng)用普通模式，以避免VoIP優(yōu)先模式過多占用資源造成其他業(yè)務(wù)饑餓。仿真結(jié)果表明，本文提出的算法相對于普通VoIP優(yōu)先模式，可有效降低語音分組丟包率；相比普通半持續(xù)調(diào)度機制，可進(jìn)一步提升小區(qū)內(nèi)用戶容量。

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馬 超（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信；

仇潤鶴（1961—），男，博士，教授，主要研究方向為無線通信系統(tǒng)。

User-coupled Semi-persistent Scheduling Scheme for VoLTE based on Call Priority

MA Chao1，2， QIU Run-he1，2
（1.College of Information Science and Technology， Donghua University， Shanghai 201620， China；2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology， Ministry of Education， Shanghai 201620， China）

In accordance with the provisions of 3GPP， semi-persistent scheduling is used in VoLTE. However the existing semi-persistent scheduling scheme sets no priority for calls， so it can’t make full use of radio resource. This paper proposes a modified user-coupled semi-persistent scheduling algorithm based on VoIP（Voice over Internet Protocol） call priority. This algorithm calculates the priority of every call according to the queue length， SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）， the needed number of physical resource blocks， average channel quality， average transmission rate， and by making every two users a pair，the allocated resource is thus shared. And in so doing， the signaling overhead is further decreased， the radio resource utilization rate and scheduling efficiency fairly improved， and the satisfaction ratio of users and user capacity of VoLTE clearly increased. Simulation with MATLAB indicates that this modified algorithm could raise the performance of VoLTE.

VoLTE； VoIP； priority； user-coupled； semi-persistent scheduling

TN929.5

A

1002-0802（2016）-10-1349-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.10.016

2016-06-09；

2016-09-13

data:2016-06-09；Revised data:2016-09-13