吴大鹏，龚长河，王汝言，王 建

(1.重庆邮电大学宽带泛在接入技术研究所，重庆 400065；2.中兴通讯股份有限公司上海研发中心，上海 201203)

1 概述

以正交频分多路复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)为核心技术的长期演进(Long Term Evolution, LTE)系统能够显著提高用户吞吐量和扇区容量，降低用户可感知的时延，从而大幅提升用户的移动通信体验[1]。VoIP语音业务对服务质量(Quality of Service, QoS)[2]的期待得到了广泛关注，其关键在于VoIP语音业务的QoS需求是否得到满足。

语音业务对时延的要求较高，在目前的第三代移动通信系统及其以前的系统中，此类业务均以电路域承载，通过专用资源调度语音业务，系统开销较大。LTE系统采用了扁平化的架构设计，降低了链路时延[3]，使其能够在分组域以VoIP的方式承载语音业务，且服务质量与电路域相当。与其他类型的业务不同，VoIP业务具有诸多特殊性，其中包括分组长度较短、分组间隔相对固定、时延要求严格等，适用于传统分组交换网络的动态调度方法并未充分考虑上述业务的特点，无法满足无线环境下的语音业务需求，因此，研究适用于LTE系统的VoIP分组调度方法是保障语音通信的基础，也是LTE系统亟待解决的关键问题之一[4]。

目前，广泛应用于LTE系统的调度方法只针对队列长度和信噪比调整分组的调度顺序[5]，使得信道条件差的用户无法得到足够的系统资源，公平性较差；另外，与其他类型业务不同，语音业务对分组的延迟有严格要求[6]，上述调度方法增加了分组等待延迟，引发了分组丢弃，进而降低了用户的业务体验。为了克服传统的LTE系统语音分组调度方法的不足，本文提出排队延迟感知的分组调度机制，利用队列等待延迟和业务允许的最大延迟来产生一个延迟权重，然后用这个权重动态地调整分组调度的优先级，从而达到有效利用网络资源及改善用户公平性的目的。

2 排队延迟感知的分组调度机制

LTE的分组调度机制主要是确定用户调度优先级，然后给其分配资源，与其他通信系统不同，LTE系统中的业务承载存在其特殊性，通过专用资源调度语音业务[7]。调度和资源分配在每一个传输时间间隔(Transmission Time Interval, TTI)执行[8]，但是每一个TTI都会更新重新确定用户调度优先级，传输资源物理资源块(Physical Resource Block, PRB)其特殊性如下：在LTE中，VoIP业务的传输资源最小单位是PRB，从图1可以看出，LTE在时域和频域内将资源进行了二维划分，划分出的最小单位称为一个物理资源块。每个PRB都具有相同的大小，即频域最小单位为1.25 MHz，时域最小单位为0.5 ms。在每一个子帧的开始，LTE中VoIP业务通过特定的调度算法将这些PRB分配给不同的用户，一个用户可以在几个连续子帧中占用同一个PRB，也可以在一个子帧中同时占用几个PRB，或是以上方式的灵活组合[9-10]。当前的LTE标准规定，一个PRB在时域上分为2个子帧，频域上分为12个子载波[11]。

图1 LTE系统时/频域资源调度原理

如前所述，主要有4个方面因素影响LTE系统VoIP业务的 QoS，分别为信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)、队列长度、排队延迟、业务允许最大延迟等。综合考虑上述多个方面的因素，本文提出了排队延迟感知(Queuing Delay Aware, QDA)的语音业务分组调度机制，该机制的核心思想是在第一个传输时间间隔通过用户的队列长度和信道条件来确定优先级，从第 2次调度开始，利用排队延迟和业务允许最大延迟双重约束产生基于指数函数的权重值，进而动态地调整用户调度优先级，直到没有可用的资源或者没有用户需要调度。

传统语音业务调度机制仅考虑队列长度和信噪比，用户分组的调度优先级如式(1)所示：

其中，Qlen(i)和iγ分别表示语音业务用户i的队列长度和信噪比。式(1)表明队列长度越长，信噪比值越大的语音分组优先级越高，其获得系统资源的概率较大。

但是，单纯地采用队列长度和信噪比这 2个参数来确定语音分组的优先级，将导致信道条件差的用户迟迟得不到调度，使得公平性下降，而且还会导致丢包率的增加，难以有效地利用网络资源。除了上述队列长度和信噪比之外，语音分组调度机制还需要考虑队列等待延迟、数据包传输速率、VoIP业务允许的最大延迟等因素。每一种业务对延迟的敏感度不同，而VoIP业务是对延迟反应最敏感的业务，因此，针对VoIP业务就需要把其最大允许延迟作为计算优先级的一个参数，同时排队延迟直接影响丢包率以及系统的公平性，所以，在本文调度机制中把这 2个参数作为重要参考来计算调度优先级。

信道条件差的用户迟迟得不到调度导致排队延迟增加，排队延迟增加会造成丢包率上升，而且这些用户迟迟得不到调度就会处于“饿死”状态，用户公平性得不到体现。因此，本文采用延迟权重作为优先级判断的主要参数，该参数主要描述了队头(Head of Line, HOL)数据包排队时间接近最大允许延迟的程度，所使用的延迟权重定义如下：

其中，Tqueue为分组在队列中的等待时间，该参数根据HOL包的等待时间来确定；Dmax表示业务允许最大延迟。与其他相关标准与文献相同，本文令VoIP业务的最大允许延迟Dmax为20 ms[12]。延迟权重值的函数如图2所示。

图2 延迟权重值的函数

如图 2所示，权重值随着排队延迟的增加而变大，但权重值的最大值不超过1，即排队延迟不超过最大延迟门限20 ms，其主要原因在于VoIP业务对时延十分敏感，当排队延迟超过业务所允许的最大时延后，用户通话质量就会急剧下降，使得建立起来的通话显得毫无意义，而且为这些用户分配资源将导致网络资源利用率的下降。因此，在本文所提出的调度方法中，当排队延迟超过最大允许延迟的数据包就直接丢弃，即图 2中超过最大允许延迟 20 ms后的权重设置为0。

综合考虑上述影响用户分组调度的多个参数，本文提出的分组调度机制能够有效提高用户公平性，改善信道条件较差的用户服务质量，使其避免出现超过业务最大允许延迟后形成“饿死”状态。语音分组的优先级如式(3)所示：

所使用的信噪比iγ定义如式(4)所示：

其中，F、N0、B、I分别是噪声因数、噪声谱密度、资源块的带宽以及干扰。

接收功率PRX,i定义如式(5)所示：

其中，PTX表示传输功率；Mi、Li、iT、Si分别表示多径损失、路劲损耗、渗透以及阴影。

根据式(3)计算出优先权后，优先权越大的用户越先获得调度，调度器根据优先权值将HOL包降序排列，并且分配PRB给用户，直到PRB没有剩余为止。每个TTI都在执行优先权的计算。本文提出的QDA算法伪代码具体如下：

用户公平性的判定准则如式(6)所示：

其中，k表示用户的数量；xi表示用户i的平均速率，其计算方法如式(7)所示：

其中， ri( k)表示的是数据流i在第k个TTI获得的速率；xi( k - 1)表示上一个TTI的平均速率。

3 数值结果与分析

为了验证本文提出的调度机制对VoIP业务的QoS满足度，以及对整个系统的影响。仿真场景为单小区有干扰，具体参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

本文选取LTE系统中的典型调度机制VSM(VoIP Scheduling Model)进行比较，两者丢包率仿真结果如图3所示，随着用户数的增加，2条曲线呈上升趋势，但是QDA调度机制的丢包率一直比VSM的丢包率低，且用户数越多的时候表现越明显，QDA调度机制在丢包率性能方面得到了很大提升，当用户数达到60时丢包率没有超过1%，完全满足用户对丢包率的要求。其主要原因在于本文提出的QDA调度机制提高了接近允许最大延迟用户的调度优先级，从而使这些用户不会因为超过最大允许延迟而被丢弃，使得系统整体丢包率得到改善。

图3 VoIP丢包率比较

图4为VSM和QDA调度机制公平性的比较，由此可知QDA调度机制的公平性始终优于VSM，表明QDA调度机制的公平性相对 VSM 整体都得到了显著的提高。因为QDA调度机制给那些信道条件差而得不到调度从而导致排队延迟增加的用户提高了调度优先级，增加了其获得调度的概率，使得信道条件差的用户避免长期得不到调度甚至处于“饿死”状态。所以系统整体的公平性就得到了一定的提升。

图4 公平性比较

VSM与QDA调度机制系统延迟比较如图5所示，QDA调度机制的延迟比VSM略高，性能有所下降，其主要原因在于 QDA调度机制把排队延迟作为确定用户调度优先级的参数，使得排队延迟较大而信道条件较差的用户的调度优先级得到了提高。因此，系统延迟性能方面略低于VSM。从图中可以看出，用户数到达60时延迟为11 ms，小于最大允许延迟20 ms，满足用户语音通信的要求。QDA调度机制在满足用户延迟方面需求的前提下提升了其他性能。

图5 系统延迟比较

图6为系统吞吐量的比较，由图中可知，QDA调度机制的吞吐量相对VSM略低，其主要原因在于其中一部分信道条件差的用户提高了调度优先级，反之，一部分信道条件好的用户的调度优先级降低。这导致了整个系统的吞吐量有所下降，但是从中可以看到QDA调度机制相比VSM吞吐量下降的并不明显。因此，QDA调度机制对系统吞吐量的影响是可以忽略的。

图6 系统吞吐量比较

综上所述，本文提出的调度机制在满足VoIP业务QoS需求的前提下，同时最小化了延迟和吞吐量这 2个性能方面的负面影响。仿真结果表明，本文提出的QDA调度机制在满足延迟需求的前提下，降低了丢包率以及提升了系统的公平性。

4 结束语

本文针对 LTE的 VoIP业务提出了一个有效的调度机制。该调度机制的重点是在综合考虑影响VoIP业务的各个因素前提下，为信道条件差的用户提高了调度优先权。应用本文提出的调度机制对 VoIP业务进行调度，可以满足VoIP业务对QoS的需求，同时最小化了系统吞吐量和延迟这2个性能方面的负面影响。通过仿真结果可知，QDA调度机制在用户数达到 60左右时 VoIP业务的丢包率不到1%，同时公平性和延迟有所提高，但是吞吐量稍微有所下降。下一步工作将研究在兼顾语音业务吞吐量和公平性的前提下，尽量降低语音业务的延迟与丢包率，使用户对QoS的满意度得到提高。

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