基于MRR调度的认知LTE-R基站和服务类型值优先队列管理

2018-07-03邓宏宇汪一鸣吴澄

电信科学 2018年6期

邓宏宇，汪一鸣，吴澄

邓宏宇，汪一鸣，吴澄

（苏州大学轨道交通学院，江苏苏州 215006）

利用认知无线电技术在长期演进铁路（LTE-R）通信系统中构建认知无线网络，提出认知LTE-R基站网络架构和MRR调度算法，用以提高铁路专网频谱利用率。特别针对单一车载网关中认知LTE-R基站的先入先出队列策略造成次用户的实时业务的时延过大问题，提出基于服务类型值优先的认知LTE-R基站队列管理策略。该策略优先将服务类型值大的分组送出队列，从而达到优先服务实时业务的目的。仿真结果表明，在保障车地正常通信的前提下，构建的认知LTE-R基站能为旅客提供额外互联网接入链路，提高了长期演进铁路通信系统频谱的利用率。此外，基于服务类型值优先的队列管理策略可以有效地减少旅客实时业务的时延。

长期演进铁路通信系统；认知无线电网络；认知LTE-R基站；车载网关；服务类型

1 引言

近年来，高铁、地铁和有轨电车等轨道交通得到了快速的发展。研究表明，美国已经提出建设高铁的计划，而我国高铁总里程到2020年将突破18 000 km[1]。目前，铁路通信系统大多使用基于GSM通信的ETCS（European train control system，欧洲列车控制系统）技术，也就是GSM-R（GSM-railway，铁路数字移动）通信系统。但GSM-R数据承载能力弱，不能满足日益蓬勃的铁路业务的发展需求，且不能给旅客提供便捷的宽带无线接入服务等[2-3]。

作为当前主流的宽带无线通信技术，LTE具有较高的数据速率和频谱效率。全IP的扁平化网络架构使其网络时延大大减少，1 ms的TTI（time transmission interval，传输时间间隔）使其能处理更多的网络通信数据[4]，采用MIMO（multiple input multiple output，多输入多输出）技术后能够获得更快的速率。因此，在铁路通信的演进过程中，LTE-R（LTE-railway，长期演进铁路）通信系统很有可能成为下一代铁路无线通信系统，并在2020年前后开始部署逐步替代现有的GSM-R。中国将在2020年建成首个LTE-R网络[3]。LTE-R带宽可能达到20 MHz，以满足更多的铁路通信业务需求。此外，LTE-R还被寄希望于为列车上的旅客提供Internet接入服务[5]。

参考文献[6]在LTE技术的基础上，设计ATO（automatic train operation，自动列车控制）系统的相关通信应用，并对设计的系统进行外场测试。测试结果表明，在LTE上实现基于通信的列车控制是可行的，LTE能够满足列车控制应用业务的QoS要求。此外，笔者还说明列车控制业务的特点是数据量小，但对时延、抖动敏感。参考文献[3,5,7]讨论了现有的高铁通信技术和被广泛研究的高铁通信方案，通过分析和比较可以发现LTE技术最能满足铁路通信的需求。参考文献[8]研究了高速列车在经过不同LTE基站时的接入和切换问题，仿真结果表明，该文提出的方法能够满足高速列车在LTE系统中的接入和切换的QoS需求，保证列车通信的可靠性和安全性。参考文献[9]则讨论了公共安全和铁路专网使用相同频段通信时存在的多种共存场景，并针对共存场景提出了基于优先的资源分配方案，优先给铁路通信分配资源，确保列车的运行安全。

铁路通信是一个复杂的专用通信系统，受到很多现实条件的影响。如高速运动的列车受到多普勒频移的影响；铁路道路路况复杂，有高架、封闭隧道等。因此，保障铁路通信系统的可靠性和低时延是关键。铁路通信作为专用的通信系统，享有专用的通信频段，但其下行网络数据量小、频谱空闲时间多，存在明显的频谱浪费[10-11]。FCC（Federal Communications Commission，美国联邦通信委员会）提供的研究也表明现已分配的大部分授权频谱存在时域、频域和空间上的利用不充分。特别是一些授权频谱，大部分时间里没有用户使用，造成了严重的频谱浪费[12]。

为了提高LTE-R系统的下行频谱利用率，改善旅客在列车上的通信质量和乘车体验。本文利用CR（cognitive radio，认知无线电）技术[13]，将LTE-R系统中的轨旁eNode B升级成C-eNode B（cognitive eNode B，认知LTE-R基站），并在LTE-R系统中构建基于C-eNode B和VG（vehicle gateway，车载网关）的CRN（cognitive radio network，认知无线网络），实现PU（primary user，主用户）和SU（secondary user，次用户）的频谱共享，从而提高LTE-R下行频谱利用率。本文还从基于通信的铁路应用的角度出发，研究PU使用资源与SU可用资源间的关系。针对由FIFO（first input first output，先入先出）队列管理策略造成的实时业务时延过大的问题，提出基于ToS（type of service，服务类型）值优先的C-eNode B队列管理策略，最大限度减少SU的RTS（real-time service，实时业务）的接收时延。本文假设PU是列车上的车载通信设备，每个PU仅接收1种铁路应用业务数据，各PU相互独立。SU是列车上的旅客设备，如手机、平板电脑、笔记本电脑等。

2 系统模型

2.1 LTE-R系统及存在的问题

2.1.1 LTE-R系统

很多学者对LTE-R系统进行了比较深入的研究[1-3,5,7,14]。图1是一种常见的LTE-R系统网络架构，图1中，CS指内容服务器（content server）。它分为核心网络、汇聚层网络、接入网和铁路沿线网络4个部分[5,15]。核心网络包括列车控制中心和Internet服务两个部分的网络；汇聚层主要负责将不同通信技术的数据汇聚到服务网关进行数据交换；接入网在本文中包括LTE-R专用网络和运营商的LTE网络；铁路沿线网络主要包括与LTE-R基站通信的列车车载设备和与运营商基站通信的旅客设备。

在一般的LTE-R系统中，列车控制中心的数据首先经过SGW（service gateway，服务网关）和AGW（access gateway，接入网关），然后到达轨旁的LTE-R eNode B，最后LTE-R eNode B将数据通过空中无线接口发送给列车上的PU，PU根据接收到的数据控制列车的运行，如加速、减速和制动等。在这样的网络架构中，SU只能通过轨旁运营商的LTE eNode B接入并使用Internet（线路1）。基于通信的列车应用是小流量应用[6]，导致LTE-R系统的下行链路在大多时间里处于空闲状态，造成大量频谱浪费。

2.1.2 LTE-R系统中RR调度方案存在的问题

RR（round robin，轮询）调度算法以轮询的方式在每个TTI里将系统的资源平均分配给活跃的UE。因为不考虑UE的信道条件和流量特点，所以RR在所有的调度算法中公平性最高。但由于RR的平均分配原则，在TTI中也造成了一定的资源浪费。本文假设C-eNode B使用RR调度算法。

表1 1个TTI中需要被调度的PU数量与浪费的RBG之间的关系

图1 铁路通信网络架构

2.2 基于通信的铁路应用和旅客应用

2.2.1 基于通信的铁路应用

LTE-R的业务可以归结为以下3种类型[16]：

• 关键性安全应用（如ETCS信号）；

• 铁路运营相关的操作（如语音通话）；

• 不影响列车移动的额外应用（如视频监控、语音报站、文件更新、旅客互联网应用等）。

本文仅研究LTE-R下行链路资源分配，仿真中将使用以下4种下行铁路通信应用。

（1）ETCS应用

负责在列车车载单元和地面控制中心的数据交换，主要完成列车加速、减速、制动等操作。每条ETCS信息数据量大小约为128 byte，ETCS是关键的安全性应用。

（2）对讲机通话，铁路运营的基本应用

如铁路施工工人之间的对话。本文中，为了增加CRN的负载，假设整个仿真时间里铁路工人一直保持通话，数据速率是64 kbit/s。

（3）语音报站应用

告知车上旅客当前列车上的人流量和列车所在位置。在本文的仿真中，假设每隔20 s列车接收到来自地面控制中心的语音报站信息，平均每个报站信息持续时间是5 s，数据速率是64 kbit/s。

（4）文件更新应用

从地面控制中心下载文件以更新列车车载设备信息。前面3种铁路应用业务的数据速率较小，不容易对网络容量产生影响。为了观察PU使用网络资源对SU的接收时延的影响，本文中文件更新的下行速率分别是500 kbit/s、1 Mbit/s、2 Mbit/s。

2.2.2 旅客应用

在很多已有关于CRN的研究中，大部分研究者仅把SU的服务类型考虑为BE（best effort），没有考虑不同业务需求SU的QoS。本文假设列车上的旅客使用VoIP、video和BE这3种业务，且设定VoIP业务的ToS值是224、video业务的ToS值是160、BE业务的ToS值是0。

3 LTE-R CRN架构和C-eNode B队列管理策略

3.1 LTE-R CRN架构

通过第2节的分析发现，基于RR调度的LTE-R系统不仅存在空闲时间的资源浪费，还有TTI里的资源浪费。为提高LTE-R系统的频谱利用率，本文提出将LTE-R eNode B升级成C-eNode B，并定义C-eNode B具有以下能力：准确区分PU和SU的业务数据，保障PU通信，确保列车运行安全；在有RB浪费的TTI里，将浪费的RB分配给SU通信；在SU有可用RB的TTI里，对不同业务的SU数据按照ToS值优先策略区别处理，减少实时业务的时延。

为降低系统的复杂度、减少穿透损耗和SU使用LTE-R授权频段对车地通信的干扰，本文采用在列车车顶上增加VGW的方法来实现旅客与列车在LTE-R系统中的频谱共享。不同车厢的无线AP（access point，接入点）通过光纤连接至无线VG，旅客在不同车厢仅需要连接到其所在车厢的无线AP即可享受Internet服务。该方法的优点是减少了由大量旅客在越区切换时产生的信令风暴对PU通信的影响。

本文的目的在于使用CR技术提高LTE-R系统频谱利用率，如图2所示，在不改变图1网络架构的基础上，为旅客提供一条经过LTE-R系统的链路来给旅客提供Internet接入服务（线路2）。在图2中，原LTE-R eNode B变成C-eNode B，并与PU和SU构成CRN（如图2虚线框所示）。列车上的SU除了通过运营商的LTE eNode B接入Internet外，还可通过VG与LTE-R C-eNode B进行通信，接入并使用Internet。在下行链路方向，Internet的数据经过SG和AG后可通过线路1到达LTE eNode B或通过线路2到达LTE C-eNode B，若经线路2到达C-eNode B，在不影响PU通信的情况下，C-eNode B将SU的数据通过空中接口发送给列车上的VG，VG通过光纤转发到AP，最后到达旅客设备，实现PU和SU在LTE-R系统的频谱共享。

3.2 基于FIFO的C-eNode B队列管理策略

3.3 提出的算法和C-eNode B的队列管理策略

3.3.1 提出的算法

图3 基于FIFO的C-eNode B队列管理策略

图2 基于C-eNode B和VG的LTE-R系统CRN频谱共享架构

TTI begin

Resource allocation:

else

if SUs is active

else

//do nothing

end if

Generate downlink schedule instruction

TTI end

3.3.2 ToS值优先的C-eNode B队列管理策略

3.4 复杂度分析

图4 基于ToS值优先的C-eNode B队列管理策略

4 仿真结果与分析

4.1 仿真场景

本文选择离散事件网络模拟器NS3来仿真LTE-R CRN的网络架构和基于ToS值优先的C-eNode B队列管理算法。本次仿真研究的是一个C-eNode B覆盖范围内的两个问题：在不影响车地通信的前提下，MRR能否有效地将空闲资源块和TTI剩余不足以分配给PU的资源块给SU使用，实现频谱共享；在第1个问题的基础上，C-eNode B对不同QoS要求的SU按ToS值优先的队列管理原则减少实时性业务的时延。

对于第一个问题，假设LTE-R基站工作在700 MHz的频段，系统带宽5 MHz。在C-eNode B覆盖范围内同时有3辆列车，每辆列车上有4个接收不同铁路应用业务的设备（即12个PU）需要接收来自列车控制中心的数据，各PU独立存在。PU对网络的使用服从on-off模型，其中on服从正态分布，off服从指数分布。假设列车速度不影响车载设备的越区切换和对无线信号接收，本文列车以30 m/s的速度由远到近穿过LTE-R C-eNode B的覆盖范围。

对于第2个问题，仿真采用第2.2节中描述的铁路应用参数，假设C-eNode B的队列缓冲区无限大。除了第2.2.2节中描述的PU的业务外，列车上30%的旅客使用VoIP业务，VoIP的编码方式是G.729，数据速率是8 kbit/s；20%的旅客接收视频流，数据速率是128 kbit/s，编码方式是H.264；50%的旅客只需要BE服务，主要的仿真参数总结在表2中。

表2 仿真参数

4.2 结果与讨论

本研究的目的是在保障车地通信稳定安全、低时延的前提下，利用CR技术提高LTE-R系统下行频谱的利用率，并在资源受限的条件下尽量减少实时业务SU的接收时延。RB的利用率、主用户业务的平均时延和不同队列管理策略下SU的接收时延将在下面讨论。

图5 单位时间SU可用资源与PU on的平均时间与仿真时间的关系

表3 一个TTI中需要被调度PU的数量与频谱利用率的关系

认知LTE-R使用MRR下的PU业务的平均时延如图6所示。

图6 认知LTE-R使用MRR下的PU业务的平均时延

由图6可知，在未对RR算法改进前，为保障列车运行的安全，LTE-R系统的资源只有PU可以使用，此时PU业务的平均时延最小，是固定值，不随次用户的增加而变化。当C-eNode B使用MRR调度算法后，PU业务的平均时延有所上升，但幅度不大，大约为1 ms，远远小于铁路通信系统50 ms的时延要求[14]。时延增加是因为MRR在给PU分配完资源后还需要检查是否有剩余资源要分配给SU。从图6的上半部分还可得到，在file update速率相同的前提下，PU的平均时延是固定值，不随SU的数量增加而变化，不管C-eNode B采用的是FIFO，还是ToS队列管理策略，对PU业务的端到端时延影响不大。总之，MRR能够保证PU的接收时延较小，保障车地通信的安全。

为了更接近真实的铁路通信环境，本文选择4种不同的铁路通信应用进行仿真，在第2.2.3节中描述。由图7（a）知，随着SU数量和PU业务速率的增加，基于FIFO队列原则的VoIP业务的平均时延在不断增加。在PU速率等于2 Mbit/s、系统总的SU数量等于80个时，时延达到最大值；继续增加SU的数量，时延变小。原因是达到系统可用资源瓶颈，C-eNode B队列缓冲区中的分组没有被发送出，平均每个SU接收到的数据变少，平均接收时延变小。基于ToS值优先策略的C-eNode B在每个可用的TTI里优先发送ToS值大的分组。本仿真中VoIP业务分组具有最大的ToS值，所以在有转发机会的TTI里最先得到转发。图7（b）是C-eNode B使用ToS策略时VoIP业务的平均时延，即图7（a）底部的局部放大图，从图7（b）可知，在C-eNode B使用ToS值优先队列策略后，尽管总的SU数量和PU占用资源在不断增加，VoIP业务的平均时延都小于16 ms。证明了ToS值优先策略能够保障VoIP业务的时效性和有效性。

图8给出了C-eNode B在使用FIFO和ToS值优先这两种队列管理策略时，video业务的平均时延与PU占用资源和系统SU数量之间的关系。由图8（a）可知，基于FIFO的队列管理策略在SU数量较少和PU的速率较小时，video业务的平均时延较小。随着SU数量的增加和PU速率的提高，video业务的平均时延与VoIP业务类似，不断上升。图8（b）是C-eNode B使用ToS策略时video业务的平均时延，即图8（a）底部的局部放大图，由图8（b）可知，在C-eNode B使用ToS值优先策略后，由于video业务的ToS值大于BE业务但小于VoIP，且VoIP业务数据分组长度较小，video业务在VoIP业务之后能够较快得到转发，最大时延不超过20 ms。综合图7、图8可知，C-eNode B使用ToS值优先策略能够有效地保障实时业务的通信质量。

图7 VoIP业务的平均时延

图9给出了C-eNode B在使用FIFO和ToS值优先这两种队列管理策略时， BE业务的平均时延与PU占用资源和系统SU数量之间的关系。由图9可知，C-eNode B使用FIFO的队列管理策略，当SU数量较少和PU的速率较小时，BE业务的平均时延较小。随着SU数量的增加和PU速率的提高，平均时延在不断上升。到达资源瓶颈后，再增加SU的数量，时延最终基本维持不变。原因是随着系统中总的SU数量的增加，每个使用BE业务的SU接收到的数据在变少，导致时延基本维持不变。基于ToS值优先的C-eNode B队列管理策略优先转发ToS至更大的VoIP、video业务，BE业务在队列中无VoIP或video分组时才能被转发，所以在使用ToS值优先策略后，VoIP、video的平均时延较FIFO的时延小，BE业务的平均时延较FIFO的大。

图8 video业务的平均时延

图9 BE业务的平均时延与PU占用资源和系统SU数量之间的关系

未来，铁路运营商可以利用LTE-R系统中的空闲频谱资源为旅客提供Internet服务。将为乘客提供不同服务质量等级的Internet接入作为铁路运营的增值服务，在增加铁路运营收入的同时提高旅客的乘车体验。

5 结束语

本文针对下行基于RR调度算法的LTE-R系统存在的空闲和TTI里存在的频谱资源浪费问题，提出将LTE-R基站升级成C-eNode B，改进RR算法，并在LTE-R系统中构建基于C-eNode B和VG的认知无线网络。C-eNode B在保障PU通信的前提下，通过MRR调度算法实现PU和SU频谱资源共享。通过ToS值优先的C-eNode B队列管理策略，减小高QoS要求的SU分组时延。仿真结果表明，基于MRR调度算法的C-eNode B能很好地提高LTE-R授权频段的频谱利用率。基于ToS值优先的C-eNode B队列管理策略可以有效地减少实时业务的时延。下一步将研究认知LTE-R基站对整条铁路线上频谱的利用情况和不同QoS业务的SU如何在资源有限的条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

10.11959/j.issn.1000−0801.2018165

邓宏宇（1991−），男，苏州大学硕士生，主要研究方向为认知无线电中的资源分配和共享等。