基于通话优先级的用户结对VoLTE半持续调度机制*

马 超，仇润鹤

（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620）

基于通话优先级的用户结对VoLTE半持续调度机制*

马 超1，2，仇润鹤1，2

（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620）

根据3GPP的规定，VoLTE（Voice over LTE）使用半持续调度，但已有的半持续调度方案没有针对通话设定优先级，不能充分利用无线资源。因此，提出一种改进的基于VoIP（Voice over Internet Protocol）通话优先级的用户结对半持续调度算法，根据队列长度、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）、物理资源块需求数、平均信道质量、平均传输速率等，计算每个VoIP通话的优先级，通过将用户两两结对，使其共享分配到的无线资源。此外，将该算法应用于VoLTE，以进一步降低无线资源调度信令开销，提高对无线资源的利用率及调度效率，提高用户满意度和小区中VoLTE用户容量。最后，通过MATLAB仿真工具，仿真验证了该改进算法对VoLTE语音分组丢包率、用户满意度和用户容量等的性能提升。

VoLTE；VoIP；优先级；用户结对；半持续调度

0　引 言

LTE（Long Term Evolution）是4G协议标准［1］。VoLTE全称为Voice over LTE，即基于LTE的VoIP服务，是以IMS（IP Multimedia Subsystem）核心网络为基础，LTE网络作为数据传输通道的LTE语音解决方案。在不需要2G/3G网络的情况下，可以将音视频业务承载于LTE网络上，实现数据与语音业务在同一网络下的承载。随着4G网络覆盖的逐步完善及LTE智能手机市场占有率的大幅提高，对于全球的运营商来说，解决4G网络的IP（Internet Protocol）语音服务这个终极问题，成为目前的当务之急。分组域传输是尽最大努力交付且受制于时延及分组丢失，使得LTE网络上的VoIP业务实现比以往更具挑战性。LTE无线接口资源是共享的，所以信令和数据需竞争这些资源进行传输。因此，如何充分利用及合理分配LTE的无线资源以进行语音传输，是一个值得研究的课题。

目前，LTE已有的调度方案有动态调度［2］、持续调度、组调度、半持续调度［3］等。由于语音分组小、数量多、间隔固定、对时延敏感等特性，VoIP的上下行传输都采用了半持续调度方案［4］。半持续调度相比于全动态调度，可针对VoIP的特点，一次授权，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统用户容量［5-6］。但是，在现有半持续调度方案中，用户设备的请求都是先到先服务。这虽然保证了公平性，但没有充分利用无线资源。半持续调度中，信道质量较差的用户和信道质量较好的用户具有同样的优先级使用资源，致使信道质量较差的用户的重传数据带来不必要的资源浪费，还会导致其他用户设备的调度请求等待超时，从而降低无线资源的利用率［7］及小区用户容量。

针对这些问题，许多研究者从不同角度提出了针对半持续调度的改进方案。例如，文献［4］提出一种自适应调度算法作为半持续调度的改进，动态调度应用一种适应性机制帮助调度过大的分组，由系统已知的缓冲信息触发调度而不需专门的信令。文献［7］提出一种基于用户优先级的无线资源调度方案，即根据用户等级、用户设备对物理资源块（Physical Resource Block，PRB）的需求量、用户设备的平均信道质量以及平均传输速率等因素，计算VoLTE用户设备的优先级，根据优先级进行调度来提高无线资源的利用率，但其没有考虑资源过多和资源较少用户间资源的再次分配问题。文献［8］提出一种基于信道质量改变预估的半持续调度资源分配算法，同时自适应调整AMR（Adaptive Multi Rate）编码速率，以免影响其他数据业务。文献［9］提出一种VoIP通话优先级计算方式，并根据通话的优先级进行调度，但其通话优先级仅根据队列长度和信道质量反馈进行计算，考虑因素较少。此外，该调度算法没有考虑VoIP优先模式过多占用资源导致其他业务饥饿的情况。

鉴于此，本文基于文献［9］进行改进，提出根据队列长度、SINR、物理资源模块需求数、平均信道质量、平均传输速率，计算每个VoIP通话的优先级，使得通话优先级的计算更为全面。同时，利用组调度中将用户分组的方法，基于优先级进行用户两两结对的方法进行调度，从而进一步提高用户对无线资源的利用率。此外，在应用通话优先级进行调度前，评估语音分组的丢包率，自适应调整分配给VoIP优先模式的最大TTI（Transmission Time Interval）个数，以避免非语音业务分配的资源过少而造成饥饿。

本文其余部分的安排如下：第一部分提出针对半持续调度的改进算法，第二部分阐述构建的仿真模型及参数，第三部分则针对仿真结果进行分析，最后总结本文工作。

1　改进的半持续调度算法

为解决动态调度因语音业务分组小、出现频率高所导致的高控制信令开销问题，提出了半持续调度（Semi-persistent Scheduling，SPS）算法。半持续调度算法在上下行中均可使用，主要包括两个方面：初始发送持续调度和重复发送动态调度［8］。向每个用户设备分配PRB时，初始发送可以不使用PDCCH（Physical Downlink Control Channel）信令。如果初始发送失败，则演进型基站通过使用控制信令来尝试动态调度对应的HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）重传［10］。半持续调度可以消耗更少的控制信令，提供更高的VoLTE容量，比前几种调度机制更适合语音分组的传输。但是，现有方案中，对用户的请求都是先到先服务，没有考虑不同用户的优先级，也没有充分考虑无线资源的利用率，因此需要进一步改进算法。

改进的半持续调度算法，目的是进一步提高半持续调度的无线资源使用率及VoLTE用户容量，同时减少控制信令的开销。本文提出对文献［9］VoIP通话优先级的计算方式进行改进，通过更加详尽的计算方式评定通话优先级，并依据优先级对每个通话分配无线资源。然后，将改进的优先级计算应用到用户结对调度算法中，根据优先级及授权状态对语音分组进行调度。

1.1 VoIP优先模式

VoIP优先模式仅在TTI上传输语音分组数据，即仅将PRB资源分配给VoIP通话，以满足语音业务的QoS（Quality of Service）要求。因此，这种模式下，会在其他业务前调度VoIP通话。该模式的激活决定于是否有正在进行的VoIP通话及VoIP优先模式的持续时间。VoIP优先模式的持续时间必须严格控制，因为它会持续将无线资源分配给VoIP通话。当通话数量较多时，会导致其他业务分配不到资源而降低整体系统性能，并造成无线资源的低利用率。文献［9］中优先级的计算仅考虑了通话队列长度和信道质量反馈，考虑的因素不够具体。事实上，一个通话可能需要占用多个PRB资源。于是，本文提出在VoIP优先模式中，通话的调度顺序还需考虑通话信道质量、平均传输速率、通话PRB资源需求数。具体地，可以表示为下述方程：

式中，Qlen（i）和γi分别是每个进行中通话的队列长度和SINR值，和Rave（i）分别是通话PRB资源需求数、平均信道质量和平均传输速率。P（i）是每个通话的优先级。在每个TTI中计算优先级，P（i）的值越大，通话的调度顺序越靠前。可见，该算法通过优先级实现对通话的按序调度，从而减少了对控制信令的消耗。

为了避免语音通话过多占用PRB资源而造成其他业务饥饿，应对VoIP优先模式的持续时间实行动态控制。控制因素决定于语音分组的整体丢包率，这里预定义最大丢包率阈值Rmax和最小丢包率阈值Rmin。若语音分组的丢包率R＜Rmin，则减少应用于优先模式的最大TTI个数，因为有足够的资源可用于通话或已经给通话分配了足够的资源；若R＞Rmax，则增加应用于优先模式的最大TTI个数，因为没有足够的资源可分配给通话；若Rmin≤R≤Rmax，则应用于优先模式的最大TTI个数保持不变。

1.2 用户结对

为进一步提升LTE的系统容量，提出了用户结对方案，让两个用户共享它们所分配到的无线资源。结对方案主要包括两个部分：用户结对和链接授权更改。由于无线网络不断改变的特性，每个用户的信道质量很难保证一致。因此，一些用户可能因为信道衰落或者较差的信道质量而不能充分利用分配给它的资源。本文提出将具有相反信道质量（即一个信道质量好的用户与一个信道质量差的用户）的两个用户结对，避免信道质量差的用户多次重传，以抵消无线资源的低利用率。授权根据用户优先级实时进行更改，优先将授权分配给一个用户对中信道质量较差的用户，从而尽量减少信道质量较差用户的重传次数。综上所述，用户结对保证了资源的高效利用，链接授权更改保证了需要资源的用户拥有授权，因而随时都能通过链接获取资源。

1.3 整体调度算法

整体调度算法的流程图如图1所示。

图1　每个TTI的调度算法流程

在半持续调度中，每个TTI-PRB资源块序列的调度间隔为20ms［11］。调度算法在每个TTI开始时进行。算法将VoIP优先模式与用户结对方法相结合，对VoIP用户提供动态授权，并根据优先级进行调度。调度开始时，首先判断是否存在VoIP通话，若不存在，则应用普通模式进行调度，以减少对其他业务的影响。当存在VoIP通话时，比较语音分组丢包率的大小，以调整分配给VoIP优先模式的最大TTI个数。其中，当R＜Rmin时，说明VoIP通话状况较好，此时减少最大TTI个数并转向应用普通模式。当R＞Rmin时，应用VoIP优先模式，判断是否多于一个用户。若多于一个，则采用结对方式调度，将链接授权分配给信道质量较差的用户；若只有一个用户，则直接根据授权和优先级进行调度。调度一直进行，直到没有可供调度的语音分组或没有VoIP用户为止。

2　仿真模型及参数

2.1 VoLTE状态转移模型及VoIP参数

2.1.1 VoLTE状态转移模型

这里，根据文献［12］中的假设，VoLTE状态转移模型是一个两阶马尔科夫链，如图2所示。

图2　VoLTE状态转移模型

图2中，a是从状态1转移到状态0（不活跃状态）的概率，b是留在状态0的概率，c是由状态0转移到状态1（活跃状态）的概率，d是留在状态1的概率。VoLTE会话在活跃与不活跃两个状态间交替进行。

2.1.2 VoIP参数

VoIP参数主要来自于文献［12-13］，模型参数如表1所示。

表1　VoIP模型参数

当用户讲话即在状态1时，每20 ms生成大小为40 bytes的VoIP分组；当用户不讲话即在状态0时，每160 ms生成大小为15 bytes的SID（Silence Insertion Descriptor）分组。用户可能讲话的概率VAF（Voice Activity Factor）为50%，活跃与不活跃状态的次数服从均值为2的指数分布［10］。其他的详细参数如状态持续时间和分布、编译码器、AMR（Adaptive Multi-Rate）速率、分组大小、时间间隔、帧长度等，见表1。

2.2 LTE仿真参数

LTE仿真模型采用19个小区，每个小区均有3个扇区，小区间的站点间距为500 m。LTE带宽选用5 MHz，仿真长度为100个TTI，每个TTI时长1 ms。仿真是评估VoLTE性能，LTE业务模型选用VoIP。根据文献［14］的定义，用户满意是指其VoIP数据包时延超过50 ms的比例不超过2%。因此，这里将最大语音分组时延取为50 ms，最小丢包率阈值Rmin设置为2%。由于5%被认为是满足QoS所允许的最大丢包率，所以这里将最大丢包率阈值Rmax设置为5%。其他仿真参数如自适应调制编码技术AMC［15］（Adaptive Modulation and Coding）等，见表2。

表2　LTE仿真参数

3　仿真结果及分析

3.1 语音分组丢包率

分别针对普通模式、VoIP优先模式、用户结对的VoIP优先模式进行仿真，对比其随VoIP通话数量增长时语音分组的丢包率变化，结果如图3所示。

由图3可以看出，在普通模式下随着通话数量的增长，语音分组丢包率近似呈线性增加。这说明该模式不能充分利用无线资源，通话数量越多，语音分组丢包率越高，资源浪费越严重。对于其他两种模式，当通话数量低于10时，语音分组丢包率为0。之后，随着通话数量的增加，语音分组丢包率逐渐增加。VoIP优先模式下，语音分组的丢包率相比普通模式降低了很多。当有50个通话时，语音分组丢包率为2.2%。这说明VoIP优先模式的引入有效减少了语音分组的重传数量，从而大幅减少了无限资源的浪费。用户结对VoIP优先模式下，当有50个通话时，语音分组丢包率为1.08%。相比原来的VoIP优先模式，分组丢包率降低了50.9%。这说明本文提出的算法，通过改进VoIP优先模式中优先级的计算方式及将用户结对，相比原VoIP优先模式进一步降低了语音分组丢包率，从而提升了无线资源利用率。

图3　不同模式下通话数量与语音分组丢包率关系

3.2 用户容量

分别针对原半持续调度及本文提出的改进算法进行仿真，对比其随UE（User Equipment）数目增多时满意用户所占比例的变化，结果如图4所示。

图4　不同调度算法下满意用户比例对比

根据文献［14］的定义，VoIP容量为单个小区内95%的用户为满意用户时的用户数。由图4可以看出，对于半持续调度，当UE个数超过255个时，满意用户比例开始下降；当UE个数为264时，满意用户比例达到95%，即半持续调度算法下的用户容量为264。对于改进的半持续调度，当UE个数超过270个时，满意用户比例才开始下降；当UE个数为281时，满意用户比例达到95%，即改进的半持续调度算法下用户容量为281。可见，改进算法相比于原半持续调度算法用户容量增加了17个，提高了6.44%。这说明本文提出的通话优先级改进方案及用户结对方案，可更加充分地利用无线资源，从而进一步提升半持续调度机制下的用户容量。

4　结 语

本文提出了一种改进的VoLTE半持续调度算法，算法分为VoIP优先模式通话优先级计算改进和用户结对方法两个部分。在VoIP优先模式中，提出将通话信道质量、平均传输速率、通话PRB资源需求数纳入通话优先级的计算，使得优先级计算考虑的因素更为全面，更加合理地评估通话的调度顺序，减少对信道控制信令的消耗，提高无线资源的利用率。在用户结对方法中，将信道质量差的用户与信道质量好的用户两两结对共享资源，以减少信道质量较差用户的重传次数，避免资源浪费。在整体调度算法中，提出根据语音分组的丢包率，实时调整分配给VoIP优先模式的最大TTI个数。当语音分组丢包率低于最小丢包率阈值时应用普通模式，以避免VoIP优先模式过多占用资源造成其他业务饥饿。仿真结果表明，本文提出的算法相对于普通VoIP优先模式，可有效降低语音分组丢包率；相比普通半持续调度机制，可进一步提升小区内用户容量。

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马 超（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信；

仇润鹤（1961—），男，博士，教授，主要研究方向为无线通信系统。

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