一種衛星移動通信語音業務半持續調度機制*

費長江，吳純青，趙寶康，虞萬榮，馮振乾

(國防科技大學 計算機學院， 湖南 長沙 410073)

一種衛星移動通信語音業務半持續調度機制*

費長江?，吳純青，趙寶康，虞萬榮，馮振乾

(國防科技大學 計算機學院， 湖南 長沙 410073)

基于LTE的衛星移動通信系統將3GPP LTE標準與衛星通信技術相結合，對實現移動通信的高速全球覆蓋具有重要的意義.然而，衛星通信面臨的高誤碼率、上下行帶寬非對稱等問題，對衛星移動通信的資源調度和服務質量保證提出了重要挑戰.以LTE半持續調度機制為基礎，針對衛星移動通信語音業務，提出了一種上行無線資源調度方案VoSPS. VoSPS中增加了基于上行信道質量的準入機制和截斷機制，減少了上行資源的浪費；引入了一種基于語音服務滿意度的語音編碼速率調整算法，增加了系統的用戶容量.仿真結果表明，VoSPS能有效提高系統的用戶滿意度和語音業務容量.

LTE；衛星移動通信；語音業務；半持續調度

基于LTE的衛星移動通信系統將長期演進LTE(Long Term Evolution)標準應用到衛星通信中，是陸地蜂窩移動通信系統的擴展和延伸，在解決偏遠地區、受災區及人口稀少地區的移動通信服務方面具有獨特的優越性.

語音業務是衛星移動通信最重要最基礎的業務之一.然而，與地面LTE網絡不同，衛星移動通信中星地鏈路面臨的高誤碼率、上下行帶寬非對稱[1]等嚴峻問題，對無線資源調度和業務的服務質量保證提出了極大的挑戰.因此，如何充分有效地利用系統鏈路資源，尤其是上行資源，成為提高系統用戶滿意度和語音業務容量的關鍵.

本文在LTE半持續調度[2]機制基礎上，提出了一種支持衛星移動通信語音業務的上行無線資源調度方案VoSPS(Voice service Semi-persistent Scheduling).針對星地鏈路高誤碼率的特點，VoSPS中加入了基于上行信道質量的準入機制和截斷機制.用戶信道質量惡化時，數據誤碼率增大，產生大量的重傳數據，同時自適應調制編碼AMC(Adaptive Modulation and Coding)技術[3]使得用戶占用更多無線資源.準入機制和截斷機制避免了信道質量嚴重惡化的用戶對無線資源的浪費.

針對上下行帶寬非對稱的特點，為了充分利用系統的上行資源，增大用戶容量，VoSPS中提出了一種基于語音服務滿意度的語音編碼速率調整SCRA(Speech Coding Rate Adjustment)算法.當系統沒有足夠的空閑資源響應用戶的呼叫時，合理降低現有用戶的語音編碼速率，減少他們占用的資源，從而為新呼叫分配資源.

本文的組織結構如下.第一部分對LTE中的基本半持續調度機制進行介紹，第二部分引入準入機制和截斷機制，第三部分提出SCRA算法，并對VoSPS進行總體介紹，第四部分進行仿真分析，最后得出結論.

1 LTE中的半持續調度機制

LTE中的半持續調度主要用于語音等實時業務.語音業務實時性要求較高，數據包尺寸小且發送頻繁，因此要求相關的控制信令的開銷也必須很小.由于VoIP(Voice over IP)業務按照固定的周期輸出分組數據，所以數據的發送時間可以預先估計.所以在半持續調度中，UE只需在發起語音呼叫時，向演進型基站eNB(evolved Node B)申請無線資源，此后每隔固定的周期占用相同位置的時頻資源塊進行語音數據傳輸，直到語音激活期結束，如圖1所示.而對于靜默期和重傳的數據則采用動態調度的方式.由于半持續調度針對VoIP的特點，一次授權，周期使用，能夠極大地減少控制信令的開銷，增大系統用戶容量.

但在當前的半持續調度方案中，只要系統有足夠的空閑資源，就接受用戶的呼叫請求，為其分配資源.這種調度方式會導致信道質量較差的用戶占用太多的無線資源，從而降低系統的用戶滿意度和用戶容量.因此，如果在上行半持續調度中加入基于上行信道質量的準入機制和截斷機制，應該可以提高系統的用戶滿意度和用戶容量.

圖1 半持續調度示意圖

2 基于上行信道質量的準入機制和截斷機制

2.1 半持續調度準入機制

為了避免系統為信道質量不能滿足語音業務最低服務質量要求的用戶分配資源，在半持續調度方案中加入準入機制.為此，需要確定用戶的準入信道質量.

當用戶處于某一信道質量條件下，用戶的通話恰好能滿足語音業務的最低服務質量要求，將該信道質量定義為語音業務臨界信道質量，用H0表示.臨界信道質量與系統的調制編碼技術、語音編碼算法以及系統對語音數據的調度機制等因素有關.

以語音業務臨界信道質量為基礎，系統的準入信道質量還需要考慮用戶等級，通信的緊急程度等因素.用戶k的準入信道質量Hak定義如下：

其中Ck為k用戶的用戶等級，Ck越小表示用戶等級越高；Ek為業務緊急程度，Ek越大緊急程度越高，Ek≥1，表示該業務為普通通信；Ak為修正因子.

當用戶等級和業務緊急程度越高時，準入信道質量越低.由于信道質量測量存在誤差，為了降低信道質量測量誤差帶來的呼叫阻塞率，還需要增加一個修正因子.

2.2 半持續調度截斷機制

由于用戶的信道質量具有時變性，所以在通信過程中用戶的信道質量也可能惡化.當用戶的信道質量低于某一臨界值時，應該中斷用戶的通信，回收無線資源供其他用戶使用.為此，需要定義截斷信道質量.與準入信道質量類似，截斷信道質量Hbk定義如下：

其中Bk為截斷信道質量的修正因子.與呼叫阻塞相比，呼叫中斷給用戶帶來的不滿意度更高，所以同一用戶的截斷信道質量應該比準入信道質量低，即：Bk

由于用戶的信道質量可能只是短暫惡化，例如用戶通過一個障礙物，在一段時間內可以恢復.當用戶的信道質量低于截斷信道質量就立即中斷用戶的通信，會增大系統的呼叫中斷率，所以在中斷用戶通信之前應該設置一個緩沖時間Tb.

半持續調度的截斷機制可以描述為：如果通信中的用戶信道質量低于截斷信道質量，并且在緩沖時間Tb內沒有恢復，就中斷該用戶的通信，回收為其分配的資源.

3 基于語音服務滿意度的語音編碼速率調整算法

LTE語音編碼采用變速率編碼技術[5]，為了充分利用衛星移動通信系統的上行鏈路資源，當系統沒有空閑的資源分配給新發起的呼叫時，可以通過適當降低現有用戶的語音編碼速率，以接納更多的用戶.但如果過多地接受新用戶的呼叫，將使用戶的通話質量得不到保證.為此，首先定義語音服務滿意度的概念，確定系統語音業務的最大用戶容量，在此基礎上計算加入新用戶后每個用戶的語音編碼速率.

3.1 語音服務滿意度

定義1 語音服務滿意度. 用戶對語音通話的滿意程度與用戶的語音編碼速率存在某種對應關系，將這種對應關系量化，定義為語音服務滿意度Sk：

其中，vk為用戶k的語音編碼速率，vmin為所用編碼技術的最低速率，vmax為最高速率，a>1為常數，Dk為修正因子.

因此，系統總體語音服務滿意度Ssys為：

其中Pk為用戶k語音服務滿意度的權重，Pk與用戶等級，通信的緊急程度有關.

3.2 語音業務最大用戶容量

當系統沒有足夠的空閑資源響應新用戶的呼叫時，為確定是否通過SCRA算法來為新用戶分配資源，需要確定系統語音業務的最大用戶容量.用戶的信道質量與數據傳輸的誤塊率BLER(Block Error Ratio)具有一定的對應關系.設當用戶信道質量為Hk時，BLER為ek(0≤ek≤1)，則當用戶語音編碼速率為vk時，在一個半持續調度周期內平均需要的物理資源塊PRB(Physical Resource Block)可用下式計算：

其中Fk為修正因子.可見，用戶信道質量越好，語音編碼速率越低，占用的PRB越少.

其中PRBsys為系統在一個半持續調度周期內的PRB.通常，系統的最大用戶容量是基本恒定的.

3.3 語音編碼速率調整SCRA算法

設系統中原有n(n

同時需要滿足

vmin≤vk≤vmax．

上述問題可以通過約束優化計算[6]求解.記f(vk)=-Ssys，由于約束條件為線性約束且只含不等式約束，即：

minf(vk)

-vk+vmin≤0；

vk-vmax≤0．

圖2 SCRA算法流程圖

通常情況下SCRA算法每個調度周期執行一次，當呼叫等待的用戶較少時，SCRA算法可以在用戶等待超時范圍內在用戶累積到一定數量時才執行.由于n+m較小時，Rosen投影梯度法的求解復雜度較低，在執行SCRA算法時，可以將用戶進行分組(每組包含n個用戶)，在組內進行速率調整，使得算法帶來的計算開銷較小.

在計算出各個用戶的語音編碼速率之后，eNB通過控制信令將調整后的語音編碼速率通知UE.顯然，使用SCRA算法，理論上可以使系統的用戶容量達到最大值.

3.4 VoSPS調度方案

加入準入機制、截斷機制和SCRA算法之后，VoSPS調度模型如圖3所示.該模型的工作機制如下：

1)UE發起語音業務呼叫請求，其中包含有用戶的用戶等級，業務的緊急程度等信息.

2)上行信道質量測量模塊對UE的上行信道質量進行實時測量，并將測量結果送給準入機制模塊、語音編碼速率調整器和截斷機制模塊.

3)準入機制模塊使用用戶的用戶等級和業務的緊急程度計算用戶的準入信道質量，并根據上行信道質量測量的結果確定是否準入用戶.

4)用戶獲得準入后，語音編碼速率調整器根據上行信道質量測量結果確定用戶的語音編碼速率，進而確定用戶需要的PRB數.如果系統中有足夠的空閑資源，則為用戶分配所需的PRB.如果沒有足夠的空閑資源，但系統用戶容量未達到最大值，則采用SCRA算法為用戶分配資源，并將調整后的語音編碼速率發送給各個用戶.

5)截斷機制模塊計算用戶的截斷信道質量，在用戶通話過程中，實時監測用戶的信道質量，若用戶的信道質量在緩沖時間內持續低于截斷信道質量，則中斷用戶的通信.

準入機制會阻塞信道質量低于準入信道質量用戶的呼叫，截斷機制會中斷在通信過程中，信道質量惡化，低于截斷信道質量用戶的通話.未準入和被截斷的用戶由于其信道質量嚴重惡化，很可能成為不滿意用戶，所以加入準入機制和截斷機制后會提高系統的用戶滿意度.同時，由于信道質量較差的用戶占用的資源較多且產生大量重傳數據，所以加入準入機制和截斷機制后，系統的用戶容量也會有一定程度的提高.

圖3 VoSPS調度模型

VoSPS調度流程如圖4所示.

圖4 VoSPS調度流程圖

當采用SCRA算法為新呼叫分配資源時，會減小系統中現有用戶的語音編碼速率，從而減少他們占用的PRB數.當系統中每個用戶均采用最低速率編碼時，系統用戶容量最大.因此，SCRA算法能大大提高系統的用戶容量.

4 仿真分析

4.1 仿真場景和參數設置

為了分析準入機制、截斷機制和SCRA算法對語音業務半持續調度性能的影響，對LTE的半持續調度過程進行了仿真實現.如圖5所示，仿真場景是由一顆GEO衛星(eNB)和若干個均勻分布于衛星覆蓋區域的用戶(UE)組成.

圖5 仿真場景示意圖

系統采用FDD模式，只考慮語音業務.上行采用同步自適應混合自動重傳請求HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)[4]，最大重傳次數為3次，若第3次重傳仍未成功，則視為丟包.為了簡化，不考慮控制信令的開銷和發射分集的影響，每隔固定的時間發起一次呼叫.仿真參數設置如表1所示.

表1 仿真參數設置

4.2 仿真結果和分析

實驗一 準入機制實驗

在基本的半持續調度(SPS)方案中加入準入機制，得到SPS-A方案.準入機制主要會影響系統的呼叫阻塞率和用戶滿意度.

1)呼叫阻塞率對比

SPS和SPS-A的呼叫阻塞率對比如圖6(a)所示.當呼叫間隔時間較小(小于1.9s)，即呼叫頻率較高時，兩種方案的呼叫阻塞率基本一致.這是因為呼叫頻率較高時，SPS和SPS-A中的空閑資源均比較少，而信道質量低于準入信道質量的用戶需要占用較多PRB，因此被阻塞.呼叫頻率降低時，由于系統中的用戶減少，空閑資源增多，SPS中的呼叫阻塞率逐漸降低.而在SPS-A中，由于準入機制阻塞了信道質量低于準入信道質量的用戶，所以呼叫阻塞率穩定在2%左右.

(a)

(b)

分別分析SPS和SPS-A中以下兩類用戶的呼叫阻塞率：a)信道質量低于準入信道質量的用戶；b)信道質量不低于準入信道質量的用戶.如圖6(b)所示，SPS-A中加入準入機制，通過阻塞a類用戶，降低了b類用戶即信道質量較好的用戶的呼叫阻塞.

2)用戶滿意度對比

滿意用戶指調度失敗的數據包個數占此用戶發送數據包的比例小于2%的用戶[7].從圖7中可以看出，SPS-A對SPS的用戶滿意度有較大的改善.例如在呼叫間隔時間為2.3 s時，SPS和SPS-A的滿意用戶百分比分別為93.32 %和96.72 %，提高了3.40 %.對照呼叫阻塞率，這時SPS和SPS-A中b類用戶均未被阻塞，而a類用戶的呼叫阻塞率分別為0.37 %和2.10 %，可以看出SPS-A中由于多阻塞了1.73 %的a類用戶而使滿意用戶百分比提高了3.40 %.而SPS中準入的1.73 %的a類用戶中僅有0.11 %是滿意的，其余1.62 %是不滿意的，并且還使1.78 %的b類用戶成為不滿意用戶.

圖7 SPS和SPS-A用戶滿意度對比

實驗二 截斷機制實驗

1)呼叫中斷率對比

在SPS-A的基礎上再加入截斷機制，得到SPS-A-B方案.由于信道質量惡化的用戶需要占用更多的資源，當用戶信道質量惡化時，系統需要為其重新分配資源，如果在一段時間內重新分配資源失敗，則發生呼叫中斷.如圖8所示，SPS的呼叫阻塞率隨著呼叫頻率降低，系統中空閑資源的增多而逐漸趨于0.而在SPS-A-B中，由于加入了中斷機制，呼叫中斷率一直穩定在2%左右.

2)用戶滿意度對比

如圖9所示，SPS-A-B中加入截斷機制，進一步提高了系統的用戶滿意度.例如，當呼叫間隔時間為2.3 s時，SPS-A-B的滿意用戶百分比為98.19 %，比SPS提高了4.87 %，比SPS-A提高了1.47 %.單獨統計信道質量惡化，低于截斷信道質量的用戶(c類用戶).對照呼叫中斷率，SPS中1.96 %的c類用戶有0.22 %的用戶中斷，1.74 %的用戶留在系統中，但其中僅有0.30 %是滿意的，其余1.44 %的用戶不滿意，并且使得少量(0.03 %)信道質量未惡化的用戶成為不滿意用戶.

圖8 SPS和SPS-A-B呼叫中斷率對比

圖9 SPS、SPS-A、SPS-A-B滿意用戶度對比

實驗三 SCRA算法實驗

用戶容量定義為一個小區內滿意用戶百分比為95%時的用戶總量[7].SPS,SPS-A和SPS-A-B的用戶容量分別為124,135,143.可見準入機制和截斷機制對系統的用戶容量有一定的提高.為了進一步提高系統的用戶容量，再加入SCRA算法，即VoSPS方案.如圖10所示，VoSPS的用戶容量為308，相比SPS提高了148 %.可見SCRA算法極大地增大了系統的用戶容量.這是由于AMR-WB的語音編碼速率范圍為6.6～23.85 kbit/s，用戶語音編碼速率調整的范圍較大，對于信道質量較好的用戶，由較高的編碼速率降到最低編碼速率，能夠大大減少所占的PRB數，從而為更多的用戶分配資源.

實驗方案

5 結束語

針對衛星移動通信系統中高誤碼率、上下行帶寬非對稱的特點，從有效利用系統上行鏈路資源，提高系統用戶容量的角度，提出了一種衛星移動通信語音業務的上行半持續調度方案VoSPS.首先，為了避免信道質量嚴重惡化的用戶對無線資源的浪費，在VoSPS中增加了基于上行信道質量的準入機制和截斷機制.在此基礎上，為了進一步提高系統的用戶容量，在呼叫高峰時段，系統沒有足夠的空閑資源響應新的呼叫請求時，通過SCRA算法合理減低系統中現有用戶的語音編碼速率，從而為更多的用戶分配資源.

最后，對LTE的半持續調度過程進行了仿真實現，并在其中加入各個機制．結果表明，VoSPS調度方案能夠降低信道質量較好的用戶的呼叫阻塞率，提高系統的用戶滿意度，在系統高峰時段，在保證每個用戶的語音質量的前提下，能夠極大地提升系統的用戶容量.

[1] ALLMAN M, GLOVER D, SANCHEZ L. RFC2488: Enhancing TCP over satellite channels using standard mechanisms[EB/OL]. http://tools.ietf.org/html/rfc2488, 2013-03-02/2014-06-25.

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SU Ta-shan, PENG Wei-jie, ZHOU Zuo-yi,etal. Optimization calculation principle and algorithm programming[M]. Changsha: National University of Defense Technology Press, 2000.(In Chinese)

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A Semi-persistent Scheduling Mechanism for Voice Service in Satellite Mobile Communication

FEI Chang-jiang?, WU Chun-qing, ZHAO Bao-kang, YU Wan-rong, FENG Zhen-qian

(School of Computer, National Univ of Defense Technology, Changsha,Hunan 410073, China)

LTE-based (Long Term Evolution) satellite mobile communication system combines 3GPP LTE standards and satellite communication technology and has important significance for the global coverage of mobile communication at a high speed. However, the problem of high bit error rate and bandwidth asymmetry in satellite communication constitutes a great challenge for the wireless resource scheduling and QoS (Quality of Service) guarantee in satellite mobile communication. Based on the semi-persistent scheduling mechanism in LTE, we proposed an uplink wireless resource scheduling scheme named VoSPS (Voice service Semi-persistent Scheduling). We added an access permission mechanism and a truncation mechanism based on uplink channel quality to VoSPS, reducing the waste of uplink resources. We also introduced a speech coding rate adjustment algorithm based on voice service satisfaction, which increased the user capacity of the system. The results of the simulation show that VoSPS can increase user satisfaction and the voice service capacity of the system effectively.

LTE; satellite mobile communication; voice service; semi-persistent scheduling

1674-2974(2015)08-0108-08

2014-09-18

國家863計劃資助項目(2012AA01A50606)；國家自然科學基金資助項目(61379147，61103182)，National Natural Science Foundation of China(61379147，61103182) ；教育部博士點基金資助項目(20124307120032)

費長江(1990-)，男，四川省廣安市人，國防科技大學碩士生

?通訊聯系人，E-mail:feichangjiang.hi@163.com

TN929.5

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