LTE语音解决方案VOLTE调度机制的研究报告

-LTE语音解决方案-VOLTE调度机制的研究摘 要随着LTE无线接入标准的日益成熟，LTE研究热点转向了应用业务的性能提升和优化上，语音业务作为运营商最主要的业务之一需要重点研究。本文首先对LTE 网络下的目标语音解方案-VoLTE 技术做了详细的分析，涉及VoLTE 技术实现的各个层面，包括VoLTE 技术的根本架构、根本业务流程、设备功能要求和互通技术等，并对几种LTE 语音解决方案的应用进展了比较和总结。接着分析了LTE MAC层资源调度机制，对现有调度方案进展了总结和比照；最后提出一种基于优先级的半持续调度方案，并对其性能进展分析。关键词：VOLTE；调度；算法；语音技术AbstractWith the increasing maturity of LTE standard, LTE research focus to the promotion and optimization of the performance of business applications, voice services as the main business of operators need to focus on.Firstly target speech of LTE network solution scheme -VoLTE technology makes a detailed analysis, involve volte technology implementation aspects, including volte technology basic structure, basic business processes, equipment functional requirements and Interoperability Technology and of several voice over LTE solution must scheme of application are pared and summarized. And then analyze the LTE MAC layer resource scheduling mechanism, summary and parison of e*isting scheduling schemes. Finally, the paper puts forward a semi persistent scheduling scheme based on the priority and the performance analysis.Keywords: VOLTE; Scheduling; Algorithm; Speech technology目 录摘要1第一章引言41.1 研究背景及意义41.2 LTE网络演进过程51.3 研究容6第二章 LTE语音方案分析72.1 根本架构72.2 根本流程82.3 设备功能要求142.4 互通技术15第三章LTE语音业务性能改进的研究173.1 LTE MAC层概述173.2 MAC信道特点183.3 MAC层调度技术研究20调度概述20资源调度的根本单位20现有调度算法研究22动态调度算法22半持续调度算法26组调度算法28现有调度方案比照283.4本章小结29第四章 VOLTE调度机制及性能的优化策略304.1 VOLTE调度机制及性能的优化方案设计304.2优先级算法304.3基于优先级的半持续调度方案性能的分析30结语32参考文献33第一章 引言1.1 研究背景及意义虽然演进的分组系统EPS：Evolved Packet System最终可以为用户提供LTE 语音VoLTE：Voice over LongTerm Evolution业务，但是，由于各个运营商现有的网络运行模式不同，语音业务从电路域往全IP 网络的业务模式转变路线和时间点也将会各不一样。对于国外有些小规模的移动运营商以及新建网络的运营商来说，有可能直接进入EPS 网络运营阶段，采用IP 多媒体子系统IMS：IP Multimedia Subsystem业务控制系统来提供各种业务，包括实时语音业务，可以完全实现电路域现有的全部业务。但是，对于已经部署了成熟的2G/3G 网络的运营商，考虑到目前的电路域网络已经能够提供高质量的语音业务、补充业务和增值业务，而且其网络管理能力也非常完善，出于对建立和网络本钱的考虑，最大限度地重用运营商在传统网络的投资的目的，这些运营商的网络演进过程会是阶段性的。业界普遍认可的一种演进步骤，是在EPS 网络的初期建立只做热点覆盖，并只给EPS 用户提供数据卡业务；随着EPS 网络部署规模的扩大，逐渐提供各种实时语音业务及消息类业务等。基于以上考虑，业界对如何在EPS 网络开展的过渡阶段实现语音业务连续性，进展了全面的分析和技术评估， 提出了电路域回落CSFB：CircuitSwithed Fallback 和单无线频率语音呼叫连续性SRVCC：Single Radio Voice Call Continuity 两种过渡期方案。CSFB 就是在LTE 和2G/3G 的双覆盖区域，用户可以从LTE 系统回落到CS 域来使用电路域现有的业务，包括话音、定位业务和补充业务等。支持CSFB 的终端需要在EPS 和CS 域进展双注册。当终端有语音业务的时候，由网络根据策略决定将该终端切换到2G/3G 电路域完成语音业务。CSFB 方案要求LTE 与2G/3G 区域重叠覆盖，这样终端才能同时注册到LTE 和2G/3G 网络，并且随时可以切换到2G/3G 网络执行电路域业务。此外，在运营商的EPS 网络开展过程中，可能会出现EPS 网络在局部地区能够提供VoIP 业务，但不能实现VoIP 业务全覆盖的场景，此时可以考虑借用2G/3G 网络电路域的覆盖来保证业务本身的全覆盖。在EPS 网络覆盖好的地区使用IMS 的VoIP业务，当用户到达EPS 网络覆盖边缘却具备良好2G/3G 网络覆盖时，可在EPS 网络控制下，将用户正在进展的VoIP 通话接续到2G/3G 网络电路域。为了实现两个接入系统间语音业务切换的连续性，3GPP 提出SRVCC 方案，通过IMS 域网元对语音业务进展信令和媒体的接续、转接。SRVCC 实际上是个切换过程，通过IMS SRVCC的应用效劳器 AS：Application Server和承载网络实体MME：Mobility Management Entity/ 移动交换效劳器MSC Server的配合，实现语音业务的连续性。语音业务的信令从IMS 向MSC Server 转接，承载信令从MME 向MSC Server 转接，用户媒体数据流从IMS- 媒体网关MGW：Media Gateway转接到MGW。与CSFB 方式不同的是，CSFB 是在EPS与2G/3G 重叠覆盖区域发生回落切换，而SRVCC则是在LTE 网络失去覆盖的时候，才发生到2G/3G网络电路域间的切换。1.2 LTE网络演进过程下面给出了LTE 网络可能演进的一个过程举例。需要注意的是，各个运营商的LTE 网络演进方式各不一样，有可能跳过以下提到的*一步，直接到达VoLTE 目标网架构。阶段1：最初的LTE 网络规模小，终端模式简单，双模双待机，同时驻留在LTE 网络和2G/3G 网络，LTE 网络只提供数据业务，语音业务由2G/3G 网络提供。阶段2：随着网络的改造，终端功能完善，系统提供CSFB 功能，此时终端是双模单待模式，可以接入LTE 网络和2G/3G 网络，但只能驻留在一个系统下。一般终端都是驻留在LTE 网络下，可以执行数据业务，一旦有语音呼叫，终端将无线接入切换到2G/3G 系统下，即驻留到2G/3G 网络中，执行普通的2G/3G 语音呼叫。呼叫完成后将再切换到LTE系统下。阶段3：如果运营商IMS 系统成熟，终端能力允许，VoLTE 语音逐渐开展，在未覆盖LTE 区域，系统通过SRVCC 技术，实现语音业务的切换，将用户的语音业务从LTE 切换到2G/3G 系统中。阶段4：LTE 全面覆盖，技术和设备完全成熟，将全网实现VoLTE 业务，SRVCC 和CSFB 功能将不再使用。1.3 研究容本文主要对LTE 网络下的目标语音解方案-VoLTE 技术做了详细的分析，涉及VoLTE 技术实现的各个层面，包括VoLTE 技术的根本架构、根本业务流程、设备功能要求和互通技术等，并对几种LTE 语音解决方案的应用进展了比较和总结。接着对LTE语音业务性能从MAC层研究出发，对VOLTE调度算法性能改进进展研究。最后提出一种基于优先级的半持续调度模型，并对其性能分析。第二章 LTE语音方案-VOLTE技术分析2.1 根本架构EPS 系统在部署初期有可能只为用户提供数据业务，在这个阶段核心网局部仅有演进的分组核心网EPC：Evolved Packet Core网络就能满足对运营商的业务需求；但随着网络的开展和演进，终将要在EPS 系统为用户提供VoIP 业务，此时仅有EPC 网络就无法满足需求了，需要同时部署IMS 和PCC 系统提供业务控制和QoS 策略控制。尽管从理论上说，用户通过EPS 分组域就可以实现所有的业务，但如果没有独立于EPS 分组域之上的业务层来提供业务控制，用户在业务的效劳质量QoS、计费等方面都将会存在问题。用分组域提供实时多媒体业务的主要问题是网络只能尽力而为地提供业务而不能保证业务的效劳质量。例如，对于VoIP 业务，用户在通话过程中的语音质量就可能变化很大，可能会出现声音时好时坏的现象。跟现有的电路域语音质量比，这样没有QoS 保证的通话是无法让人承受的。但如果采用IMS 系统作为业务控制层，就可以提供具有QoS 保证的实时多媒体会话控制机制，很好地解决这个问题。因此，鉴于IMS 系统的特点和优势，业界已倾向采用选择IMS 系统为EPS 系统的用户提供VoIP 语音业务控制。采用IMS作为业务控制层系统的另一个原因是能够合理、灵活地对多媒体会话进展计费。运营商可以基于用户的QoS，针对用户业务的不同容，提供不同的资费标准。比方，需要区别是VoIP 会话还是一次网页浏览或者是一条即时消息等不同业务进展计费。采用IMS 的第三个原因是运营商可以对不同的业务进展整合。IMS 定义了为业务开发商使用的标准接口，运营商能够在多厂商环境下提供业务，防止绑定在单一厂商来获取新业务。如果采用IMS 作为业务控制层系统，则，从整个通信系统的网络架构来看，EPS 网络其实是位于承载层，提供通信所需的信息的传递。在实现VoIP 业务的过程中，除了由EPS 系统提供承载，由IMS 系统提供业务控制外，还要由策略和计费控制PCC：Policy and Charging Control 架构实现用户业务QoS 控制以及计费策略的控制。EPS 系统提供VoIP 业务的系统架构如图1 所示图1 VoLTE 系统架构示意2.2 根本流程从业务实现流程来看，一个初次签约到EPS 系统的用户，如果要实现端到端的VoIP 业务，要经过EPS 附着、IMS 注册、业务发起和会话控制过程包括专有承载和IMS 层信令交互、资源释放过程等几个阶段。一般来说，用户开机就会附着到EPS 网络中，归属用户效劳器HSS：Home Subscriber Server里有了用户的位置信息，MME 里也有了用户的签约信息，同时系统还会为用户建立默认承载。但是，用户在附着完成之后，未必马上就打，而只是简单地附着在网络上。如果用户长时间没有执行业务，根据运营商的策略，是有可能将空口和S1-U 接口的默认承载资源释放掉的，而仅保存效劳网关S-GW：Serving GateWay与分组数据网网管P-GW：Packte Data Network-GateWay之间的默认承载。如果用户同时也是IMS 用户，签约了IMS 业务，则，在完成承载层的附着之后，通常就会进展IMS 层的注册。此时，IMS 层的注册消息就要在附着过程中建立好的默认承载上传递了。VoIP 的用户要打的时候，IMS 层最初的INVITE 消息同样属于呼叫控制信令，也是在默认承载上传递的。在话音建立的过程中，一般会在主、被叫两段的资源协商好的情况下，才建立满足话音业务QoS 需求的专用承载资源。下面以默认承载来传递IMS 信令为例，描述新开机用户执行一个端到端的VoIP 业务的过程。1 附着过程在附着过程中，用户设备UE：User Equipment的相关位置信息、能力等将会登记到相关的网络实体中。附着过程中还为UE 建立永远在线的连接，同时为UE 分配IP 地址。附着过程完成之后，系统中用户的状态就会从未注册变为已注册，核心网中记录了用户的位置信息，核心网相关节点中建立了用户的上下文，为用户提供业务做好准备。附着过程中执行的主要操作如图2 所示，图2 附着过程包括：用户发起附着过程，发送非接入层消息附着请求给MME。MME 根据消息中所带的用户标识信息，可判断是否要求用户先前注册的MME 对附着请求消息进展完整性校验，并在成功后传递平安相关参数。如果在原先的MME 中没有找到用户的上下文，MME 还可要求用户提供其国际移动用户识别码IMSI：International Mobile Subscriber Identity 。MME 可根据运营商配置发起平安过程，其中包括鉴权和非接入层NAS：Non-Access Stratum平安过程的建立。之后，MME 要求删除可能存在于其他节点的、该用户未正确释放的资源，并与HSS 交互更新位置信息。以上过程完成后，MME 将发起默认承载建立的过程。默认承载建立的过程中或过程后可为用户分配IP 地址。默认承载建立成功后，网络向用户返回附着承受消息，该消息触发空中接口为用户配置相应的承载。用户接着返回附着完成消息，指示完成建立的EPS 承载以及NAS 相关信息。在用户第一次附着到网络的过程中，网络记录用户的位置信息，相关节点为用户建立上下文；附着到网络后，即建立了从S-GW 到P-GW 之间的默认连接，为用户提供默认承载；附着过程为用户分配了IP 地址、用户驻留的跟踪区标识TAI：Tracking AreaIdentity 列表、临时标识GUTI：Globally Unique Temporary Identity等会话必要的参数。2 IMS 注册EPS 用户要使用IMS VoIP 业务，除了要完成上述EPC 网络的附着过程，通过EPC 网络的平安鉴权认证以外，在建立好默认承载之后，还要在IMS 业务层中进展认证、鉴权和授权，以确认该用户具有使用IMS 业务的权限。一旦用户被认证授权，就会使用IPSec 平安关联来保护自己的会话发起协议SIP：Session Initiation Protocol消息。用户的认证、授权以及建立IPSec 平安关联都是通过IMS 层的注册过程来实现的。IMS 层注册过程中的关键操作如图3 所示。图3 EPS 用户的IMS 层注册过图在IMS 层的注册过程中，HSS 会把用户签约信息传递给效劳呼叫会话控制功能S-CSCF：Serving Call Session Control Function，由S-CSCF 根据用户签约的业务信息，完成对用户的业务控制。在注册过程中，用户和网络还会完成彼此间的双向鉴权过程。一方面，S-CSCF 根据从HSS 下载的认证向量对用户进展认证和授权；另一方面，用户也会对网络进展认证，以确定自己不是在和非法网络进展通信。双向鉴权机制提高了IMS 网络的平安性。在平安方面，用户和代理呼叫会话控制功能P-CSCF：Pro*y CallSession Control Function 之间建立平安关联也是注册过程的一局部。此外，由于IMS 系统是由归属网络来进展业务控制，并为用户提供业务的，而用户接入IMS 系统的第1 个网元是P-CSCF，因此，在用户作被叫的时候，用户归属的S-CSCF 需要知道用户接入到哪个P-CSCF 了，P-CSCF 的地址就是在注册过程过网元间的信息交互来传递给归属S-CSCF 的。IMS 注册包括2 段注册过程：第1 段注册过程，网络将鉴权参数传递给用户，同时把P-CSCF 地址传递给S-CSCF。用户在收到鉴权参数后，实现对网络的认证。在第2 段注册过程中，用户会将计算得出的鉴权响应返回给S-CSCF，由S-CSCF 根据该鉴权响应，完成网络对用户的鉴权，该过程中还会将HSS中的用户信息下载到S-CSCF 上。3 业务发起和会话控制过程用户发起业务的时候，有可能是处于连接状态，也有可能是处于空闲状态。这是因为用户在附着以后，其EPS 连接收理ECM：EPS Connection Management状态模型虽然会从空闲状态变成连接状态，但是，很多用户并不是在开机附着以后，就会马上执行业务，而根本上是处于待机状态。在这种情况下，如果还为用户保持着空口资源，就会对系统资源造成极大的浪费。因此，在EPS 中，也定义了跟2G/3G 系统类似的机制，在用户附着完成以后，仅保存S-GW和P-GW 之间的连接，而释放空口资源和S1 接口的资源，只在用户有业务需求的时候，才会进展空口资源和S1 接口资源的重建。用户的状态不同，其信令交互过程也有所不同。如果用户是在连接状态发起业务的，则就能直接在默认承载上传递IMS 的SIP INVITE 消息，开场IMS 会话建立的交互过程。在这个过程中，会伴随有用于用户语音业务的专有承载过程的建立，专有承载的效劳质量等级标识QCI：QoS Class Identifier可以为1 或者3。用户在连接状态下建立VoIP 过程的IMS 信令与EPC 信令交互如图4 所示。图4 VoIP 业务IMS 信令与EPS 信令交互过程用户在连接状态需要注意的是，图4 中只包括了IMS 层的请求消息，确认消息或响应消息限于篇幅原因，没有在图中表达。另外，该示意图是以IMS 系统启动了资源预留机制为例的。从图中可以看出，在被叫发出183消息之后，就说明主、被叫两侧已经协商好资源了，因此EPS 系统可以为主、被叫用户建立专有承载了。准确的时机应是主叫用户在收到183 的200 OK之后建立专有承载的，而被叫用户在发出183的200 OK 之后建立的。如果系统不启动资源预留机制，则就没有图中的183 和Update 过程，而是在INVITE 消息之后以及180 消息之前，建立好主、被叫侧的EPS 层专有承载。上面所讲的是用户在连接状态下发起的业务过程，如果用户是在空闲状态下发起业务的，则在传递IMS SIP INVITE 消息之前，必须要恢复空口资源和S1 接口资源，这要通过EPS 的业务请求过程来实现的。在这个过程中，除了重建无线资源和S1 资源外，还需要将重新建立的S1 资源信息告诉核心网节点，以保证用户数据的正确传递。空闲状态的用户，在完成无线资源和S1 接口资源重建之后，才会继续图4 中的消息流程。一旦完成上述IMS 信令交互以及EPS 层的专有承载建立，用户的语音业务就能够在所建好的专有承载上进展传递了。4 资源释放过程VoIP 用户在完毕通话以后，系统需要释放相应的资源。由于资源建立涉及到IMS 层和EPS 层，因此资源释放也包括业务层和承载层的资源释放。业务层的资源释放过程如图5 所示。用户完毕通话后，会产生BYE 消息发送给P-CSCF，随后BYE 消息会在会话中涉及到的IMS 层的节点之间依次传递，业务层所占用的资源也就一一释放掉了。图5 VoIP 业务IMS 层资源释放过程承载层的资源释放，首先是由P-GW 发起的。因为P-GW 是关联业务层和承载层的节点，它通过业务层知道用户此次与会话相关的专有承载资源需要释放。随后，MME/S-GW/ P-GW 以及无线侧设备中的相应的专用资源都需要进展释放。如同前述建立默认承载时的原则一样，如果在完毕VoIP 业务之后，用户在一段时间没有进一步的业务动作，空口与S1 接口的资源也会释放，但是用户的S5 接口的默认承载还是会继续保存的图6。图6 VoIP 业务EPS 专有资源释放过程2.3 设备功能要求3GPP 国际标准没有对VoLTE 业务的实现给出详细的流程和具体的要求，运营商为了简化业务实现流程，保证不同厂家设备间互通以及不同运营商间的业务互通，在全球移动通信协会GSMA：GlobalSystem for Mobile munications assembly制定了一系列与VoLTE 业务相关的标准文件，如：GSMA IR.92IMS 要求、GMSA IR.94视频呼叫、GMSA IR.88LTE 漫游等，其中对VoLTE 设备包括：无线设备、EPC 核心网设备、IMS 设备和PCC 设备要求做出了明确的定义。1无线设备侧设备要求头压缩ROHC：Robust Head pression：这是因为VoIP 是由实时传送协议RTP/ 用户数据包协议UDP/IP 来承载的，话音的数据包很小，但是RTP、UDP 和IP 的控制信息很长。因此，UE 和网络需要使用头压缩以提高传输效率。TTI 绑定：用以扩展VoLTE 的无线覆盖围以弥补因为LTE 时间非连续传输造成的链路预算损失。半静态调度SPS：Semi Persistent Scheduling)：话音数据包的产生比较规则。因此可以用SPS 来减少调度的开销。无线承载：UE 需要支持SRB1 + SRB2 + 4 *AM DRB + 1 * UM DRB 的无线承载组合。网络需要支持SRB1 + SRB2 + 2 * AM DRB + 1 * UM DRB 的无线承载组合。需要支持QCI=1用于话音包传输的GBR 承载, QCI=5 用于SIP 信令传输和QCI=8/9 的non-GBR 承载。非连续接收DR*：Discontinuous Reception：为减少UE 的耗电，基站应支持LTE 非连续接收。分组域切换PSHO：PS Handover：LTE 网的分组域的切换。如果网络也支持VoHSPAVoiceover HSPA，最好支持HSPAHigh Speed Packet Access和LTE 间的分组域切换。2核心网设备功能要求由于非保证比特率Non-GBR：Guaranteed Bit Rate承载不能提供无线链路上可保证的比特速率，所以不适用于IMS 语音业务。此外，虽然跟LTE 的峰值速率相比，语音业务只是一个低速率的数据，但是它却要求为语音业务建立GBR 承载的业务。在UE 创立用于IMS 语音的分组数据网络(PDN：Packet Data Network的连接时，需要建立一个缺省承载来承载IMS SIP 信令，该缺省承载的QCI值为5。网络必须发起专有承载创立用于传递VoLTE的语音媒体，用于VoLTE 的专用承载的标准QCI 为1。此外，专有承载的建立必须要由PCC 来参与创立。对于VoLTE 业务，为防止路由迂回，接续时延过长，必须采用本地疏导方式，即用户的VoLTE 业务由用户所在地的P-GW 进展接续，并通过拜访地P-CSCF 访问IMS 系统。为了支持国际漫游，VoLTE 业务通过全球统一的IMS APN 接入网络，同时VoLTE 采用IMS TASTelephony Application Server作为业务效劳器。UE 要支持SIP 资源预留，并且被叫侧UE 的资源预留实现不依赖于主叫侧的UE。UE 和IMS 核心网中的用户面网元必须支持自适应多码率AMR：Adaptive multi-rate语音编码，包括所有的8 种模式，并且能够支持8 种编码模式的所有子集。2.4 互通技术根据以上介绍，从LTE 用户的角度看，在LTE网络开展的不同时期，要实现语音业务可能会采用CSFB 技术，也可能会采用SRVCC 技术，或者采用目标网VoLTE 技术；同时，从网络部署角度看，还会出现各个运营商网络开展的不一致性。这两个因素都导致LTE 用户的语音业务互通会出现多种互通场景， 比方：VoLTE 用户间互通、VoLTE 与CSFB/SRVCC 用户间互通等，不同的互通场景其涉及到的互通模式也是不同的。1 VoLTE 与VoLTE 业务互通如果主、被叫用户均采用VoLTE 业务，通过以上分析可以看出，EPS 网络对于VoLTE 业务来说相当于接入网，PCC 系统则提供资源分配的策略控制，都不参与业务互通。真正实现运营商间的VoLTE 业务互通的是IMS 系统，其中，信令面的互通网元是互联边界控制功能IBCF：Interconnection Border Control Function，互通协议采用SIP 协议；媒体面的互通网元是过渡网关TrGW：Transition Gateway，互通协议采用RTP 协议。因此，也可以说，VoLTE 业务的互通要求其实就是IMS 网间的互通要求。2 VoLTE 与SRVCC 业务互通如果一侧用户网络采用VoLTE 业务，而另一侧用户的网络采用SRVCC 技术，则，SRVCC 用户语音发生切换前，两侧均为VoLTE 业务，只是SRVCC侧的网络架构中多了访问转移控制功能ATCF/ 访问转移网管ATGW功能实体，但这两个功能实体不是网间互通实体。因此，这种场景下的网络互通模式和互通要求与上述VoLTE 业务间的互通场景一致。切换后，SRVCC 侧用户的接入从LTE 切换到2G/3G 系统，UE 通过BSC/RNC 接入到MSCServer/MGW，信令面，随后接入到ATCF，媒体面接入到ATGW，依然会通过统一的业务集中和连续性SCC：Service Centralization and Continuity应用效劳器AS控制呼叫的接续。因此，可以说用户切换后只有接入网络局部发生了改变，业务控制和互通模式、互通要求也未变化。3 VoLTE 与CSFB 业务互通如果一侧用户采用VoLTE 业务，而另一侧用户采用CSFB 业务， 则CSFB 的语音业务将是在2G/3G 系统完成的，因此两者的业务互通将是IMS 网络与2G/3G 电路域间网元的互通。其中，信令面的互通网元是IMS 侧的媒体网关控制功能MGCF：Media Gateway Control Function和2G/3G 侧的网关移动交换中心GMSC：Gateway Mobile Switching Center效劳器Server，互通协议可为ISUP/BICC/SIP-I 协议；媒体面的互通网元是IMS 侧的IMS-MGW 和2G/3G 侧的MGW， 互通协议是RTP 协议。第三章LTE语音业务性能改进的研究在对LTE及VoLTE规进展研究后，我们发现LTE网络主要在无线侧上做了变革，对于无线资源合理利用的规尚不完全，也确定了我们研究的重点在于无线侧MAC层对于无线资源的管理，所以本章针对LTE的MAC层以及其上无线资源分配方案进展深入研究。3.1 LTE MAC层概述MAC子层在LTE协议栈中的位置如以下图，主要负责完成信道映射、无线资源调度Scheduling、混合冗余重传HARQ过程等工作。图3-1 M;1C层位置示意图在UE和eNB中的MAC层功能不完全一样，信道映射、复用解复用、HARQ纠错都是二者共有的功能，无线资源管理则是由eNB负责，UE只需要了解信道状况如路损、信噪比等，并将之通过报告通知eNB。具体的功能如下表所示5：表3-1 MAC层功能通过对MAC层功能的了解，我们发现对于无线资源的利用有两点需要深入研究，一是LTE的MAC层信道映射方式，是否仍和3G时代的空中接口一样，二是LTE的基站eNB是如何对无线资源进展管理和分配的，这其中用到了什么样的策略，方案是否能够完善。3.2 MAC信道特点LTE沿用了UMTS (Universal Mobile Telemunications System，通用移动通信系统)里面的信道划分：逻辑信道，传输信道，物理信道。从无线接口的协议栈来看，物理信道是物理层所包含的，传输信道是物理层和MAC层之间抽象出的信道，逻辑信道则是位于MAC层和RLC层之间的抽象信道概念4：(l)逻辑信道主要负责具体传输什么容，是信道中最高层的，也是最接近我们普通逻辑思维分类的，例如BCCH C Broadcast Control Channel，播送信道)，则就是用来收发播送控制消息的，对应的下层传输信道会负责如何传输这个消息。(2)传输信道主要的任务是说明怎样传，例如DL-SCH ( Downlink SharedChannel，下行共享信道)，业务数据或控制消息使用此信道的时候，说明它们通过共享的下行空中资源来传输。传输信道都会有对应的物理信道，传输信道会指定空间复用等方式，告诉物理层如何去传消息。(3)物理信道是最底层的实际传输信道，是信号在空中传输的承载，比方PBCH ( Physical Broadcast Channel，物理播送信道)，也就是在实际的物理位置上采用特定的编码调制方式来真正传输播送消息。跟MAC层相关的信道是逻辑信道和传输信道。MAC实体负责上行逻辑信道到上行传输信道的映射，如以下图3-2, 3-3所示。相对于UMTS的传输信道，LTE最大的变化在于取消了信令专用通道和数据专用通道，比方针对业务数据，不再设置专用传输信道与专用控制信道，而使用了共享信道这一概念。上下行主要的无线资源都被设置为共享的信道DL-SCH ，UL-SCH，除了特定的一小局部资源用于系统播送消息和上下行信道控制信息外，其他的资源对所有用户来说都是共享的，进展统一调度5。如果对UMTS与LTE的传输信道进展一下比照，就会发现LTE的传输信道要少，功能都并入共享信道，这样的传输信道设置，和WiMA*对资源管理的方式接近，这样做的目的是整合无线资源，减少信令和数据信道的空闲概率，使无线资源到达更高的利用率。由于无线资源都变为共享，则MAC层在调度方面的工作就变得更加重要起来，既要做到考虑业务优先级，又要从公平性的角度保证大局部用户的利益；既要保证信令的及时传输，又要考虑数据的及时调度。所以如何是无线资源高效使用对MAC的无线资源调度设计提出了比较高的要求。不同设备商的基站性能跟其在MAC层选择采用何种调度息息相关。图3-2上行逻辑信道映射图图3-3下行逻辑信道映射图3.3 MAC层调度技术研究3.3.1调度概述在前面提到LTE系统的共享信道，无线资源是以共享的方式存在，则对无线资源块进展分配的调度方案的设计的要求自然就有更高的要求。调度一般表示的是对事物先后次序的安排，这里针对LTE所提到的无线资源调度，是由于LTE无线资源被数据和信令共享的特性，需要将无线资源划分为较小的单位并合理分配给所有正在竞争资源的用户。在3GPP中，资源调度的定义为：基站调度器动态地控制时/频资源的分配，完成在一定时间对*一用户特定资源的分配。对LTE系统而言，时间和频率是系统调度的两类主要资源6。调度方案的好坏对于系统的性能影响很大，对于LTE同时能够支持多少用户并发十分重要。最好的分配时频资源给所有的用户终端，除了满足业务的效劳质量外，还必须保证系统的容量，否则一个系统只能支持少数用户的高质量效劳也没有意义，要想设计良好的调度方法，首先需要了解一下可以被LTE调度的资源是什么。3.3.2资源调度的根本单位LTE的资源根本单位有两种划分方式FDD (Frequency Division Duple*ing,频分双工)与TDD (Time Division Duple*ing，时分双工)。在中国主要的LTE相关研究都是基于TDD方式的，因为虽然TDD系统的覆盖围相对半径要小，但TDD技术有一个明显的优势就是灵活的带宽配比，使用TDD技术可以灵活的设置规中各种不同的上行和下行配比以及转换时刻，对于实现上下行不对称的互联网业务有着明显的优势。而且因为其上下行由时间来区别，TDD还可以使用零碎的频段，不必要求带宽对称的频段，对于资源利用更充分，我们的研究也是基于TDD方式进展的。图3-4 TDD模式无线资源示意图如上图所示，调度的根本单位称作PRB ( Physical Resource Block，物理资源块)，也叫做时频块，如图中蓝色方块所示。顾名思义由时域和频域两局部构成，无线资源的最小单位称作一个RE ( Resource Element )，如图中红色方块所示，在时域上包括一个OFDM符号(1/14ms)，在频域上是1 SkHz的子载波7。一个PRB在频域上是lms，包括14个OFDM符号，在频域上包括12个子载波，所以频域上为180kHz，一个PRB总共包括14*12个RE7。则无线资源中到底有多少可用PRB呢首先从时域上看，1个TDD帧为10ms ，1个半帧5ms，这个时间划分和3G是一样的。1个帧包括10个子帧，1个子帧又再细分为2个slots，但是在调度的角度上，时域都是以一个子帧为单位进展的，调度的时域单位由此定义为TTI ( Transmission Time Interval，传输时间间隔)等于1ms。而频域上，实际的带宽决定了资源块的个数，LTE最大带宽为20MHz，系统可配置为20MHz, 15MHz, 10MHz, 5MHz, 3MHz, 1.4MHzo VoIP作为重要业务之一，应该被分配足够的带宽，由于调研发现LTE调度研究的大局部文献91112都采用了5MHz带宽来研究VoIP的用户容量，所以为了结果的可参考性，同时这个分配也确实比较合理，本论文也使用5MHz带宽来进展分析。一个PRB的带宽是12* 15KHz=0.18MHz，加上保护带宽为0.2MHz，所以5MHz带宽在每个子帧也就是时域TTI为1ms上的PRB个数为5 MHz/0.2MHz=25个。LTE理论最大速率100 Mb/s也是根据PRB计算出来的，一个OFDM中最多可以包含6个bits。PRB中的OFDM个数为14*12=168个，1ms上20M带宽包括100个PRB，6* 168* 100* 1000=100800000Bits/s= 100 Mb/s。3.3.3现有调度算法研究MAC层通过一个包含了调度算法的调度器对申请PRB的分配的请求进展一一调度。下行传输数据时效率比较高，对无线资源的调度并不是瓶颈问题，因为eNB是数据发送方，而调度器也处在eNB的MAC层中，因此很容易了解到各个等待无线资源的用户都缓存了多少数据，让每个PRB都可以尽可能的装满数据，吞吐量比较高，PRB利用也很充分。而在上行信道上，调度器需要通过用户端发送来的信令才能获取用户缓存、信道质量等信息，由于信令的传输也需要被调度器分配无线资源，所以LTE则只能采用基于用户的调度。每个UE需要通过信令来告诉eNB自己缓冲的数据、信道质量信息等eNB用来做判断的参量，eNB基站调度器通过这些参量来确定为每个UE分配哪一个PRB上行资源。这种方式令会占据很大一局部无线资源，而且每个PRB中很难保证填满数据。加之上行速率50Mb/s本身就低于下行速率100Mb/s，所以无线资源调度的瓶须在于上行资源的调度，所以目前在LTE系统的相关研究中，主要针对的都是上行调度。当前的主流调度算法主要有两类：分组调度和半持续调度。一前者属于一般的调度算法，面向所有的数据业务都可通用；后者则是针对VoIP语音业务等实时业务而设计的方案6。这类实时业务的数据包有一个特点，包的尺寸小且发送规律间隔，发送频繁，所以需要减小相应的控制信令的开销来增加共享信道上数据包可利用的资源。3.3.3.1动态调度算法动态调度是LTE规定的最根本的调度方式，适用于所有业务，我们研究的语音业务当然也可以使用动态调度进展资源分配，以下图是上行动态调度示意图5：图3-5上行动态调度示意图上图说明简单描述了一个上行动态调度的示意图，(1)首先在UE端产生上行数据发送事件，将数据放入缓冲区后需要为这些数据申请上行资源用于发送。(2) eNB如有空闲资源就会通过上行调度授权(UL grant )告诉UE可以发送缓存报告。( 3 ) UE发送报告通知eNB有多少数据要发送。(4)然后eNB收到用户的请求，根据资源情况，按照预先设定的调度算法原则来给用户分配适当的PRB资源，然后通过上行调度授权UL grant通知UE。调度过程是比较清晰明确的，其中需要考虑的就是第(4)局部中调度算法如何实现，最开场出现的调度算法包括最大载干比算法、轮询算法、比例公平算法8，此后又有学者提出了改进的最大权重时延优先算法8、正比公平调度算法的改进算法等增强型算法，下面分别介绍并分析其优缺点。(1)最大载干比调度算法调度算法Ma* C/I ( Ma*imum Carrier to Interference)又称为最大载十比算法，其中C表示有用载频功率，I表示干扰信号功率。这个算法的主要实现思想是让信道质量好的用户优先传输，以增加吞吐量减少重传所浪费的资源：所有等待调度的用户，依据eNB基站端接收到的用户载干比预测值进展由高到低的排序，载干比高的优先级高，载干比低的优先级低，并按此顺序进展调度6。算法数学表达式如下： j=ma*(C/Ii)式(3-1)如前所述，C/Ii是载干比的比值，表征信道质量好坏。J是用户的编号，基站通过比照所有等待调度用户的载干比，选取其中载干比最大的用户分配PRBo由于这种载干比算法保证的是信道质量最好的用户优先使用资源，而信道条件不好的用户很有可能会始终无法得到发送时机而一直处于饥饿的等待状态，而且这种状况很可能出现在很大一局部用户身上，导致用户满意度不可能被承受。所以由于这种算法没有对公平性做任何考虑，Ma* C/I算法存在的意义只是在理论研究时充当比照参考量或者作为系统吞吐量的极限值。(2)轮询调度算法RR ( Round Robin，轮询)调度算法是一种以公平性为主的算法，主要的调度实现方式是让所有等待中的用户全部按照到达的顺序依次享受PRB资源。在这种规则的调度方式下，所有被调度的用户都拥有同样的优先级，能够很好的表达和维护公平性，特别是表达在每个用户分得的资源所需等待的时间长度是公平的。在各种动态调度算法的比照中，轮询调度算法是一种最公平的算法，但是过分的把重心倾斜在公平性上也限制了轮询调度算法对其它可参考情况的利用，即使信道质量很差的用户也会被公平的分配资源，造成一些可以通过用户优先级放弃掉的屡次重传占用了一些无线资源，使得一些信道质量好，一次传输即可成功的数据包没有资源可用，资源的利用率也因此并不是十分合理。(3)比例公平调度算法在前面两种算法的根底上，PF ( Proportional Fairness，比例公平)调度算法被提出，这个算法的主要实现思想是牺牲在信道质量和公平性上取一个平衡，兼顾了最大化系统吞吐量的需求和用户间无饥饿的公平性需求，在轮询调度的根底上牺牲局部的公平性，换取更高的资源利用率以提高性能，这个算法也因此成为是无线移动网络中被普遍推荐使用的一种调度算法。 eNB在每次进展调度时，都需要计算每个用户的优先级，在有些地方称作例因子，这个比例因子的计算公式为：信道状况( log (1 +sinr ) )/平均吞吐量式(3-2)其中的sinr是Signal to Interference plus Noise Ratio(信号与干扰加噪声比)，它在LTE中用来指示信道状况的好坏。每次调度eNB的调度器都会选择优先级最高的用户，也就是比例因子最大的用户。所以被调度的用户是相对来说信道质量比较好的用户。比例公平算法的思想类似于最大载干比算法，但是与之不同的是，比例公平算法还将平均吞吐量作为反比纳入考虑，如果一个用户一直在占用资源，则它的吞吐量就会上涨，比例因子会随之下降，在资源竞争中会逐渐输给其他没有分配到资源的用户，最终会使所有用户的比例因子趋于和信道质量有关的一种平均。由于比例公平算法融合了之前两种算法的优点，于是成为了应用的最为广泛的动态调度算法之一。该算法也有一些缺点，就是没有考虑区分不同的QoS，把所有业务和用户一视，这在多种业务共同支持时可能会造成实时业务的不能及时传送。(4)改进的最大权重时延优先算法基于上面的三种优先级方案，还有一个被提及的较多的动态调度方案，改进的最大时延权重优先算法M-LWDF (Modified Largest Weighted Delay First)是一种针对实时业务提出的新方案，其主要思想是丰富优先级的计算参量，不仅包括了用户信道质量，还和时延、可等待时间长度、吞吐量等参数有关系。如何将分组包的时延、信道信息、QoS等进展平衡的考虑是这个算法考虑的问题，M-LWDF算法优先级定义如下： 式(3-3 )其中si指示的是QoS参数值，主要是对不同业务类型进展区分对待；Ri为用户当前的数据传输速率，信道质量越好，传输速率也就越高，由于作为优先级计算的分子，于是这类用户的优先级也相对较高；入i是用户的平均吞吐量，这是对于用户效劳的公平性的考量，对信道质量好一直占用PRB资源传数据的用户通过吞吐量的反比来一定程度的限制其优先级，使信道条件差的用户的优先级获得一定程度提高；Di为用户的HOL (Head of Line，头阻塞)局局部组延时一，它作为优先级计算分子的意义是如果分组在用户侧缓冲队列中等待的时间越长，优先级就越高，这同样也是为了公平性所设的参量；Ti为用户可以承受的最长等待时延限制，如果待调度用等待的时间超过闽值，则此分组会被判定调度失败。可等待时间长的用户，调度失败的可能性相对较小，可以稍微降低其优先级9最终计算出一个优先级P1，在每个TTI中调度器都选取优先级最高的用户来分配资源。其余关于动态调度的改进算法还包括正比公平调度算法的改进方案、M-LWDF算法优化优化等，都一定程度上增强了动态调度的性能，但是对于VoIP等实时业务来说，动态调度算法的改进对于业务的优化还是比较有限的，而下一节介绍的半持续调度算法大大提高了VoIP业务的用户容量，是一种被广泛认可的算法。3.3.3.2半持续调度算法由第二章我们知道VoLTE系统通过VoIP承载语音业务。要在LTE系统中有效地支持VoIP业务，保证其实时性，就必须解决一个重要的问题：LTE系统中存在控制信令开销的限制。因为VoIP的语音业务数据包比较小，如果如上一节中所述采用动态的分组调度，大量的小数据包会带来很大量的信令，信令开销会占据一大局部共享信道资源。如果因为控制信令过多而导致数据包反而无法被调度器分配资源而延迟发送，就会进而导致数据包的超时丢弃，用户语音业务无法保障。VoIP业务的特点是数据包的编码发送间隔固定，每个数据包包含的数据量较小。既然是周期性需要的，则如果采用事先一次配置长期占用就可以减少信令对于的资源的浪费，节省出空间传输更多的数据。因此，针对VoIP业务的这些小数据包设计好对应的资源预留周期，就可以采用一种持续性的调度算法，不需信令地来连续一个时间段分配同样的资源给用户，到达提高节省资源提高系统容量的目的。针对VoIP的这种特点，半持续调度方案应运而生，半持续调度(SPSsemi-persisting scheduling)是一种针对VoIP等实时业务的减小调度过程令开销的调度算法。半持续调度的中心思想是用户只需要在新的会话开场建立连接时向eNB申请使用调度资源，此后以20ms为周期一直占用同一位置的PRB时频块，直到连续语音完毕，此后对于静音数据包采用动态调度方案，周而复始直到会话完毕。该调度方案的具体定义如下：a)对于初次传输的数据分组，采用持续调度，以20ms为周期持续占用资源直到UE端检测到激活期完毕，静音期开场。b)对于重传的分组，采用动态调度方案。c)对于静默描述符SID ( Silence Desriptor)数据包，也采用动态调度方案。静默描述符的作用是在用户的静默期按一定的间隔(一般为160ms )传传递背景噪声信息给eNB的接收端，直到用户再次激活。这三者的传输优先级相比较来说：初次传输的数据分组new transmissions ofvoice packets重传分组retransmissions静默分组SID packets。半持续调度的示意图如下，每种颜色代表了不同的用户所被分配的资源，时频块根据用户数据分组的大小，以20ms为周期固定分配给用户。重传的分组和静音分组使用白色的空闲局部进展动态调度。当有新用户进入激活态时，eNB首先根据该用户的数据量来计算出用户需要使用的资源块数量，然后从当前子帧的TTI开场寻找，直到*个子帧上的空闲PRB资源足够提供该用户所需要的PRB个数为止，将这几个连续资源块以20ms为周期分配给此用户。然后eNB通过信令通知用户设备分配资源的位置和数量，以及半持续调度的周期20ms。图3-6半持续调度算法示意图3.3.3.3组调度算法组调度(Group Scheduling)是由摩托罗拉在2006年提出来的调度技术，根本思想是把用户划分成几个用户组，eNB针对组来进展调度以减少资源竞争的冲突。如以下图所示，每个UE会根据group分配状况和自身条件被划分到一个组中，它只能使用这个组的资源。在每一个group的区间到达时，eNB会统一处理与此组相关的UE资源申请并向UE发送资源分配指示，这样减少了扎堆的用户同时争抢有限TTI资源的情况，每个用户的所有数据、信令都被局限在一局部PRB中，减少了空闲PRB的资源浪费。但这样做会造成有时*一个group有空闲资源，但是其他group因为权限的关系无法使用这局部资源。论文中对这种调度方式进展了仿真，效果是略差于半持续调度的。图3-7组调度算法示意图3.3.3.4现有调度方案比照总的来说，动态调度的优点是：适用于全部的数据业务，资源分配灵活，调度算法可研究的围比较广；缺点是调度信令占据了太多的资源导致无线资源利用率不高。半持续调度的优点是：通过周期性持续分配PRB资源，减少了信令的损耗，使PRB资源更充分的用于数据传输；缺点是：只针对实时语音业务，对于发包间隔不短且没有规律的其他业务不适用。组调度的优点是：减少了抢占资源时的冲突，用户管理比较清晰；缺点是：在实时语音业务上性能不及半持续调度，一些空闲组的资源不能被其他比较忙的组利用。VoIP最直观的系统性能衡量标准是VoIP的容量，我们就通过这个用户容量来比照几种算法的性能。VoIP的容量定义为一个小区95%的用户为满意用户时的用户数，而满意用户是指一个用户在60s不能被正确调度的数据包个数占此用户发送数据包的比例小于2%11。有研究者对这三种解决方案的VoIP容量进展了仿真和比照1112，综合起来结果如以下