一种有效的MBMS业务调度方法

韦 鹏 李筱林

【摘要】由于无线链路的容量受限,广播组播信道需要更加科学的调度机制,以便充分地利用无线资源。文章在综合考虑CN业务调度、RAN业务调度策略以及反馈机制的基础上,提出了一种有效用于MBMS业务的端到端调度方法,并给出了业务调度的仿真分析。该方法包括从所有实体中分离调度子功能的分配方法、反馈策略以及架构的演进。

【关键词】MBMS 端到端调度 CN RAN 跨层反馈

1 引言

MBMS(移动广播组播业务)的出现,使得向大量订阅用户提供多媒体业务成为现实。一些丰富的多媒体内容,如视频剪辑、新闻咨询、天气预报等,都可以源源不断地“流向”广大用户。而有效的端到端的调度无疑是这些MBMS业务传输的重要保证之一。

3GPP已经在MBMS标准[1]中对RAN(无线接入网)端的PTM(Point-To-Multipoint)传输及CN(核心网)中端到端的IP广播组播作了规范。MBMS可以同时向大量用户传送相同的业务,也允许多个用户同时通过同一公共信道接收相同的数据;其最大优点在于取代了原有多路单播及PTP(Point-To-Point)的连接模式,避免了重复传输大量相同数据而造成的空中接口拥塞。当大量用户接收相同的多播业务时,网络资源需要存储在支持MBMS的CN中;在支持MBMS的RAN端,资源管理也将变得愈加复杂。日益增长的带宽及数据速率需求,也对信息承载的有效分配提出了更高的要求。因此不仅需要对小区内的UE(用户终端)数进行估计,而且需要对发送功率的控制以及组播群的空间分布进行准确的分析。

2 端到端调度方法的目标

移动通信网络最初的设计旨在支持语音电话业务,而丰富的多媒体业务的大众化对调度策略提出了更高的要求。要向大量接收终端有效地传输多媒体内容,配置、可执行文件以及约束条件等都要求具备广播组播功能。3GPP将所有的MBMS业务分为3大类[2]:流业务、下载业务和互动业务,随之带来了不同的QoS需求。

本文提出的端到端的MBMS调度策略由不同等级的调度过程组成,从简单的时间片(如10分钟新闻节目)的预留,到RAN的更低调度层中包括业务与会话调度及具体指定时间的分组调度等。RAN的分组调度主要负责处理无线帧和IP包,CN则主要负责业务安排,也就是决定何时发送何种业务,以便最有效地利用网络资源,在满足更多用户需求的同时降低成本。3GPP Release 6[3]中负责业务调度功能的实体主要是BM-SC(Broadcast/Multicast Service Centre)。

3 端到端调度的架构设计

3.1 架构描述

如图1所示,本文的端到端调度机制主要由两方面组成,CN和RAN在各自的范围内通过其自身的调度规则来使传输效率最大化。当RAN向CN反馈的信息包括当前以及可预测的小区状态时,例如在一定的小区或区域内有多少资源可以用于MBMS业务等,将进一步提高传输效率。

图1端到端的调度机制

3.2 CN调度

(1)CN调度功能分析

CN将业务调度功能置于其内部,由BM-SC来支持。3GPP MBMS标准对广播组播调度及MBMS传输会话作了规定,但是业务调度的具体情况未作说明,有待各研发单位自己解决。

CN调度功能可以划分为业务承载层的业务调度管理和媒体传输层的会话调度控制。如图2所示,业务调度管理代表会话调度控制器来触发实际的数据传输。文献[4]中所定义的业务承载层面由一些不同功能的承载实体组成,为调度实体所用。业务调度管理实体必须检测能否得到所需的传输时隙,或是预留或是提出一条新的申请;为此,必须通过业务组播管理承载功能在业务和接收的组之间建立联系。此外,定位管理承载实体也将考虑移动性及接收端的位置情况。业务调度的目标是为了产生一项业务,该业务可以为ESG/EPG(Electronic Service/Program Guide)所用。经鉴权许可后,CP(Content Provider)才被允许加入新的MBMS业务,也就是可以提供给用户。会话调度控制负责调度MBMS传输会话,一个完整的MBMS业务传输可以分成若干个传输会话。

图2 CN调度功能

(2)RAN向CN的反馈

CN中的业务调度实体需要各小区的容量信息,而RAN可以看作整个MBMS系统的“颈部”,能为MBMS协同与调整资源,这一点与非MBMS业务是相同的。拥塞控制功能同样有根据RAN的状况来判断的能力。例如,当组播组在无线衰落信道上的情况在一段时间里变得越来越好或越来越坏,CN将会决定是否支持这个组播组。

由此可见,向CN提供一种新颖的带RRM信息的反馈机制是必不可少的,这种反馈可以用来提高业务调度决策性能。无论是直接还是间接的拥塞监控的应用,都将形成一种闭环的控制机制,也就是调度可以被看作是拥塞控制的一部分。

3.3 RAN调度

(1)用户反馈机制

根据文献[5]的评估,MBMS中的功率控制将是UTRAN增强的主要措施,它将提供一种高效的频谱利用组播业务。文献[6]中的功率控制算法旨在根据小区中的信道状况调整发送功率,信道条件较好的小区可以减小发送功率。然而,这种方法并未从根本上解决问题,如没有考虑用户移动、小区中组播组的数量及存在的非MBMS业务等。

图3给出了一种通用的MBMS组管理策略,旨在通过提高功率发送的有效性来解决公共信道短缺问题。在组播组初始化之前,小区需要获得其支持的所有MBMS业务的数量;这可以根据小区中MBMS与非MBMS用户的数量,通过合理设置无线资源的比例来实现。一旦小区中的MBMS业务量能够跟踪,RNC的资源管理器就可以决定其能够支持的RAB(Radio Access Bearer)数量。因此,小区中的专用、公共信道可以适应性地分配。接下来必须对应用业务的类型进行检验,也就是确认无线承载实体与业务类型之间是否匹配。在业务传输之前还须确定数据速率。一旦这些功能中的任何一个不正常,组播服务就会立即停止。当公共信道用来传输MBMS业务时,该功率控制算法会被启用,一直持续到组播组失去连接或业务停止。

(2)分组调度

DRMS(Dynamic Resource MBMS Scheduler)的提出正是为了支持MBMS业务的需求,负责向MBMS用户组传送业务。图4反映了此动态资源调度措施。作为一个集中式的QoS架构,DRMS可以根据相应的功率控制算法对无线信道的变化进行实时监测,根据UE反馈的情况,针对各种类型的业务对发送功率进行动态的调整。调度实体从组播组那里收到会话请求,这些请求被分为两类,分别存储在GQ(Guaranteed Queue)和BEQ(Best Effort Queue)两个队列中。

GQ根据预定的速率进行传输,包括CBR(Constant Bit Rate)、NRT-VBR(Non Real-Time Variable Bit Rate)、RT-VBR(Real-Time VBR)及ABR(Available Bit Rate)等类型的业务。BEQ服务于UBR(Unspecified Bit Rate)类型的业务。这些业务将根据可用的带宽分配到各自的组播群中。当不能再提供功率资源时,组播群的数量也就达到了饱和状态,调度实体需要决定哪种业务需要最有效的方式传输。为了提供其他影响调度决策的信息,组播组的信道状况将被反馈给优先级控制功能模块,该模块中的机制必须确保各用户能够共享该业务。

4 仿真分析

4.1 基于RAN拥塞信息的交互业务调度

交互业务伴随着周期性的数据重复。需求概率pi指公众对内容的兴趣程度或接收组群的大小;fi表示MBMS业务的频率,也就是在一个周期内出现的次数;时间li表示传输业务i的时间。有式(1):

如式(2),文献[7]中描述的交互调度算法可以扩展到RAN的拥塞控制中,拥塞的状况主要取决于小区的容量。RAN能够获得这些信息,并将其汇总发送给CN。

仿真结果表明,这种RAN反馈机制十分有效。调度实体为各个优先级的业务制定了一个平均接入时间,其频率适应是以牺牲低优先级业务为代价的。图5、6反映了拥塞等级随着时间的变化而导致的平均接入时间的变化。

图5拥塞程度仿真

图6各类型的平均接入时间

4.2 基于UE反馈的动态分组调度

在FACH中引入功率控制机制,增大了容量增益。为了在没有MBMS组播用户的SIR的支持下使整个小区达到较好的覆盖率,FACH上64kbps的MBMS业务所需的Ec/Ior必须占总发送功率的15%。这就不得不综合考虑MBMS业务的增加情况及预先存在的业务。图7反映了DCH(Dedicated Channel)通过不断地向Node B反馈来减小发送功率(从0.2w减小到0.02w)的功率控制能力,蓝色和绿色分别表示FACH在覆盖率为25%和50%时的功率发送情况。恒定功率发送时,可以看到在没有功率控制的情况下,即使UE更加靠近Node B或信道环境变得很好,FACH的效益也不会提高。而没有MBMS用户位于小区边缘时,向整个小区覆盖范围发送功率无疑是一种浪费。

为了支持用户订阅的多媒体业务,对RRM进行修改,以达到最优的功率控制和拥塞控制。在本修改架构中,增加了UE反馈机制及调度技术,可以满足向用户传输MBMS业务。该反馈机制对现存的公共信道增加了轻权重的功率控制。通过这种考虑到瞬时业务加载及干扰情况的功率控制策略,动态分组调度能够提供可靠的QoS。

5 小结

流业务、下载业务和互动业务这三种类型的MBMS业务在吞吐量、时延等方面都不同,其所需的QoS也有很大的差别。因为不是所有的单个小区信息都能够为调度所考虑,为了降低计算的复杂度,这些信息需要综合考虑。因此,无论是基于事件的还是基于时间的统计量都需要计算、集中、更新。此外,通过对系统动态行为的补偿,一种基于知识的网络预判可以使性能得到进一步提高。

在跨层结构设计中,本文提出的反馈技术可以进一步地用于自适应地转换CN中的视频音频流,以减小RAN端的拥塞控制。而且,与其在一段给定的时间内消耗资源传输文件,不如根据时空资源将该文件分成几个子部分;这样,因为接收用户有可能处于更好的无线环境,传输会更加成功。