IEEE802.16e系统中结合DTX/CNG技术的VMR-WB VoIP上行链路调度算法

法卢克，涂 军，戴居丰

(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)

VoIP是利用IP网络传输语音的一种技术．这种技术通过语音压缩算法对语音信号进行压缩编码处理，然后转换为 IP数据包，经过 IP网络把数据包发送到接收端，接收端经过解码、解压缩把数据包恢复成原来的语音信号．VoIP由于其廉价的特点而得到越来越广泛的应用．移动 WiMAX技术是一种基于IEEE802.16e2005空中接口标准[1]，应用于无线宽带接入服务的技术．由于这种技术能够支持高吞吐量、低延时的VoIP服务，因此基于移动WiMAX的VoIP技术越来越受到人们的重视．

可变速率多模式宽带(variable-rate multimode wide-band，VMR-WB)技术[2]是一种基于源控制的可变速率多模式语音编解码技术，主要用来提高宽带/窄带语音编解码的鲁棒性．其显著特征之一是可以根据语音信号特征和网络拥塞情况，工作在5种不同模式下．每种模式都有 4种不同大小的语音包，分别为全速率(full rate)、半速率(half rate)、四分之一速率(quarter rate)和八分之一速率(one-eighth rate).模式0、1、2和 3的语音包大小相同，在各速率下分别为L1= 2 66 bit ，L1/2= 1 80 bit ，L1/4= 5 4 bit，L1/8=20bit；模式 4在各速率下语音包大小分别为 L1= 1 71bit，L1/2= 8 0 bit，L1/4= 4 0 bit，L1/8= 1 6 bit．

语音通信中大约只有40%是包含语音的，其他时间都是静音或背景噪声.在传统的电路交换技术中，在通话静默(silence)期间，线路仍然被占用．而使用分组交换的 VoIP可以采用非连续传输/舒适噪声生成技术，即 DTX/CNG 技术[3]，来减小资源的浪费.DTX/CNG技术是在编码端用 VAD(voice activity detection)模块对输入信号进行检测，若检测为活跃(active)期间的语音信号，则用语音编码器进行编码；若检测为静默期间的背景噪声，则用噪声编码器进行编码．在对背景噪声进行编码时，不需像语音帧那样进行全速率编码，也不需要每帧的信息都进行传输，而是相隔若干帧才发送一次比语音帧更少量的编码参数——静音描述(silence insertion descriptor，SID)帧，一般只包含背景噪声的谱参数和能量参数；而在解码端，根据接收到的非连续背景噪声帧的参数，恢复出整段背景噪声，且不严重影响主观听觉质量．

IEEE802.16e标准提供5种上行链路调度算法[1]，分别为主动授予业务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、增强的实时轮询业务(ertPS)、非实时轮询业务(nrtPS)和尽力而为(BE)．其中，UGS、rtPS和ertPS支持VoIP这种实时业务．

VMR-WB VoIP业务面临两大挑战[4]．首先是资源的利用率.由于不同模式下的业务流QoS参数不相同，需要采取有效的方法为各种模式分配适当的资源，而且在通话的静默期间也要尽量减少资源的浪费；其次是延时．带宽请求和分配、模式切换、排队都会产生延时，延时过高会严重影响 VoIP这种实时业务的质量．

为了解决这 2个问题，除了 UGS、rtPS和 ertPS这 3种传统算法外[1,5]，还有很多算法被提出[6-10]，但是它们都不适用于可变速率多模式业务.文献[11-13]提出的算法支持可变速率多模式业务，也考虑了语音通话的静默状态，但其适用于 AMR-WB、EVRC(增强型可变速率语音编解码)技术和G.729B等，而不适用于 VMR-WB；文献[14]提出的算法适用于 VMRWB，但是没有考虑通话的静默状态；文献[12,15]适用于多模式可变速率，并且考虑了通话的静默状态，但是各模式之间的切换、静默期间造成的资源浪费较大．本文正是对VMR-WB VoIP这种可变速率多模式业务提出了一种灵活的、结合DTX/CNG技术的上行链路调度算法，实现资源利用率的提高和延时的降低．

1 传统调度算法

1.1 UGS算法

UGS算法适用于周期性产生固定大小数据包的业务，基站(base station，BS)周期性地给用户站(subscriber station，SS)授予固定大小带宽，分配的带宽要足够传输语音包．双方在初始化阶段已经协商好授予带宽的大小和周期．这样，由于不需要用户站的带宽请求过程，其MAC开销和接入延时达到最小.但是 VMR-WB VoIP算法不适用于 VMR-WB VoIP业务，因为这种业务传输的是可变速率的语音流，固定大小的带宽分配会浪费资源；并且在静默期间没有数据包传输，周期性固定大小带宽的分配导致资源的大量浪费．2种模式之间的切换包括 DSC-REQ和DSC-ACK 2个过程，这也会产生附加的接入延时和额外开销．

1.2 rtPS算法

rtPS算法支持周期性产生可变大小数据包的实时业务，基站根据用户站的带宽请求来授予带宽，并且带宽分配的大小要满足传输用户站的带宽请求.由于基站是按用户站的需求授予带宽，所以和 UGS算法相比有更高的资源利用率．但这种算法只适用于对时延不敏感的业务，因为每次授予带宽之前的带宽请求过程会增加延时和额外开销．在静默期间，基站仍周期性地授予带宽，只是其授予带宽的大小只要满足传输带宽请求即可，故其浪费的资源比 UGS算法小．模式切换过程同样会增加延时和额外开销．

1.3 ertPS算法

ertPS算法也适用于周期性产生可变大小数据包的实时业务，如 VoIP业务．用户站使用授权管理子报头中的 PBR(PiggyBack request)比特来请求减小授予带宽，使用带宽请求头部来请求增加授予带宽．基站根据用户站的带宽减小或带宽增加请求为用户站授予带宽．在静默期间，基站依然周期性地授予带宽，这也会导致资源的浪费.与rtPS算法相比，ertPS减小了MAC开销和接入延时；与 UGS算法相比，减小了上行链路资源的浪费.模式切换过程也会增加延时和额外开销．

2 本文提出的算法

本文为支持VMR-WB VoIP业务，提出一种灵活的上行链路调度算法，它主要在 ertPS算法基础上做了2点改进．

(1) 考虑通话的静默状态，用IEEE802.16e系统的BRUSC头部(bandwidth request and uplink sleep control header)的一个保留比特来表示当前语音通信处于活跃状态还是静默状态，称之为语音转换(voice transition，VT)比特．若用户站当前为活跃状态，则设定 VT＝1；若为静默状态，则设定 VT＝0．在静默期间应用DTX/CNG技术，减小资源的浪费．

(2) 用IEEE802.16e系统的通用MAC头部的一个保留比特来表示当前处于 VMR-WB的哪种模式，称之为模式状态(mode state，MS)比特．基站根据MS比特区分不同模式，并实现模式之间的切换，而不采用DSC过程，这样能够减小延时和额外开销.

基站预先配置VMR-WB各种模式的QoS参数，在得到VT和MS比特的信息后修改相应的参数，应用相应的资源调度算法分配资源.

基站得到用户站的VT信息后，获知用户站处于活跃或静默状态，然后用不同的算法为活跃和静默期间分配资源.

2.1 活跃期间的资源用度算法

单一模式下，用户站基于ertPS算法向基站发送语音包，基站基于 ertPS算法给用户站授予带宽．在2类模式之间切换时，有以下4种情况．

(1)在模式 4下，MS 比特的值设为“1”，其他模式下，MS 比特的值设为“0”．

(2)模式 0、1、2、3之间切换时，基站和用户站的工作情况不发生任何改变，没有任何特殊的措施会响应，因为这些模式的语音包大小是相同的．

(3)模式0、1、2、3与模式4切换时，用户站更改MS比特的值并向基站发送．

(4)基站通过获取 MS 比特的值来设定相关QoS参数．若基站检测到 MS 比特的值为“1”，则将 QoS参数设为模式 4的参数，并将保持这种状态直到收到的 MS 比特的值为“0”；若基站检测到MS 比特的值为“0”，则将 QoS参数设为模式 0、1、2、3的参数，并将保持这种状态直到收到的MS比特的值为“1”．

这样，不需要 DSC过程就能实现不同模式之间的切换，减小了DSC产生的开销和延时．

2.2 静默期间的资源调度算法

在OFF期间，采用DTX/CNG技术，即用户站端不需像语音帧那样进行全速率编码，也不需要每帧的信息都进行传输，而是相隔若干帧才发送一次 SID帧．基站需要每隔一段时间给用户站授予带宽用以传输SID帧，每次授予带宽的大小必须足够传输SID帧，否则需要请求更大的带宽来传输．用户站传输SID帧的时间是不确定的，发送SID帧与否，是根据此时背景噪声的平稳情况决定的．为了减小资源的浪费，同时保证延时不过大，提出授予带宽的间隔是以帧持续时间vcT开始并呈2的指数倍增加，即

式中 Talloc-prev为前一次的授予时间间隔．即此次授予带宽的间隔是前一次授予带宽间隔的2倍，但其最大间隔不能超过 Tmax，第 1个(最小)授予间隔为Tmin= Tvc．这样既能保证资源的浪费较小，又能保证延时不超过 Tmax．

在静默期间，若用户站检测到有语音包要传输，则通过通用MAC头部中的VT比特告诉基站要变为ON状态.这个消息可能产生在 2个授予带宽之间的任何一个MAC帧中，但必须等待基站分下一个授予时才能将此消息连同带宽请求发出去，然后再等待基站的授予来传输语音包，因此这样会产生额外的延时．以 Tmax= 6 0 ms为例，一个语音包的持续时间Tvc= 2 0 ms，从带宽请求到授予带宽的时间一般为一个 MAC帧持续的时间(Tmf)，则得到这种情况产生的平均延时为

静默期间授予带宽的平均间隔为

3 系统模型

采用服从指数分布的 ON-OFF系统模型来描述语音流[11]，ON 和 OFF分别对应通话时的活跃和静默状态．处于ON状态的平均时间on1Tλ=，处于OFF状态的平均时间off1Tμ=，其中λ和μ均为指数分布的参数．图 1表示容量为 m、总用户数为N的一维Markov链.

图1 采用一维Markov链的系统模型Fig.1 System model using Markov chain

4 性能分析

假设系统物理层规范为WirelessMAN-OFDMA，定义一个资源单位包括 48个 OFDMA子载波，在16QAM 调制和 1/3编码的突发脉冲格式下，一个资源单位为 8个字节．VMR-WB中语音编码器的帧间隔，即一个语音包的持续时间 Tvc= 2 0 ms ，通用 MAC头部大小为6 bytes，带宽请求头部大小为6 bytes，40 bytes的RTP/UDP/IP头部用ROCCO和CRTP[4]压缩机制可以压缩到 2 bytes． pij表示处于模式 i、速率j 的概率(i＝0，1，2，3，4；j＝1，2，3，4)，并且处于每种模式的概率分别为λi(i＝0，1，2，3，4)．

设总的用户数为 Nt，则处于模式 i、速率 j的用户数在标准3GPP2 C.S0052-A v1.0中给出了 pij的参考值为

4.1 资源利用

Rij表示在模式 i、速率 j情况下传输一个语音包所需要的资源，则 Rij可表示为

式中：RUR 为一个资源单位所包含的比特数；ijL为处于模式i、速率j时语音包的大小，即

2种模式之间的切换可能需要用到 DSC过程，包括DSC-REQ和 DSC-ACK，分别至少需要 2个资源单位，故假设 DSC过程所需资源数 RDSC= 4 .DTX/CNG中SID帧大小 LSID= L1/8.

假设每种模式下，八分之一速率的情况被视为OFF，则根据矩阵P，可得出ON和OFF的平均时间比 TonToff= 1 .463，设 Ton= 5 94 ms ，Toff= 4 06 ms，则在某时刻用户处于ON状态的概率为处于 OFF状态的概率为采用 3种传统算法(UGS、rtPS、ertPS)和本文提出的算法(PRD)，计算总用户数为tN，每个用户传送一个语音包所需总的平均资源为

式中：BR1R 为在模式 0、1、2、3下传带宽请求所需资源，BR2R 为模式 4下传带宽请求所需资源，；u为 2种模式之间切换的概率；RSID为 OFF期间传输一个 SID帧所需资源，为在OFF期间，本文算法与ertPS相比节省了资源.

4.2 VoIP容量计算

在得到rtPSR 、ertPSR 、PRDR 和UGSR 后，能够得到各种算法所能支持的最大用户数

式中：下标“op”代表各种算法，即UGS、rtPS、ertPS和PRD；Tmf为一个 MAC帧的持续时间，在IEEE803.16e系统中为 5 ms；Rt表示基站在一个MAC帧的时间段内所拥有的总资源数；RopNt表示单个用户传送一个语音包所需资源数.

4.3 吞吐量计算

各种算法的吞吐量为

式(13)必须满足的条件为

4.4 延时计算

当用户数小于系统容量时，延时主要是由于等待基站授予带宽、模式切换等因素造成的[16]；当用户数大于系统容量时，用户站需要排队才能接受基站的服务，此时排队产生的延时占主导[17]．由于2种情况下延时性质、产生的原因差别很大，笔者将分开讨论.

1) 用户数小于系统容量时

(1)UGS算法

在UGS算法中所有在下行子帧期间产生的数据包都要等到下一个上行子帧才能传输，且模式切换产生延时，延时为

式中：DSCT 为动态业务流改变的持续时间；dsfT 为下行子帧的持续时间；ttgT 为下行和上行子帧之间的间隔．

(2)rtPS算法

在此 PS算法中，所有在下行子帧期间产生的数据包都要等到下一个上行子帧才能传输；数据包到达用户站后先存在缓存中，等待带宽请求和带宽分配过程，等待时间大概为一个 MAC 帧的持续时间；模式切换产生延时；用户站向基站发出带宽请求后，其带宽需求发生了变化，原来请求的带宽不足，这样需要等待一个 MAC 帧才能传输数据.这种带宽需求变化过快的情况发生的概率较小，但是当MAC 帧时间较长时，不能忽略这种延时.设这种情况发生的概率为β，故延时为

(3)ertPS算法

在ertPS算法中，所有在下行子帧期间产生的数据包都要等到下一个上行子帧才能传输；模式切换产生延时；带宽需求变化过快产生延时．则延时为

(4)PRD算法

在 PRD算法中，所有在下行子帧期间产生的数据包都要等到下一个上行子帧才能传输；模式切换产生延时；带宽需求变化过快产生延时；在 OFF状态结束后等待授予带宽开始传输下一语音包而产生延时SIDT ，故延时为

当总的用户数 Nt＞Nop时，有(Nt−Nop)个用户不能立即得到服务而需排队等待.

设处于 ON状态的用户数为 n，则 n ＞Nop的概率为

2) 用户数大于系统容量时

则平均排队延时[10]为

式中opT为用户数小于系统容量时各算法的延时.

综上，各种算法产生的平均延时为

结合式(21)，得

5 仿真结果和分析

为了简化仿真，假设在 5种模式中，用户处于每种模式的概率相同，即 λ0= λ1= λ2= λ3= λ4= 0 .2，各模式之间的转换概率为 0.1，总资源数为 40．图 2表示各算法的资源利用和用户数之间的关系．根据仿真结果得到UGS、rtPS、ertPS和本文算法的用户容量分别为 50、52、68、83，可以看到本文提供的算法能大大提高用户容量，比 UGS、rtPS和ertPS算法的容量分别增加 66%、60%和 22%．图 3表示吞吐量和用户数之间的关系，各算法的吞吐量分别为 298、310、406、495，可以看到本文算法的吞吐量和其他算法相比有较大的提高．图 4表示延时和用户数之间的关系.当用户数较小时，本文算法的延时比 UGS、rtPS和 ertPS算法的延时要大，这是因为在相同的用户数下，本文算法用到的资源要小，这是以增加延时为代价换取的，但仍然小于一般容忍的延时(60 ms)；随着用户数的增加，当其值超过容量时，排队延时逐渐占主导地位，并随用户数的增加呈指数增长．由于本文算法容量大，随着用户数的增大，3种传统算法先于本文算法产生排队延时，最终本文算法的延时大大低于传统算法．由图 4可以看出，各条曲线在用户数分别达到 97、98、130和 137时出现了大的拐点，拐点也就是算法的最大容忍延时．由此可以看出本文所提算法远远优于其他的几种算法．

图2 所需资源/总资源与用户数的关系Fig.2 Required resources/total resources vs number of users

图3 吞吐量与用户数的关系Fig.3 Total throughput vs number of users

图4 平均延时与用户数的关系Fig.4 Average delay vs number of users

图5和图 6分别表示吞吐量、容量与模式之间的转换概率 u的关系．由图可得，本文提出的算法不依赖于 u，因为该算法不采用 DSC信令过程．综上所述，可以看出本文提出的算法远远优于其他几种传统算法．

图5 容量与转换概率的关系Fig.5 Capacity vs u

图6 吞吐量与转换概率的关系Fig.6 Throughput vs u

6 结 语

本文提出了一种结合 DTX/CNG技术的 VMRWB VoIP服务的上行链路调度算法．基站通过获取由 IEEE802.16e系统中通用 MAC头部、BRUSC头部中的2个保留比特传递的模式信息，以及ON/OFF信息来有效地分配资源，从而减小资源浪费，提高系统容量．仿真结果表明所提算法能够有效地支持VMR-WB VoIP业务．和传统算法相比，可以获得较大的容量和吞吐量；虽然在用户数较小的情况下所提算法延时要大，但这是为减小资源浪费而付出的代价，当用户数较大时，延时特性可以大大优于其他传统算法．同时，这也为资源利用率和延时的权衡提供了一种新的视角：对于带宽受限系统，在保证 VoIP服务延时不严重影响话音的情况下，尽量提高资源利用率；对于非带宽受限系统，并且对 VoIP服务提出较高要求时，要尽量减少延时而不对资源利用率做过多限制．

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