3GPP LTE系统中无线视频传输调度算法研究

王冉冉，宋建新

（南京邮电大学图像处理与图像通信实验室，江苏南京 210003）

3GPP LTE系统中无线视频传输调度算法研究

王冉冉，宋建新

（南京邮电大学图像处理与图像通信实验室，江苏南京 210003）

针对3GPP LTE系统，提出了适用于下行链路视频业务的一种新的分组调度算法，即时延优先比例公平调度。当需要做出调度决策时，该算法利用每个用户的数据包时延信息和瞬时下行信道条件，在满足用户QoS前提下最大限度地提高系统吞吐量。同时，当用户选择资源块（RB）进行传输后，即从用户集合中将该用户删除，避免接近eNodeB的用户一直占用无线资源，确保了资源分配的公平性。实验仿真结果表明，该算法在丢包率和PSNR性能上优于最大权重时延优先（M－LWDF）算法，在保证用户间公平性前提下，满足了视频业务的QoS要求。

3GPP LTE;时延优先比例公平调度;分组调度;服务质量;视频业务

【本文献信息】王冉冉，宋建新.3GPP LTE系统中无线视频传输调度算法研究［J］.电视技术，2013，37（3）.

第三代合作伙伴计划长期演进（3GPP LTE）是一种新的无线接入技术，它通过提供更高的峰值数据传输速率、全面的分组交换核心网络以及支持多媒体应用多样化的服务质量（QoS）要求，改善了系统的性能。在下行链路，3GPP LTE采用了正交频分多址接入（OFDMA）技术，OFDMA能够抵抗无线信道的频率选择性衰落，对码间干扰也有一定的稳健性。3GPP LTE无线网络结构中，在用户与核心网之间只有一个被称为eNodeB的节点，该节点负责执行所有的无线资源管理（RRM）功能。分组调度是RRM功能之一，为了高效地利用无线资源并满足用户的QoS要求，它负责智能地选择用户并传输它们的数据包。

视频流是需要3GPP LTE系统支持的实时（RT）应用之一。为了确保满足视频流用户的QoS要求，其丢包率在保持低于某阈值的前提下，必须最小。视频流用户的数据包应该在该用户的时延阈值内接收到，否则将被丢弃，并视为丢失的数据包。

已经有很多分组调度算法在多载波的无线系统中支持RT业务。如文献［1－3］提出的算法将著名的最大权重时延优先（M－LWDF）算法［4］扩展到了OFDMA系统中。M－LWDF算法利用瞬时下行信道条件（如信噪比）、平均吞吐量以及数据包信息，被认为是单载波无线系统中适用于RT业务的最好的分组调度算法。文献［5－6］提出了多载波无线系统中适用于RT业务的分组调度算法，该算法将数据包调度分解为资源调整（resource allocation）和资源分配（resource assignment）技术。资源调整技术确定分配给每个用户的无线资源的数量，而资源分配技术将可用的无线资源映射给用户。

虽然前面讨论的分组调度算法，在多载波无线系统中支持RT业务方面已经实现了良好的性能，但是它们不能直接应用到下行3GPP LTE系统中以支持视频流的应用，原因如下:1）视频流应用对丢包非常敏感;2）下行3GPP LTE系统中的数据包调度在1 ms的时间间隔内（传输时间间隔TTI）执行，并且提供给用户之间共享的无线资源是由作为资源块（RB）的子载波组组成的［7－12］。因此，本文提出了下行3GPP LTE系统中支持视频流应用的一种新的分组调度算法，称为时延优先比例公平调度（DF－PFS）。DF－PFS算法通过利用每个用户的数据包延迟信息和瞬时下行信噪比（SNR），在保证用户间公平性的前提下，满足了视频业务的QoS要求。

1 系统模型

这里主要研究单蜂窝LTE系统下行链路的多用户调度问题。场景中包括1个基站（eNodeB）和K个用户设备（UE）。每一个UE都对应一个独立的缓冲区。基站通过主干网接收来自流媒体服务器已预先编码好的视频流，假设主干网络带宽很高，不存在丢包现象，视频序列通过H.264编码器进行编码。

eNodeB在接收到UE的视频发送请求后，调度器在每一个传输时隙（TTI）基于某种调度策略，选择优先权最高的用户进行调度，然后进行调制编码，发送视频流。

2 时延优先比例公平调度

视频流应用要求丢包率保持低于某个阈值。通过监测每个用户的HOL数据包时延值并调度接近该时延阈值的数据包，可以达到该要求。在数据包调度中，除数据包时延信息（HOL数据包时延和时延阈值）外，瞬时下行信噪比也发挥了重要的作用。根据文献［8］，当需要作出调度决策时，如果分组调度能利用当前瞬时下行信道条件，那么就可以充分利用无线资源。

现有的其他分组调度算法在选择用户时除了基于数据包时延信息外，还考虑其他的调度准则（如瞬时下行信道条件、平均吞吐量、丢包率等），当与这些算法进行比较时，由于DF－PFS算法在每个TTI选择用户时，仅考虑数据包时延信息，因此复杂度很低。DF－PFS算法可分为以下3个步骤。

第1步，在每个TTI开始时，为每个用户计算HOL数据包时延与时延阈值之差，得出剩余时间为

式中:K是总的用户数;Tk是用户k的时延阈值;Wk（t）是用户k在第t个TTI的HOL数据包时延。

第2步，选择具有最小dk（t）的用户k，即

第3步，从一系列可用的RB中为该用户k选择最好的RB（由该用户报告的具有最高瞬时下行SNR值的RB）传输该用户的数据包，然后从用户集合中删除用户k，并更新剩余用户的dk（t）。最后从可用RB列表中删除已被选择的RB。重复以上步骤，直到可用RB的列表为空。

图1是DF－PFS算法的调度流程图，该算法在LTE系统下行链路的广义模型如图2所示。在每个TTI，基于在每个用户缓冲区获得的数据包时延信息，包调度程序确定即将被调度的用户。利用由用户报告的瞬时下行SNR值，确定使用哪个RB来进行数据包传输。该算法中，在每个TTI，每个用户至少会分配到一个RB。这样在一定程度上确保了用户间的公平性。

3 实验仿真环境

在系统中，对于所有可用的下行子信道，用户在每个TTI估计接收到的下行参考信号的信干噪比（SINR）值。然后，用户将这些值映射为一组CQI反馈，并使用上行信道将其报告给相应的基站（eNodeB）。如文献［7］中所述，为了保证误块率（BLER）值低于10%，CQI值由估计的SINR值量化得到。通过BLER－SINR曲线可以得出SINR值与CQI值之间的映射关系［7］。

在确定完调度策略后，分组调度器为某个即将调度的UE在下行链路选择合适的调制编码方案（MCS）。eNodeB通过使用指数有效SINR映射方法［7］为该用户指定一种MCS。

在相应的eNodeB中，为每个用户分配一个缓冲区。到达该eNodeB的每个用户的数据包都被盖上时间戳，并基于先进先出（FIFO）准则在其缓冲区排队以等待传输。对于eNodeB缓冲区队列中的每个数据包，计算出队头（HOL）数据包时延（当前时间与数据包到达时间之差）。如果HOL数据包时延超过了时延阈值，那么该包就被丢弃。下面详细介绍仿真中使用的系统参数和性能指标。

1）系统参数

这里使用的蜂窝小区带宽是5 MHz，25个RB，2 GHz载波频率。服务的eNodeB固定在小区的中心位置，并控制所有可用的RB。这些RB由小区内的所有用户共享。小区中有K（10和15）个视频流用户，它们均匀分布在相应的eNodeB周围。用户以3 km/h的速度以随机方向不断地移动。本文中3GPP LTE系统下行链路使用的参数如表1所示。

表1 3GPP LTE系统下行链路参数

由于时间限制以及为了降低系统仿真的复杂度，本文做了几个假设。假设每个用户在每个TTI都会向相应的eNodeB报告其在每个RB上的瞬时下行SNR值，并假设该报告是没有差错和延迟的。另外，也假设在每个RB上等量分配下行发射功率。

使用Lk，Sk，n，Tk和Mk，n（t）来确定信道增益［7］，从而确定在每个TTI，每个用户在每个RB上的瞬时下行SNR值。在第t个TTI，用户k在第j个RB上的信道增益为

式中:Lk和Sk，n分别是用户k在第t个TTI的路径损耗（以dB为单位）和阴影衰落（以dB为单位）;Tk是穿透损耗（以dB为单位）;Mk，n（t）是用户k在第t个TTI，在RB上的多径衰落（以dB为单位）。从计算出来的信道增益，可以使用文献［7］提出的方法计算第t个TTI，用户k在RBj的瞬时下行SNR值为

式中:Ptotal是eNodeB总的下行发射功率;N是可用RB数;N0是加性高斯白噪声;I是小区间的干扰。由于仿真中只有一个小区，因此假设小区间干扰是一个常数。

根据文献［7］，Lk采用如下模型

式中:d为UE与eNodeB之间的距离，单位是千米（km）。

此外，Tk设置为10 dB，Sk，n服从均值为0、标准差为8 dB的对数正态分布，Mk，n为瑞利衰落信道模型。

2）性能指标

基于丢包率PLR和峰值信噪比PSNR对DF－PFS算法进行性能评估。

PLR定义为丢弃的数据包的总大小与进入相应的eNodeB的缓冲区的所有数据包的总大小之比，即

式中:pdiscardk（t）与psizek（t）分别是在第t个TTI，用户k丢弃的数据包的大小和进入用户k的eNodeB缓冲区的所有数据包的总大小;K是总用户数;T是总仿真时间。

峰值信噪比（PSNR）是目前应用最普遍的一种用于评价视频质量的客观指标，其计算式为

式中:MSE为原始图像和目的图像之间的均方误差。

4 实验结果

本节介绍DF－PFS算法的仿真结果，并与M－LWDF算法进行了比较。由于M－LWDF算法是为单载波无线系统开发的，因此，需要做一些修改，这样它就可以支持下行3GPP LTE系统中的数据包调度。

本文中，在每个TTI，M－LWDF算法根据式（8）选择用户，并将所有可用的无线资源分配给选定的用户。

式中:Rk（t）和Wk（t）是用户k在时刻t的平均吞吐量和HOL数据包时延;rk（t－1）是用户k在时刻t－1传输的总比特量。SNRk，j（t）是用户k在时刻t，在RBj上的瞬时下行SNR值，N是可用的RB数量。由于所有的用户都有同样的应用即视频流，所以变量ak设置为1。

1）丢包率（PLR）

图3和图4比较了当用户数K分别为10和15时，在不同的时延阈值下，DF－PFS算法和M－LWDF算法的PLR变化。对比图3和图4可以发现，随着用户数的增加，由于有更多用户的数据包来不及调度，HOL数据包时延超过时延阈值而被丢弃，因此PLR会增大。从图中可以看出，随着时延阈值的增加，PLR降低，原因是有更多的数据包在HOL数据包时延达到时延阈值前被调度。由于在每个TTI，M－LWDF算法只调度一个用户，导致其他用户HOL数据包时延的增加超过时延阈值而被丢弃，因此与M－LWDF算法相比，DF－PFS算法具有更好的PLR性能。

2）峰值信噪比

图5和图6比较了当用户数K分别为10和15时，在不同的时延阈值下，DF－PFS算法和M－LWDF算法的PSNR变化。正如理论分析的那样，PSNR随着PLR的降低而增大。从两幅图可以明显地看出，DF－PFS算法要优于M－LWDF算法。

5 结论

本文提出了一种新的分组调度算法称为时延优先比例公平调度，该算法支持3GPP LTE系统的下行链路传输视频业务。DF－PFS算法通过利用每个用户的瞬时下行SNR值和数据包时延信息，旨在满足视频用户QoS要求下最大化系统吞吐量。同时，通过将已经选择完RB的用户从用户集合中删除，避免了接近eNodeB的用户一直占用无线资源，在一定程度上确保了资源分配的公平性。从实验仿真结果中可以看出，当与M－LWDF算法作比较时，DF－PFS算法通过降低PLR和提高接收端视频的PSNR值，大大提高了系统的性能。

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Research on Scheduling for Wireless Video Communication in 3GPP LTE Systems

WANG Ranran，SONG Jianxin

（Image Processing and Communication Lab，Nanjing University of Posts＆Telecommunications，Nanjing 210003，China）

A new packet scheduling algorithm for video traffic in downlink third generation partnership project long term evolution（3GPP LTE）system is proposed in this paper，namely Delay First－Proportional Fair Scheduling（DF－PFS）.The proposed algorithm utilizes each user’s packet delay information and its instantaneous downlink channel conditions when making scheduling decisions.After scheduling one user，it will be deleted from the uer set，which ensures fairness during resource allocation.Simulation results show that the proposed algorithm outperforms maximum－largest weighted delay first algorithm by satisfying the QoS requirements of the video traffic and ensuring fairness among users.

3GPP LTE;DF－PFS;packet scheduling;QoS;video traffic

TN919.85

A

王冉冉（1988— ），女，硕士生，主研图像处理与流媒体通信;

宋建新（1959— ），教授，硕士生导师，主要研究领域为流媒体理论技术与应用、多媒体无线通信等。

责任编辑:许 盈

2012－09－05