LTE系统ARQ重传资源重分配

马 康，金 杰，苏寒松，李园园

MA Kang,JIN Jie,SU Hansong,LI Yuanyuan

天津大学 电子信息工程学院，天津 300072

School of Electronic Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China

1 引言

长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目作为新一代移动通信技术，需要提供很高的业务速率和很大的业务容量，如何最大限度地灵活利用有限的资源来达到目标需求至关重要。

LTE系统采用扁平的全IP分组交换网络架构，无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层[1]配置三种实体：透明模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）、确认模式（Acknowledged Mode，AM）。其中AM实体会对传输失败的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）进行重传，该模式主要应用于错误敏感、时延容忍的非实时业务以及对时延要求不高的流媒体业务。RLC层采用自动重传请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）的重传机制，传输失败则重新发送相同的数据进行纠错[2]。

媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层负责为各个业务分配传输资源，并将调度的数据包复用后传至物理层[3]。上行逻辑信道复用采用单令牌桶算法[4]，即不同优先级的业务将配置不同的优先级比特率进行复用[5]。而下行逻辑信道复用由基站调度器为不同用户的不同业务分配指示不同大小的传输资源，经典的调度算法包括轮询算法（Round Robin，RR），最大载干比算法（Maximum Carrier to Interference，Max C/I），正比公平算法（Proportional Fair，PF）[6]以及修正最大加权时延优先算法（Modified Largest Weighted Delay First，M-LWDF）[7-9]等。目前，现有的复用或调度算法在实现时均未考虑RLC重传时重传PDU的长度，而3GPP标准规定重传PDU不可以级联，即MAC层复用时对于指示值比重传PDU大的情况只允许传输一个PDU，致使剩余的资源不发送任何信息，造成资源浪费。

针对RLC重传造成的资源浪费，本文提出了一种新的方案，在复用时如果某业务指示值大于重传PDU，则将该业务封装一个重传PDU后剩余资源分配给其他业务，达到资源利用的最大化。

2 RLC层重传与MAC层复用

2.1 RLC层重传

RLC层处于PDCP层和MAC层中间，RLC实体主要接收来自高层的SDU封装成PDU通过下层发送给对等实体，或通过下层接收来自其对等实体的PDU并解包重组SDU按序递交给高层。RLC层每次发送时主要根据MAC层逻辑信道复用指示该业务需要封装的PDU的长度，如果一个SDU长度过大，不能完全封装进一个PDU，则进行分段封装，该SDU剩余分段等待下次传输；如果一个SDU长度较小，封装一个SDU后还有剩余资源，则继续在该PDU中封装下一个SDU，即与其他SDU进行级联，使得每次封装的PDU将充分地利用指示的资源。接收端对接收的PDU进行重排序并将解包重组的SDU按序递交高层。

RLC实体中只有AM实体对接收结果进行状态报告反馈，如果状态报告表明接收失败，发送端将根据新的指示值直接对该PDU进行重传，不需要封装SDU。如果该重传PDU长度大于新的复用指示值，则需要重分段；但是如果该重传PDU长度小于指示值，则3GPP标准规定不能进行级联，只发送该重传PDU。

2.2 MAC层复用

逻辑信道复用主要是将逻辑信道映射到传输信道上，将MAC层SDU封装成PDU。LTE系统中调度器位于基站侧，上行发送时调度器根据信道质量、用户优先级等因素为每个用户分配传输资源，用户侧复用模块根据基站调度指示传输块大小对不同业务进行复用，复用过程采用单令牌桶算法，即为每个优先级的业务配置一个优先比特率（Prioritised Bit Rate，PBR），令牌数为 Bj，Bj初始值设为零，每次添加令牌数为PBR×TTI，TTI为发送时间间隔（Transmission Time Interval），大小为一个子帧（1 ms）。复用时按优先级顺序对Bj＞0的业务进行资源分配，Bj的值更新为原Bj减去已经复用的SDU的长度。如果全部业务分配完后还有资源剩余，则不管Bj＞0是否成立，按优先级顺序继续为业务分配资源，Bj的值不发生改变。

下行发送时调度器根据调度算法直接为每个用户的每个业务分配资源[10]。调度主要考虑可用时频资源、发送端传输队列情况、接收端缓存状态、信道质量指示、资源分配历史等。PF算法给小区中的每个待服务用户配置一个优先级，优先级最大的用户接受服务。已经享受服务的用户优先级将降低，让其他用户获得服务，该算法兼顾了公平性和系统吞吐量，适用于非实时业务，且算法复杂度较低[11]。M-LWDF算法是在PF算法的基础上充分考虑业务时延和接收端缓存状态，对于实时业务性能较佳，但不适合非实时业务[12]。

3 新的复用方案

基于以上上行发送复用方法或者下行发送调度方法指示各个业务复用大小均未考虑到该指示值大于RLC层重传PDU长度的情况，即该业务本次传输最大可以传输大小，本文提出在复用过程中把某业务剩余资源分配给其他业务的方案。新的复用方案主要考虑哪些业务最需要这些剩余资源，需要多少，以此来决定重分配的顺序以及大小。

上行发送时用户首先获得基站指示发送大小，依据令牌桶算法对不同优先级的业务进行资源初分配，即给每个业务一个指示值指示该业务复用字节数。然后遍历各个业务所在的信道，根据接收到的状态报告判断该业务是否需要重传，对需要重传的业务比较PDU长度与指示值。如果PDU长度比指示值小，则将指示值减去PDU长度剩余部分重分配给其他业务。由于每次传输均需添加RLC头部，耗费一定的资源，且为了减少下次传输机会到来时重传PDU小于指示值的概率，需要尽量减少本次重传PDU的重分段数，以使一个重传PDU尽可能一次发送完成。所以对资源重分配时优先为需要重传但是重传PDU长度大于指示值的业务分配，分配大小为重传PDU长度减去原复用指示值。该业务由于指示值较小导致需要重分段才能发送，所以这样分配使得重传PDU的传输效率大大增加，下次传输需要发送重传PDU或PDU分段的概率大大降低。

如果之前重分配完成后还有资源剩余，由于优先级高的业务时延敏感，需要尽快传输，所以根据优先级高的业务优先得到服务的原则，将剩余资源分配给优先级最高但是非重传的业务。具体分配方法如图1所示。

图1 上行发送复用重分配流程图

下行发送时首先根据调度算法对所有业务进行资源分配，为每个业务配置复用指示值。遍历非实时业务或时延不敏感的流媒体业务，即流经AM实体的业务，同样将重传PDU长度小于指示值的剩余资源分配给重传PDU大于指示值的业务。

下行调度过程相对复杂，基于互联网协议的语音（Voice over Internet Protocol，VoIP）业务对实时性要求最高，且每次发送包的字节数固定在一定范围之内，活动期每个包发送35～49个字节[13-14]，静默期每个包发送10～24个字节。所以如果还有资源剩余，判断VoIP处于哪个时期，然后判断剩余部分是否满足该时期需要发送的包的大小，如果满足该条件，则将相应字节数分配给VoIP业务。重复给VoIP业务分配资源的过程，直到剩余部分不能满足VoIP业务需要的字节数。将最后剩余资源分配给其他实时业务，具体重分配方案如图2所示。

整个资源重分配方案针对上下行复用方法的不同，提出不同的复用重分配方案。以上所有重分配方法是在对RLC层SDU进行封装之前进行的，为每个业务确定好复用大小之后才进行封装，这样保证该过程只是对资源分配方案的改进，不会造成数据封装的困难。优先为需要重传但是最初资源分配不满足重传大小的业务服务，减少了重分段数，使下次重传概率降低。根据优先级高的业务实时性能要求高的特性，优先为VoIP业务等优先级最高的业务分配剩余资源。由于所有重分配的资源是RLC层重传PDU不能级联而初次分配过大造成浪费的资源，所以本文提出的方案是对该资源的有效利用，不会对原有业务的传输性能造成任何影响。

图2 下行发送复用重分配流程图

4 仿真与结果分析

4.1 仿真

仿真基于上行发送令牌桶算法，下行发送联合使用PF算法和M-LWDF算法进行资源重分配。上行发送时配置一个用户，5个优先级的信道，传输不同优先级的业务，编号1～5，并设置每个信道RLC缓存均有足够的业务进行发送，用户每次从基站获得总传输大小，相关参数配置[15]如表1所示。

表1 上行仿真参数配置

考虑到不同业务的不同特性，下行发送复用对3类业务进行仿真，仿真基于开源的系统级仿真平台LTE-sim，具体业务设置如表2所示，具体参数设置如表3所示。

4.2 仿真结果分析

上行复用对每个业务的资源利用率进行了考察，资源利用率为每个业务复用的有效资源占该业务复用指示总值的比例，其计算公式为：

表2 下行仿真业务设置

表3 下行仿真参数配置

其中，PL表示PDU中有效载荷（SDU）所占字节数比例，Pre为RLC重传概率，Ps为重传PDU长度小于指示值的概率，I为复用指示值，Lpdu为重传PDU长度。具体的资源利用率是由每个业务复用的有效载荷总字节数与每个业务最初分配总复用大小的比值来获得的，其仿真结果如图3所示。从图可以看出传统令牌桶算法业务1资源利用率为96%左右，而其他业务资源利用率相对较小。新方案对令牌桶算法进行资源重分配后，业务1的资源利用率有明显的提高，并且超过100%（注：这里的资源利用率指的是业务2～5大部分剩余资源分配给了优先级最高的实时业务1，使业务1获得了额外的传输资源，并不是指业务1本身的资源利用率超过了100%）。业务2～5的资源利用率有所提高但并不显著，这是因为业务2～5在RLC层通过AM实体传输，但是多个业务同时需要发送重传PDU的概率很小，这样每个业务分配给其他业务的资源并不多。

图3 上行复用资源利用率

下行复用充分考虑不同调度算法的特点，结合使用PF和M-LWDF算法。使用PF算法计算非实时业务BE的优先级，使用M-LWDF算法计算实时业务VoIP和Video的优先级，然后根据计算出的优先级进行资源调度。在此基础上进行资源重分配，将重分配结果与未进行资源重分配的调度算法进行吞吐量和丢包率两个主要性能的比较。

图4表示下行复用各个业务的吞吐量，可以看出图4（a）所示的VoIP业务经过资源重分配后的吞吐量较传统调度算法有明显的提高，而图4（b）所示的Video业务和图4（c）所示的BE业务经过资源重分配后的吞吐量和传统调度算法相比略有提高，或者基本持平。这与实际相符合：将重传剩余资源优先分配给需要重传但是资源指示值小于重传PDU长度的业务，这部分所占比例很少，但是提高了公式（1）中的PL，而系统总资源利用率将有大幅提升。此外主要的资源分配给了VoIP业务，VoIP业务的吞吐量有显著增加，最后剩下极少的资源分配给Video业务，使得Video业务的吞吐量仅有较小的提高。

图5展示了VoIP业务的丢包率，经过资源重分配方案的VoIP业务丢包率明显低于传统调度算法。这是由于VoIP业务的吞吐量提高，每次发送的数据包增多，接收端等待时延降低，达到最大等待时延的数据包减少，需要丢弃的数据包随之减少。

图4 下行复用各业务吞吐量

图5 下行复用VoIP业务丢包率

5 结束语

本文针对LTE系统MAC层进行逻辑信道复用时的资源浪费提出了一种新的资源重分配方案，该方案基于上行发送的令牌桶算法，下行发送的调度算法，并对上下行发送的复用过程进行了仿真对比。对比结果表明，提出的资源重分配方案较未进行重分配的复用方案对优先级最高的实时业务在资源利用率、业务吞吐量和业务丢包率性能方面均有较大改善，且并不影响为其他业务分配资源的业务的吞吐量。此外，本文提出的方案与RLC层ARQ重传的概率紧密相关，非常适合信道条件差的情况。因为随着信道质量变差，重传概率就会增加，可以重分配的资源增多，该方案的优势就会越明显。

[1]3GPP.TS 36.322 V11.0.0 Radio Link Control（RLC）protocol specification（release 11）[S].2012.

[2]Jiang Junfeng，Guo Zihua，Yao Richard，et al.Dynamic radio link control protocol for UMTS/WCDMA[C]//IEEE ICC 2006 Proceedings，Istanbul，2006：5617-5621.

[3]3GPP.TS 36.201 V11.1.0 LTE physical layer；general description（release 11）[S].2012.

[4]3GPP.TS 36.321 V11.3.0 Medium Access Control（MAC）protocol specification（release 11）[S].2013.

[5]冯川，李小文.LTE系统MAC复用实体研究与设计[J].电讯技术，2010，50（10）：98-102.

[6]张新程，田韬，周晓津，等.LTE空中接口技术与性能[M].北京：人民邮电出版社，2009：238-240.

[7]Capozzi F，Piro G，Grieco L A，et al.Downlink packet scheduling in LTE cellular networks：key design issues and a survey[J].Communications Surveys& Tutorials，2013，15（2）.

[8]Piro G，Grieco L，Boggia G，et al.Two-level downlink scheduling for real-time multimedia services in LTE networks[J].IEEE Transactions on Multimedia，2011，13（5）：1052-1065.

[9]Liu Bin，Tian Hui，Xu Lingling.An efficient downlink packet scheduling algorithm for real time traffics in LTE systems[C]//The 10th Annual IEEE CCNC-Wireless Communications Track，2013：364-369.

[10]崔亚南，苏寒松，刘高华.LTE MAC低计算量的下行调度及资源分配[J].计算机应用，2013，33（6）：1523-1526.

[11]陈磊，卢军，印翀.LTE基于QoS业务的比例公平调度算法研究[J].光通信研究，2012（5）：64-67.

[12]Xian Yongju，Tian Fengchun，Xu Changbiao，et al.Analysis of M-LWDF fairness and an enhanced M-LWDF packet scheduling mechanism[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2011，18（4）：82-88.

[13]3GPP R2-070006 Scheduling of LTE DL VoIP[S].Nokia，RAN2#56bis，Sorrento，Italy，2007.

[14]3GPP R2-062218 VoIP support in LTE[S].Sumsung，RAN2#54，Tallinn，Estonia，2006.

[15]3GPP.TS 36.331 V11.5.0 Radio Resource Control（RRC）protocol specification（release 11）[S].2013.