一种卫星移动通信语音业务半持续调度机制*

费长江，吴纯青，赵宝康，虞万荣，冯振乾

(国防科技大学 计算机学院， 湖南 长沙 410073)

一种卫星移动通信语音业务半持续调度机制*

费长江†，吴纯青，赵宝康，虞万荣，冯振乾

(国防科技大学 计算机学院， 湖南 长沙 410073)

基于LTE的卫星移动通信系统将3GPP LTE标准与卫星通信技术相结合，对实现移动通信的高速全球覆盖具有重要的意义.然而，卫星通信面临的高误码率、上下行带宽非对称等问题，对卫星移动通信的资源调度和服务质量保证提出了重要挑战.以LTE半持续调度机制为基础，针对卫星移动通信语音业务，提出了一种上行无线资源调度方案VoSPS. VoSPS中增加了基于上行信道质量的准入机制和截断机制，减少了上行资源的浪费；引入了一种基于语音服务满意度的语音编码速率调整算法，增加了系统的用户容量.仿真结果表明，VoSPS能有效提高系统的用户满意度和语音业务容量.

LTE；卫星移动通信；语音业务；半持续调度

基于LTE的卫星移动通信系统将长期演进LTE(Long Term Evolution)标准应用到卫星通信中，是陆地蜂窝移动通信系统的扩展和延伸，在解决偏远地区、受灾区及人口稀少地区的移动通信服务方面具有独特的优越性.

语音业务是卫星移动通信最重要最基础的业务之一.然而，与地面LTE网络不同，卫星移动通信中星地链路面临的高误码率、上下行带宽非对称[1]等严峻问题，对无线资源调度和业务的服务质量保证提出了极大的挑战.因此，如何充分有效地利用系统链路资源，尤其是上行资源，成为提高系统用户满意度和语音业务容量的关键.

本文在LTE半持续调度[2]机制基础上，提出了一种支持卫星移动通信语音业务的上行无线资源调度方案VoSPS(Voice service Semi-persistent Scheduling).针对星地链路高误码率的特点，VoSPS中加入了基于上行信道质量的准入机制和截断机制.用户信道质量恶化时，数据误码率增大，产生大量的重传数据，同时自适应调制编码AMC(Adaptive Modulation and Coding)技术[3]使得用户占用更多无线资源.准入机制和截断机制避免了信道质量严重恶化的用户对无线资源的浪费.

针对上下行带宽非对称的特点，为了充分利用系统的上行资源，增大用户容量，VoSPS中提出了一种基于语音服务满意度的语音编码速率调整SCRA(Speech Coding Rate Adjustment)算法.当系统没有足够的空闲资源响应用户的呼叫时，合理降低现有用户的语音编码速率，减少他们占用的资源，从而为新呼叫分配资源.

本文的组织结构如下.第一部分对LTE中的基本半持续调度机制进行介绍，第二部分引入准入机制和截断机制，第三部分提出SCRA算法，并对VoSPS进行总体介绍，第四部分进行仿真分析，最后得出结论.

1 LTE中的半持续调度机制

LTE中的半持续调度主要用于语音等实时业务.语音业务实时性要求较高，数据包尺寸小且发送频繁，因此要求相关的控制信令的开销也必须很小.由于VoIP(Voice over IP)业务按照固定的周期输出分组数据，所以数据的发送时间可以预先估计.所以在半持续调度中，UE只需在发起语音呼叫时，向演进型基站eNB(evolved Node B)申请无线资源，此后每隔固定的周期占用相同位置的时频资源块进行语音数据传输，直到语音激活期结束，如图1所示.而对于静默期和重传的数据则采用动态调度的方式.由于半持续调度针对VoIP的特点，一次授权，周期使用，能够极大地减少控制信令的开销，增大系统用户容量.

但在当前的半持续调度方案中，只要系统有足够的空闲资源，就接受用户的呼叫请求，为其分配资源.这种调度方式会导致信道质量较差的用户占用太多的无线资源，从而降低系统的用户满意度和用户容量.因此，如果在上行半持续调度中加入基于上行信道质量的准入机制和截断机制，应该可以提高系统的用户满意度和用户容量.

图1 半持续调度示意图

2 基于上行信道质量的准入机制和截断机制

2.1 半持续调度准入机制

为了避免系统为信道质量不能满足语音业务最低服务质量要求的用户分配资源，在半持续调度方案中加入准入机制.为此，需要确定用户的准入信道质量.

当用户处于某一信道质量条件下，用户的通话恰好能满足语音业务的最低服务质量要求，将该信道质量定义为语音业务临界信道质量，用H0表示.临界信道质量与系统的调制编码技术、语音编码算法以及系统对语音数据的调度机制等因素有关.

以语音业务临界信道质量为基础，系统的准入信道质量还需要考虑用户等级，通信的紧急程度等因素.用户k的准入信道质量Hak定义如下：

其中Ck为k用户的用户等级，Ck越小表示用户等级越高；Ek为业务紧急程度，Ek越大紧急程度越高，Ek≥1，表示该业务为普通通信；Ak为修正因子.

当用户等级和业务紧急程度越高时，准入信道质量越低.由于信道质量测量存在误差，为了降低信道质量测量误差带来的呼叫阻塞率，还需要增加一个修正因子.

2.2 半持续调度截断机制

由于用户的信道质量具有时变性，所以在通信过程中用户的信道质量也可能恶化.当用户的信道质量低于某一临界值时，应该中断用户的通信，回收无线资源供其他用户使用.为此，需要定义截断信道质量.与准入信道质量类似，截断信道质量Hbk定义如下：

其中Bk为截断信道质量的修正因子.与呼叫阻塞相比，呼叫中断给用户带来的不满意度更高，所以同一用户的截断信道质量应该比准入信道质量低，即：Bk

由于用户的信道质量可能只是短暂恶化，例如用户通过一个障碍物，在一段时间内可以恢复.当用户的信道质量低于截断信道质量就立即中断用户的通信，会增大系统的呼叫中断率，所以在中断用户通信之前应该设置一个缓冲时间Tb.

半持续调度的截断机制可以描述为：如果通信中的用户信道质量低于截断信道质量，并且在缓冲时间Tb内没有恢复，就中断该用户的通信，回收为其分配的资源.

3 基于语音服务满意度的语音编码速率调整算法

LTE语音编码采用变速率编码技术[5]，为了充分利用卫星移动通信系统的上行链路资源，当系统没有空闲的资源分配给新发起的呼叫时，可以通过适当降低现有用户的语音编码速率，以接纳更多的用户.但如果过多地接受新用户的呼叫，将使用户的通话质量得不到保证.为此，首先定义语音服务满意度的概念，确定系统语音业务的最大用户容量，在此基础上计算加入新用户后每个用户的语音编码速率.

3.1 语音服务满意度

定义1 语音服务满意度. 用户对语音通话的满意程度与用户的语音编码速率存在某种对应关系，将这种对应关系量化，定义为语音服务满意度Sk：

其中，vk为用户k的语音编码速率，vmin为所用编码技术的最低速率，vmax为最高速率，a>1为常数，Dk为修正因子.

因此，系统总体语音服务满意度Ssys为：

其中Pk为用户k语音服务满意度的权重，Pk与用户等级，通信的紧急程度有关.

3.2 语音业务最大用户容量

当系统没有足够的空闲资源响应新用户的呼叫时，为确定是否通过SCRA算法来为新用户分配资源，需要确定系统语音业务的最大用户容量.用户的信道质量与数据传输的误块率BLER(Block Error Ratio)具有一定的对应关系.设当用户信道质量为Hk时，BLER为ek(0≤ek≤1)，则当用户语音编码速率为vk时，在一个半持续调度周期内平均需要的物理资源块PRB(Physical Resource Block)可用下式计算：

其中Fk为修正因子.可见，用户信道质量越好，语音编码速率越低，占用的PRB越少.

其中PRBsys为系统在一个半持续调度周期内的PRB.通常，系统的最大用户容量是基本恒定的.

3.3 语音编码速率调整SCRA算法

设系统中原有n(n

同时需要满足

vmin≤vk≤vmax．

上述问题可以通过约束优化计算[6]求解.记f(vk)=-Ssys，由于约束条件为线性约束且只含不等式约束，即：

minf(vk)

-vk+vmin≤0；

vk-vmax≤0．

图2 SCRA算法流程图

通常情况下SCRA算法每个调度周期执行一次，当呼叫等待的用户较少时，SCRA算法可以在用户等待超时范围内在用户累积到一定数量时才执行.由于n+m较小时，Rosen投影梯度法的求解复杂度较低，在执行SCRA算法时，可以将用户进行分组(每组包含n个用户)，在组内进行速率调整，使得算法带来的计算开销较小.

在计算出各个用户的语音编码速率之后，eNB通过控制信令将调整后的语音编码速率通知UE.显然，使用SCRA算法，理论上可以使系统的用户容量达到最大值.

3.4 VoSPS调度方案

加入准入机制、截断机制和SCRA算法之后，VoSPS调度模型如图3所示.该模型的工作机制如下：

1)UE发起语音业务呼叫请求，其中包含有用户的用户等级，业务的紧急程度等信息.

2)上行信道质量测量模块对UE的上行信道质量进行实时测量，并将测量结果送给准入机制模块、语音编码速率调整器和截断机制模块.

3)准入机制模块使用用户的用户等级和业务的紧急程度计算用户的准入信道质量，并根据上行信道质量测量的结果确定是否准入用户.

4)用户获得准入后，语音编码速率调整器根据上行信道质量测量结果确定用户的语音编码速率，进而确定用户需要的PRB数.如果系统中有足够的空闲资源，则为用户分配所需的PRB.如果没有足够的空闲资源，但系统用户容量未达到最大值，则采用SCRA算法为用户分配资源，并将调整后的语音编码速率发送给各个用户.

5)截断机制模块计算用户的截断信道质量，在用户通话过程中，实时监测用户的信道质量，若用户的信道质量在缓冲时间内持续低于截断信道质量，则中断用户的通信.

准入机制会阻塞信道质量低于准入信道质量用户的呼叫，截断机制会中断在通信过程中，信道质量恶化，低于截断信道质量用户的通话.未准入和被截断的用户由于其信道质量严重恶化，很可能成为不满意用户，所以加入准入机制和截断机制后会提高系统的用户满意度.同时，由于信道质量较差的用户占用的资源较多且产生大量重传数据，所以加入准入机制和截断机制后，系统的用户容量也会有一定程度的提高.

图3 VoSPS调度模型

VoSPS调度流程如图4所示.

图4 VoSPS调度流程图

当采用SCRA算法为新呼叫分配资源时，会减小系统中现有用户的语音编码速率，从而减少他们占用的PRB数.当系统中每个用户均采用最低速率编码时，系统用户容量最大.因此，SCRA算法能大大提高系统的用户容量.

4 仿真分析

4.1 仿真场景和参数设置

为了分析准入机制、截断机制和SCRA算法对语音业务半持续调度性能的影响，对LTE的半持续调度过程进行了仿真实现.如图5所示，仿真场景是由一颗GEO卫星(eNB)和若干个均匀分布于卫星覆盖区域的用户(UE)组成.

图5 仿真场景示意图

系统采用FDD模式，只考虑语音业务.上行采用同步自适应混合自动重传请求HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)[4]，最大重传次数为3次，若第3次重传仍未成功，则视为丢包.为了简化，不考虑控制信令的开销和发射分集的影响，每隔固定的时间发起一次呼叫.仿真参数设置如表1所示.

表1 仿真参数设置

4.2 仿真结果和分析

实验一 准入机制实验

在基本的半持续调度(SPS)方案中加入准入机制，得到SPS-A方案.准入机制主要会影响系统的呼叫阻塞率和用户满意度.

1)呼叫阻塞率对比

SPS和SPS-A的呼叫阻塞率对比如图6(a)所示.当呼叫间隔时间较小(小于1.9s)，即呼叫频率较高时，两种方案的呼叫阻塞率基本一致.这是因为呼叫频率较高时，SPS和SPS-A中的空闲资源均比较少，而信道质量低于准入信道质量的用户需要占用较多PRB，因此被阻塞.呼叫频率降低时，由于系统中的用户减少，空闲资源增多，SPS中的呼叫阻塞率逐渐降低.而在SPS-A中，由于准入机制阻塞了信道质量低于准入信道质量的用户，所以呼叫阻塞率稳定在2%左右.

(a)

(b)

分别分析SPS和SPS-A中以下两类用户的呼叫阻塞率：a)信道质量低于准入信道质量的用户；b)信道质量不低于准入信道质量的用户.如图6(b)所示，SPS-A中加入准入机制，通过阻塞a类用户，降低了b类用户即信道质量较好的用户的呼叫阻塞.

2)用户满意度对比

满意用户指调度失败的数据包个数占此用户发送数据包的比例小于2%的用户[7].从图7中可以看出，SPS-A对SPS的用户满意度有较大的改善.例如在呼叫间隔时间为2.3 s时，SPS和SPS-A的满意用户百分比分别为93.32 %和96.72 %，提高了3.40 %.对照呼叫阻塞率，这时SPS和SPS-A中b类用户均未被阻塞，而a类用户的呼叫阻塞率分别为0.37 %和2.10 %，可以看出SPS-A中由于多阻塞了1.73 %的a类用户而使满意用户百分比提高了3.40 %.而SPS中准入的1.73 %的a类用户中仅有0.11 %是满意的，其余1.62 %是不满意的，并且还使1.78 %的b类用户成为不满意用户.

图7 SPS和SPS-A用户满意度对比

实验二 截断机制实验

1)呼叫中断率对比

在SPS-A的基础上再加入截断机制，得到SPS-A-B方案.由于信道质量恶化的用户需要占用更多的资源，当用户信道质量恶化时，系统需要为其重新分配资源，如果在一段时间内重新分配资源失败，则发生呼叫中断.如图8所示，SPS的呼叫阻塞率随着呼叫频率降低，系统中空闲资源的增多而逐渐趋于0.而在SPS-A-B中，由于加入了中断机制，呼叫中断率一直稳定在2%左右.

2)用户满意度对比

如图9所示，SPS-A-B中加入截断机制，进一步提高了系统的用户满意度.例如，当呼叫间隔时间为2.3 s时，SPS-A-B的满意用户百分比为98.19 %，比SPS提高了4.87 %，比SPS-A提高了1.47 %.单独统计信道质量恶化，低于截断信道质量的用户(c类用户).对照呼叫中断率，SPS中1.96 %的c类用户有0.22 %的用户中断，1.74 %的用户留在系统中，但其中仅有0.30 %是满意的，其余1.44 %的用户不满意，并且使得少量(0.03 %)信道质量未恶化的用户成为不满意用户.

图8 SPS和SPS-A-B呼叫中断率对比

图9 SPS、SPS-A、SPS-A-B满意用户度对比

实验三 SCRA算法实验

用户容量定义为一个小区内满意用户百分比为95%时的用户总量[7].SPS,SPS-A和SPS-A-B的用户容量分别为124,135,143.可见准入机制和截断机制对系统的用户容量有一定的提高.为了进一步提高系统的用户容量，再加入SCRA算法，即VoSPS方案.如图10所示，VoSPS的用户容量为308，相比SPS提高了148 %.可见SCRA算法极大地增大了系统的用户容量.这是由于AMR-WB的语音编码速率范围为6.6～23.85 kbit/s，用户语音编码速率调整的范围较大，对于信道质量较好的用户，由较高的编码速率降到最低编码速率，能够大大减少所占的PRB数，从而为更多的用户分配资源.

实验方案

5 结束语

针对卫星移动通信系统中高误码率、上下行带宽非对称的特点，从有效利用系统上行链路资源，提高系统用户容量的角度，提出了一种卫星移动通信语音业务的上行半持续调度方案VoSPS.首先，为了避免信道质量严重恶化的用户对无线资源的浪费，在VoSPS中增加了基于上行信道质量的准入机制和截断机制.在此基础上，为了进一步提高系统的用户容量，在呼叫高峰时段，系统没有足够的空闲资源响应新的呼叫请求时，通过SCRA算法合理减低系统中现有用户的语音编码速率，从而为更多的用户分配资源.

最后，对LTE的半持续调度过程进行了仿真实现，并在其中加入各个机制．结果表明，VoSPS调度方案能够降低信道质量较好的用户的呼叫阻塞率，提高系统的用户满意度，在系统高峰时段，在保证每个用户的语音质量的前提下，能够极大地提升系统的用户容量.

[1] ALLMAN M, GLOVER D, SANCHEZ L. RFC2488: Enhancing TCP over satellite channels using standard mechanisms[EB/OL]. http://tools.ietf.org/html/rfc2488, 2013-03-02/2014-06-25.

[2] 3GPP. TS 36.321, Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); medium access control (MAC) protocol specification[S]. Sophia Antipolis: ETSI, 2014.

[3] 3GPP. TS 36.300, Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA) and evolved universal terrestrial radio access network (E-UTRAN) [S]. Sophia Antipolis: ETSI, 2014.

[4] 3GPP. TS 36.213, Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical layer procedures[S]. Sophia Antipolis: ETSI, 2014.

[5] 王炳锡, 王洪. 变速率语音编码 [M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2005.

WANG Bing-xi, WANG Hong.Variable rate speech coding [M]. Xi'an: Xidian University Press, 2005.(In Chinese)

[6] 粟塔山, 彭维杰, 周作益,等. 最优化计算原理与算法程序设计[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2000.

SU Ta-shan, PENG Wei-jie, ZHOU Zuo-yi,etal. Optimization calculation principle and algorithm programming[M]. Changsha: National University of Defense Technology Press, 2000.(In Chinese)

[7] 3GPP. R1-070674, LTE physical layer frame work for performance verification [S]. Sophia Antipolis: ETSI, 2007.

[8] 3GPP. TS 26.171, Speech codec speech processing functions; adaptive multi-rate-wideband (AMR-WB) speech codec; General description [S]. Sophia Antipolis: ETSI, 2012.

A Semi-persistent Scheduling Mechanism for Voice Service in Satellite Mobile Communication

FEI Chang-jiang†, WU Chun-qing, ZHAO Bao-kang, YU Wan-rong, FENG Zhen-qian

(School of Computer, National Univ of Defense Technology, Changsha,Hunan 410073, China)

LTE-based (Long Term Evolution) satellite mobile communication system combines 3GPP LTE standards and satellite communication technology and has important significance for the global coverage of mobile communication at a high speed. However, the problem of high bit error rate and bandwidth asymmetry in satellite communication constitutes a great challenge for the wireless resource scheduling and QoS (Quality of Service) guarantee in satellite mobile communication. Based on the semi-persistent scheduling mechanism in LTE, we proposed an uplink wireless resource scheduling scheme named VoSPS (Voice service Semi-persistent Scheduling). We added an access permission mechanism and a truncation mechanism based on uplink channel quality to VoSPS, reducing the waste of uplink resources. We also introduced a speech coding rate adjustment algorithm based on voice service satisfaction, which increased the user capacity of the system. The results of the simulation show that VoSPS can increase user satisfaction and the voice service capacity of the system effectively.

LTE; satellite mobile communication; voice service; semi-persistent scheduling

1674-2974(2015)08-0108-08

2014-09-18

国家863计划资助项目(2012AA01A50606)；国家自然科学基金资助项目(61379147，61103182)，National Natural Science Foundation of China(61379147，61103182) ；教育部博士点基金资助项目(20124307120032)

费长江(1990-)，男，四川省广安市人，国防科技大学硕士生

†通讯联系人，E-mail:feichangjiang.hi@163.com

TN929.5

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