LTE系統(tǒng)ARQ重傳資源重分配

馬 康，金 杰，蘇寒松，李園園

MA Kang,JIN Jie,SU Hansong,LI Yuanyuan

天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072

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

1 引言

長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）項(xiàng)目作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，需要提供很高的業(yè)務(wù)速率和很大的業(yè)務(wù)容量，如何最大限度地靈活利用有限的資源來達(dá)到目標(biāo)需求至關(guān)重要。

LTE系統(tǒng)采用扁平的全I(xiàn)P分組交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層[1]配置三種實(shí)體：透明模式（Transparent Mode，TM）、非確認(rèn)模式（Unacknowledged Mode，UM）、確認(rèn)模式（Acknowledged Mode，AM）。其中AM實(shí)體會(huì)對(duì)傳輸失敗的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）進(jìn)行重傳，該模式主要應(yīng)用于錯(cuò)誤敏感、時(shí)延容忍的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)以及對(duì)時(shí)延要求不高的流媒體業(yè)務(wù)。RLC層采用自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）的重傳機(jī)制，傳輸失敗則重新發(fā)送相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)[2]。

媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層負(fù)責(zé)為各個(gè)業(yè)務(wù)分配傳輸資源，并將調(diào)度的數(shù)據(jù)包復(fù)用后傳至物理層[3]。上行邏輯信道復(fù)用采用單令牌桶算法[4]，即不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)將配置不同的優(yōu)先級(jí)比特率進(jìn)行復(fù)用[5]。而下行邏輯信道復(fù)用由基站調(diào)度器為不同用戶的不同業(yè)務(wù)分配指示不同大小的傳輸資源，經(jīng)典的調(diào)度算法包括輪詢算法（Round Robin，RR），最大載干比算法（Maximum Carrier to Interference，Max C/I），正比公平算法（Proportional Fair，PF）[6]以及修正最大加權(quán)時(shí)延優(yōu)先算法（Modified Largest Weighted Delay First，M-LWDF）[7-9]等。目前，現(xiàn)有的復(fù)用或調(diào)度算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)均未考慮RLC重傳時(shí)重傳PDU的長度，而3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定重傳PDU不可以級(jí)聯(lián)，即MAC層復(fù)用時(shí)對(duì)于指示值比重傳PDU大的情況只允許傳輸一個(gè)PDU，致使剩余的資源不發(fā)送任何信息，造成資源浪費(fèi)。

針對(duì)RLC重傳造成的資源浪費(fèi)，本文提出了一種新的方案，在復(fù)用時(shí)如果某業(yè)務(wù)指示值大于重傳PDU，則將該業(yè)務(wù)封裝一個(gè)重傳PDU后剩余資源分配給其他業(yè)務(wù)，達(dá)到資源利用的最大化。

2 RLC層重傳與MAC層復(fù)用

2.1 RLC層重傳

RLC層處于PDCP層和MAC層中間，RLC實(shí)體主要接收來自高層的SDU封裝成PDU通過下層發(fā)送給對(duì)等實(shí)體，或通過下層接收來自其對(duì)等實(shí)體的PDU并解包重組SDU按序遞交給高層。RLC層每次發(fā)送時(shí)主要根據(jù)MAC層邏輯信道復(fù)用指示該業(yè)務(wù)需要封裝的PDU的長度，如果一個(gè)SDU長度過大，不能完全封裝進(jìn)一個(gè)PDU，則進(jìn)行分段封裝，該SDU剩余分段等待下次傳輸；如果一個(gè)SDU長度較小，封裝一個(gè)SDU后還有剩余資源，則繼續(xù)在該P(yáng)DU中封裝下一個(gè)SDU，即與其他SDU進(jìn)行級(jí)聯(lián)，使得每次封裝的PDU將充分地利用指示的資源。接收端對(duì)接收的PDU進(jìn)行重排序并將解包重組的SDU按序遞交高層。

RLC實(shí)體中只有AM實(shí)體對(duì)接收結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)報(bào)告反饋，如果狀態(tài)報(bào)告表明接收失敗，發(fā)送端將根據(jù)新的指示值直接對(duì)該P(yáng)DU進(jìn)行重傳，不需要封裝SDU。如果該重傳PDU長度大于新的復(fù)用指示值，則需要重分段；但是如果該重傳PDU長度小于指示值，則3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不能進(jìn)行級(jí)聯(lián)，只發(fā)送該重傳PDU。

2.2 MAC層復(fù)用

邏輯信道復(fù)用主要是將邏輯信道映射到傳輸信道上，將MAC層SDU封裝成PDU。LTE系統(tǒng)中調(diào)度器位于基站側(cè)，上行發(fā)送時(shí)調(diào)度器根據(jù)信道質(zhì)量、用戶優(yōu)先級(jí)等因素為每個(gè)用戶分配傳輸資源，用戶側(cè)復(fù)用模塊根據(jù)基站調(diào)度指示傳輸塊大小對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行復(fù)用，復(fù)用過程采用單令牌桶算法，即為每個(gè)優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)配置一個(gè)優(yōu)先比特率（Prioritised Bit Rate，PBR），令牌數(shù)為 Bj，Bj初始值設(shè)為零，每次添加令牌數(shù)為PBR×TTI，TTI為發(fā)送時(shí)間間隔（Transmission Time Interval），大小為一個(gè)子幀（1 ms）。復(fù)用時(shí)按優(yōu)先級(jí)順序?qū)j＞0的業(yè)務(wù)進(jìn)行資源分配，Bj的值更新為原Bj減去已經(jīng)復(fù)用的SDU的長度。如果全部業(yè)務(wù)分配完后還有資源剩余，則不管Bj＞0是否成立，按優(yōu)先級(jí)順序繼續(xù)為業(yè)務(wù)分配資源，Bj的值不發(fā)生改變。

下行發(fā)送時(shí)調(diào)度器根據(jù)調(diào)度算法直接為每個(gè)用戶的每個(gè)業(yè)務(wù)分配資源[10]。調(diào)度主要考慮可用時(shí)頻資源、發(fā)送端傳輸隊(duì)列情況、接收端緩存狀態(tài)、信道質(zhì)量指示、資源分配歷史等。PF算法給小區(qū)中的每個(gè)待服務(wù)用戶配置一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)最大的用戶接受服務(wù)。已經(jīng)享受服務(wù)的用戶優(yōu)先級(jí)將降低，讓其他用戶獲得服務(wù)，該算法兼顧了公平性和系統(tǒng)吞吐量，適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，且算法復(fù)雜度較低[11]。M-LWDF算法是在PF算法的基礎(chǔ)上充分考慮業(yè)務(wù)時(shí)延和接收端緩存狀態(tài)，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)性能較佳，但不適合非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)[12]。

3 新的復(fù)用方案

基于以上上行發(fā)送復(fù)用方法或者下行發(fā)送調(diào)度方法指示各個(gè)業(yè)務(wù)復(fù)用大小均未考慮到該指示值大于RLC層重傳PDU長度的情況，即該業(yè)務(wù)本次傳輸最大可以傳輸大小，本文提出在復(fù)用過程中把某業(yè)務(wù)剩余資源分配給其他業(yè)務(wù)的方案。新的復(fù)用方案主要考慮哪些業(yè)務(wù)最需要這些剩余資源，需要多少，以此來決定重分配的順序以及大小。

上行發(fā)送時(shí)用戶首先獲得基站指示發(fā)送大小，依據(jù)令牌桶算法對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)進(jìn)行資源初分配，即給每個(gè)業(yè)務(wù)一個(gè)指示值指示該業(yè)務(wù)復(fù)用字節(jié)數(shù)。然后遍歷各個(gè)業(yè)務(wù)所在的信道，根據(jù)接收到的狀態(tài)報(bào)告判斷該業(yè)務(wù)是否需要重傳，對(duì)需要重傳的業(yè)務(wù)比較PDU長度與指示值。如果PDU長度比指示值小，則將指示值減去PDU長度剩余部分重分配給其他業(yè)務(wù)。由于每次傳輸均需添加RLC頭部，耗費(fèi)一定的資源，且為了減少下次傳輸機(jī)會(huì)到來時(shí)重傳PDU小于指示值的概率，需要盡量減少本次重傳PDU的重分段數(shù)，以使一個(gè)重傳PDU盡可能一次發(fā)送完成。所以對(duì)資源重分配時(shí)優(yōu)先為需要重傳但是重傳PDU長度大于指示值的業(yè)務(wù)分配，分配大小為重傳PDU長度減去原復(fù)用指示值。該業(yè)務(wù)由于指示值較小導(dǎo)致需要重分段才能發(fā)送，所以這樣分配使得重傳PDU的傳輸效率大大增加，下次傳輸需要發(fā)送重傳PDU或PDU分段的概率大大降低。

如果之前重分配完成后還有資源剩余，由于優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)時(shí)延敏感，需要盡快傳輸，所以根據(jù)優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)優(yōu)先得到服務(wù)的原則，將剩余資源分配給優(yōu)先級(jí)最高但是非重傳的業(yè)務(wù)。具體分配方法如圖1所示。

圖1 上行發(fā)送復(fù)用重分配流程圖

下行發(fā)送時(shí)首先根據(jù)調(diào)度算法對(duì)所有業(yè)務(wù)進(jìn)行資源分配，為每個(gè)業(yè)務(wù)配置復(fù)用指示值。遍歷非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)或時(shí)延不敏感的流媒體業(yè)務(wù)，即流經(jīng)AM實(shí)體的業(yè)務(wù)，同樣將重傳PDU長度小于指示值的剩余資源分配給重傳PDU大于指示值的業(yè)務(wù)。

下行調(diào)度過程相對(duì)復(fù)雜，基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的語音（Voice over Internet Protocol，VoIP）業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求最高，且每次發(fā)送包的字節(jié)數(shù)固定在一定范圍之內(nèi)，活動(dòng)期每個(gè)包發(fā)送35～49個(gè)字節(jié)[13-14]，靜默期每個(gè)包發(fā)送10～24個(gè)字節(jié)。所以如果還有資源剩余，判斷VoIP處于哪個(gè)時(shí)期，然后判斷剩余部分是否滿足該時(shí)期需要發(fā)送的包的大小，如果滿足該條件，則將相應(yīng)字節(jié)數(shù)分配給VoIP業(yè)務(wù)。重復(fù)給VoIP業(yè)務(wù)分配資源的過程，直到剩余部分不能滿足VoIP業(yè)務(wù)需要的字節(jié)數(shù)。將最后剩余資源分配給其他實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，具體重分配方案如圖2所示。

整個(gè)資源重分配方案針對(duì)上下行復(fù)用方法的不同，提出不同的復(fù)用重分配方案。以上所有重分配方法是在對(duì)RLC層SDU進(jìn)行封裝之前進(jìn)行的，為每個(gè)業(yè)務(wù)確定好復(fù)用大小之后才進(jìn)行封裝，這樣保證該過程只是對(duì)資源分配方案的改進(jìn)，不會(huì)造成數(shù)據(jù)封裝的困難。優(yōu)先為需要重傳但是最初資源分配不滿足重傳大小的業(yè)務(wù)服務(wù)，減少了重分段數(shù)，使下次重傳概率降低。根據(jù)優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性能要求高的特性，優(yōu)先為VoIP業(yè)務(wù)等優(yōu)先級(jí)最高的業(yè)務(wù)分配剩余資源。由于所有重分配的資源是RLC層重傳PDU不能級(jí)聯(lián)而初次分配過大造成浪費(fèi)的資源，所以本文提出的方案是對(duì)該資源的有效利用，不會(huì)對(duì)原有業(yè)務(wù)的傳輸性能造成任何影響。

圖2 下行發(fā)送復(fù)用重分配流程圖

4 仿真與結(jié)果分析

4.1 仿真

仿真基于上行發(fā)送令牌桶算法，下行發(fā)送聯(lián)合使用PF算法和M-LWDF算法進(jìn)行資源重分配。上行發(fā)送時(shí)配置一個(gè)用戶，5個(gè)優(yōu)先級(jí)的信道，傳輸不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，編號(hào)1～5，并設(shè)置每個(gè)信道RLC緩存均有足夠的業(yè)務(wù)進(jìn)行發(fā)送，用戶每次從基站獲得總傳輸大小，相關(guān)參數(shù)配置[15]如表1所示。

表1 上行仿真參數(shù)配置

考慮到不同業(yè)務(wù)的不同特性，下行發(fā)送復(fù)用對(duì)3類業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真，仿真基于開源的系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)LTE-sim，具體業(yè)務(wù)設(shè)置如表2所示，具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

上行復(fù)用對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)的資源利用率進(jìn)行了考察，資源利用率為每個(gè)業(yè)務(wù)復(fù)用的有效資源占該業(yè)務(wù)復(fù)用指示總值的比例，其計(jì)算公式為：

表2 下行仿真業(yè)務(wù)設(shè)置

表3 下行仿真參數(shù)配置

其中，PL表示PDU中有效載荷（SDU）所占字節(jié)數(shù)比例，Pre為RLC重傳概率，Ps為重傳PDU長度小于指示值的概率，I為復(fù)用指示值，Lpdu為重傳PDU長度。具體的資源利用率是由每個(gè)業(yè)務(wù)復(fù)用的有效載荷總字節(jié)數(shù)與每個(gè)業(yè)務(wù)最初分配總復(fù)用大小的比值來獲得的，其仿真結(jié)果如圖3所示。從圖可以看出傳統(tǒng)令牌桶算法業(yè)務(wù)1資源利用率為96%左右，而其他業(yè)務(wù)資源利用率相對(duì)較小。新方案對(duì)令牌桶算法進(jìn)行資源重分配后，業(yè)務(wù)1的資源利用率有明顯的提高，并且超過100%（注：這里的資源利用率指的是業(yè)務(wù)2～5大部分剩余資源分配給了優(yōu)先級(jí)最高的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)1，使業(yè)務(wù)1獲得了額外的傳輸資源，并不是指業(yè)務(wù)1本身的資源利用率超過了100%）。業(yè)務(wù)2～5的資源利用率有所提高但并不顯著，這是因?yàn)闃I(yè)務(wù)2～5在RLC層通過AM實(shí)體傳輸，但是多個(gè)業(yè)務(wù)同時(shí)需要發(fā)送重傳PDU的概率很小，這樣每個(gè)業(yè)務(wù)分配給其他業(yè)務(wù)的資源并不多。

圖3 上行復(fù)用資源利用率

下行復(fù)用充分考慮不同調(diào)度算法的特點(diǎn)，結(jié)合使用PF和M-LWDF算法。使用PF算法計(jì)算非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)BE的優(yōu)先級(jí)，使用M-LWDF算法計(jì)算實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)VoIP和Video的優(yōu)先級(jí)，然后根據(jù)計(jì)算出的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行資源調(diào)度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行資源重分配，將重分配結(jié)果與未進(jìn)行資源重分配的調(diào)度算法進(jìn)行吞吐量和丟包率兩個(gè)主要性能的比較。

圖4表示下行復(fù)用各個(gè)業(yè)務(wù)的吞吐量，可以看出圖4（a）所示的VoIP業(yè)務(wù)經(jīng)過資源重分配后的吞吐量較傳統(tǒng)調(diào)度算法有明顯的提高，而圖4（b）所示的Video業(yè)務(wù)和圖4（c）所示的BE業(yè)務(wù)經(jīng)過資源重分配后的吞吐量和傳統(tǒng)調(diào)度算法相比略有提高，或者基本持平。這與實(shí)際相符合：將重傳剩余資源優(yōu)先分配給需要重傳但是資源指示值小于重傳PDU長度的業(yè)務(wù)，這部分所占比例很少，但是提高了公式（1）中的PL，而系統(tǒng)總資源利用率將有大幅提升。此外主要的資源分配給了VoIP業(yè)務(wù)，VoIP業(yè)務(wù)的吞吐量有顯著增加，最后剩下極少的資源分配給Video業(yè)務(wù)，使得Video業(yè)務(wù)的吞吐量僅有較小的提高。

圖5展示了VoIP業(yè)務(wù)的丟包率，經(jīng)過資源重分配方案的VoIP業(yè)務(wù)丟包率明顯低于傳統(tǒng)調(diào)度算法。這是由于VoIP業(yè)務(wù)的吞吐量提高，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包增多，接收端等待時(shí)延降低，達(dá)到最大等待時(shí)延的數(shù)據(jù)包減少，需要丟棄的數(shù)據(jù)包隨之減少。

圖4 下行復(fù)用各業(yè)務(wù)吞吐量

圖5 下行復(fù)用VoIP業(yè)務(wù)丟包率

5 結(jié)束語

本文針對(duì)LTE系統(tǒng)MAC層進(jìn)行邏輯信道復(fù)用時(shí)的資源浪費(fèi)提出了一種新的資源重分配方案，該方案基于上行發(fā)送的令牌桶算法，下行發(fā)送的調(diào)度算法，并對(duì)上下行發(fā)送的復(fù)用過程進(jìn)行了仿真對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，提出的資源重分配方案較未進(jìn)行重分配的復(fù)用方案對(duì)優(yōu)先級(jí)最高的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在資源利用率、業(yè)務(wù)吞吐量和業(yè)務(wù)丟包率性能方面均有較大改善，且并不影響為其他業(yè)務(wù)分配資源的業(yè)務(wù)的吞吐量。此外，本文提出的方案與RLC層ARQ重傳的概率緊密相關(guān)，非常適合信道條件差的情況。因?yàn)殡S著信道質(zhì)量變差，重傳概率就會(huì)增加，可以重分配的資源增多，該方案的優(yōu)勢(shì)就會(huì)越明顯。

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