基于MRR調(diào)度的認(rèn)知LTE-R基站和服務(wù)類型值優(yōu)先隊(duì)列管理

鄧宏宇，汪一鳴，吳澄

?

基于MRR調(diào)度的認(rèn)知LTE-R基站和服務(wù)類型值優(yōu)先隊(duì)列管理

鄧宏宇，汪一鳴，吳澄

（蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

利用認(rèn)知無線電技術(shù)在長期演進(jìn)鐵路（LTE-R）通信系統(tǒng)中構(gòu)建認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，提出認(rèn)知LTE-R基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和MRR調(diào)度算法，用以提高鐵路專網(wǎng)頻譜利用率。特別針對單一車載網(wǎng)關(guān)中認(rèn)知LTE-R基站的先入先出隊(duì)列策略造成次用戶的實(shí)時業(yè)務(wù)的時延過大問題，提出基于服務(wù)類型值優(yōu)先的認(rèn)知LTE-R基站隊(duì)列管理策略。該策略優(yōu)先將服務(wù)類型值大的分組送出隊(duì)列，從而達(dá)到優(yōu)先服務(wù)實(shí)時業(yè)務(wù)的目的。仿真結(jié)果表明，在保障車地正常通信的前提下，構(gòu)建的認(rèn)知LTE-R基站能為旅客提供額外互聯(lián)網(wǎng)接入鏈路，提高了長期演進(jìn)鐵路通信系統(tǒng)頻譜的利用率。此外，基于服務(wù)類型值優(yōu)先的隊(duì)列管理策略可以有效地減少旅客實(shí)時業(yè)務(wù)的時延。

長期演進(jìn)鐵路通信系統(tǒng)；認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)；認(rèn)知LTE-R基站；車載網(wǎng)關(guān)；服務(wù)類型

1 引言

近年來，高鐵、地鐵和有軌電車等軌道交通得到了快速的發(fā)展。研究表明，美國已經(jīng)提出建設(shè)高鐵的計(jì)劃，而我國高鐵總里程到2020年將突破18 000 km[1]。目前，鐵路通信系統(tǒng)大多使用基于GSM通信的ETCS（European train control system，歐洲列車控制系統(tǒng)）技術(shù)，也就是GSM-R（GSM-railway，鐵路數(shù)字移動）通信系統(tǒng)。但GSM-R數(shù)據(jù)承載能力弱，不能滿足日益蓬勃的鐵路業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，且不能給旅客提供便捷的寬帶無線接入服務(wù)等[2-3]。

作為當(dāng)前主流的寬帶無線通信技術(shù)，LTE具有較高的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。全I(xiàn)P的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使其網(wǎng)絡(luò)時延大大減少，1 ms的TTI（time transmission interval，傳輸時間間隔）使其能處理更多的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)[4]，采用MIMO（multiple input multiple output，多輸入多輸出）技術(shù)后能夠獲得更快的速率。因此，在鐵路通信的演進(jìn)過程中，LTE-R（LTE-railway，長期演進(jìn)鐵路）通信系統(tǒng)很有可能成為下一代鐵路無線通信系統(tǒng)，并在2020年前后開始部署逐步替代現(xiàn)有的GSM-R。中國將在2020年建成首個LTE-R網(wǎng)絡(luò)[3]。LTE-R帶寬可能達(dá)到20 MHz，以滿足更多的鐵路通信業(yè)務(wù)需求。此外，LTE-R還被寄希望于為列車上的旅客提供Internet接入服務(wù)[5]。

參考文獻(xiàn)[6]在LTE技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)ATO（automatic train operation，自動列車控制）系統(tǒng)的相關(guān)通信應(yīng)用，并對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行外場測試。測試結(jié)果表明，在LTE上實(shí)現(xiàn)基于通信的列車控制是可行的，LTE能夠滿足列車控制應(yīng)用業(yè)務(wù)的QoS要求。此外，筆者還說明列車控制業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量小，但對時延、抖動敏感。參考文獻(xiàn)[3,5,7]討論了現(xiàn)有的高鐵通信技術(shù)和被廣泛研究的高鐵通信方案，通過分析和比較可以發(fā)現(xiàn)LTE技術(shù)最能滿足鐵路通信的需求。參考文獻(xiàn)[8]研究了高速列車在經(jīng)過不同LTE基站時的接入和切換問題，仿真結(jié)果表明，該文提出的方法能夠滿足高速列車在LTE系統(tǒng)中的接入和切換的QoS需求，保證列車通信的可靠性和安全性。參考文獻(xiàn)[9]則討論了公共安全和鐵路專網(wǎng)使用相同頻段通信時存在的多種共存場景，并針對共存場景提出了基于優(yōu)先的資源分配方案，優(yōu)先給鐵路通信分配資源，確保列車的運(yùn)行安全。

鐵路通信是一個復(fù)雜的專用通信系統(tǒng)，受到很多現(xiàn)實(shí)條件的影響。如高速運(yùn)動的列車受到多普勒頻移的影響；鐵路道路路況復(fù)雜，有高架、封閉隧道等。因此，保障鐵路通信系統(tǒng)的可靠性和低時延是關(guān)鍵。鐵路通信作為專用的通信系統(tǒng)，享有專用的通信頻段，但其下行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量小、頻譜空閑時間多，存在明顯的頻譜浪費(fèi)[10-11]。FCC（Federal Communications Commission，美國聯(lián)邦通信委員會）提供的研究也表明現(xiàn)已分配的大部分授權(quán)頻譜存在時域、頻域和空間上的利用不充分。特別是一些授權(quán)頻譜，大部分時間里沒有用戶使用，造成了嚴(yán)重的頻譜浪費(fèi)[12]。

為了提高LTE-R系統(tǒng)的下行頻譜利用率，改善旅客在列車上的通信質(zhì)量和乘車體驗(yàn)。本文利用CR（cognitive radio，認(rèn)知無線電）技術(shù)[13]，將LTE-R系統(tǒng)中的軌旁eNode B升級成C-eNode B（cognitive eNode B，認(rèn)知LTE-R基站），并在LTE-R系統(tǒng)中構(gòu)建基于C-eNode B和VG（vehicle gateway，車載網(wǎng)關(guān)）的CRN（cognitive radio network，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)），實(shí)現(xiàn)PU（primary user，主用戶）和SU（secondary user，次用戶）的頻譜共享，從而提高LTE-R下行頻譜利用率。本文還從基于通信的鐵路應(yīng)用的角度出發(fā)，研究PU使用資源與SU可用資源間的關(guān)系。針對由FIFO（first input first output，先入先出）隊(duì)列管理策略造成的實(shí)時業(yè)務(wù)時延過大的問題，提出基于ToS（type of service，服務(wù)類型）值優(yōu)先的C-eNode B隊(duì)列管理策略，最大限度減少SU的RTS（real-time service，實(shí)時業(yè)務(wù)）的接收時延。本文假設(shè)PU是列車上的車載通信設(shè)備，每個PU僅接收1種鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，各PU相互獨(dú)立。SU是列車上的旅客設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等。

2 系統(tǒng)模型

2.1 LTE-R系統(tǒng)及存在的問題

2.1.1 LTE-R系統(tǒng)

很多學(xué)者對LTE-R系統(tǒng)進(jìn)行了比較深入的研究[1-3,5,7,14]。圖1是一種常見的LTE-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，圖1中，CS指內(nèi)容服務(wù)器（content server）。它分為核心網(wǎng)絡(luò)、匯聚層網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)和鐵路沿線網(wǎng)絡(luò)4個部分[5,15]。核心網(wǎng)絡(luò)包括列車控制中心和Internet服務(wù)兩個部分的網(wǎng)絡(luò)；匯聚層主要負(fù)責(zé)將不同通信技術(shù)的數(shù)據(jù)匯聚到服務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；接入網(wǎng)在本文中包括LTE-R專用網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營商的LTE網(wǎng)絡(luò)；鐵路沿線網(wǎng)絡(luò)主要包括與LTE-R基站通信的列車車載設(shè)備和與運(yùn)營商基站通信的旅客設(shè)備。

在一般的LTE-R系統(tǒng)中，列車控制中心的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過SGW（service gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）和AGW（access gateway，接入網(wǎng)關(guān)），然后到達(dá)軌旁的LTE-R eNode B，最后LTE-R eNode B將數(shù)據(jù)通過空中無線接口發(fā)送給列車上的PU，PU根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制列車的運(yùn)行，如加速、減速和制動等。在這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，SU只能通過軌旁運(yùn)營商的LTE eNode B接入并使用Internet（線路1）?；谕ㄐ诺牧熊噾?yīng)用是小流量應(yīng)用[6]，導(dǎo)致LTE-R系統(tǒng)的下行鏈路在大多時間里處于空閑狀態(tài)，造成大量頻譜浪費(fèi)。

2.1.2 LTE-R系統(tǒng)中RR調(diào)度方案存在的問題

RR（round robin，輪詢）調(diào)度算法以輪詢的方式在每個TTI里將系統(tǒng)的資源平均分配給活躍的UE。因?yàn)椴豢紤]UE的信道條件和流量特點(diǎn)，所以RR在所有的調(diào)度算法中公平性最高。但由于RR的平均分配原則，在TTI中也造成了一定的資源浪費(fèi)。本文假設(shè)C-eNode B使用RR調(diào)度算法。

表1 1個TTI中需要被調(diào)度的PU數(shù)量與浪費(fèi)的RBG之間的關(guān)系

圖1 鐵路通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 基于通信的鐵路應(yīng)用和旅客應(yīng)用

2.2.1 基于通信的鐵路應(yīng)用

LTE-R的業(yè)務(wù)可以歸結(jié)為以下3種類型[16]：

? 關(guān)鍵性安全應(yīng)用（如ETCS信號）；

? 鐵路運(yùn)營相關(guān)的操作（如語音通話）；

? 不影響列車移動的額外應(yīng)用（如視頻監(jiān)控、語音報站、文件更新、旅客互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等）。

本文僅研究LTE-R下行鏈路資源分配，仿真中將使用以下4種下行鐵路通信應(yīng)用。

（1）ETCS應(yīng)用

負(fù)責(zé)在列車車載單元和地面控制中心的數(shù)據(jù)交換，主要完成列車加速、減速、制動等操作。每條ETCS信息數(shù)據(jù)量大小約為128 byte，ETCS是關(guān)鍵的安全性應(yīng)用。

（2）對講機(jī)通話，鐵路運(yùn)營的基本應(yīng)用

如鐵路施工工人之間的對話。本文中，為了增加CRN的負(fù)載，假設(shè)整個仿真時間里鐵路工人一直保持通話，數(shù)據(jù)速率是64 kbit/s。

（3）語音報站應(yīng)用

告知車上旅客當(dāng)前列車上的人流量和列車所在位置。在本文的仿真中，假設(shè)每隔20 s列車接收到來自地面控制中心的語音報站信息，平均每個報站信息持續(xù)時間是5 s，數(shù)據(jù)速率是64 kbit/s。

（4）文件更新應(yīng)用

從地面控制中心下載文件以更新列車車載設(shè)備信息。前面3種鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率較小，不容易對網(wǎng)絡(luò)容量產(chǎn)生影響。為了觀察PU使用網(wǎng)絡(luò)資源對SU的接收時延的影響，本文中文件更新的下行速率分別是500 kbit/s、1 Mbit/s、2 Mbit/s。

2.2.2 旅客應(yīng)用

在很多已有關(guān)于CRN的研究中，大部分研究者僅把SU的服務(wù)類型考慮為BE（best effort），沒有考慮不同業(yè)務(wù)需求SU的QoS。本文假設(shè)列車上的旅客使用VoIP、video和BE這3種業(yè)務(wù)，且設(shè)定VoIP業(yè)務(wù)的ToS值是224、video業(yè)務(wù)的ToS值是160、BE業(yè)務(wù)的ToS值是0。

3 LTE-R CRN架構(gòu)和C-eNode B隊(duì)列管理策略

3.1 LTE-R CRN架構(gòu)

通過第2節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)，基于RR調(diào)度的LTE-R系統(tǒng)不僅存在空閑時間的資源浪費(fèi)，還有TTI里的資源浪費(fèi)。為提高LTE-R系統(tǒng)的頻譜利用率，本文提出將LTE-R eNode B升級成C-eNode B，并定義C-eNode B具有以下能力：準(zhǔn)確區(qū)分PU和SU的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，保障PU通信，確保列車運(yùn)行安全；在有RB浪費(fèi)的TTI里，將浪費(fèi)的RB分配給SU通信；在SU有可用RB的TTI里，對不同業(yè)務(wù)的SU數(shù)據(jù)按照ToS值優(yōu)先策略區(qū)別處理，減少實(shí)時業(yè)務(wù)的時延。

為降低系統(tǒng)的復(fù)雜度、減少穿透損耗和SU使用LTE-R授權(quán)頻段對車地通信的干擾，本文采用在列車車頂上增加VGW的方法來實(shí)現(xiàn)旅客與列車在LTE-R系統(tǒng)中的頻譜共享。不同車廂的無線AP（access point，接入點(diǎn)）通過光纖連接至無線VG，旅客在不同車廂僅需要連接到其所在車廂的無線AP即可享受Internet服務(wù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了由大量旅客在越區(qū)切換時產(chǎn)生的信令風(fēng)暴對PU通信的影響。

本文的目的在于使用CR技術(shù)提高LTE-R系統(tǒng)頻譜利用率，如圖2所示，在不改變圖1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，為旅客提供一條經(jīng)過LTE-R系統(tǒng)的鏈路來給旅客提供Internet接入服務(wù)（線路2）。在圖2中，原LTE-R eNode B變成C-eNode B，并與PU和SU構(gòu)成CRN（如圖2虛線框所示）。列車上的SU除了通過運(yùn)營商的LTE eNode B接入Internet外，還可通過VG與LTE-R C-eNode B進(jìn)行通信，接入并使用Internet。在下行鏈路方向，Internet的數(shù)據(jù)經(jīng)過SG和AG后可通過線路1到達(dá)LTE eNode B或通過線路2到達(dá)LTE C-eNode B，若經(jīng)線路2到達(dá)C-eNode B，在不影響PU通信的情況下，C-eNode B將SU的數(shù)據(jù)通過空中接口發(fā)送給列車上的VG，VG通過光纖轉(zhuǎn)發(fā)到AP，最后到達(dá)旅客設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PU和SU在LTE-R系統(tǒng)的頻譜共享。

3.2 基于FIFO的C-eNode B隊(duì)列管理策略

3.3 提出的算法和C-eNode B的隊(duì)列管理策略

3.3.1 提出的算法

圖3 基于FIFO的C-eNode B隊(duì)列管理策略

圖2 基于C-eNode B和VG的LTE-R系統(tǒng)CRN頻譜共享架構(gòu)

TTI begin

Resource allocation:

else

if SUs is active

else

//do nothing

end if

end if

Generate downlink schedule instruction

TTI end

3.3.2 ToS值優(yōu)先的C-eNode B隊(duì)列管理策略

3.4 復(fù)雜度分析

圖4 基于ToS值優(yōu)先的C-eNode B隊(duì)列管理策略

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真場景

本文選擇離散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器NS3來仿真LTE-R CRN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基于ToS值優(yōu)先的C-eNode B隊(duì)列管理算法。本次仿真研究的是一個C-eNode B覆蓋范圍內(nèi)的兩個問題：在不影響車地通信的前提下，MRR能否有效地將空閑資源塊和TTI剩余不足以分配給PU的資源塊給SU使用，實(shí)現(xiàn)頻譜共享；在第1個問題的基礎(chǔ)上，C-eNode B對不同QoS要求的SU按ToS值優(yōu)先的隊(duì)列管理原則減少實(shí)時性業(yè)務(wù)的時延。

對于第一個問題，假設(shè)LTE-R基站工作在700 MHz的頻段，系統(tǒng)帶寬5 MHz。在C-eNode B覆蓋范圍內(nèi)同時有3輛列車，每輛列車上有4個接收不同鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的設(shè)備（即12個PU）需要接收來自列車控制中心的數(shù)據(jù)，各PU獨(dú)立存在。PU對網(wǎng)絡(luò)的使用服從on-off模型，其中on服從正態(tài)分布，off服從指數(shù)分布。假設(shè)列車速度不影響車載設(shè)備的越區(qū)切換和對無線信號接收，本文列車以30 m/s的速度由遠(yuǎn)到近穿過LTE-R C-eNode B的覆蓋范圍。

對于第2個問題，仿真采用第2.2節(jié)中描述的鐵路應(yīng)用參數(shù)，假設(shè)C-eNode B的隊(duì)列緩沖區(qū)無限大。除了第2.2.2節(jié)中描述的PU的業(yè)務(wù)外，列車上30%的旅客使用VoIP業(yè)務(wù)，VoIP的編碼方式是G.729，數(shù)據(jù)速率是8 kbit/s；20%的旅客接收視頻流，數(shù)據(jù)速率是128 kbit/s，編碼方式是H.264；50%的旅客只需要BE服務(wù)，主要的仿真參數(shù)總結(jié)在表2中。

表2 仿真參數(shù)

4.2 結(jié)果與討論

本研究的目的是在保障車地通信穩(wěn)定安全、低時延的前提下，利用CR技術(shù)提高LTE-R系統(tǒng)下行頻譜的利用率，并在資源受限的條件下盡量減少實(shí)時業(yè)務(wù)SU的接收時延。RB的利用率、主用戶業(yè)務(wù)的平均時延和不同隊(duì)列管理策略下SU的接收時延將在下面討論。

圖5 單位時間SU可用資源與PU on的平均時間與仿真時間的關(guān)系

表3 一個TTI中需要被調(diào)度PU的數(shù)量與頻譜利用率的關(guān)系

認(rèn)知LTE-R使用MRR下的PU業(yè)務(wù)的平均時延如圖6所示。

圖6 認(rèn)知LTE-R使用MRR下的PU業(yè)務(wù)的平均時延

由圖6可知，在未對RR算法改進(jìn)前，為保障列車運(yùn)行的安全，LTE-R系統(tǒng)的資源只有PU可以使用，此時PU業(yè)務(wù)的平均時延最小，是固定值，不隨次用戶的增加而變化。當(dāng)C-eNode B使用MRR調(diào)度算法后，PU業(yè)務(wù)的平均時延有所上升，但幅度不大，大約為1 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵路通信系統(tǒng)50 ms的時延要求[14]。時延增加是因?yàn)镸RR在給PU分配完資源后還需要檢查是否有剩余資源要分配給SU。從圖6的上半部分還可得到，在file update速率相同的前提下，PU的平均時延是固定值，不隨SU的數(shù)量增加而變化，不管C-eNode B采用的是FIFO，還是ToS隊(duì)列管理策略，對PU業(yè)務(wù)的端到端時延影響不大。總之，MRR能夠保證PU的接收時延較小，保障車地通信的安全。

為了更接近真實(shí)的鐵路通信環(huán)境，本文選擇4種不同的鐵路通信應(yīng)用進(jìn)行仿真，在第2.2.3節(jié)中描述。由圖7（a）知，隨著SU數(shù)量和PU業(yè)務(wù)速率的增加，基于FIFO隊(duì)列原則的VoIP業(yè)務(wù)的平均時延在不斷增加。在PU速率等于2 Mbit/s、系統(tǒng)總的SU數(shù)量等于80個時，時延達(dá)到最大值；繼續(xù)增加SU的數(shù)量，時延變小。原因是達(dá)到系統(tǒng)可用資源瓶頸，C-eNode B隊(duì)列緩沖區(qū)中的分組沒有被發(fā)送出，平均每個SU接收到的數(shù)據(jù)變少，平均接收時延變小?；赥oS值優(yōu)先策略的C-eNode B在每個可用的TTI里優(yōu)先發(fā)送ToS值大的分組。本仿真中VoIP業(yè)務(wù)分組具有最大的ToS值，所以在有轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會的TTI里最先得到轉(zhuǎn)發(fā)。圖7（b）是C-eNode B使用ToS策略時VoIP業(yè)務(wù)的平均時延，即圖7（a）底部的局部放大圖，從圖7（b）可知，在C-eNode B使用ToS值優(yōu)先隊(duì)列策略后，盡管總的SU數(shù)量和PU占用資源在不斷增加，VoIP業(yè)務(wù)的平均時延都小于16 ms。證明了ToS值優(yōu)先策略能夠保障VoIP業(yè)務(wù)的時效性和有效性。

圖8給出了C-eNode B在使用FIFO和ToS值優(yōu)先這兩種隊(duì)列管理策略時，video業(yè)務(wù)的平均時延與PU占用資源和系統(tǒng)SU數(shù)量之間的關(guān)系。由圖8（a）可知，基于FIFO的隊(duì)列管理策略在SU數(shù)量較少和PU的速率較小時，video業(yè)務(wù)的平均時延較小。隨著SU數(shù)量的增加和PU速率的提高，video業(yè)務(wù)的平均時延與VoIP業(yè)務(wù)類似，不斷上升。圖8（b）是C-eNode B使用ToS策略時video業(yè)務(wù)的平均時延，即圖8（a）底部的局部放大圖，由圖8（b）可知，在C-eNode B使用ToS值優(yōu)先策略后，由于video業(yè)務(wù)的ToS值大于BE業(yè)務(wù)但小于VoIP，且VoIP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分組長度較小，video業(yè)務(wù)在VoIP業(yè)務(wù)之后能夠較快得到轉(zhuǎn)發(fā)，最大時延不超過20 ms。綜合圖7、圖8可知，C-eNode B使用ToS值優(yōu)先策略能夠有效地保障實(shí)時業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量。

圖7 VoIP業(yè)務(wù)的平均時延

圖9給出了C-eNode B在使用FIFO和ToS值優(yōu)先這兩種隊(duì)列管理策略時， BE業(yè)務(wù)的平均時延與PU占用資源和系統(tǒng)SU數(shù)量之間的關(guān)系。由圖9可知，C-eNode B使用FIFO的隊(duì)列管理策略，當(dāng)SU數(shù)量較少和PU的速率較小時，BE業(yè)務(wù)的平均時延較小。隨著SU數(shù)量的增加和PU速率的提高，平均時延在不斷上升。到達(dá)資源瓶頸后，再增加SU的數(shù)量，時延最終基本維持不變。原因是隨著系統(tǒng)中總的SU數(shù)量的增加，每個使用BE業(yè)務(wù)的SU接收到的數(shù)據(jù)在變少，導(dǎo)致時延基本維持不變。基于ToS值優(yōu)先的C-eNode B隊(duì)列管理策略優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)ToS至更大的VoIP、video業(yè)務(wù)，BE業(yè)務(wù)在隊(duì)列中無VoIP或video分組時才能被轉(zhuǎn)發(fā)，所以在使用ToS值優(yōu)先策略后，VoIP、video的平均時延較FIFO的時延小，BE業(yè)務(wù)的平均時延較FIFO的大。

圖8 video業(yè)務(wù)的平均時延

圖9 BE業(yè)務(wù)的平均時延與PU占用資源和系統(tǒng)SU數(shù)量之間的關(guān)系

未來，鐵路運(yùn)營商可以利用LTE-R系統(tǒng)中的空閑頻譜資源為旅客提供Internet服務(wù)。將為乘客提供不同服務(wù)質(zhì)量等級的Internet接入作為鐵路運(yùn)營的增值服務(wù)，在增加鐵路運(yùn)營收入的同時提高旅客的乘車體驗(yàn)。

5 結(jié)束語

本文針對下行基于RR調(diào)度算法的LTE-R系統(tǒng)存在的空閑和TTI里存在的頻譜資源浪費(fèi)問題，提出將LTE-R基站升級成C-eNode B，改進(jìn)RR算法，并在LTE-R系統(tǒng)中構(gòu)建基于C-eNode B和VG的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。C-eNode B在保障PU通信的前提下，通過MRR調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)PU和SU頻譜資源共享。通過ToS值優(yōu)先的C-eNode B隊(duì)列管理策略，減小高QoS要求的SU分組時延。仿真結(jié)果表明，基于MRR調(diào)度算法的C-eNode B能很好地提高LTE-R授權(quán)頻段的頻譜利用率?；赥oS值優(yōu)先的C-eNode B隊(duì)列管理策略可以有效地減少實(shí)時業(yè)務(wù)的時延。下一步將研究認(rèn)知LTE-R基站對整條鐵路線上頻譜的利用情況和不同QoS業(yè)務(wù)的SU如何在資源有限的條件下更好地完成通信。

[1] WANG J, ZHU H, GOMES N J. Distributed antenna systems for mobile communications in high speed trains[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012, 30(4): 675-683.

[2] SNIADY A, SOLER J. LTE for railways: impact on performance of ETCS railway signaling[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2014, 9(2): 69-77.

[3] HE R, AI B, WANG G, et al. High-speed railway communications: from GSM-R to LTE-R[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2016, 11(3): 49-58.

[4] DAHLMAN E, PARKVALL S, SKOLD J. 4G: LTE/LTE-advanced for mobile broadband[M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2011.

[5] XU S, ZHU G, AI B, et al. A survey on high-speed railway communications[J]. Computer Communications, 2016, 86(C): 12-28.

[6] KIM J, SANG W C, SONG Y S, et al. Automatic train control over LTE: design and performance evaluation[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(10): 102-109.

[7] BANERJEE S, HEMPEL N, SHARIF H. A survey of wireless communication technologies & their performance for high speed railways[J]. Journal of Transportation Technologies, 2016, 6(1): 15-29.

[8] PARICHEHREH A, SAVAZZI S, GORATTI L, et al. Seamless LTE connectivity in high-speed trains[J]. Wireless Communications & Mobile Computing, 2016, 16(12): 1478-1494.

[9] AHMAD I, CHEN W, CHANG K. LTE-railway user priority-based cooperative resource allocation schemes for coexisting public safety and railway networks[J]. IEEE Access, 2017, 5(99): 7985-8000.

[10] MORENO J, RIERA J M, DE HARO L, et al. A survey on future railway radio communications services: challenges and opportunities[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(10): 62-68.

[11] BALDINI G, KARANASIOS S, ALLEN D, et al. Survey of wireless communication technologies for public safety[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2014, 16(2): 619-641.

[12] KOLODZY P, KOLODZY P. Spectrum policy task force report[J]. Federal Communications Commission Tech.rep.rep.et Docket, 2002, 40(4): 147-158.

[13] HAYKIN S. Cognitive radio: brain-empowered wireless communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(2): 201-220.

[14] PARICHEHREH A, SPAGNOLINI U, MARINI P, et al. Load-stress test of massive handovers for LTE two-hop architecture in high-speed trains[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(3): 170-177.

[15] FOKUM D, FAST V.A survey on methods for broadband Internet access on trains[J]. IEEE Communication Surveys & Tutorials, 2010, 12(2): 171-185.

[16] SNIADY A, KASSAB M, SOLER J, et al. LTE micro-cell deployment for high-density railway areas[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2014(8435): 143-155.

[17] DENG H, WU C, WANG Y. A cognitive gateway-based spectrum sharing method in downlink round robin scheduling of LTE system[J]. Modern Physics Letters B, 2017: 1740070.

[18] CORMEN, THOMAS H. Introduction to algorithms[M]. Beijing: China Machine Press, 2013.

MRR scheduling based cognitive LTE-R eNode B and type of service value priority queue management strategy

DENG Hongyu, WANG Yiming, WU Cheng

School of Rail Transportation, Soochow University, Suzhou 215006, China

Cognitive radio technology was used to build cognitive radio networks in long-term evolution railway communication systems, and cognitive base station network architecture and MRR scheduling algorithms were proposed to improve the spectrum utilization of railway dedicated networks. In particular, the FIFO policy for cognitive LTE-R base stations in a single vehicle gateway causes excessive delay in real-time services of secondary users, and a cognitive LTE-R base station queue management strategy based on priority of service types was proposed. This strategy gave priority to sending packets with large service type values to the queue, so as to achieve the purpose of prioritizing real-time services. Simulation results show that under the premise of ensuring the normal communication of vehicles, the constructed cognitive base station can provide passengers with additional internet access links, and at the same time, improve the spectrum utilization rate of the LTE-R communication system. In addition, the cognitive base station queue management strategy based on service type value priority can effectively reduce the delay of passenger real-time services.

LTE-R communication system, cognitive radio network, cognitive LTE-R eNode B, vehicle gateway, type of service

TN929

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018165

鄧宏宇（1991?），男，蘇州大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電中的資源分配和共享等。

汪一鳴（1956?），女，博士，蘇州大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國電子學(xué)會高級會員，IEEE會員，主要研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線電、超寬帶通信等。

吳澄（1976?），男，博士，蘇州大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電、人工智能、圖像處理等。

2017?10?30；

2018?04?20