一種有效的MBMS業務調度方法

韋 鵬 李筱林

【摘要】由于無線鏈路的容量受限,廣播組播信道需要更加科學的調度機制,以便充分地利用無線資源。文章在綜合考慮CN業務調度、RAN業務調度策略以及反饋機制的基礎上,提出了一種有效用于MBMS業務的端到端調度方法,并給出了業務調度的仿真分析。該方法包括從所有實體中分離調度子功能的分配方法、反饋策略以及架構的演進。

【關鍵詞】MBMS 端到端調度 CN RAN 跨層反饋

1 引言

MBMS(移動廣播組播業務)的出現,使得向大量訂閱用戶提供多媒體業務成為現實。一些豐富的多媒體內容,如視頻剪輯、新聞咨詢、天氣預報等,都可以源源不斷地“流向”廣大用戶。而有效的端到端的調度無疑是這些MBMS業務傳輸的重要保證之一。

3GPP已經在MBMS標準[1]中對RAN(無線接入網)端的PTM(Point-To-Multipoint)傳輸及CN(核心網)中端到端的IP廣播組播作了規范。MBMS可以同時向大量用戶傳送相同的業務,也允許多個用戶同時通過同一公共信道接收相同的數據;其最大優點在于取代了原有多路單播及PTP(Point-To-Point)的連接模式,避免了重復傳輸大量相同數據而造成的空中接口擁塞。當大量用戶接收相同的多播業務時,網絡資源需要存儲在支持MBMS的CN中;在支持MBMS的RAN端,資源管理也將變得愈加復雜。日益增長的帶寬及數據速率需求,也對信息承載的有效分配提出了更高的要求。因此不僅需要對小區內的UE(用戶終端)數進行估計,而且需要對發送功率的控制以及組播群的空間分布進行準確的分析。

2 端到端調度方法的目標

移動通信網絡最初的設計旨在支持語音電話業務,而豐富的多媒體業務的大眾化對調度策略提出了更高的要求。要向大量接收終端有效地傳輸多媒體內容,配置、可執行文件以及約束條件等都要求具備廣播組播功能。3GPP將所有的MBMS業務分為3大類[2]:流業務、下載業務和互動業務,隨之帶來了不同的QoS需求。

本文提出的端到端的MBMS調度策略由不同等級的調度過程組成,從簡單的時間片(如10分鐘新聞節目)的預留,到RAN的更低調度層中包括業務與會話調度及具體指定時間的分組調度等。RAN的分組調度主要負責處理無線幀和IP包,CN則主要負責業務安排,也就是決定何時發送何種業務,以便最有效地利用網絡資源,在滿足更多用戶需求的同時降低成本。3GPP Release 6[3]中負責業務調度功能的實體主要是BM-SC(Broadcast/Multicast Service Centre)。

3 端到端調度的架構設計

3.1 架構描述

如圖1所示,本文的端到端調度機制主要由兩方面組成,CN和RAN在各自的范圍內通過其自身的調度規則來使傳輸效率最大化。當RAN向CN反饋的信息包括當前以及可預測的小區狀態時,例如在一定的小區或區域內有多少資源可以用于MBMS業務等,將進一步提高傳輸效率。

圖1端到端的調度機制

3.2 CN調度

(1)CN調度功能分析

CN將業務調度功能置于其內部,由BM-SC來支持。3GPP MBMS標準對廣播組播調度及MBMS傳輸會話作了規定,但是業務調度的具體情況未作說明,有待各研發單位自己解決。

CN調度功能可以劃分為業務承載層的業務調度管理和媒體傳輸層的會話調度控制。如圖2所示,業務調度管理代表會話調度控制器來觸發實際的數據傳輸。文獻[4]中所定義的業務承載層面由一些不同功能的承載實體組成,為調度實體所用。業務調度管理實體必須檢測能否得到所需的傳輸時隙,或是預留或是提出一條新的申請;為此,必須通過業務組播管理承載功能在業務和接收的組之間建立聯系。此外,定位管理承載實體也將考慮移動性及接收端的位置情況。業務調度的目標是為了產生一項業務,該業務可以為ESG/EPG(Electronic Service/Program Guide)所用。經鑒權許可后,CP(Content Provider)才被允許加入新的MBMS業務,也就是可以提供給用戶。會話調度控制負責調度MBMS傳輸會話,一個完整的MBMS業務傳輸可以分成若干個傳輸會話。

圖2 CN調度功能

(2)RAN向CN的反饋

CN中的業務調度實體需要各小區的容量信息,而RAN可以看作整個MBMS系統的“頸部”,能為MBMS協同與調整資源,這一點與非MBMS業務是相同的。擁塞控制功能同樣有根據RAN的狀況來判斷的能力。例如,當組播組在無線衰落信道上的情況在一段時間里變得越來越好或越來越壞,CN將會決定是否支持這個組播組。

由此可見,向CN提供一種新穎的帶RRM信息的反饋機制是必不可少的,這種反饋可以用來提高業務調度決策性能。無論是直接還是間接的擁塞監控的應用,都將形成一種閉環的控制機制,也就是調度可以被看作是擁塞控制的一部分。

3.3 RAN調度

(1)用戶反饋機制

根據文獻[5]的評估,MBMS中的功率控制將是UTRAN增強的主要措施,它將提供一種高效的頻譜利用組播業務。文獻[6]中的功率控制算法旨在根據小區中的信道狀況調整發送功率,信道條件較好的小區可以減小發送功率。然而,這種方法并未從根本上解決問題,如沒有考慮用戶移動、小區中組播組的數量及存在的非MBMS業務等。

圖3給出了一種通用的MBMS組管理策略,旨在通過提高功率發送的有效性來解決公共信道短缺問題。在組播組初始化之前,小區需要獲得其支持的所有MBMS業務的數量;這可以根據小區中MBMS與非MBMS用戶的數量,通過合理設置無線資源的比例來實現。一旦小區中的MBMS業務量能夠跟蹤,RNC的資源管理器就可以決定其能夠支持的RAB(Radio Access Bearer)數量。因此,小區中的專用、公共信道可以適應性地分配。接下來必須對應用業務的類型進行檢驗,也就是確認無線承載實體與業務類型之間是否匹配。在業務傳輸之前還須確定數據速率。一旦這些功能中的任何一個不正常,組播服務就會立即停止。當公共信道用來傳輸MBMS業務時,該功率控制算法會被啟用,一直持續到組播組失去連接或業務停止。

(2)分組調度

DRMS(Dynamic Resource MBMS Scheduler)的提出正是為了支持MBMS業務的需求,負責向MBMS用戶組傳送業務。圖4反映了此動態資源調度措施。作為一個集中式的QoS架構,DRMS可以根據相應的功率控制算法對無線信道的變化進行實時監測,根據UE反饋的情況,針對各種類型的業務對發送功率進行動態的調整。調度實體從組播組那里收到會話請求,這些請求被分為兩類,分別存儲在GQ(Guaranteed Queue)和BEQ(Best Effort Queue)兩個隊列中。

GQ根據預定的速率進行傳輸,包括CBR(Constant Bit Rate)、NRT-VBR(Non Real-Time Variable Bit Rate)、RT-VBR(Real-Time VBR)及ABR(Available Bit Rate)等類型的業務。BEQ服務于UBR(Unspecified Bit Rate)類型的業務。這些業務將根據可用的帶寬分配到各自的組播群中。當不能再提供功率資源時,組播群的數量也就達到了飽和狀態,調度實體需要決定哪種業務需要最有效的方式傳輸。為了提供其他影響調度決策的信息,組播組的信道狀況將被反饋給優先級控制功能模塊,該模塊中的機制必須確保各用戶能夠共享該業務。

4 仿真分析

4.1 基于RAN擁塞信息的交互業務調度

交互業務伴隨著周期性的數據重復。需求概率pi指公眾對內容的興趣程度或接收組群的大小;fi表示MBMS業務的頻率,也就是在一個周期內出現的次數;時間li表示傳輸業務i的時間。有式(1):

如式(2),文獻[7]中描述的交互調度算法可以擴展到RAN的擁塞控制中,擁塞的狀況主要取決于小區的容量。RAN能夠獲得這些信息,并將其匯總發送給CN。

仿真結果表明,這種RAN反饋機制十分有效。調度實體為各個優先級的業務制定了一個平均接入時間,其頻率適應是以犧牲低優先級業務為代價的。圖5、6反映了擁塞等級隨著時間的變化而導致的平均接入時間的變化。

圖5擁塞程度仿真

圖6各類型的平均接入時間

4.2 基于UE反饋的動態分組調度

在FACH中引入功率控制機制,增大了容量增益。為了在沒有MBMS組播用戶的SIR的支持下使整個小區達到較好的覆蓋率,FACH上64kbps的MBMS業務所需的Ec/Ior必須占總發送功率的15%。這就不得不綜合考慮MBMS業務的增加情況及預先存在的業務。圖7反映了DCH(Dedicated Channel)通過不斷地向Node B反饋來減小發送功率(從0.2w減小到0.02w)的功率控制能力,藍色和綠色分別表示FACH在覆蓋率為25%和50%時的功率發送情況。恒定功率發送時,可以看到在沒有功率控制的情況下,即使UE更加靠近Node B或信道環境變得很好,FACH的效益也不會提高。而沒有MBMS用戶位于小區邊緣時,向整個小區覆蓋范圍發送功率無疑是一種浪費。

為了支持用戶訂閱的多媒體業務,對RRM進行修改,以達到最優的功率控制和擁塞控制。在本修改架構中,增加了UE反饋機制及調度技術,可以滿足向用戶傳輸MBMS業務。該反饋機制對現存的公共信道增加了輕權重的功率控制。通過這種考慮到瞬時業務加載及干擾情況的功率控制策略,動態分組調度能夠提供可靠的QoS。

5 小結

流業務、下載業務和互動業務這三種類型的MBMS業務在吞吐量、時延等方面都不同,其所需的QoS也有很大的差別。因為不是所有的單個小區信息都能夠為調度所考慮,為了降低計算的復雜度,這些信息需要綜合考慮。因此,無論是基于事件的還是基于時間的統計量都需要計算、集中、更新。此外,通過對系統動態行為的補償,一種基于知識的網絡預判可以使性能得到進一步提高。

在跨層結構設計中,本文提出的反饋技術可以進一步地用于自適應地轉換CN中的視頻音頻流,以減小RAN端的擁塞控制。而且,與其在一段給定的時間內消耗資源傳輸文件,不如根據時空資源將該文件分成幾個子部分;這樣,因為接收用戶有可能處于更好的無線環境,傳輸會更加成功。