LTE系統(tǒng)時(shí)延及降低空口時(shí)延的4種方案

本文介紹了降低空口時(shí)延技術(shù)，通過(guò)幀結(jié)構(gòu)壓縮和基于OFDM符號(hào)調(diào)度的方法，以及終端自主調(diào)度，可以顯著降低空口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，另外，通過(guò)靈活的控制區(qū)域設(shè)置和高級(jí)自適應(yīng)編碼，進(jìn)一步可以降低空口時(shí)延，從而滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的需求，提升未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。

對(duì)于移動(dòng)通信業(yè)務(wù)而言，最重要的時(shí)延是端到端時(shí)延，即對(duì)于已經(jīng)建立連接的收發(fā)兩端，數(shù)據(jù)包從發(fā)送端產(chǎn)生，到接收端正確接收的時(shí)延。根據(jù)業(yè)務(wù)模型不同，端到端時(shí)延可分為單程時(shí)延和回程時(shí)延，其中單程時(shí)延指數(shù)據(jù)包從發(fā)射端產(chǎn)生經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)正確到達(dá)另外一個(gè)接收端的時(shí)延，回程時(shí)延指數(shù)據(jù)包從發(fā)射端產(chǎn)生到目標(biāo)服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)包直至發(fā)射端正確接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包的時(shí)延。

現(xiàn)有的移動(dòng)通信主要是人與人之間的通信，隨著硬件設(shè)備的小型化和智能化，未來(lái)的移動(dòng)通信更多“人與物”及“物與物”之間的高速連接應(yīng)用。機(jī)器通信(Machine Type Communication，MTC)業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍非常廣泛，如移動(dòng)醫(yī)療、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等將會(huì)推動(dòng)MTC系統(tǒng)應(yīng)用爆發(fā)式增長(zhǎng)，大量設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”，為移動(dòng)通信帶來(lái)無(wú)限生機(jī)。同時(shí)，廣泛的MTC系統(tǒng)應(yīng)用范圍也會(huì)給移動(dòng)通信帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如實(shí)時(shí)云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、在線(xiàn)游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通、智能電網(wǎng)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延比較敏感，對(duì)時(shí)延提出更高的需求，而現(xiàn)有LTE系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足該需求，需要進(jìn)行研究。

本文主要介紹了未來(lái)MTC業(yè)務(wù)的時(shí)延需求，分析了LTE系統(tǒng)現(xiàn)有時(shí)延，闡述了降低時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)。

MTC業(yè)務(wù)時(shí)延需求分析

未來(lái)MTC數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延會(huì)進(jìn)一步降低，當(dāng)通信的響應(yīng)時(shí)間比系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)間約束快時(shí)，就可以獲得實(shí)時(shí)的通信體驗(yàn)。下面給出了四種典型應(yīng)用的時(shí)間約束：

● 人體肌肉響應(yīng)時(shí)間在0.5s~1s，這意味著人在點(diǎn)擊一個(gè)連接時(shí)，如果該連接能在0.5s時(shí)間建立，人們就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的網(wǎng)頁(yè)瀏覽感受。

● 聽(tīng)覺(jué)：當(dāng)聲音信號(hào)在70ms~100ms內(nèi)可以被準(zhǔn)備接收時(shí)，人們就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通話(huà)。考慮到聲波的速度，這意味著當(dāng)兩個(gè)人距離超過(guò)30m時(shí)，兩人單純依靠聲波無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交流。

● 視覺(jué)：人類(lèi)視覺(jué)的分辨率一般不超過(guò)100Hz，這意味這只要圖像的更新速率不低于100Hz(延時(shí)不超過(guò)10ms)，人們就可以獲得無(wú)縫的視頻體驗(yàn)。

● 觸覺(jué)：這方面要達(dá)到實(shí)時(shí)，要求延時(shí)限制在幾ms級(jí)別，涉及的應(yīng)用包括使用移動(dòng)3D目標(biāo)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能交通中的業(yè)務(wù)安全控制、智能電網(wǎng)等。

業(yè)界提出要把現(xiàn)有系統(tǒng)的端到端延遲降低5倍以上，并且，在考慮第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求時(shí)認(rèn)為RTT(Round Trip Time，回環(huán)時(shí)延)在1ms數(shù)量級(jí)。實(shí)時(shí)游戲、M2M、傳感器報(bào)警或事件檢測(cè)場(chǎng)景應(yīng)該成為研究重點(diǎn)，部分場(chǎng)景對(duì)時(shí)延的要求不超過(guò)100ms，其中，基于傳感器報(bào)警或事件檢測(cè)場(chǎng)景有最低達(dá)2ms的時(shí)延要求。

因此，在超低時(shí)延場(chǎng)景MTC系統(tǒng)時(shí)延需要考慮毫秒級(jí)的空口時(shí)延。

LTE系統(tǒng)現(xiàn)有時(shí)延分析

ITU-R對(duì)傳輸延遲設(shè)定的目標(biāo)為單向延遲目標(biāo)為10ms。LTE/LTE-A系統(tǒng)滿(mǎn)足ITU時(shí)延要求并帶有一定余量，單向數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延小于5ms。下面以連接態(tài)下物理下行共享信道行(Physical Downlink Shared Channel，PDSCH)傳輸下行數(shù)據(jù)和物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)傳輸上行數(shù)據(jù)為例進(jìn)行時(shí)延分析。

在LTE FDD系統(tǒng)中，在子幀n上，基站使用物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)調(diào)度下行數(shù)據(jù)傳輸，終端在子幀n+4上反饋ACK/NACK信息，基站接收處理時(shí)延最小為1ms，基站最快可以在子幀n+5 上進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳調(diào)度，如圖1所示，單次傳輸?shù)臅r(shí)間為1ms，一次重傳的最小時(shí)間為5ms。

在LTE FDD系統(tǒng)中，當(dāng)終端有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，需要等待配置發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求(Schedule Request，SR)的子幀n，終端在子幀n上發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求信息給基站，基站最快在子幀n+2上發(fā)送上行數(shù)據(jù)調(diào)度授權(quán)信息，終端在子幀n+2上接收到上行數(shù)據(jù)調(diào)度授權(quán)信息后，在子幀n+6上傳輸相應(yīng)的上行數(shù)據(jù)，基站在子幀n+10上反饋ACK/NACK信息給終端，終端在子幀n+14上重傳所述上行數(shù)據(jù)，具體如圖2所示，從有數(shù)據(jù)傳輸需求到一次數(shù)據(jù)傳輸完成，不考慮等待調(diào)度請(qǐng)求子幀的時(shí)間，單次傳輸?shù)臅r(shí)延為6ms，一次重傳的時(shí)間為14ms。

低時(shí)延技術(shù)分析

從現(xiàn)有LTE空口時(shí)延分析可以看出，影響空口時(shí)延的主要因素是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸資源請(qǐng)求等待時(shí)間，以及數(shù)據(jù)處理導(dǎo)致的反饋延時(shí)，針對(duì)這些因素存在以下4種降低空口時(shí)延的方案。

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)降低

現(xiàn)有LTE系統(tǒng)以子幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，LTE子幀長(zhǎng)度為1ms，因此，最小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)為1ms，為了降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)，存在兩種可能方案。一種是降低子幀長(zhǎng)度，如重新設(shè)計(jì)子載波間隔和一個(gè)子幀中包括的OFDM符號(hào)數(shù)量，使得一個(gè)子幀對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)變短，從而降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)。例如，將子幀長(zhǎng)度壓縮為現(xiàn)有 LTE子幀長(zhǎng)度的1/4，即0.25ms，如果考慮相應(yīng)處理時(shí)間等比例壓縮，具體壓縮效果如表1所示，大概可以壓縮75%時(shí)長(zhǎng)。

另一種方案是以O(shè)FDM符號(hào)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸，此時(shí)，最小數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度為1個(gè)OFDM符號(hào)，按照現(xiàn)有LTE的OFDM符號(hào)長(zhǎng)度計(jì)算，一個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為66.67ηs，如果考慮相應(yīng)處理時(shí)間等比例壓縮，具體壓縮效果如表2所示，相對(duì)于現(xiàn)有1ms的數(shù)據(jù)傳輸可以壓縮大概92%左右，如果進(jìn)一步結(jié)合幀結(jié)構(gòu)的修改，如子載波間隔變化，可以進(jìn)一步降低OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)更低時(shí)延壓縮。

另外，增強(qiáng)HARQ反饋也有助于重傳時(shí)延降低。傳統(tǒng)的HARQ只反饋ACK/NAK信息，增強(qiáng)的HARQ可以額外反饋接收的BER估計(jì)信息，結(jié)合該信息和信道反狀態(tài)信息，調(diào)度器在進(jìn)行冗余版本選擇、MCS選擇等方面可以更有針對(duì)性，使數(shù)據(jù)一次重傳后被正確解碼的概率大為提高，從而進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

數(shù)據(jù)傳輸資源請(qǐng)求導(dǎo)致的時(shí)延降低

LTE系統(tǒng)中，當(dāng)終端有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，需要先發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求，基站才能分配資源讓終端進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，這一過(guò)程導(dǎo)致上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延明顯大于下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，如表3所示。另外，發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求配置終端發(fā)送數(shù)據(jù)的資源，也會(huì)額外增加時(shí)延，因此，如果基站可以預(yù)分配資源終端，終端在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)直接在預(yù)先分配的資源上傳輸數(shù)據(jù)，可以減少調(diào)度請(qǐng)求過(guò)程，從而使得上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延與下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延相當(dāng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)單次傳輸時(shí)延壓縮大概17%，一次重傳時(shí)延壓縮36%，再結(jié)合上述數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降低方案可以進(jìn)一步降低上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

調(diào)度時(shí)延降低

現(xiàn)有LTE控制信道主要位于子幀的前n個(gè)OFDM符號(hào)上，或者，與PDSCH頻分復(fù)用(時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)子幀)，具體如圖3所示，LTE系統(tǒng)中數(shù)據(jù)只有解碼下行控制信道后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，由于控制信道位置限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)解碼時(shí)延增大。另外，一個(gè)終端對(duì)應(yīng)的下行控制信道區(qū)域在一個(gè)子幀中只有一個(gè)，如果錯(cuò)過(guò)該區(qū)域調(diào)度，就只能等待下一個(gè)調(diào)度區(qū)域，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)調(diào)度時(shí)的等待延遲。為了降低調(diào)度時(shí)延，需要引入更靈活的下行控制區(qū)域設(shè)置，如圖4所示，盡量使得有數(shù)據(jù)傳輸就有下行控制區(qū)域，同時(shí)，在解碼下行控制信道時(shí)數(shù)據(jù)信道可以提前接收，減少等待接收時(shí)間，從而減少由于等待下行控制區(qū)域和解碼下行控制信道，以及等待數(shù)據(jù)接收導(dǎo)致的時(shí)延，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的降低。

處理時(shí)延降低

對(duì)于處理時(shí)延降低，除了通過(guò)硬件設(shè)備和實(shí)現(xiàn)算法降低時(shí)延外，也可以考慮通過(guò)高級(jí)自適應(yīng)編碼來(lái)降低處理編解碼的時(shí)延，比如當(dāng)SNR比較高時(shí)，采用卷積編碼，當(dāng)SNR比較低時(shí)，采用Turbo編碼等。

本文介紹了降低空口時(shí)延技術(shù)，通過(guò)幀結(jié)構(gòu)壓縮和基于OFDM符號(hào)調(diào)度的方法，以及終端自主調(diào)度，可以顯著降低空口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，另外，通過(guò)靈活的控制區(qū)域設(shè)置和高級(jí)自適應(yīng)編碼，進(jìn)一步可以降低空口時(shí)延，從而滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的需求，提升未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。

后續(xù)也可以考慮結(jié)合鏈路自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)，在保證一定可靠性前提下進(jìn)行降低數(shù)據(jù)空口時(shí)延研究，以滿(mǎn)足超低時(shí)延高可靠性的需求，使得移動(dòng)通信系統(tǒng)具有更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，提升用戶(hù)體驗(yàn)。