LTE系統時(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)幀結構壓縮和基于OFDM符號調度的方法，以及終端自主調度，可以顯著(zhù)降低空口數據傳輸時(shí)延，另外，通過(guò)靈活的控制區域設置和高級自適應編碼，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)通信系統的性能。

對于移動(dòng)通信業(yè)務(wù)而言，最重要的時(shí)延是端到端時(shí)延，即對于已經(jīng)建立連接的收發(fā)兩端，數據包從發(fā)送端產(chǎn)生，到接收端正確接收的時(shí)延。根據業(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)延指數據包從發(fā)射端產(chǎn)生經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )正確到達另外一個(gè)接收端的時(shí)延，回程時(shí)延指數據包從發(fā)射端產(chǎn)生到目標服務(wù)器收到數據包并返回相應的數據包直至發(fā)射端正確接收到應答數據包的時(shí)延。

現有的移動(dòng)通信主要是人與人之間的通信，隨著(zhù)硬件設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”之間的高速連接應用。機器通信(Machine Type Communication，MTC)業(yè)務(wù)應用范圍非常廣泛，如移動(dòng)醫療、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監測等將會(huì )推動(dòng)MTC系統應用爆發(fā)式增長(cháng)，大量設備將接入網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”，為移動(dòng)通信帶來(lái)無(wú)限生機。同時(shí)，廣泛的MTC系統應用范圍也會(huì )給移動(dòng)通信帶來(lái)新的技術(shù)挑戰，例如實(shí)時(shí)云計算、虛擬現實(shí)、在線(xiàn)游戲、遠程醫療、智能交通、智能電網(wǎng)、遠程實(shí)時(shí)控制等業(yè)務(wù)對時(shí)延比較敏感，對時(shí)延提出更高的需求，而現有LTE系統無(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系統現有時(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數據傳輸時(shí)延會(huì )進(jìn)一步降低，當通信的響應時(shí)間比系統應用的時(shí)間約束快時(shí)，就可以獲得實(shí)時(shí)的通信體驗。下面給出了四種典型應用的時(shí)間約束：

● 人體肌肉響應時(shí)間在0.5s~1s，這意味著(zhù)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)現實(shí)時(shí)的網(wǎng)頁(yè)瀏覽感受。

● 聽(tīng)覺(jué)：當聲音信號在70ms~100ms內可以被準備接收時(shí)，人們就可以實(shí)現實(shí)時(shí)通話(huà)?？紤]到聲波的速度，這意味著(zhù)當兩個(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。

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

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

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

LTE系統現有時(shí)延分析

ITU-R對傳輸延遲設定的目標為單向延遲目標為10ms。LTE/LTE-A系統滿(mǎn)足ITU時(shí)延要求并帶有一定余量，單向數據包傳輸時(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)傳輸下行數據和物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)傳輸上行數據為例進(jìn)行時(shí)延分析。

在LTE FDD系統中，在子幀n上，基站使用物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)調度下行數據傳輸，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)行數據重傳調度，如圖1所示，單次傳輸的時(shí)間為1ms，一次重傳的最小時(shí)間為5ms。

在LTE FDD系統中，當終端有數據傳輸需求時(shí)，需要等待配置發(fā)送調度請求(Schedule Request，SR)的子幀n，終端在子幀n上發(fā)送調度請求信息給基站，基站最快在子幀n+2上發(fā)送上行數據調度授權信息，終端在子幀n+2上接收到上行數據調度授權信息后，在子幀n+6上傳輸相應的上行數據，基站在子幀n+10上反饋ACK/NACK信息給終端，終端在子幀n+14上重傳所述上行數據，具體如圖2所示，從有數據傳輸需求到一次數據傳輸完成，不考慮等待調度請求子幀的時(shí)間，單次傳輸的時(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)延的主要因素是數據傳輸時(shí)長(cháng)、數據傳輸資源請求等待時(shí)間，以及數據處理導致的反饋延時(shí)，針對這些因素存在以下4種降低空口時(shí)延的方案。

數據傳輸時(shí)長(cháng)降低

現有LTE系統以子幀為單位進(jìn)行數據調度，LTE子幀長(cháng)度為1ms，因此，最小數據傳輸時(shí)長(cháng)為1ms，為了降低數據傳輸時(shí)長(cháng)，存在兩種可能方案。一種是降低子幀長(cháng)度，如重新設計子載波間隔和一個(gè)子幀中包括的OFDM符號數量，使得一個(gè)子幀對應時(shí)長(cháng)變短，從而降低數據傳輸時(shí)長(cháng)。例如，將子幀長(cháng)度壓縮為現有 LTE子幀長(cháng)度的1/4，即0.25ms，如果考慮相應處理時(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(cháng)。

另一種方案是以OFDM符號為單位進(jìn)行數據調度傳輸，此時(shí)，最小數據傳輸長(cháng)度為1個(gè)OFDM符號，按照現有LTE的OFDM符號長(cháng)度計算，一個(gè)OFDM符號長(cháng)度為66.67ηs，如果考慮相應處理時(shí)間等比例壓縮，具體壓縮效果如表2所示，相對于現有1ms的數據傳輸可以壓縮大概92%左右，如果進(jìn)一步結合幀結構的修改，如子載波間隔變化，可以進(jìn)一步降低OFDM符號的長(cháng)度，實(shí)現更低時(shí)延壓縮。

另外，增強HARQ反饋也有助于重傳時(shí)延降低。傳統的HARQ只反饋ACK/NAK信息，增強的HARQ可以額外反饋接收的BER估計信息，結合該信息和信道反狀態(tài)信息，調度器在進(jìn)行冗余版本選擇、MCS選擇等方面可以更有針對性，使數據一次重傳后被正確解碼的概率大為提高，從而進(jìn)一步降低數據傳輸時(shí)延。

數據傳輸資源請求導致的時(shí)延降低

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

調度時(shí)延降低

現有LTE控制信道主要位于子幀的前n個(gè)OFDM符號上，或者，與PDSCH頻分復用(時(shí)長(cháng)為一個(gè)子幀)，具體如圖3所示，LTE系統中數據只有解碼下行控制信道后才能發(fā)送數據，由于控制信道位置限制，導致數據解碼時(shí)延增大。另外，一個(gè)終端對應的下行控制信道區域在一個(gè)子幀中只有一個(gè)，如果錯過(guò)該區域調度，就只能等待下一個(gè)調度區域，這就導致數據調度時(shí)的等待延遲。為了降低調度時(shí)延，需要引入更靈活的下行控制區域設置，如圖4所示，盡量使得有數據傳輸就有下行控制區域，同時(shí)，在解碼下行控制信道時(shí)數據信道可以提前接收，減少等待接收時(shí)間，從而減少由于等待下行控制區域和解碼下行控制信道，以及等待數據接收導致的時(shí)延，最終實(shí)現數據傳輸時(shí)延的降低。

處理時(shí)延降低

對于處理時(shí)延降低，除了通過(guò)硬件設備和實(shí)現算法降低時(shí)延外，也可以考慮通過(guò)高級自適應編碼來(lái)降低處理編解碼的時(shí)延，比如當SNR比較高時(shí)，采用卷積編碼，當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)幀結構壓縮和基于OFDM符號調度的方法，以及終端自主調度，可以顯著(zhù)降低空口數據傳輸時(shí)延，另外，通過(guò)靈活的控制區域設置和高級自適應編碼，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)通信系統的性能。

后續也可以考慮結合鏈路自適應優(yōu)化技術(shù)，在保證一定可靠性前提下進(jìn)行降低數據空口時(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)通信系統具有更廣闊的應用場(chǎng)景，提升用戶(hù)體驗。