解決4G/LTE系統(tǒng)時(shí)延及降低空口時(shí)延的4種方案 - 全文

　　對于移動通信業(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(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)過無線網(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，未來的移動通信更多“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，如移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等將會推動MTC系統(tǒng)應(yīng)用爆發(fā)式增長，大量設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，為移動通信帶來無限生機(jī)。同時(shí)，廣泛的 MTC系統(tǒng)應(yīng)用范圍也會給移動通信帶來新的技術(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)對時(shí)延比較敏感，對時(shí)延提出更高的需求，而現(xiàn)有LTE系統(tǒng)無法滿足該需求，需要進(jìn)行研究。

　　本文主要介紹了未來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MTC數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延會進(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)頁瀏覽感受。

　　● 聽覺：當(dāng)聲音信號在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?？紤]到聲波的速度，這意味著當(dāng)兩個(gè)人距離超過30m時(shí)，兩人單純依靠聲波無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交流。

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

　　● 觸覺：這方面要達(dá)到實(shí)時(shí)，要求延時(shí)限制在幾ms級別，涉及的應(yīng)用包括使用移動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。實(shí)時(shí)游戲、M2M、傳感器報(bào)警或事件檢測場景應(yīng)該成為研究重點(diǎn)，部分場景對時(shí)延的要求不超過100ms，其中，基于傳感器報(bào)警或事件檢測場景有最低達(dá)2ms的時(shí)延要求。

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

　　LTE系統(tǒng)現(xiàn)有時(shí)延分析

　　ITU- R對傳輸延遲設(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)度請求（Schedule Request，SR）的子幀n，終端在子幀n上發(fā)送調(diào)度請求信息給基站，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、數(shù)據(jù)傳輸資源請求等待時(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子幀長度為1ms，因此，最小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長為1ms，為了降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長，存在兩種可能方案。一種是降低子幀長度，如重新設(shè)計(jì)子載波間隔和一個(gè)子幀中包括的OFDM符號數(shù)量，使得一個(gè)子幀對應(yīng)時(shí)長變短，從而降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長。例如，將子幀長度壓縮為現(xiàn)有LTE子幀長度的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。

　　另一種方案是以O(shè)FDM符號為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸，此時(shí)，最小數(shù)據(jù)傳輸長度為1個(gè)OFDM符號，按照現(xiàn)有LTE的OFDM符號長度計(jì)算，一個(gè)OFDM符號長度為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符號的長度，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。

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　　數(shù)據(jù)傳輸資源請求導(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)度請求配置終端發(fā)送數(shù)據(jù)的資源，也會額外增加時(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)度請求過程，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符號上，或者，與PDSCH頻分復(fù)用（時(shí)長為一個(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

　　對于處理時(shí)延降低，除了通過硬件設(shè)備和實(shí)現(xiàn)算法降低時(shí)延外，也可以考慮通過高級自適應(yīng)編碼來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)，通過幀結(jié)構(gòu)壓縮和基于OFDM符號調(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，通過靈活的控制區(qū)域設(shè)置和高級自適應(yīng)編碼，進(jìn)一步可以降低空口時(shí)延，從而滿足不同業(yè)務(wù)的需求，提升未來移動通信系統(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，以滿足超低時(shí)延高可靠性的需求，使得移動通信系統(tǒng)具有更廣闊的應(yīng)用場景，提升用戶體驗(yàn)。