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有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延

發(fā)布時(shí)間:2015-06-29 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】端到端的時(shí)延是移動(dòng)通信業(yè)務(wù)中最重要的時(shí)延?,F(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)的迅速騰飛實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)物互聯(lián)的現(xiàn)象。這給一定通信帶來(lái)巨大商機(jī)的同時(shí),也對(duì)LTE系統(tǒng)提出了更高的需求。本文就淺談?dòng)行Ы档涂湛跁r(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延。

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)法滿足該需求,需要進(jìn)行研究。

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??紤]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。

有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延

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。

有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延

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。
[pgae]
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)。

有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延

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。

有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延

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。

有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)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。

有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延
有效降低空口時(shí)延的4種方案及LTE系統(tǒng)時(shí)延
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,提升用戶體驗(yàn)。

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