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有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延

發(fā)布時間:2015-06-29 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】端到端的時延是移動通信業(yè)務(wù)中最重要的時延。現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)的迅速騰飛實(shí)現(xiàn)了萬物互聯(lián)的現(xiàn)象。這給一定通信帶來巨大商機(jī)的同時,也對LTE系統(tǒng)提出了更高的需求。本文就淺談有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延。

對于移動通信業(yè)務(wù)而言,最重要的時延是端到端時延,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延。根據(jù)業(yè)務(wù)模型不同,端到端時延可分為單程時延和回程時延,其中單程時延指數(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)另外一個接收端的時延,回程時延指數(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,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)時云計算、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)時控制等業(yè)務(wù)對時延比較敏感,對時延提出更高的需求,而現(xiàn)有LTE系統(tǒng)無法滿足該需求,需要進(jìn)行研究。

MTC業(yè)務(wù)時延需求分析

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

● 人體肌肉響應(yīng)時間在0.5s~1s,這意味著人在點(diǎn)擊一個連接時,如果該連接能在0.5s時間建立,人們就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的網(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,人們就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時通話。考慮到聲波的速度,這意味著當(dāng)兩個人距離超過30m時,兩人單純依靠聲波無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時交流。

● 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,要求延時限制在幾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)的需求時認(rèn)為RTT(Round Trip Time,回環(huán)時延)在1ms數(shù)量級。實(shí)時游戲、M2M、傳感器報警或事件檢測場景應(yīng)該成為研究重點(diǎn),部分場景對時延的要求不超過100ms,其中,基于傳感器報警或事件檢測場景有最低達(dá)2ms的時延要求。

因此,在超低時延場景MTC系統(tǒng)時延需要考慮毫秒級的空口時延。

LTE系統(tǒng)現(xiàn)有時延分析

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時延要求并帶有一定余量,單向數(shù)據(jù)包傳輸時延小于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間為1ms,一次重傳的最小時間為5ms。

有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延

在LTE FDD系統(tǒng)中,當(dāng)終端有數(shù)據(jù)傳輸需求時,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)度請求子幀的時間,單次傳輸?shù)臅r延為6ms,一次重傳的時間為14ms。

有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延

低時延技術(shù)分析


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

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)傳輸時長為1ms,為了降低數(shù)據(jù)傳輸時長,存在兩種可能方案。一種是降低子幀長度,如重新設(shè)計子載波間隔和一個子幀中包括的OFDM符號數(shù)量,使得一個子幀對應(yīng)時長變短,從而降低數(shù)據(jù)傳輸時長。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%時長。

有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延

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,最小數(shù)據(jù)傳輸長度為1個OFDM符號,按照現(xiàn)有LTE的OFDM符號長度計算,一個OFDM符號長度為66.67ηs,如果考慮相應(yīng)處理時間等比例壓縮,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)更低時延壓縮。

有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延

另外,增強(qiáng)HARQ反饋也有助于重傳時延降低。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)傳輸時延。

數(shù)據(jù)傳輸資源請求導(dǎo)致的時延降低

LTE系統(tǒng)中,當(dāng)終端有數(shù)據(jù)傳輸需求時,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)傳輸時延明顯大于下行數(shù)據(jù)傳輸時延,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)傳輸時延與下行數(shù)據(jù)傳輸時延相當(dāng),這樣可以實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)單次傳輸時延壓縮大概17%,一次重傳時延壓縮36%,再結(jié)合上述數(shù)據(jù)傳輸時延降低方案可以進(jìn)一步降低上行數(shù)據(jù)傳輸時延。

有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延

調(diào)度時延降低

現(xiàn)有LTE控制信道主要位于子幀的前n個OFDM符號上,或者,與PDSCH頻分復(fù)用(時長為一個子幀),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)解碼時延增大。另外,一個終端對應(yīng)的下行控制信道區(qū)域在一個子幀中只有一個,如果錯過該區(qū)域調(diào)度,就只能等待下一個調(diào)度區(qū)域,這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)調(diào)度時的等待延遲。為了降低調(diào)度時延,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,在解碼下行控制信道時數(shù)據(jù)信道可以提前接收,減少等待接收時間,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)致的時延,最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時延的降低。

有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延
有效降低空口時延的4種方案及LTE系統(tǒng)時延
處理時延降低

對于處理時延降低,除了通過硬件設(shè)備和實(shí)現(xiàn)算法降低時延外,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延,比如當(dāng)SNR比較高時,采用卷積編碼,當(dāng)SNR比較低時,采用Turbo編碼等。

本文介紹了降低空口時延技術(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)空口時延研究,以滿足超低時延高可靠性的需求,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)。

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