佚名 發表於 2015-06-26 10:03:33
對於移動通信業務而言，最重要的時延是端到端時延，即對於已經建立連接的收發兩端，數據包從發送端產生，到接收端正確接收的時延。根據業務模型不同，端到端時延可分為單程時延和回程時延，其中單程時延指數據包從發射端產生經過無線網絡正確到達另外一個接收端的時延，回程時延指數據包從發射端產生到目標伺服器收到數據包並返回相應的數據包直至發射端正確接收到應答數據包的時延。
現有的移動通信主要是人與人之間的通信，隨著硬體設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」之間的高速連接應用。機器通信（Machine Type Communication，MTC）業務應用範圍非常廣泛，如移動醫療、車聯網、智能家居、工業控制、環境監測等將會推動MTC系統應用爆發式增長，大量設備將接入網絡，實現真正的「萬物互聯」，為移動通信帶來無限生機。同時，廣泛的 MTC系統應用範圍也會給移動通信帶來新的技術挑戰，例如實時雲計算、虛擬實境、在線遊戲、遠程醫療、智能交通、智能電網、遠程實時控制等業務對時延比較敏感，對時延提出更高的需求，而現有LTE系統無法滿足該需求，需要進行研究。
本文主要介紹了未來MTC業務的時延需求，分析了LTE系統現有時延，闡述了降低時延的關鍵技術。
MTC業務時延需求分析
未來MTC數據傳輸時延會進一步降低，當通信的響應時間比系統應用的時間約束快時，就可以獲得實時的通信體驗。下面給出了四種典型應用的時間約束：
● 人體肌肉響應時間在0.5s~1s，這意味著人在點擊一個連接時，如果該連接能在0.5s時間建立，人們就可以實現實時的網頁瀏覽感受。
● 聽覺：當聲音信號在70ms~100ms內可以被準備接收時，人們就可以實現實時通話。考慮到聲波的速度，這意味著當兩個人距離超過30m時，兩人單純依靠聲波無法實現實時交流。
● 視覺：人類視覺的解析度一般不超過100Hz，這意味這只要圖像的更新速率不低於100Hz（延時不超過10ms），人們就可以獲得無縫的視頻體驗。
● 觸覺：這方面要達到實時，要求延時限制在幾ms級別，涉及的應用包括使用移動3D目標、虛擬實境、智能交通中的業務安全控制、智能電網等。
業界提出要把現有系統的端到端延遲降低5倍以上，並且，在考慮第5代移動通信系統的需求時認為RTT（Round Trip Time，迴環時延）在1ms數量級。實時遊戲、M2M、傳感器報警或事件檢測場景應該成為研究重點，部分場景對時延的要求不超過100ms，其中，基於傳感器報警或事件檢測場景有最低達2ms的時延要求。
因此，在超低時延場景MTC系統時延需要考慮毫秒級的空口時延。
LTE系統現有時延分析
ITU- R對傳輸延遲設定的目標為單向延遲目標為10ms。LTE/LTE-A系統滿足ITU時延要求並帶有一定餘量，單向數據包傳輸時延小於5ms。下面以連接態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行時延分析。
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，基站接收處理時延最小為1ms，基站最快可以在子幀n+5 上進行數據重傳調度，如圖1所示，單次傳輸的時間為1ms，一次重傳的最小時間為5ms。
在LTE FDD系統中，當終端有數據傳輸需求時，需要等待配置發送調度請求（Schedule Request，SR）的子幀n，終端在子幀n上發送調度請求信息給基站，基站最快在子幀n+2上發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後，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間，單次傳輸的時延為6ms，一次重傳的時間為14ms。
低時延技術分析
從現有LTE空口時延分析可以看出，影響空口時延的主要因素是數據傳輸時長、數據傳輸資源請求等待時間，以及數據處理導致的反饋延時，針對這些因素存在以下4種降低空口時延的方案。
數據傳輸時長降低
現有LTE系統以子幀為單位進行數據調度，LTE子幀長度為1ms，因此，最小數據傳輸時長為1ms，為了降低數據傳輸時長，存在兩種可能方案。一種是降低子幀長度，如重新設計子載波間隔和一個子幀中包括的OFDM符號數量，使得一個子幀對應時長變短，從而降低數據傳輸時長。例如，將子幀長度壓縮為現有LTE子幀長度的1/4，即0.25ms，如果考慮相應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。
另一種方案是以OFDM符號為單位進行數據調度傳輸，此時，最小數據傳輸長度為1個OFDM符號，按照現有LTE的OFDM符號長度計算，一個OFDM符號長度為66.67ηs，如果考慮相應處理時間等比例壓縮，具體壓縮效果如表2所示，相對於現有1ms的數據傳輸可以壓縮大概92%左右，如果進一步結合幀結構的修改，如子載波間隔變化，可以進一步降低OFDM符號的長度，實現更低時延壓縮。
另外，增強HARQ反饋也有助於重傳時延降低。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信息，調度器在進行冗餘版本選擇、MCS選擇等方面可以更有針對性，使數據一次重傳後被正確解碼的概率大為提高，從而進一步降低數據傳輸時延。
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數據傳輸資源請求導致的時延降低
LTE 系統中，當終端有數據傳輸需求時，需要先發送調度請求，基站才能分配資源讓終端進行上行數據傳輸，這一過程導致上行數據傳輸時延明顯大於下行數據傳輸時延，如表3所示。另外，發送調度請求配置終端發送數據的資源，也會額外增加時延，因此，如果基站可以預分配資源終端，終端在有數據傳輸時直接在預先分配的資源上傳輸數據，可以減少調度請求過程，從而使得上行數據傳輸時延與下行數據傳輸時延相當，這樣可以實現上行數據單次傳輸時延壓縮大概17%，一次重傳時延壓縮36%，再結合上述數據傳輸時延降低方案可以進一步降低上行數據傳輸時延。
調度時延降低
現有LTE控制信道主要位於子幀的前n個OFDM符號上，或者，與PDSCH頻分復用（時長為一個子幀），具體如圖3所示，LTE系統中數據只有解碼下行控制信道後才能發送數據，由於控制信道位置限制，導致數據解碼時延增大。另外，一個終端對應的下行控制信道區域在一個子幀中只有一個，如果錯過該區域調度，就只能等待下一個調度區域，這就導致數據調度時的等待延遲。為了降低調度時延，需要引入更靈活的下行控制區域設置，如圖4所示，儘量使得有數據傳輸就有下行控制區域，同時，在解碼下行控制信道時數據信道可以提前接收，減少等待接收時間，從而減少由於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延，最終實現數據傳輸時延的降低。
處理時延降低
對於處理時延降低，除了通過硬體設備和實現算法降低時延外，也可以考慮通過高級自適應編碼來降低處理編解碼的時延，比如當SNR比較高時，採用卷積編碼，當SNR比較低時，採用Turbo編碼等。
本文介紹了降低空口時延技術，通過幀結構壓縮和基於OFDM符號調度的方法，以及終端自主調度，可以顯著降低空口數據傳輸時延，另外，通過靈活的控制區域設置和高級自適應編碼，進一步可以降低空口時延，從而滿足不同業務的需求，提升未來移動通信系統的性能。
後續也可以考慮結合鏈路自適應優化技術，在保證一定可靠性前提下進行降低數據空口時延研究，以滿足超低時延高可靠性的需求，使得移動通信系統具有更廣闊的應用場景，提升用戶體驗。
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