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空口降低時延關鍵技術

2014-12-10     作者：戴博，夏樹強，石靖（中興通訊）

　　對於行動通訊業務而言，最重要的時延是端到端時延，即對於已經建立連線的收發兩端，資料包從傳送端產生，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，其中單程時延指資料包從發射端產生經過無線網路正確到達另外一個接收端的時延，回程時延指資料包從發射端產生到目標伺服器收到資料包並返回相應的資料包直至發射端正確接收到應答資料包的時延。

　　現有的行動通訊主要是人與人之間的通訊，隨著硬體裝置的小型化和智慧化，未來的行動通訊更多“人與物”及“物與物”之間的高速連線應用。機器通訊（Machine Type Communication，MTC）業務應用範圍非常廣泛，如移動醫療、車聯網、智慧家居、工業控制、環境監測等將會推動MTC系統應用爆發式增長，大量裝置將接入網路，實現真正的“萬物互聯”，為行動通訊帶來無限生機。同時，廣泛的MTC系統應用範圍也會給行動通訊帶來新的技術挑戰，例如實時雲端計算、虛擬現實、線上遊戲、遠端醫療、智慧交通、智慧電網、遠端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資料傳輸時延會進一步降低，當通訊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訊體驗。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，這意味著人在點選一個連線時，如果該連線能在0.5s時間建立，人們就可以實現實時的網頁瀏覽感受。

　　●   聽覺：當聲音訊號在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，這意味這隻要影象的更新速率不低於100Hz（延時不超過10ms），人們就可以獲得無縫的視訊體驗。

　　●   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、虛擬現實、智慧交通中的業務安全控制、智慧電網等。

　　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代移動通訊系統的需求時認為RTT（Round Trip Time，迴環時延）在1ms數量級。實時遊戲、M2M、感測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，基於感測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，單向資料包傳輸時延小於5ms。下面以連線態下物理下行共享通道行（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）傳輸下行資料和物理上行共享通道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）傳輸上行資料為例進行時延分析。

　　在LTE FDD系統中，在子幀n上，基站使用物理下行控制通道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）排程下行資料傳輸，終端在子幀n+4上反饋ACK/NACK資訊，基站接收處理時延最小為1ms，基站最快可以在子幀n+5上進行資料重傳排程，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，當終端有資料傳輸需求時，需要等待配置傳送排程請求（Schedule Request，SR）的子幀n，終端在子幀n上傳送排程請求資訊給基站，基站最快在子幀n+2上傳送上行資料排程授權資訊，終端在子幀n+2上接收到上行資料排程授權資訊後，在子幀n+6上傳輸相應的上行資料，基站在子幀n+10上反饋ACK/NACK資訊給終端，終端在子幀n+14上重傳所述上行資料，具體如圖2所示，從有資料傳輸需求到一次資料傳輸完成，不考慮等待排程請求子幀的時間，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資料傳輸時長、資料傳輸資源請求等待時間，以及資料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。

資料傳輸時長降低

　　現有LTE系統以子幀為單位進行資料排程，LTE子幀長度為1ms，因此，最小資料傳輸時長為1ms，為了降低資料傳輸時長，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，從而降低資料傳輸時長。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符號為單位進行資料排程傳輸，此時，最小資料傳輸長度為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的資料傳輸可以壓縮大概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資訊，增強的HARQ可以額外反饋接收的BER估計資訊，結合該資訊和通道反狀態資訊，排程器在進行冗餘版本選擇、MCS選擇等方面可以更有針對性，使資料一次重傳後被正確解碼的概率大為提高，從而進一步降低資料傳輸時延。

資料傳輸資源請求導致的時延降低

　　LTE系統中，當終端有資料傳輸需求時，需要先發送排程請求，基站才能分配資源讓終端進行上行資料傳輸，這一過程導致上行資料傳輸時延明顯大於下行資料傳輸時延，如表3所示。另外，傳送排程請求配置終端傳送資料的資源，也會額外增加時延，因此，如果基站可以預分配資源終端，終端在有資料傳輸時直接在預先分配的資源上傳輸資料，可以減少排程請求過程，從而使得上行資料傳輸時延與下行資料傳輸時延相當，這樣可以實現上行資料單次傳輸時延壓縮大概17%，一次重傳時延壓縮36%，再結合上述資料傳輸時延降低方案可以進一步降低上行資料傳輸時延。

排程時延降低

　　現有LTE控制通道主要位於子幀的前n個OFDM符號上，或者，與PDSCH頻分複用（時長為一個子幀），具體如圖3所示，LTE系統中資料只有解碼下行控制通道後才能傳送資料，由於控制通道位置限制，導致資料解碼時延增大。另外，一個終端對應的下行控制通道區域在一個子幀中只有一個，如果錯過該區域排程，就只能等待下一個排程區域，這就導致資料排程時的等待延遲。為了降低排程時延，需要引入更靈活的下行控制區域設定，如圖4所示，儘量使得有資料傳輸就有下行控制區域，同時，在解碼下行控制通道時資料通道可以提前接收，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通道，以及等待資料接收導致的時延，最終實現資料傳輸時延的降低。

處理時延降低

　　對於處理時延降低，除了通過硬體裝置和實現演算法降低時延外，也可以考慮通過高階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符號排程的方法，以及終端自主排程，可以顯著降低空口資料傳輸時延，另外，通過靈活的控制區域設定和高階自適應編碼，進一步可以降低空口時延，從而滿足不同業務的需求，提升未來移動通訊系統的效能。

　　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資料空口時延研究，以滿足超低時延高可靠性的需求，使得移動通訊系統具有更廣闊的應用場景，提升使用者體驗。