LTE帧结构及初步时延分析

资源消耗——时延研究单方UE和eNB的通信时延分析1.背景LTE对时延的具体要求为用户面时延：用户平面内部单向传输时延（UE-eNodeB）小于5ms控制面时延：控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间小于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。ITU-R对传输延迟设定的目标为单向延迟目标为10ms.LTE/LTE-A系统满足ITU时延要求并带有一定余量，单向数据包传输时延小于5ms。单程时延指数据包从发射端产生经过无线网络正确到达另外一个接收端的时延，回程时延指数据包从发射端产生到目标服务器收到数据包并返回相应的数据包直至发射端正确接收到应答数据包的时延。2.LTE帧结构：3.资源粒（RE）与资源块（RB）由上图可知：一个子帧由两个时隙组成一个资源块由12个子载波组成，每个子载波的带宽是15kHz。所以，总的频率带宽是180kHz。并且每个资源块上还有7个OFDM符号。这是频域上行的配置方法。下行的配置略有区别：下行有12*15kHz，还有24*7.5kHz的组合方法。资源块（RB）是最小的调度单位，而且会优先分配给信道质量较好的UE.4.传统方式下LTE通信的时延分析：在上行链路通信中主要有3条物理信道和2个参考信号。3条物理信道：PRACH：物理随机接入信道PUSCH：物理上行共享信道PUCCH：物理上行控制信道2个参考信号：DMRS：解调参考信号SRS：探测参考信号并且LTE的上行链路只支持与数据无关的控制信令在LTEFDD系统中，在子帧n上，基站使用物理下行控制信道（PhysicalDownlinkControlChannel，PDCCH）调度下行数据传输，终端在子帧n+4上反馈ACK/NACK信息，基站接收处理时延最小为1ms，基站最快可以在子帧n+5上进行数据重传调度，如图1所示，单次传输的时间为1ms，一次重传的最小时间为5ms.在LTEFDD系统中，当终端有数据传输需求时，需要等待配置发送调度请求（ScheduleRequest，SR）的子帧n，终端在子帧n上发送调度请求信息给基站，基站最快在子帧n+2上发送上行数据调度授权信息，终端在子帧n+2上接收到上行数据调度授权信息后一般微蜂窝校区的半径在200m左右，数据传输的时间在μS量级，可以忽略不计。在子帧n+6上传输相应的上行数据，基站在子帧n+10上反馈ACK/NACK信息给终端，终端在子帧n+14上重传所述上行数据，具体如图2所示，从有数据传输需求到一次数据传输完成，不考虑等待调度请求子帧的时间，单次传输的时延为6ms，一次重传的时间为14ms。低时延技术分析从现有LTE空口时延分析可以看出，影响空口时延的主要因素是数据传输时长、数据传输资源请求等待时间，以及数据处理导致的反馈延时，针对这些因素存在以下4种降低空口时延的方案。数据传输时长降现有LTE系统以子帧为单位进行数据调度，LTE子帧长度为1ms，因此，最小数据传输时长为1ms，为了降低数据传输时长，存在两种可能方案。一种是降低子帧长度，如重新设计子载波间隔和一个子帧中包括的OFDM符号数量，使得一个子帧对应时长变短，从而降低数据传输时长。例如，将子帧长度压缩为现有LTE子帧长度的1/4，即0.25ms，如果考虑相应处理时间等比例压缩，具体压缩效果如表1所示，大概可以压缩75%时长。表1时延压缩效果比另一种方案是以OFDM符号为单位进行数据调度传输，此时，最小数据传输长度为1个OFDM符号，按照现有LTE的OFDM符号长度计算，一个OFDM符号长度为66.67ηs，如果考虑相应处理时间等比例压缩，具体压缩效果如表2所示，相对于现有1ms的数据传输可以压缩大概92%左右，如果进一步结合帧结构的修改，如子载波间隔变化，可以进一步=降低OFDM符号的长度，实现更低时延压缩。表2时延压缩效果比另外，增强HARQ反馈也有助于重传时延降低。传统的HARQ只反馈ACK/NAK信息，增强的HARQ可以额外反馈接收的BER估计信息，结合该信息和信道反状态信息，调度器在进行冗余版本选择、MCS选择等方面可以更有针对性，使数据一次重传后被正确解码的概率大为提高，从而进一步降低数据传输时延。数据传输资源请求导致的时延降低LTE系统中，当终端有数据传输需求时，需要先发送调度请求，基站才能分配资源让终端进行上行数据传输，这一过程导致上行数据传输时延明显大于下行数据传输时延，如表3所示。另外，发送调度请求配置终端发送数据的资源，也会额外增加时延，因此，如果基站可以预分配资源终端，终端在有数据传输时直接在预先分配的资源上传输数据，可以减少调度请求过程，从而使得上行数据传输时延与下行数据传输时延相当，这样可以实现上行数据单次传输时延压缩大概17%，一次重传时延压缩36%，再结合上述数据传输时延降低方案可以进一步降低上行数据传输时延。表3上下行数据传输时延对比调度时延降低现有LTE控制信道主要位于子帧的前n个OFDM符号上，或者，与PDSCH频分复用（时长为一个子帧），具体如图3所示，LTE系统中数据只有解码下行控制信道后才能发送数据，由于控制信道位置限制，导致数据解码时延增大。另外，一个终端对应的下行控制信道区域在一个子帧中只有一个，如果错过该区域调度，就只能等待下一个调度区域，这就导致数据调度时的等待延迟。为了降低调度时延，需要引入更灵活的下行控制区域设置，如图4所示，尽量使得有数据传输就有下行控制区域，同时，在解码下行控制信道时数据信道可以提前接收，减少等待接收时间，从而减少由于等待下行控制区域和解码下行控制信道，以及等待数据接收导致的时延，最终实现数据传输时延的降低。图3现有LTE系统控制通道和数据通道结构图4灵活的信道结构处理时延降低对于处理时延降低，除了通过硬件设备和实现算法降低时延外，也可以考虑通过高级自适应编码来降低处理编解码的时延，比如当SNR比较高时，采用卷积编码，当SNR比较低时，采用Turbo编码等。本文介绍了降低空口时延技术，通过帧结构压缩和基于OFDM符号调度的方法，以及终端自主调度，可以显著降低空口数据传输时延，另外，通过灵活的控制区域设置和高级自适应编码，进一步可以降低空口时延，从而满足不同业务的需求，提升未来移动通信系统的性能。后续也可以考虑结合链路自适应优化技术，在保证一定可靠性前提下进行降低数据空口时延研究，以满足超低时延高可靠性的需求，使得移动通信系统具有更广阔的应用场景，提升用户体验。5.第二部分信令交互时延计算初试：CQI时延主要由测量时延，反馈时延，处理时延三部分构成：（1）测量时延指在UE端进行信道测量与CQI量化压缩时产生的时延。系统级仿真的流程图如下所示：用户端测量CQI到基站端使用该CQI的时间间隔为6TTI，即6ms。（2）反馈时延：它指从用户反馈到基站端所用的传输时间，即指的UE端将测量量化后的CQIindex数据传给eNB所用的时间。通常两站之间的距离比较短（几百米），传输的时间为ns两级，所以可以忽略不计。（3）处理时延：它指基站处理接收到的CQI所需要的时间。它在处理了CQI消息之后还要根据各个UE上报的信息进行用户调度，在链路自适应后，在下行链路给被调度的用户传输数据。最后，总的三部分加起来在系统级仿真的时候都被归结在了6ms的总时延当中。