如何降低LTE系统时延及空口时延？

　　对于移动通信业务而言，最重要的时延是端到端时延，即对于已经建立连接的收发两端，数据包从发送端产生，到接收端正确接收的时延。根据业务模型不同，端到端时延可分为单程时延和回程时延，其中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。
　　现有的移动通信主要是人与人之间的通信，随着硬件设备的小型化和智能化，未来的移动通信更多“人与物”及“物与物”之间的高速连接应用。机器通信（Machine Type Communication，MTC）业务应用范围非常广泛，如移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动MTC系统应用爆发式增长，大量设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，为移动通信带来无限生机。同时，广泛的MTC系统应用范围也会给移动通信带来新的技术挑战，例如实时云计算、虚拟现实、在线游戏、远程医疗、智能交通、智能电网、远程实时控制等业务对时延比较敏感，对时延提出更高的需求，而现有LTE系统无法满足该需求，需要进行研究。
　　本文主要介绍了未来MTC业务的时延需求，分析了LTE系统现有时延，阐述了降低时延的关键技术。
　　MTC业务时延需求分析
　　未来MTC数据传输时延会进一步降低，当通信的响应时间比系统应用的时间约束快时，就可以获得实时的通信体验。下面给出了四种典型应用的时间约束：
　　●人体肌肉响应时间在0.5s~1s，这意味着人在点击一个连接时，如果该连接能在0.5s时间建立，人们就可以实现实时的网页浏览感受。
　　●听觉：当声音信号在70ms~100ms内可以被准备接收时，人们就可以实现实时通话。考虑到声波的速度，这意味着当两个人距离超过30m时，两人单纯依靠声波无法实现实时交流。
　　●视觉：人类视觉的分辨率一般不超过100Hz，这意味这只要图像的更新速率不低于100Hz（延时不超过10ms），人们就可以获得无缝的视频体验。
　　●触觉：这方面要达到实时，要求延时限制在几ms级别，涉及的应用包括使用移动3D目标、虚拟现实、智能交通中的业务安全控制、智能电网等。
　　业界提出要把现有系统的端到端延迟降低5倍以上，并且，在考虑第5代移动通信系统的需求时认为RTT（Round Trip Time，回环时延）在1ms数量级。实时游戏、M2M、传感器报警或事件检测场景应该成为研究重点，部分场景对时延的要求不超过100ms，其中，基于传感器报警或事件检测场景有最低达2ms的时延要求。
　　因此，在超低时延场景MTC系统时延需要考虑毫秒级的空口时延。
　　LTE系统现有时延分析
　　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.下面以连接态下物理下行共享信道行（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）传输下行数据和物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）传输上行数据为例进行时延分析。
　　在LTE FDD系统中，在子帧n上，基站使用物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，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.
　　
　　图1 下行数据传输
　　在LTE FDD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（Schedule Request，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，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.
　　
　　图2 上行数据传输
　　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。
　　数据传输时长降低
　　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。