LTE-M系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)傳輸改進方案

王翔 孫發(fā)帥

摘要：空口傳輸過程中有很多不確定性會導(dǎo)致調(diào)度請求（SR）發(fā)送失敗或滯后，影響LTE-M系統(tǒng)下業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r延和可靠性。為解決該問題，提出了一種針對LTE-M系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。通過周期性低頻率地向非調(diào)度狀態(tài)終端發(fā)送授權(quán)信令，當有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要傳輸時，終端通過上行周期授權(quán)過程迅速恢復(fù)服務(wù)，節(jié)省通過SR過程獲取上報緩存區(qū)狀態(tài)報告（BSR）所需上行資源的時間，并且避免因SR上報失敗增加傳輸時延。仿真結(jié)果表明，該方案可以有效降低LTE-M系統(tǒng)下終端上行數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)時延、增強數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性及提升系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞：LTE-M系統(tǒng)；上行；周期授權(quán)；調(diào)度請求

中圖分類號：TN929.52文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）03-61-4

0引言

LTE-M系統(tǒng)是針對城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載需求的TD-LTE系統(tǒng)，在保證基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）車地信息傳輸基礎(chǔ)上，可同時傳輸視頻監(jiān)控（IMS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車運行狀態(tài)監(jiān)測及集群調(diào)度業(yè)務(wù)等信息。

在LTE-M系統(tǒng)中，為充分利用和分配空口資源，設(shè)置空口資源管理模塊———調(diào)度模塊[1]。在上行數(shù)據(jù)傳輸過程中，終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要提前獲得基站調(diào)度模塊分配的空口資源[2]。對于處在調(diào)度狀態(tài)的終端，調(diào)度模塊把資源分配信息通過物理控制信道（PDCCH）發(fā)送給終端。終端接收到資源分配信息后，把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按資源分配信息打包，通過空口發(fā)送給基站，基站正確接收后完成上行數(shù)據(jù)傳輸。對于不處在調(diào)度狀態(tài)的終端，終端需要先發(fā)送調(diào)度請求告知基站有上行數(shù)據(jù)需要傳輸，進入調(diào)度狀態(tài)后才能進行數(shù)據(jù)發(fā)送[3]。

空口傳輸有很多的不確定性會導(dǎo)致SR發(fā)送失敗或滯后，終端芯片自身性能也會影響SR流程發(fā)起。終端不能及時正確地發(fā)送SR到基站，就不能加入上行調(diào)度隊列，獲取基站調(diào)度模塊分配的空口資源開始上行數(shù)據(jù)傳輸[4]。如果終端發(fā)送SR之后，沒有在PDCCH信道收到對應(yīng)的SR資源授權(quán)，就會在下一周期繼續(xù)發(fā)送SR，這種發(fā)送機制最大可能保證SR發(fā)送成功。但是，每次發(fā)送SR會間隔一段時間，增大業(yè)務(wù)傳輸總體時延，而且不能解決終端芯片流程異常不觸發(fā)SR的問題。在研究現(xiàn)有的上行數(shù)據(jù)傳輸方案后，為了解決各種因素引起的SR不能快速送達的問題，提出了一種LTE-M系統(tǒng)，通過給予終端占用少量資源的上行周期授權(quán)，來提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的優(yōu)化傳輸方案。

1傳統(tǒng)傳輸方案

傳統(tǒng)方案上行數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1所示。

上行數(shù)據(jù)傳輸資源的分配在基站MAC層完成，因此終端有上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送時需要通知基站[5]。終端通過發(fā)送SR通知基站需要獲取上報BSR空口資源，基站收到SR后，因為不知道終端緩存數(shù)據(jù)信息，會為終端分配固定大小的空口資源[6]，終端在基站分配的資源上上報BSR?；驹谑盏浇K端的緩存數(shù)據(jù)信息后，把終端加入到上行調(diào)度隊列，按終端提供BSR中的數(shù)據(jù)信息進行資源授權(quán)分配，通過空口把資源分配信息發(fā)送給終端[7]。終端按接收的資源分配信息組裝數(shù)據(jù)塊，進行上行數(shù)據(jù)傳輸。

在上行數(shù)據(jù)傳輸過程會遇到SR發(fā)送失敗或滯后的狀況。終端注冊后，基站會為終端分配固定的資源位置傳輸SR[8]。終端傳輸SR不能保證每次成功，在發(fā)送一次SR后，沒有收到基站的資源授權(quán)，終端會再次發(fā)送SR保障傳輸成功[9]。在某些情況下會遇到終端SR流程不能及時觸發(fā)的問題，導(dǎo)致SR傳輸滯后。不管是重傳還是觸發(fā)滯后，都會增大數(shù)據(jù)上行傳輸時延[10]，分析基站運行日志發(fā)現(xiàn)，每次SR重傳傳輸時延增大20 ms（根據(jù)參數(shù)設(shè)置不同有所區(qū)別）；每次SR傳輸滯后，傳輸時延會增大160 ms[11]。而LTE-M系統(tǒng)要求單路單向傳輸時延不超過150 ms，時延越小，系統(tǒng)業(yè)務(wù)運行可靠性越高，SR的重傳或滯后會明顯影響業(yè)務(wù)傳輸效果。

2優(yōu)化傳輸方案

針對上述問題，提出了一種針對LTE-M系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。通過周期性低頻率地向非調(diào)度狀態(tài)終端發(fā)送授權(quán)信令，當有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要傳輸時，終端可以通過使用上行周期授權(quán)來跳過SR過程，節(jié)省通過SR獲取上報BSR所需上行資源的時間，并且避免因為SR上報失敗或滯后拉長傳輸時延。優(yōu)化的傳輸方案如圖2所示。

優(yōu)化傳輸方案由兩部分組成：周期資源分配和無SR發(fā)起上行數(shù)據(jù)傳輸。在傳統(tǒng)傳輸方案中，終端分為調(diào)度態(tài)和非調(diào)度態(tài)。在調(diào)度態(tài)，基站會持續(xù)為終端分配無線資源；非調(diào)度態(tài)，基站不會為終端分配無線資源。非調(diào)度態(tài)終端有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要傳輸時，從發(fā)送SR開始。

新傳輸方案中，基站會判斷終端狀態(tài)，對調(diào)度態(tài)終端不做處理；對非調(diào)度態(tài)終端，基站給予低頻率的占用少量資源的上行周期授權(quán)信號。當有新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，非調(diào)度態(tài)終端如果已經(jīng)收到過基站分配的上行周期資源授權(quán)，則可以在周期資源授權(quán)上報BSR?；驹谑盏浇K端的BSR信令之后，把終端轉(zhuǎn)為調(diào)度態(tài)，持續(xù)為終端分配無線資源，直至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸完畢，再次把終端轉(zhuǎn)為非調(diào)度態(tài)。

在新方案下，非調(diào)度態(tài)終端可以使用低頻率的周期授權(quán)資源上報BSR，進入調(diào)度態(tài)發(fā)送上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，而非必須使用SR獲取上報BSR資源，達到避免因為SR上報失敗或滯后拉長傳輸時延的目的。

新方案周期授權(quán)的頻率越高，系統(tǒng)的時延性能越好，消耗的資源越多；頻率越低，系統(tǒng)消耗的資源越少，時延性能提升越少。周期值因部署場景而定，因需求而定，并非一成不變。

3仿真分析

優(yōu)化傳輸方案通過使用上行周期授權(quán)來跳過SR過程，節(jié)省通過SR獲取上報BSR所需上行資源的時間，并且避免因為SR上報失敗或滯后增大傳輸時延。本文的仿真方案是通過記錄傳輸時延來證明新傳輸方案對傳輸時延性能的提升。

（1）仿真環(huán)境

仿真使用單位自研LTE-M專網(wǎng)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)通過了LTE-M行業(yè)準入測試認證。測試業(yè)務(wù)選用ping包和時延業(yè)務(wù)，觀察一段時間內(nèi)傳輸時延。具體測試參數(shù)如表1所示[12]。

（2）仿真結(jié)果及分析

按照表1參數(shù)對傳統(tǒng)傳輸方案和優(yōu)化的傳輸方案進行仿真。仿真通過ping包和時延2種業(yè)務(wù)的環(huán)回時延展示2種傳輸方案的性能。環(huán)回時延是通信系統(tǒng)時延性能測試通用評價指標，為系統(tǒng)下行和上行數(shù)據(jù)傳輸時延之和。本文仿真測試結(jié)果差異來自上行數(shù)據(jù)傳輸時延。

ping包業(yè)務(wù)得到的測試結(jié)果如圖3和圖4所示，時延業(yè)務(wù)得到的測試結(jié)果如圖5和圖6所示。

時延業(yè)務(wù)測試結(jié)果以圖形方式給出，直觀但不夠細致，時延業(yè)務(wù)測試統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

圖3是傳統(tǒng)方案ping包業(yè)務(wù)時延，平均值是39 ms；圖4是優(yōu)化方案ping包業(yè)務(wù)時延，平均值是15 ms。圖4測試結(jié)果比圖3低24 ms，說明新傳輸方案可以通過使用上行周期授權(quán)來跳過SR過程，有效降低上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸時延。表2顯示的平均時延測試結(jié)果也支持這一結(jié)論，因為ping包業(yè)務(wù)和時延業(yè)務(wù)在生成機制和包大小方面不同，所以它們的測試結(jié)果略有差異。

圖5是傳統(tǒng)方案時延業(yè)務(wù)測試結(jié)果，最大時延為186 ms；圖6是優(yōu)化方案時延業(yè)務(wù)測試結(jié)果，最大值是46 ms。圖5測試結(jié)果最大時延186 ms，這是SR傳輸滯后所導(dǎo)致的，說明SR傳輸失敗或滯后會明顯影響上行數(shù)據(jù)傳輸時延性能。圖6測試結(jié)果良好，說明優(yōu)化方案可以避免因為SR上報失敗或滯后拉長傳輸時延。通過對比2種業(yè)務(wù)仿真測試結(jié)果，可以說明優(yōu)化方案時延性能優(yōu)于傳統(tǒng)方案，實現(xiàn)設(shè)計目標。

4結(jié)束語

本文提出了一種應(yīng)用于LTE-M系統(tǒng)降低上行數(shù)據(jù)傳輸時延的優(yōu)化方案。優(yōu)化的傳輸方案通過使用上行周期授權(quán)來跳過SR過程，節(jié)省通過SR獲取上報BSR所需上行資源的時間，并且避免因為SR上報失敗或滯后拉長傳輸時延。通過對2種傳輸方案仿真得到的時延結(jié)果分析可以得出，優(yōu)化的傳輸方案有效降低上行數(shù)據(jù)傳輸時延，提升基站的時延性能。

參考文獻

[1] SALMAN A，MUHAMMAD Z.A Delay-scheduler Coupled Game Theoretic Resource Allocation Scheme for LTE Networks[C]//IEEE Frontiers of Information Technology. Islamabad： IEEE，2013：14-19.

[2] CAPOZZI F，PIRO G，GRIECO L A， et al.Downlink Packet Scheduling in LTE Cellular Networks： Key Design Issues and A Survey[C]//IEEE Communications Surveys & Tutorials. London： IEEE， 2012：1-23.

[3]梁倩.支持多媒體業(yè)務(wù)QoS的LTE下行調(diào)度算法研究[D].南京：南京郵電大學，2013.

[4]劉博.LTE中基于QoS的下行分組調(diào)度算法的研究[D].長春：吉林大學，2011.

[5] RAMLI H A M， BASUKALA R， SANDRASEGARAN K， PATACHAIANAND R. Performance of well known packet scheduling algorithms in the downlink 3GPP LTE system[C]// IEEE 9th Malaysia International Conference on Communications. Kuala Lumpu r： IEEE，2009：815-819.

[6] GIUSEPPE P，LUIGI A G，GENNARO B，et al.Simulating LTE Cellular Systems： an Open Source Framework[C]//IEEE Trans.，Veh. Technol. Paris ： IEEE， 2010：1-16.

[7] BASUKALA R， RAMLI H A M， SANDRASEGARAN K， et al. Impact of CQI Feedback Rate/Delay on Scheduling Video Streaming Services In LTE Downlink[C]// 2010 IEEE 12th International Conference on Communication Technology. Lyon：IEEE， 2010：1349-1352.

[8] MUNTEAN V H， OTESTEANU M，MUNTEAN G M.QoS Parameters Mapping for the E-learning Traffic Mix in LTE Networks[C]//IEEE International Joint Conferences on Computational Cybernetics and Technical Informatics. Timisora： IEEE， 2010：299-304.

[9]劉偉.LTE系統(tǒng)中基于混合業(yè)務(wù)的分組調(diào)度算法研究[D].長春：吉林大學，2012.

[10] SUN S Y， YU Q Y， MENG W X. A Configurable Dual-mode Algorithm on Delay-Aware Low-Computation Scheduling and Resource Allocation in LTE Downlink [C] // IEEE Wireless Communications and Networking Conference： MAC and Cross-layer Design. Bangkok： IEEE， 2012：1444-1449.

[11]崔亞南，蘇寒松，朱世兵.LTE下行基于QoS的混合業(yè)務(wù)調(diào)度算法[J].微型機與應(yīng)用，2013，32（21）：51-54.

[12]馬康，金杰，蘇寒松，等.LTE系統(tǒng)ARQ重傳資源重分配[J].計算機工程與應(yīng)用，2014，50（12）：106-110.