王翔 孫發(fā)帥

摘要：空口傳輸過(guò)程中有很多不確定性會(huì)導(dǎo)致調(diào)度請(qǐng)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(shí)延和可靠性。為解決該問(wèn)題，提出了一種針對(duì)LTE-M系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。通過(guò)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(dāng)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，終端通過(guò)上行周期授權(quán)過(guò)程迅速恢復(fù)服務(wù)，節(jié)省通過(guò)SR過(guò)程獲取上報(bào)緩存區(qū)狀態(tài)報(bào)告（BSR）所需上行資源的時(shí)間，并且避免因SR上報(bào)失敗增加傳輸時(shí)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(shí)延、增強(qiáng)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(qǐng)求

中圖分類號(hào)：TN929.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）03-61-4

0引言

LTE-M系統(tǒng)是針對(duì)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(shí)傳輸視頻監(jiān)控（IMS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(guò)程中，終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要提前獲得基站調(diào)度模塊分配的空口資源[2]。對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(qǐng)求告知基站有上行數(shù)據(jù)需要傳輸，進(jìn)入調(diào)度狀態(tài)后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送[3]。

空口傳輸有很多的不確定性會(huì)導(dǎo)致SR發(fā)送失敗或滯后，終端芯片自身性能也會(huì)影響SR流程發(fā)起。終端不能及時(shí)正確地發(fā)送SR到基站，就不能加入上行調(diào)度隊(duì)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(méi)有在PDCCH信道收到對(duì)應(yīng)的SR資源授權(quán)，就會(huì)在下一周期繼續(xù)發(fā)送SR，這種發(fā)送機(jī)制最大可能保證SR發(fā)送成功。但是，每次發(fā)送SR會(huì)間隔一段時(shí)間，增大業(yè)務(wù)傳輸總體時(shí)延，而且不能解決終端芯片流程異常不觸發(fā)SR的問(wèn)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(dá)的問(wèn)題，提出了一種LTE-M系統(tǒng)，通過(guò)給予終端占用少量資源的上行周期授權(quán)，來(lái)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(shí)需要通知基站[5]。終端通過(guò)發(fā)送SR通知基站需要獲取上報(bào)BSR空口資源，基站收到SR后，因?yàn)椴恢澜K端緩存數(shù)據(jù)信息，會(huì)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(bào)BSR。基站在收到終端的緩存數(shù)據(jù)信息后，把終端加入到上行調(diào)度隊(duì)列，按終端提供BSR中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行資源授權(quán)分配，通過(guò)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(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸。

在上行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程會(huì)遇到SR發(fā)送失敗或滯后的狀況。終端注冊(cè)后，基站會(huì)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(méi)有收到基站的資源授權(quán)，終端會(huì)再次發(fā)送SR保障傳輸成功[9]。在某些情況下會(huì)遇到終端SR流程不能及時(shí)觸發(fā)的問(wèn)題，導(dǎo)致SR傳輸滯后。不管是重傳還是觸發(fā)滯后，都會(huì)增大數(shù)據(jù)上行傳輸時(shí)延[10]，分析基站運(yùn)行日志發(fā)現(xiàn)，每次SR重傳傳輸時(shí)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(shí)延會(huì)增大160 ms[11]。而LTE-M系統(tǒng)要求單路單向傳輸時(shí)延不超過(guò)150 ms，時(shí)延越小，系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行可靠性越高，SR的重傳或滯后會(huì)明顯影響業(yè)務(wù)傳輸效果。

2優(yōu)化傳輸方案

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種針對(duì)LTE-M系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。通過(guò)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(dāng)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，終端可以通過(guò)使用上行周期授權(quán)來(lái)跳過(guò)SR過(guò)程，節(jié)省通過(guò)SR獲取上報(bào)BSR所需上行資源的時(shí)間，并且避免因?yàn)镾R上報(bào)失敗或滯后拉長(zhǎng)傳輸時(shí)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(wú)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(huì)持續(xù)為終端分配無(wú)線資源；非調(diào)度態(tài)，基站不會(huì)為終端分配無(wú)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(shí)，從發(fā)送SR開始。

新傳輸方案中，基站會(huì)判斷終端狀態(tài)，對(duì)調(diào)度態(tài)終端不做處理；對(duì)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(hào)。當(dāng)有新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，非調(diào)度態(tài)終端如果已經(jīng)收到過(guò)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(bào)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(wú)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(bào)BSR，進(jìn)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(bào)BSR資源，達(dá)到避免因?yàn)镾R上報(bào)失敗或滯后拉長(zhǎng)傳輸時(shí)延的目的。

新方案周期授權(quán)的頻率越高，系統(tǒng)的時(shí)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(shí)延性能提升越少。周期值因部署場(chǎng)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(guò)使用上行周期授權(quán)來(lái)跳過(guò)SR過(guò)程，節(jié)省通過(guò)SR獲取上報(bào)BSR所需上行資源的時(shí)間，并且避免因?yàn)镾R上報(bào)失敗或滯后增大傳輸時(shí)延。本文的仿真方案是通過(guò)記錄傳輸時(shí)延來(lái)證明新傳輸方案對(duì)傳輸時(shí)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(guò)了LTE-M行業(yè)準(zhǔn)入測(cè)試認(rèn)證。測(cè)試業(yè)務(wù)選用ping包和時(shí)延業(yè)務(wù)，觀察一段時(shí)間內(nèi)傳輸時(shí)延。具體測(cè)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(duì)傳統(tǒng)傳輸方案和優(yōu)化的傳輸方案進(jìn)行仿真。仿真通過(guò)ping包和時(shí)延2種業(yè)務(wù)的環(huán)回時(shí)延展示2種傳輸方案的性能。環(huán)回時(shí)延是通信系統(tǒng)時(shí)延性能測(cè)試通用評(píng)價(jià)指標(biāo)，為系統(tǒng)下行和上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延之和。本文仿真測(cè)試結(jié)果差異來(lái)自上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

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

時(shí)延業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果以圖形方式給出，直觀但不夠細(xì)致，時(shí)延業(yè)務(wù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖3是傳統(tǒng)方案ping包業(yè)務(wù)時(shí)延，平均值是39 ms；圖4是優(yōu)化方案ping包業(yè)務(wù)時(shí)延，平均值是15 ms。圖4測(cè)試結(jié)果比圖3低24 ms，說(shuō)明新傳輸方案可以通過(guò)使用上行周期授權(quán)來(lái)跳過(guò)SR過(guò)程，有效降低上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延。表2顯示的平均時(shí)延測(cè)試結(jié)果也支持這一結(jié)論，因?yàn)閜ing包業(yè)務(wù)和時(shí)延業(yè)務(wù)在生成機(jī)制和包大小方面不同，所以它們的測(cè)試結(jié)果略有差異。

圖5是傳統(tǒng)方案時(shí)延業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果，最大時(shí)延為186 ms；圖6是優(yōu)化方案時(shí)延業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果，最大值是46 ms。圖5測(cè)試結(jié)果最大時(shí)延186 ms，這是SR傳輸滯后所導(dǎo)致的，說(shuō)明SR傳輸失敗或滯后會(huì)明顯影響上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延性能。圖6測(cè)試結(jié)果良好，說(shuō)明優(yōu)化方案可以避免因?yàn)镾R上報(bào)失敗或滯后拉長(zhǎng)傳輸時(shí)延。通過(guò)對(duì)比2種業(yè)務(wù)仿真測(cè)試結(jié)果，可以說(shuō)明優(yōu)化方案時(shí)延性能優(yōu)于傳統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4結(jié)束語(yǔ)

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(shí)延的優(yōu)化方案。優(yōu)化的傳輸方案通過(guò)使用上行周期授權(quán)來(lái)跳過(guò)SR過(guò)程，節(jié)省通過(guò)SR獲取上報(bào)BSR所需上行資源的時(shí)間，并且避免因?yàn)镾R上報(bào)失敗或滯后拉長(zhǎng)傳輸時(shí)延。通過(guò)對(duì)2種傳輸方案仿真得到的時(shí)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(shí)延，提升基站的時(shí)延性能。

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