LTE系統的半靜態調度傳輸解決方案


摘要:本文介紹了在長期演進LTE系統中,對VoIPVoice Over IP)、視頻流等業務采用的半靜態調度技術的概念以及實現方式,詳細描述了最新版本協議中半靜態調度傳輸中的問題以及解決方案。

 

一、概述

2005年春季,3GPP就啟動了長期演進LTE(Long Term Evolution)的標准化工作。經過近3年的時間,其標准化工作在2008年底基本完成,目前國內外各大通信設備廠商已經有了比較明確的設備推出時間表。

LTE系統在初期階段即提出在20M帶寬上達到下行100M,上行50M的峰值速率;接入網用戶層時延小於5ms,控制層時延小於100ms等的目標,另外,LTE很重要的一個業務上的特點就是取消了全部電路域的業務,提出了全IP網絡的概念,利用VoIP的分組數據傳輸技術來承載話音業務。LTE系統支持的豐富的業務類型和高速的數據速率,對其分組調度技術也提出了很高的要求。本文將主要介紹LTE系統為了支持VoIP業務,結合系統自身特點所采用的一種新的調度技術—半靜態調度傳輸

 

二、LTE系統中的資源調度

與傳統3G移動通信技術不同的是,LTE系統采用下行OFDMA,上行SC-FDMA的接入方式,供基站進行調度的傳輸資源由以前3G CDMA系統的碼域資源變成了時頻二維資源。同時,LTE系統中取消了專用信道,采用共享信道的調度式資源分配方式,更加可以使得無線資源得以最大限度的有效利用。

LTE系統采用共享資源的方式進行用戶數據的調度傳輸,eNB(基站)可以根據不同用戶的不同信道質量,業務的QoS要求以及系統整體資源的利用情況和干擾水平來進行綜合調度,從而更加有效的利用系統資源,最大限度的提高系統的吞吐量。LTE共享資源調度傳輸的方式如圖1所示

 

 [轉載]LTE系統的半靜態調度傳輸解決方案(上)

                                                           圖1  LTE共享資源調度傳輸的方式

其中,每個方格代表頻域上12個子載波,時域上1ms。

 

LTE系統中,每個用戶會配置有其獨有的無線網絡標識(RNTI),eNB通過用UE的RNTI對授權指示PDCCH進行掩碼來區分用戶,對於同一個UE的不同類型的授權信息,可能會通過不同的RNTI進行授權指示。如對於動態業務,eNB會用UE的小區無線網絡標識(C-RNTI)進行掩碼,對於半靜態調度業務,使用半靜態小區無線網絡標識(SPS-C-RNTI)等。



 

三、半靜態調度技術介紹

LTE采用的共享式資源分配調度方式可以極大程度的利用無線通信資源,但是同時,這種調度方式帶來的開銷也是系統設計者必須要考慮的問題之一。在LTE系統中,取消了全部電路域的話音業務,而代之以數據域的VoIP業務。但由於話音用戶的數量往往比較龐大,LTE又采用共享式調度的資源分配方式,每次傳輸都需要相關的控制信息,所以控制信息的開銷過大將可能變成限制LTE系統所能夠同時支持的用戶數,能達到的系統吞吐量的瓶頸。在LTE系統中,其帶寬所能支持的VoIP用戶數是其可以調度指示用戶數的5倍左右,於是,對於VoIP業務而言,LTE系統控制信息的不足將極大的限制其所同時支持的用戶數。針對這類數據包大小比較固定,到達時間間隔滿足一定規律的實時性業務,LTE引入了一種新的調度方式—半靜態調度技術(Semi-Persistent Scheduling)。簡單而言,半靜態調度方式是指在LTE的調度傳輸過程中,eNB在初始調度通過PDCCH指示UE當前的調度信息,UE識別是半靜態調度,則保存當前的調度信息,每隔固定的周期在相同的時頻資源位置上進行該業務數據的發送或接收。容易理解,使用半靜態調度傳輸,可以充分利用話音數據包周期性到達的特點,一次授權,周期使用,可以有效的節省LTE系統用於調度指示的PDCCH資源,從而可以在不影響通話質量和系統性能的同時,支持更多的話音用戶,並且仍然為動態調度的業務保留一定的控制信息以供使用。

以典型的VoIP業務舉例,其數據包到達周期為20ms,則eNB只要通過PDCCH給UE半靜態調度指示,UE即按照PDCCH的指示進行本次調度數據的傳輸或者接收,並且在每隔20ms之后,在相同的時頻資源位置上進行新到達的VoIP數據包的傳輸或者接收。如圖2所示,標記為綠色的資源即為UE周期進行發送或者接收的資源位置。

[轉載]LTE系統的半靜態調度傳輸解決方案(中)

圖2 半靜態調度資源使用示意圖

對於半靜態調度傳輸,主要有三個關鍵的步驟,即半靜態調度傳輸的激活,半靜態調度傳輸的HARQ過程以及半靜態調度傳輸資源的釋放。

1.    半靜態調度傳輸的激活

LTE系統中,需要進行半靜態調度的業務如VoIP等,在業務建立初期,將由RRC配置相關的半靜態調度參數,如半靜態傳輸時間間隔,半靜態調度小區無線網絡標識(SPS-C-RNTI),上行傳輸功率等。

半靜態調度傳輸的激活由用SPS-C-RNTI進行掩碼的PDCCH指示。在第二章我們提到,UE對於PDCCH的接收是通過屬於自己的無線網絡標識(RNTI)對PDCCH的CRC的解掩碼得到的,對於16比特的SPS-C-RNTI,UE可能會將本非用SPS-C-RNTI掩碼的PDCCH錯誤的認為是半靜態調度傳輸的激活,從而按照其授權信息在固定的頻率資源上周期性的發送或接收信息,則會對系統造成嚴重的干擾。並且由於半靜態調度傳輸是一經激活即長時間,周期性的在固定位置上發送或者接收數據,則如果對PDCCH的錯誤解析會帶來比較長時間的,嚴重的資源沖突和浪費的后果。這樣,對於半靜態調度傳輸的激活信息的可靠性就提出了更高的要求。在LTE標准中,采用了一種稱為“虛擬CRC”的用於半靜態調度的PDCCH校驗機制,即UE除了接收到SPS-C-RNTI掩碼的PDCCH以外,還需要檢查PDCCH中固定的比特位是否設置為預先規定好的值,只有這部分預先約定的比特位全部為設定的值時,UE才認為該PDCCH為半靜態調度傳輸的激活信令。固定的比特位如表1所示

表1 半靜態調度授權信息中的固定比特位

 

DCI format 0

DCI format 1/1A

DCI format 2/2A

TPC command for scheduled PUSCH

set to ‘00’

N/A

N/A

Cyclic shift DM RS

set to ‘000’

N/A

N/A

Modulation and coding scheme and redundancy version

MSB is set to ‘0’

N/A

N/A

HARQ process number

N/A

FDD: set to ‘000’

TDD: set to ‘0000’

FDD: set to ‘000’

TDD: set to ‘0000’

Modulation and coding scheme

N/A

MSB is set to ‘0’

For the enabled transport block:
MSB is set to ‘0’

Redundancy version

N/A

set to ‘00’

For the enabled transport block:
set to ‘00’

 

2.    半靜態調度傳輸的HARQ過程

LTE系統的半靜態調度,由於其周期性、持續性的特點,在HARQ過程中,也和傳統的動態業務有所不同。本文將分別介紹LTE半靜態調度傳輸的上行HARQ過程和下行HARQ過程。

上行

LTE協議中規定,對於半靜態傳輸,上行可以采用同步自適應HARQ或者同步非自適應HARQ兩種方式。非自適應重傳HARQ不需要進行授權,UE按照上一次傳輸所使用的資源和調制編碼方式進行數據的重傳,而自適應重傳需要通過SPS-C-RNTI掩碼的PDCCH進行授權傳輸。由於LTE系統中的上行為同步HARQ,即對於特定數據包的初始傳輸和重傳具有固定的時間間隔,所以會存在半靜態調度傳輸的非自適應重傳和周期性到達的新數據傳輸發生碰撞的情況。如圖3所示為FDD LTE上行半靜態調度傳輸可能發生碰撞的情況

 

[轉載]LTE系統的半靜態調度傳輸解決方案(中)
如圖所示,在上行傳輸次數*HARQ進程傳輸間隔=n*半靜態傳輸周期時,就會發生重傳數據和新數據碰撞的情況,如圖3中,數據包1的第五次重傳就會和數據包3的初始傳輸發生碰撞。這個問題在FDD系統中並不明顯,因為FDD的重傳間隔為8ms,在進行了4次傳輸之后才可能發生碰撞,而4次傳輸基本上可以保證VoIP包的傳輸質量要求。但是對於TDD系統,重傳間隔大多為10ms,則在第3次傳輸時即會發生重傳數據和新數據的碰撞,導致TDD模式下,非自適應重傳只能進行一次,將會使VoIP的業務質量得不到保證。

目前的LTE協議中對此也提出了解決辦法,即周期偏移的方式。UE在兩次半靜態調度傳輸周期內通過一個小的偏移量對周期進行修正,從而有效的避免了重傳數據和新數據的碰撞,如圖4所示,在TDD LTE系統中,協議規定每相鄰兩個周期設置一個偏移值,前后兩個數據包根據偏移值使用不同的傳輸周期。則在這樣配置下,奇數個數據包的實際傳輸周期為(20-Delta)ms,偶數個數據包的實際傳輸周期為(20+Delta)ms

 

[轉載]LTE系統的半靜態調度傳輸解決方案(下)

 

下行

LTE下行采用異步自適應的HARQ傳輸方式。自適應重傳需要通過SPS-C-RNTI掩碼的PDCCH進行授權傳輸,由於是異步HARQ,需要在PDCCH中明確指出當前的重傳信息的HARQ進程。然而我們從表1中可以看出,下行半靜態調度傳輸的激活中,並沒有指出初始傳輸的HARQ進程,這樣就會出現下行半靜態調度的重傳數據不能確定其HARQ進程,導致無法合並的現象。

為了解決半靜態調度下行HARQ的合並問題,LTE協議規定,在下行半靜態調度傳輸中,系統會為下行半靜態調度傳輸預留編號最低的幾個HARQ進程,UE根據自己接收到半靜態調度授權的時間起點來進行循環使用。同時,為了保證下行半靜態傳輸的業務質量要求,給予其足夠的重傳次數,需要在下行預留多個HARQ進程用於半靜態調度的傳輸。但是由於半靜態調度傳輸主要用於低速率數據包的傳輸,所以預留多個HARQ進程會對UE的峰值速率造成影響。為了解決下行半靜態調度傳輸的可靠性和保持盡可能高的下行峰值速率的矛盾,LTE協議中支持半靜態調度傳輸和動態調度傳輸共享下行進程的機制,即在半靜態調度傳輸兩次使用同一HARQ進程之間,如果其傳輸正確,則動態業務可以在半靜態業務下一次使用該進程之前臨時使用這個HARQ進程。如圖5所示:

 

[轉載]LTE系統的半靜態調度傳輸解決方案(下)

 

3.    半靜態調度資源的釋放

半靜態調度技術具有一次調度,周期進行發送或者接收的特點,其配置的資源在使用完畢之后的釋放將變得非常重要。如果系統資源在半靜態調度業務結束之后沒有成功釋放,則可能會對其他用戶造成嚴重的干擾,從而導致系統性能的下降。舉例而言,對於上行半靜態調度傳輸,如果系統沒有在其業務結束后將其使用的半靜態資源釋放或者釋放失敗,則該UE將繼續在配置的資源上進行傳輸,而此時eNB可能已經將該資源分配給其他用戶進行數據傳輸,這樣就會造成嚴重的同頻率干擾,導致基站無法進行解調;同樣,對於下行傳輸來說,如果系統沒有在UE半靜態業務結束之后釋放其資源或者釋放失敗,UE會繼續在配置好的資源位置上接收數據,而此時eNB將該資源分配給其他用戶,這樣就會帶來UE對於不屬於自己的數據進行解調並且發送HARQ反饋信息,對基站接收造成干擾的后果,並且還會帶來UE側電力的浪費。

目前LTE協議規定,eNB需要通過以SPS-C-RNTI掩碼的PDCCH指示UE進行上行/下行半靜態調度資源的釋放。並且對PDCCH的格式做出了相應的規定,以達到更加可靠的釋放的效果。同時,為了進一步增強其可靠性,UE如果釋放成功,還需要向eNB進行ACK/NACK的反饋。如表2所示為用於釋放半靜態調度資源的PDCCH格式

表2半靜態調度釋放信息中的固定比特位

 

DCI format 0

DCI format 1A

TPC command for scheduled PUSCH

set to ‘00’

 

N/A

Cyclic shift DM RS

set to ‘000’

 

N/A

Modulation and coding scheme and redundancy version

set to ‘11111’

N/A

Resource block assignment and hopping resource allocation

Set to all ‘1’s

N/A

HARQ process number

N/A

FDD: set to ‘000’

 TDD: set to ‘0000’

Modulation and coding scheme

N/A

set to ‘11111’

Redundancy version

N/A

set to ‘00’

Resource block assignment

N/A

Set to all ‘1’s

同時,由於上行半靜態調度傳輸釋放失敗的后果相對更加嚴重,LTE系統還為上行半靜態調度資源的釋放規定了一種隱式的規則,即eNB通過RRC信令配置一個UE發送不包含任何數據的次數n,如果eNB對其半靜態調度資源的顯式釋放UE沒有收到,但是其已經連續進行了n次不包含任何數據的傳輸,則UE會自動釋放半靜態調度配置的資源,停止半靜態調度數據的發送。

四、總結

本文對目前已經凍結的LTE Release 8協議中規定的半靜態調度方式進行了詳細而深入的介紹,包括其激活、修改、重傳以及釋放過程,並分析了采用目前這種方式的原因和優點。

隨着LTE協議規范的制定完畢,LTE的產品的研發的不斷深入,LTE距離市場也越來越近。半靜態調度作為一種新興的調度方式,有針對性的面向VoIP等業務,可以有效的節省其信令開銷,增加系統的話音用戶容量,提高系統的有效性。而LTE系統中對VoIP技術的更好支持,必將使人類的移動通信體驗發生質的飛躍。

五、參考文獻

[1] 3GPP TS 36.321 v8.6.0 2009-06

[2] 3GPP TS 36.213 v8.7.0 2009-06

 

原博文地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_4cee65510100iv7r.html  作者:孫悟空

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