《電子技術應用》
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LTE系統(tǒng)上行半靜態(tài)調(diào)度資源碰撞問題的改進
來源:電子技術應用2013年第7期
高繼珂, 張德民
重慶郵電大學 移動通信重點實驗室,重慶400065
摘要: 調(diào)度是LTE(長期演進)系統(tǒng)中基站為每個用戶分配資源的重要環(huán)節(jié)和關鍵技術。針對LTE系統(tǒng)中的網(wǎng)絡電話(VoIP)、視頻流等業(yè)務,LTE提出了一種新型的調(diào)度方式——半靜態(tài)調(diào)度。在資源調(diào)度中上行資源更為寶貴,針對上行半靜態(tài)混合重傳(HARQ)過程中可能存在的資源碰撞問題,通過對半靜態(tài)調(diào)度周期以及半靜態(tài)授權起始位置的研究,得出了不同配置下具有針對性的上行周期,并提出了一種延遲發(fā)送碰撞進程的解決方案,減少了資源碰撞,有效提高了系統(tǒng)的資源利用率和穩(wěn)定性。
中圖分類號: TN929.5
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)07-0103-03
Improvement of uplink semi-persistent scheduling resource collision problem in LTE system
Gao Jike, Zhang Demin
Key Lab of Mobile Communications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
Abstract: In LTE(Long Term Evolution) system, schedule is an important technology for basic station allocating resources to users. LTE system puts forward a new schedule method: semi-persistent scheduling(SPS) for services such as VoIP(Voice on Internet Protocol), mediastream and so on. Uplink resource is very precious in resources scheduling. Considering the problem of resource collision in uplink semi-persistent scheduling HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) process, this paper makes a thorough research on semi-persist scheduling interval and semi-persistent scheduling initial place, gets the best uplink period and designs the method that delaying the transmission of collision process. The result shows that the method reduces the problem of resource collision, improves resource utilization rate and makes an improvement on system stability.
Key words : semi-persistent scheduling; HARQ; semi-persistent scheduling interval

    LTE(Long Term Evolution)項目是3G的演進,是3.9 G的全球標準,它改進并增強了3G 的空中接入技術。相比3G,LTE在系統(tǒng)帶寬、網(wǎng)絡時延、移動性方面都有了跨越式的發(fā)展。在LTE 中多用戶、小數(shù)據(jù)量的應用(例如VoIP)其數(shù)據(jù)包的大小相對比較固定,而且數(shù)據(jù)包之間的時間間隔也滿足一定的規(guī)律性,針對這種業(yè)務,LTE提出了一種全新的調(diào)度方式——半靜態(tài)調(diào)度SPS(Semi-Persistent Scheduling),而HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)對保證傳輸質(zhì)量有著重要作用。相對于下行資源,上行資源更為寶貴。為此,首先介紹了上行調(diào)度中的半靜態(tài)技術以及其HARQ操作,著重分析了HARQ過程中造成的資源碰撞問題并提出了解決方案。

1 半靜態(tài)調(diào)度傳輸
    演進基站eNB(evolve Node B)在連接建立時就配置好半靜態(tài)調(diào)度的參數(shù),再通過PDCCH激活半靜態(tài)調(diào)度。一旦SPS調(diào)度被激活,UE將認為在固定周期的子幀上存在固定的頻域資源進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。可見,SPS調(diào)度具有一次授權、周期使用的特點,這非常適合VoIP、視頻流等IP業(yè)務的傳輸。半靜態(tài)調(diào)度傳輸,可以充分利用話音數(shù)據(jù)包周期性到達的特點,一次授權,周期使用,可以有效地節(jié)省LTE系統(tǒng)用于調(diào)度指示的PDCCH資源,從而可以在不影響通話質(zhì)量和系統(tǒng)性能的同時,支持更多的話音用戶,并且仍然為動態(tài)調(diào)度的業(yè)務保留一定的控制信息以供使用。
    完整的半靜態(tài)調(diào)度傳輸分為4個步驟:半靜態(tài)參數(shù)配置、半靜態(tài)調(diào)度激活、上下行半靜態(tài)傳輸與HARQ以及半靜態(tài)調(diào)度釋放。本文主要著重分析上行半靜態(tài)調(diào)度機制及其HARQ過程。
1.1半靜態(tài)參數(shù)配置(上行)
    網(wǎng)絡端RRC在連接建立時將參數(shù)配置給UE端的RRC層,經(jīng)UE端RRC層解析出來之后保存,同時發(fā)給底層的MAC層。上行半靜態(tài)調(diào)度的主要參數(shù)包括:
    semiPersistSchedC-RNTI
    上行半靜態(tài)配置:
    semiPersistSchedIntervalUL
    ENUMERATED{10 ms,20 ms,32 ms,40 ms,64 ms,80 ms,
        160 ms,320 ms,640 ms}
    impliciReleaseAfter
    ENUMERATED{e2,e3,e4,e8}
    twoIntervalsConfig
    ENUMERATED{true}
1.2 上行半靜態(tài)調(diào)度及HARQ過程
    第N次半靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈恢每梢杂上旅娴墓酵扑愕贸觯?br/>     (10×SFN+subframe)=[(10×SFNstart time+subframestort time)+
     N×semiPersisSchedIntervalUL]mod 102 40
    這里,SFN為上行半靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線幀號,subframe為上行半靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖訋?,SFNstart time與subframestort time上行半靜態(tài)調(diào)度激活后第一次半靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸對應的無線幀號和子幀號,其中,N≥0,N=0對應激活后的第一次上行半靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。
    LTE協(xié)議中規(guī)定,對于上行半靜態(tài)傳輸,數(shù)據(jù)的重傳方式可以是同步自適應HARQ或同步非自適應HARQ兩種方式,非自適應重傳用的是上一次傳輸所使用的資源和調(diào)制編碼方式。上行為同步HARQ,數(shù)據(jù)的初始傳輸以及重傳都有固定的時間間隔,所以會存在半靜態(tài)數(shù)據(jù)的非自適應重傳和周期性到達的新數(shù)據(jù)的碰撞問題,降低了資源利用率,本文以TDD(Time Division Dual)簡述存在的碰撞問題。
    對TDD上下行配置2,上行半靜態(tài)周期(semiPersistSchedIntervalUL)10 ms,如圖1所示。

    UE在子幀3收到SPS C-RNTI 擾碼的PDCCH,且DCI和NDI均符合半靜態(tài)激活條件時,在子幀7上進行半靜態(tài)調(diào)度的初始傳輸,且每隔10 ms發(fā)送一次上行數(shù)據(jù)。在子幀3上收到進程0的NACK反饋[1],可以看到,進程1新數(shù)據(jù)的上行傳輸和進程0的重傳是在同一子幀,從而產(chǎn)生資源碰撞問題。
   由以上分析可知,對于進程0,第一次的上行重傳就產(chǎn)生碰撞,這對于系統(tǒng)的資源利用率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響,對此,LTE提出了雙周期半靜態(tài)調(diào)度的解決方案。twoIntervalsConfig值置為true,且對于不同的初始上行半靜態(tài)調(diào)度起始位置,有相對應的子幀偏移(Subframe_Offset)[2],第N次半靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈恢每梢杂上旅娴墓酵扑愕贸觯?br/>     (10×SFN+subframe)=[(10×SFNstart time+subframestort time)+
            N×semiPersisSchedIntervalUL+Subforam_Offset×
        (N mod 2)]mod10240
其中,N≥0,N=0對應激活后的第一次上行半靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。針對上面的情況,具體的調(diào)度方式如圖2。

    由圖2可以看出,進行雙周期配置后上行半靜態(tài)調(diào)度的周期變?yōu)?semiPersistSchedIntervalUL+SubframeOffset和semiPersistSchedIntervalUL+SubframeOffset。圖2中半靜態(tài)調(diào)度的周期變?yōu)? ms和10 ms交替,且進程0的重傳次數(shù)由一次變?yōu)閮纱?,重傳次?shù)的增加對于VoIP等業(yè)務的質(zhì)量有了一定的提升。
2 問題分析及解決辦法
    在LTE系統(tǒng)中,對于TDD系統(tǒng),一個VoIP包進行4次傳輸才基本上可以保證其傳輸質(zhì)量[3]。對于上例中所述,相對于無雙周期的上行半靜態(tài)調(diào)度,雙周期配置的調(diào)度方式數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)增加了一倍,但是對于VoIP的業(yè)務質(zhì)量并有較大的提升。在重點研究了半靜態(tài)調(diào)度的初始調(diào)度位置和周期后,提出了以下解決方案。
2.1上行半靜態(tài)調(diào)度周期的選擇方案

 


  根據(jù)1.2節(jié)的分析可以看出,選擇一個合適的半靜態(tài)周期可以相應地增加半靜態(tài)重傳的次數(shù),對于雙周期配置,不同的上下行配置和上行半靜態(tài)初始位置,所對應的子幀偏移(Subframe_Offset)不同,第N1個半靜態(tài)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)奈恢每捎上率降玫剑?br/>     SPS initial place+(N1-1)×semiPersisSchedIntervalUL+
Subframe_Offset×(N1-1)mod2
    而某個數(shù)據(jù)的第N2次重傳的位置可由下式得到:
    Re transmission initial place+(N2-1)×Re transmissionInterval
    如果兩式相等,則可以判斷重傳是否與新數(shù)據(jù)的傳輸發(fā)生碰撞。可以得到下式:
    SPS initial place+(N1-1)×semiPersisSchedIntervalUL+
Subframe_Offset×(N1-1)mod2=Re transmission interval place+
(N2-1)×Re transmissionInterval
    由于具有雙周期配置的上行半靜態(tài)調(diào)度周期是短周期和長周期的交替,故只需選擇短周期和長周期上各一個數(shù)據(jù)包的傳輸案例,就可以代表整個半靜態(tài)調(diào)度的傳輸。以第一次和第二次半靜態(tài)數(shù)據(jù)包傳輸為例,針對不同的半靜態(tài)起始位置,分析滿足上述兩次傳輸?shù)闹貍鞫紳M足至少4次傳輸?shù)膕emiPersistSchedIntervalUL。
    對于上下行配置2,上行半靜態(tài)調(diào)度初始位置7,上行半靜態(tài)調(diào)度周期20 ms,子幀偏移為-5 ms,其新數(shù)據(jù)的傳輸次數(shù)與處于長周期和短周期的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)的仿真波形如圖3所示,圖中橫坐標為新進程傳輸次數(shù),縱坐標為重傳數(shù)據(jù)的傳輸次數(shù)。從圖3中可以看出,在SPS周期為20 ms時,處于短周期和長周期的上行進程在第4次重傳時才與新數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞,相對于上行半靜態(tài)調(diào)度周期10 ms,重傳次數(shù)增加。

    而在上行半靜態(tài)調(diào)度周期40 ms,子幀偏移為-5 ms的情況下,其新數(shù)據(jù)的傳輸次數(shù)與處于長周期和短周期的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)的仿真波形如圖4所示。

    處于長周期和短周期的進程重傳次數(shù)增加到8次,相對于上行周期20 ms,對于TDD系統(tǒng),8次重傳已經(jīng)足以保證一個VoIP包的傳輸質(zhì)量。
    對于不同的上下行配置以及半靜態(tài)傳輸起始位置,通過2.1節(jié)中的公式仿真并進行分析,滿足處于長周期和短周期的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)至少4次的周期配置見表1。
2.2 碰撞進程延遲方案
    碰撞進程延遲方案原理:在上行半靜態(tài)周期配置較小的情況下,UE端利用2.1節(jié)中的公式進行判斷,若新數(shù)據(jù)與重傳數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞,則延遲發(fā)送新進程到下一個半靜態(tài)發(fā)送時刻且將半靜態(tài)資源用于重傳數(shù)據(jù)的發(fā)送,這種犧牲新數(shù)據(jù)實時性的調(diào)度,保證了更多數(shù)據(jù)包的傳輸質(zhì)量,且在周期配置較小的情況下,新數(shù)據(jù)延遲時間相對較小,對新數(shù)據(jù)的傳輸影響也相對較小,同時降低了資源碰撞的概率,提高了系統(tǒng)的性能。具體調(diào)度方式見圖5。

    如圖5所示,在上行半靜態(tài)周期配置10 ms,子幀偏移值為-5 ms時,進程0的重傳數(shù)據(jù)本來與進程2的新數(shù)據(jù)在子幀7上發(fā)生碰撞,這里將新進程2延遲到下一個半靜態(tài)傳輸時刻進行傳輸,這樣雖然進程2的新數(shù)據(jù)傳輸延遲了20 ms,但是使得進程0和進程1的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)達到4次,4次重傳已基本上可以保證一個VoIP數(shù)據(jù)包的傳輸質(zhì)量,雖然進程2數(shù)據(jù)的發(fā)送延遲了20 ms,但是這種調(diào)度提高了整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)挠行裕鄬τ跁r延,數(shù)據(jù)包傳輸質(zhì)量的提高給用戶帶來更好的業(yè)務體驗。
    調(diào)度是判斷一個系統(tǒng)好壞的重要因素。本文通過對上行半靜態(tài)調(diào)度機制的深入研究,分析了上行半靜態(tài)調(diào)度碰撞的原因,針對不同上下行配置和半靜態(tài)起始傳輸位置分別配置具有針對性的上行半靜態(tài)周期,同時提出并設計了在半靜態(tài)周期較小時的資源沖突解決方案,通過分析可以看出該方案能夠有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和資源利用率。
參考文獻
[1] 3GPP TS 36.213 V9.0.1. Evolved Universal Terrestrial  Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures[S]. 2009.
[2] 3GPP TS 36.321 V9.1.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) Medium Access Control (MAC)protocol specification[S].2009.
[3] 白煒.LTE 系統(tǒng)的半靜態(tài)調(diào)度傳輸解決方案[J].郵電設計技術,2010(01):45-48.

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