基于時(shí)隙捆綁預(yù)處理的LTE上行自適應(yīng)傳輸

楊 帆，李 洋，譚佳佳，邵懷宗

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基于時(shí)隙捆綁預(yù)處理的LTE上行自適應(yīng)傳輸

楊 帆，李 洋，譚佳佳，邵懷宗

(電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 成都 611731)

3G長期演進(jìn)(LTE)上行鏈路中，基于時(shí)隙捆綁(transmission time interval bundling, TTI bundling)技術(shù)的IP語音業(yè)務(wù)(VoIP)可以顯著提高小區(qū)覆蓋范圍。目前，一種覆蓋增強(qiáng)方案可以使用戶在50 ms時(shí)延限制下最多傳輸5捆相同的數(shù)據(jù)包。然而，由于該方案不能及時(shí)處理反饋信號(hào)，一旦出現(xiàn)不必要的重傳，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量降低，并造成用戶設(shè)備(UE)額外的能量損耗。為此，該文提出了一種基于誤塊率(BLER)與信噪比(SNR)映射機(jī)制的時(shí)隙捆綁預(yù)處理傳輸方案，該方案使得UE可以根據(jù)信道情況的變化以及期望的性能指標(biāo)，預(yù)先設(shè)定傳輸捆綁數(shù)據(jù)包的最大值，從而減少了不必要的重傳，節(jié)省了UE的能量消耗，提高系統(tǒng)的吞吐量。

自適應(yīng)覆蓋增強(qiáng); 混合自動(dòng)重傳(HARQ); LTE上行鏈路; 時(shí)隙捆綁; IP語音業(yè)務(wù)

IP語音業(yè)務(wù)VoIP是通過IP數(shù)據(jù)包發(fā)送實(shí)現(xiàn)的語音業(yè)務(wù)，由于VoIP廣泛采用Internet和全球IP互連的環(huán)境，可以很容易地嵌入LTE框架體系中，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的語音、視頻和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的傳輸，具有廣闊的實(shí)用價(jià)值。近年來，LTE技術(shù)的日趨成熟加速了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端到端的VoIP業(yè)務(wù)商用部署。在LTE上行鏈中，相對于LTE基站(evolved node, eNB)而言，UE往往具有較低的發(fā)射功率，這種不對稱性使得LTE的覆蓋能力嚴(yán)重受限于上行信道[1-4]。在上行覆蓋受限的情況下(如處于小區(qū)邊緣的用戶上行傳輸VoIP包)，即使在一個(gè)傳輸時(shí)間間隔(TTI)內(nèi)傳輸較短的單個(gè)數(shù)據(jù)包也很難滿足BLER的要求[5]。因此，有效提高LTE上行覆蓋是LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

對于同一UE而言，由于設(shè)備最大傳輸功率受到限制，發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包往往導(dǎo)致接收端解碼失敗并需要多次重傳，尤其是對小區(qū)邊緣用戶，大量的重傳和反饋增加了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)和控制信令的開銷。LTE Release8(R.8)提出了TTI bundling的概念，它首先將需要傳輸?shù)膯蝹€(gè)數(shù)據(jù)包通過編碼、調(diào)制和速率匹配后，生成不同的冗余版本(redundancy version, RV)，然后將這些RV組成一捆TTI數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)連續(xù)捆綁發(fā)送[5-6]，上行傳輸?shù)腡TI捆綁機(jī)制，通過發(fā)送多捆相同的數(shù)據(jù)包，可以大幅提高數(shù)據(jù)解碼成功的概率。由于每次重傳的RV及傳輸格式預(yù)先設(shè)定，從而有效地減少了系統(tǒng)大量的控制信號(hào)及信令開銷。這種時(shí)隙捆綁方案在一捆數(shù)據(jù)包中使用相同的調(diào)制編碼方式(modulation and coding scheme, MCS)和頻譜帶寬，如果整捆數(shù)據(jù)包解碼正確，eNB向UE發(fā)送一個(gè)肯定確認(rèn)(acknowledgment, ACK)信號(hào)；反之，發(fā)送否定信號(hào)(negative-acknowledgment, NACK)，此時(shí)，整捆數(shù)據(jù)包重傳。LTE R.8協(xié)議規(guī)定LTE系統(tǒng)的傳輸時(shí)延為1ms，假設(shè)eNB和UE的最大處理時(shí)延為3 ms，一捆數(shù)據(jù)包占用4個(gè)TTI，其環(huán)回傳輸時(shí)間(round trip time, RTT)為16 ms。因此，如果系統(tǒng)的延遲嚴(yán)格限制在50 ms內(nèi)，R.8中的時(shí)隙捆綁方式最多只能傳輸3捆相同的數(shù)據(jù)包。文獻(xiàn)[3-4]提出了一種覆蓋增強(qiáng)方式，它采用無條件地重傳整捆數(shù)據(jù)包，而不需要等待前一次重傳后的ACK/NACK反饋信號(hào)的處理結(jié)果。因此，這種方案可以最大傳輸5捆數(shù)據(jù)包，從而增強(qiáng)了LTE系統(tǒng)的覆蓋范圍[6-7]。然而，該方案是以整捆數(shù)據(jù)包為重傳單位，當(dāng)信道條件良好時(shí)，不必要的重傳將會(huì)嚴(yán)重降低LTE系統(tǒng)吞吐量，并導(dǎo)致UE額外的能量消耗，減小電池的使用周期。

為了降低UE的能量消耗，提高系統(tǒng)吞吐量，并兼顧LTE上行鏈路服務(wù)覆蓋范圍，本文提出一種基于時(shí)隙捆綁預(yù)處理的LTE上行自適應(yīng)傳輸方案(時(shí)隙捆綁預(yù)處理方案)，該方案首先離線生成BLER與信噪比SNR匹配的映射關(guān)系表，UE根據(jù)傳輸信道條件SNR和用戶期望的BLER性能，通過在線查表預(yù)先設(shè)定所需傳輸?shù)睦墧?shù)據(jù)包的最大數(shù)量(小于等于5)，從而可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)LTE覆蓋范圍的目的，并較大限度的避免不必要的重傳來降低移動(dòng)終端的能耗。其中，BLER與信噪比SNR匹配的映射關(guān)系表可以離線仿真或者理論近似生成。

1 傳統(tǒng)時(shí)隙捆綁方案

1.1 LTE R.8時(shí)隙捆綁方案

LTE上行鏈路采用同步HARQ操作，即每次重傳的信道編碼RV和傳輸格式都是預(yù)先定義好的，不需要額外的信令支持，減小了額外的開銷，提高系統(tǒng)的吞吐量。在LTE R.8中，4個(gè)連續(xù)的TTI捆綁傳輸(每個(gè)TTI對應(yīng)一個(gè)RV)，使得單個(gè)數(shù)據(jù)包在接收端的能量產(chǎn)生累積，提高解碼的成功率。與對每個(gè)TTI數(shù)據(jù)包單獨(dú)添加控制和傳輸信令相比，TTI捆綁數(shù)據(jù)包需要的信令大幅減少。

如圖1所示，根據(jù)LTE R.8知，UE在第0～3個(gè)TTI持續(xù)時(shí)間內(nèi)向eNB發(fā)送由4個(gè)不同RV組成的一捆數(shù)據(jù)包。eNB需要3 ms時(shí)間(第4～6個(gè)TTI)處理該數(shù)據(jù)包，然后在第7個(gè)TTI(1ms內(nèi))發(fā)送ACK/NACK反饋信號(hào)到UE，此時(shí)完成一個(gè)HARQ過程，其最小持續(xù)時(shí)間為8 ms。類似地，UE需要3 ms(第8～10個(gè)TTI)處理反饋信號(hào)，如果UE接收到的是NACK信號(hào)，數(shù)據(jù)包將在第16個(gè)TTI進(jìn)行重傳，因此LTE R.8時(shí)隙捆綁方案的RTT為16 ms。當(dāng)系統(tǒng)最大承受的時(shí)延嚴(yán)格限制在50 ms內(nèi)，導(dǎo)致同一個(gè)UE最多只能傳輸3捆相同的數(shù)據(jù)包(即對應(yīng)于TTI序號(hào)0～3、16～19和32～35)。

1.2 覆蓋增強(qiáng)時(shí)隙捆綁方案

在LTE上行鏈路中，由于UE最大發(fā)射功率受限，以單個(gè)TTI為單位發(fā)送數(shù)據(jù)包會(huì)導(dǎo)致接收端出現(xiàn)較高的差錯(cuò)概率，限制了上行覆蓋范圍。一種提高LTE上行覆蓋范圍的方法是通過數(shù)據(jù)多次重傳來實(shí)現(xiàn)，但這種方法由于需要耗費(fèi)大量的開銷用于重傳控制(如每一個(gè)數(shù)據(jù)包都需要一個(gè)幀頭和控制信令)，嚴(yán)重降低系統(tǒng)吞吐量，并且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)處理時(shí)延增加和網(wǎng)絡(luò)擁塞。文獻(xiàn)[6]提出了一個(gè)基于時(shí)隙捆綁的覆蓋增強(qiáng)方案，它采用無條件地重傳整捆數(shù)據(jù)包，而不需要等待前一次重傳后的ACK/NACK反饋信號(hào)的處理結(jié)果。因此，這種方案可以最大傳輸5捆數(shù)據(jù)包，從而有效地增強(qiáng)了LTE系統(tǒng)的覆蓋范圍。然而，該方案是以整捆數(shù)據(jù)包為重傳單位，當(dāng)信道條件良好時(shí)，不必要的重傳將會(huì)嚴(yán)重降低LTE系統(tǒng)吞吐量，并導(dǎo)致UE額外的能量消耗，縮短電池的使用周期。

如圖2所示，在覆蓋增強(qiáng)方案中，第0～3個(gè)TTI分別發(fā)送4個(gè)不同的RV組成的一捆數(shù)據(jù)包。eNB需要3 ms(第4～6個(gè)TTI)處理該數(shù)據(jù)包且UE在第7個(gè)TTI接收eNB發(fā)送的ACK/NACK信號(hào)，并在第8～10個(gè)TTI處理該信號(hào)。與此同時(shí)，不管UE接收到的是ACK還是NACK，UE在第8～11個(gè)TTI重傳整捆數(shù)據(jù)包，如果接收到的是ACK信號(hào)，那么第8～11個(gè)TTI的重傳則是不必要的，導(dǎo)致UE浪費(fèi)額外的發(fā)送能量及HARQ處理時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)最大承受的時(shí)延嚴(yán)格限制在50 ms內(nèi)，導(dǎo)致同一個(gè)UE最多只能傳輸5捆相同的數(shù)據(jù)包(即對應(yīng)于TTI序號(hào)0～3、8～11、16～19、24～27和32～35)。

2 時(shí)隙捆綁預(yù)處理方案

覆蓋增強(qiáng)方案在50 ms系統(tǒng)時(shí)延要求內(nèi)增加系統(tǒng)的最大TTI捆綁數(shù)據(jù)包數(shù)，然而一旦出現(xiàn)不必要的重傳，將嚴(yán)重降低系統(tǒng)的吞吐量，消耗UE額外的能量，影響UE電池的使用壽命。為此本文提出了一種時(shí)隙捆綁預(yù)處理方案，該方案可以根據(jù)信道條件，自適應(yīng)地預(yù)先設(shè)定傳輸?shù)淖畲骉TI捆綁數(shù)據(jù)包數(shù)，從而可以減少不必要的重傳?？梢酝ㄟ^估計(jì)的SNR值及協(xié)議需要保障的BLER值再通過查找表(LUT)獲得，即：

(2)

2.1 BLER與SNR匹配的映射關(guān)系表生成

BLER與SNR匹配的映射關(guān)系可通過系統(tǒng)仿真或者解析表達(dá)式獲得。文獻(xiàn)[9-11]得出了靜態(tài)信道和平坦塊衰落信道下，各次反饋重傳的解析表達(dá)式。這里以靜態(tài)信道為例，考慮AWGN噪聲下BLER性能與SNR以及迭代次數(shù)的關(guān)系，通過仿真生成BLER與SNR匹配的映射關(guān)系表。

圖3表示的是BLER與SNR的關(guān)系曲線。其中VoIP包長，Turbo譯碼迭代次數(shù)，MCS=1(BPSK調(diào)制，碼率為1/2)。為了生成BLER與SNR匹配的映射關(guān)系表，令()作為一組所關(guān)心的SNR值，這一組SNR值可以是滿足系統(tǒng)正常工作的數(shù)據(jù)，如圖3所示的[-14,-12,…,-4,-2] dB。于是BLER與SNR匹配的映射關(guān)系可由所關(guān)心的SNR值仿真而得，其中為映射關(guān)系表中的一個(gè)元素，表示發(fā)送TTI捆綁數(shù)據(jù)包數(shù)為()以及接收信噪比為對應(yīng)的BLER數(shù)值。

2.2 LUT操作

考慮到存儲(chǔ)在移動(dòng)終端的BLER與SNR匹配的映射關(guān)系可能會(huì)消耗大量的內(nèi)存。從圖3可以看出，隨著的增加，傳輸或捆數(shù)據(jù)包的兩條BLER曲線性能增益會(huì)隨著的增大而減小，因此本文的算法可以簡化為只考慮最初的兩次傳輸，即采用和的兩條BLER曲線進(jìn)行自適應(yīng)傳輸。此時(shí)，對于，只需要存儲(chǔ)兩個(gè)SNR平均值和(分別對應(yīng)于圖3的點(diǎn)和點(diǎn))，存儲(chǔ)消耗幾乎可以忽略，于是可計(jì)算獲得：

以上定性討論了查表的方法，下面從定量的角度進(jìn)行說明。對于任意要求的BLER值，通過下面給出的偽代碼來獲得需要傳輸?shù)腡TI捆綁數(shù)據(jù)包數(shù)，即：

else

end if

Break;

end if

end for

3 仿真結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中3GPP LTE協(xié)議規(guī)范，對覆蓋增強(qiáng)方案和時(shí)隙捆綁預(yù)處理方案進(jìn)行仿真。對于覆蓋增強(qiáng)方案和時(shí)隙捆綁預(yù)處理方案，在AWGN信道中分別評(píng)估了兩種方案的吞吐量和BLER性能。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于時(shí)隙捆綁預(yù)處理的LTE上行自適應(yīng)傳輸方案。LTE上行鏈路采用同步HARQ且支持相同的MCS，對于不同的TTI捆綁數(shù)據(jù)包數(shù)，通過線下仿真生成BLER與SNR匹配的映射關(guān)系并通過LUT操作和較小的存儲(chǔ)可以預(yù)先設(shè)定合適的最大TTI捆綁數(shù)據(jù)包數(shù)。此外，引入信噪比容忍機(jī)制來有效地抑制數(shù)據(jù)傳輸過程中信道變化的影響。計(jì)算仿真表明，時(shí)隙捆綁預(yù)處理方案通過自適應(yīng)地預(yù)先設(shè)定合適的最大TTI捆綁數(shù)據(jù)包數(shù)，可以減少不必要的重傳，降低資源消耗和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高LTE系統(tǒng)吞吐量，從而節(jié)省UE的傳輸能量，延長電池的使用周期。

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編 輯 葉 芳

Preprocessing of TTI Bundling for Adaptive Transmission in LTE Uplink

YANG Fan, LI Yang, TAN Jia-jia, and SHAO Huai-zong

(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

In order to improve the cell coverage performance, transmission time interval (TTI) bundling technique is employed in long term evolution (LTE) uplink for the voice over internet protocol (VoIP) service. Recently, a coverage-enhanced scheme makes user equipment (UE) transmitting up to five bundles under the same delay budget. However, the coverage-enhanced scheme lacks time for feedback processing, in which the UE transmitting power may be wasted for an unnecessary retransmission. Taking the issue into account, we propose a scheme based on preprocessing of TTI bundling for adaptive transmission in LTE uplink. Our scheme uses block error rate (BLER) versus signal-to-noise ratio (SNR) mapping mechanism to reduce unnecessary retransmission bundles and save UE power consumption, yielding higher throughput.

adaptive coverage enhancement; hybrid automatic repeat request (HARQ); LTE uplink; time interval (TTI) bundling; VoIP

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.01.003

2014-06-03；

2015-09-01

國家自然科學(xué)基金(61675040)；國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金(U1633129)；四川省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2014JY0037)

楊帆(1982-)，男，博士，副教授，主要從事無線通信、信號(hào)處理與檢測方面的研究.