對(duì)于移動(dòng)通信業(yè)務(wù)而言，最重要的時(shí)延是端到端時(shí)延，即對(duì)于已經(jīng)建立連接的收發(fā)兩端，數(shù)據(jù)包從發(fā)送端產(chǎn)生，到接收端正確接收的時(shí)延。根據(jù)業(yè)務(wù)模型不同，端到端時(shí)延可分為單程時(shí)延和回程時(shí)延，其中單程時(shí)延指數(shù)據(jù)包從發(fā)射端產(chǎn)生經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正確到達(dá)另外一個(gè)接收端的時(shí)延，回程時(shí)延指數(shù)據(jù)包從發(fā)射端產(chǎn)生到目標(biāo)服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)包直至發(fā)射端正確接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包的時(shí)延。

現(xiàn)有的移動(dòng)通信主要是人與人之間的通信，隨著硬件設(shè)備的小型化和智能化，未來(lái)的移動(dòng)通信更多“人與物”及“物與物”之間的高速連接應(yīng)用。機(jī)器通信（Machine Type CommunicaTIon，MTC）業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍非常廣泛，如移動(dòng)醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等將會(huì)推動(dòng)MTC系統(tǒng)應(yīng)用爆發(fā)式增長(zhǎng)，大量設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”，為移動(dòng)通信帶來(lái)無(wú)限生機(jī)。同時(shí)，廣泛的MTC系統(tǒng)應(yīng)用范圍也會(huì)給移動(dòng)通信帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如實(shí)時(shí)云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、在線游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通、智能電網(wǎng)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延比較敏感，對(duì)時(shí)延提出更高的需求，而現(xiàn)有LTE系統(tǒng)無(wú)法滿足該需求，需要進(jìn)行研究。

本文主要介紹了未來(lái)MTC業(yè)務(wù)的時(shí)延需求，分析了LTE系統(tǒng)現(xiàn)有時(shí)延，闡述了降低時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)。

未來(lái)MTC數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延會(huì)進(jìn)一步降低，當(dāng)通信的響應(yīng)時(shí)間比系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)間約束快時(shí)，就可以獲得實(shí)時(shí)的通信體驗(yàn)。下面給出了四種典型應(yīng)用的時(shí)間約束：

●人體肌肉響應(yīng)時(shí)間在0.5s~1s，這意味著人在點(diǎn)擊一個(gè)連接時(shí)，如果該連接能在0.5s時(shí)間建立，人們就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的網(wǎng)頁(yè)瀏覽感受。

●聽(tīng)覺(jué)：當(dāng)聲音信號(hào)在70ms~100ms內(nèi)可以被準(zhǔn)備接收時(shí)，人們就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通話?？紤]到聲波的速度，這意味著當(dāng)兩個(gè)人距離超過(guò)30m時(shí)，兩人單純依靠聲波無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交流。

●視覺(jué)：人類視覺(jué)的分辨率一般不超過(guò)100Hz，這意味這只要圖像的更新速率不低于100Hz（延時(shí)不超過(guò)10ms），人們就可以獲得無(wú)縫的視頻體驗(yàn)。

●觸覺(jué)：這方面要達(dá)到實(shí)時(shí)，要求延時(shí)限制在幾ms級(jí)別，涉及的應(yīng)用包括使用移動(dòng)3D目標(biāo)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能交通中的業(yè)務(wù)安全控制、智能電網(wǎng)等。

業(yè)界提出要把現(xiàn)有系統(tǒng)的端到端延遲降低5倍以上，并且，在考慮第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求時(shí)認(rèn)為RTT（Round Trip TIme，回環(huán)時(shí)延）在1ms數(shù)量級(jí)。實(shí)時(shí)游戲、M2M、傳感器報(bào)警或事件檢測(cè)場(chǎng)景應(yīng)該成為研究重點(diǎn)，部分場(chǎng)景對(duì)時(shí)延的要求不超過(guò)100ms，其中，基于傳感器報(bào)警或事件檢測(cè)場(chǎng)景有最低達(dá)2ms的時(shí)延要求。

因此，在超低時(shí)延場(chǎng)景MTC系統(tǒng)時(shí)延需要考慮毫秒級(jí)的空口時(shí)延。

ITU-R對(duì)傳輸延遲設(shè)定的目標(biāo)為單向延遲目標(biāo)為10ms.LTE/LTE-A系統(tǒng)滿足ITU時(shí)延要求并帶有一定余量，單向數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延小于5ms.下面以連接態(tài)下物理下行共享信道行（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）傳輸下行數(shù)據(jù)和物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）傳輸上行數(shù)據(jù)為例進(jìn)行時(shí)延分析。

在LTE FDD系統(tǒng)中，在子幀n上，基站使用物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）調(diào)度下行數(shù)據(jù)傳輸，終端在子幀n+4上反饋ACK/NACK信息，基站接收處理時(shí)延最小為1ms，基站最快可以在子幀n+5上進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳調(diào)度，如圖1所示，單次傳輸?shù)臅r(shí)間為1ms，一次重傳的最小時(shí)間為5ms.

圖1 下行數(shù)據(jù)傳輸

在LTE FDD系統(tǒng)中，當(dāng)終端有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，需要等待配置發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求（Schedule Request，SR）的子幀n，終端在子幀n上發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求信息給基站，基站最快在子幀n+2上發(fā)送上行數(shù)據(jù)調(diào)度授權(quán)信息，終端在子幀n+2上接收到上行數(shù)據(jù)調(diào)度授權(quán)信息后，在子幀n+6上傳輸相應(yīng)的上行數(shù)據(jù)，基站在子幀n+10上反饋ACK/NACK信息給終端，終端在子幀n+14上重傳所述上行數(shù)據(jù)，具體如圖2所示，從有數(shù)據(jù)傳輸需求到一次數(shù)據(jù)傳輸完成，不考慮等待調(diào)度請(qǐng)求子幀的時(shí)間，單次傳輸?shù)臅r(shí)延為6ms，一次重傳的時(shí)間為14ms.

圖2 上行數(shù)據(jù)傳輸

從現(xiàn)有LTE空口時(shí)延分析可以看出，影響空口時(shí)延的主要因素是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸資源請(qǐng)求等待時(shí)間，以及數(shù)據(jù)處理導(dǎo)致的反饋延時(shí)，針對(duì)這些因素存在以下4種降低空口時(shí)延的方案。

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)降低

現(xiàn)有LTE系統(tǒng)以子幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，LTE子幀長(zhǎng)度為1ms，因此，最小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)為1ms，為了降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)，存在兩種可能方案。一種是降低子幀長(zhǎng)度，如重新設(shè)計(jì)子載波間隔和一個(gè)子幀中包括的OFDM符號(hào)數(shù)量，使得一個(gè)子幀對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)變短，從而降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)。例如，將子幀長(zhǎng)度壓縮為現(xiàn)有LTE子幀長(zhǎng)度的1/4，即0.25ms，如果考慮相應(yīng)處理時(shí)間等比例壓縮，具體壓縮效果如表1所示，大概可以壓縮75%時(shí)長(zhǎng)。

表1 時(shí)延壓縮效果比

另一種方案是以O(shè)FDM符號(hào)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸，此時(shí)，最小數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度為1個(gè)OFDM符號(hào)，按照現(xiàn)有LTE的OFDM符號(hào)長(zhǎng)度計(jì)算，一個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為66.67ηs，如果考慮相應(yīng)處理時(shí)間等比例壓縮，具體壓縮效果如表2所示，相對(duì)于現(xiàn)有1ms的數(shù)據(jù)傳輸可以壓縮大概92%左右，如果進(jìn)一步結(jié)合幀結(jié)構(gòu)的修改，如子載波間隔變化，可以進(jìn)一步降低OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)更低時(shí)延壓縮。

表2 時(shí)延壓縮效果比

另外，增強(qiáng)HARQ反饋也有助于重傳時(shí)延降低。傳統(tǒng)的HARQ只反饋ACK/NAK信息，增強(qiáng)的HARQ可以額外反饋接收的BER估計(jì)信息，結(jié)合該信息和信道反狀態(tài)信息，調(diào)度器在進(jìn)行冗余版本選擇、MCS選擇等方面可以更有針對(duì)性，使數(shù)據(jù)一次重傳后被正確解碼的概率大為提高，從而進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

LTE系統(tǒng)中，當(dāng)終端有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，需要先發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求，基站才能分配資源讓終端進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，這一過(guò)程導(dǎo)致上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延明顯大于下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，如表3所示。另外，發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求配置終端發(fā)送數(shù)據(jù)的資源，也會(huì)額外增加時(shí)延，因此，如果基站可以預(yù)分配資源終端，終端在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)直接在預(yù)先分配的資源上傳輸數(shù)據(jù)，可以減少調(diào)度請(qǐng)求過(guò)程，從而使得上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延與下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延相當(dāng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)單次傳輸時(shí)延壓縮大概17%，一次重傳時(shí)延壓縮36%，再結(jié)合上述數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降低方案可以進(jìn)一步降低上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

表3 上下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延對(duì)比