LTE-M系统上行数据传输改进方案

王翔 孙发帅

摘要：空口传输过程中有很多不确定性会导致调度请求（SR）发送失败或滞后，影响LTE-M系统下业务传输的时延和可靠性。为解决该问题，提出了一种针对LTE-M系统的上行数据传输优化方案。通过周期性低频率地向非调度状态终端发送授权信令，当有业务数据需要传输时，终端通过上行周期授权过程迅速恢复服务，节省通过SR过程获取上报缓存区状态报告（BSR）所需上行资源的时间，并且避免因SR上报失败增加传输时延。仿真结果表明，该方案可以有效降低LTE-M系统下终端上行数据传输业务时延、增强数据传输稳定性及提升系统可靠性。

关键词：LTE-M系统；上行；周期授权；调度请求

中图分类号：TN929.52文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）03-61-4

0引言

LTE-M系统是针对城市轨道交通综合业务承载需求的TD-LTE系统，在保证基于通信的列车控制系统（CBTC）车地信息传输基础上，可同时传输视频监控（IMS）、乘客信息系统（PIS）、列车运行状态监测及集群调度业务等信息。

在LTE-M系统中，为充分利用和分配空口资源，设置空口资源管理模块———调度模块[1]。在上行数据传输过程中，终端发送数据时，需要提前获得基站调度模块分配的空口资源[2]。对于处在调度状态的终端，调度模块把资源分配信息通过物理控制信道（PDCCH）发送给终端。终端接收到资源分配信息后，把业务数据按资源分配信息打包，通过空口发送给基站，基站正确接收后完成上行数据传输。对于不处在调度状态的终端，终端需要先发送调度请求告知基站有上行数据需要传输，进入调度状态后才能进行数据发送[3]。

空口传输有很多的不确定性会导致SR发送失败或滞后，终端芯片自身性能也会影响SR流程发起。终端不能及时正确地发送SR到基站，就不能加入上行调度队列，获取基站调度模块分配的空口资源开始上行数据传输[4]。如果终端发送SR之后，没有在PDCCH信道收到对应的SR资源授权，就会在下一周期继续发送SR，这种发送机制最大可能保证SR发送成功。但是，每次发送SR会间隔一段时间，增大业务传输总体时延，而且不能解决终端芯片流程异常不触发SR的问题。在研究现有的上行数据传输方案后，为了解决各种因素引起的SR不能快速送达的问题，提出了一种LTE-M系统，通过给予终端占用少量资源的上行周期授权，来提升系统数据传输稳定性的优化传输方案。

1传统传输方案

传统方案上行数据传输流程如图1所示。

上行數据传输资源的分配在基站MAC层完成，因此终端有上行数据需要发送时需要通知基站[5]。终端通过发送SR通知基站需要获取上报BSR空口资源，基站收到SR后，因为不知道终端缓存数据信息，会为终端分配固定大小的空口资源[6]，终端在基站分配的资源上上报BSR。基站在收到终端的缓存数据信息后，把终端加入到上行调度队列，按终端提供BSR中的数据信息进行资源授权分配，通过空口把资源分配信息发送给终端[7]。终端按接收的资源分配信息组装数据块，进行上行数据传输。

在上行数据传输过程会遇到SR发送失败或滞后的状况。终端注册后，基站会为终端分配固定的资源位置传输SR[8]。终端传输SR不能保证每次成功，在发送一次SR后，没有收到基站的资源授权，终端会再次发送SR保障传输成功[9]。在某些情况下会遇到终端SR流程不能及时触发的问题，导致SR传输滞后。不管是重传还是触发滞后，都会增大数据上行传输时延[10]，分析基站运行日志发现，每次SR重传传输时延增大20 ms（根据参数设置不同有所区别）；每次SR传输滞后，传输时延会增大160 ms[11]。而LTE-M系统要求单路单向传输时延不超过150 ms，时延越小，系统业务运行可靠性越高，SR的重传或滞后会明显影响业务传输效果。

2优化传输方案

针对上述问题，提出了一种针对LTE-M系统的上行数据传输优化方案。通过周期性低频率地向非调度状态终端发送授权信令，当有业务数据需要传输时，终端可以通过使用上行周期授权来跳过SR过程，节省通过SR获取上报BSR所需上行资源的时间，并且避免因为SR上报失败或滞后拉长传输时延。优化的传输方案如图2所示。

优化传输方案由两部分组成：周期资源分配和无SR发起上行数据传输。在传统传输方案中，终端分为调度态和非调度态。在调度态，基站会持续为终端分配无线资源；非调度态，基站不会为终端分配无线资源。非调度态终端有业务数据需要传输时，从发送SR开始。

新传输方案中，基站会判断终端状态，对调度态终端不做处理；对非调度态终端，基站给予低频率的占用少量资源的上行周期授权信号。当有新业务数据需要发送时，非调度态终端如果已经收到过基站分配的上行周期资源授权，则可以在周期资源授权上报BSR。基站在收到终端的BSR信令之后，把终端转为调度态，持续为终端分配无线资源，直至业务数据传输完毕，再次把终端转为非调度态。

在新方案下，非调度态终端可以使用低频率的周期授权资源上报BSR，进入调度态发送上行业务数据，而非必须使用SR获取上报BSR资源，达到避免因为SR上报失败或滞后拉长传输时延的目的。

新方案周期授权的频率越高，系统的时延性能越好，消耗的资源越多；频率越低，系统消耗的资源越少，时延性能提升越少。周期值因部署场景而定，因需求而定，并非一成不变。

3仿真分析

优化传输方案通过使用上行周期授权来跳过SR过程，节省通过SR获取上报BSR所需上行资源的时间，并且避免因为SR上报失败或滞后增大传输时延。本文的仿真方案是通过记录传输时延来证明新传输方案对传输时延性能的提升。

（1）仿真环境

仿真使用单位自研LTE-M专网通信系统，系统通过了LTE-M行业准入测试认证。测试业务选用ping包和时延业务，观察一段时间内传输时延。具体测试参数如表1所示[12]。

（2）仿真结果及分析

按照表1参数对传统传输方案和优化的传输方案进行仿真。仿真通过ping包和时延2种业务的环回时延展示2种传輸方案的性能。环回时延是通信系统时延性能测试通用评价指标，为系统下行和上行数据传输时延之和。本文仿真测试结果差异来自上行数据传输时延。

ping包业务得到的测试结果如图3和图4所示，时延业务得到的测试结果如图5和图6所示。

时延业务测试结果以图形方式给出，直观但不够细致，时延业务测试统计结果如表2所示。

图3是传统方案ping包业务时延，平均值是39 ms；图4是优化方案ping包业务时延，平均值是15 ms。图4测试结果比图3低24 ms，说明新传输方案可以通过使用上行周期授权来跳过SR过程，有效降低上行数据业务传输时延。表2显示的平均时延测试结果也支持这一结论，因为ping包业务和时延业务在生成机制和包大小方面不同，所以它们的测试结果略有差异。

图5是传统方案时延业务测试结果，最大时延为186 ms；图6是优化方案时延业务测试结果，最大值是46 ms。图5测试结果最大时延186 ms，这是SR传输滞后所导致的，说明SR传输失败或滞后会明显影响上行数据传输时延性能。图6测试结果良好，说明优化方案可以避免因为SR上报失败或滞后拉长传输时延。通过对比2种业务仿真测试结果，可以说明优化方案时延性能优于传统方案，实现设计目标。

4结束语

本文提出了一种应用于LTE-M系统降低上行数据传输时延的优化方案。优化的传输方案通过使用上行周期授权来跳过SR过程，节省通过SR获取上报BSR所需上行资源的时间，并且避免因为SR上报失败或滞后拉长传输时延。通过对2种传输方案仿真得到的时延结果分析可以得出，优化的传输方案有效降低上行数据传输时延，提升基站的时延性能。

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