基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)時(shí)延優(yōu)化方案

畢波

1 引言

3GPP R14版本允許車輛間通過基站空口（Uu）進(jìn)行V2X通信。車輛可以通過上行空口傳送V2X消息到E-UTRAN，E-UTRAN可以再通過下行空口把消息以單播或廣播的機(jī)制傳送給特定區(qū)域里的一個(gè)或者多個(gè)車輛。在LTE V2V網(wǎng)絡(luò)中，典型的業(yè)務(wù)消息包括CAM（協(xié)調(diào)互通消息）、BSM（基本安全消息）以及DENM（緊急安全通知）等。對(duì)于前兩種消息，典型的時(shí)延要求不能超過100 ms，對(duì)于DENM而言，時(shí)延更為苛刻（遠(yuǎn)小于100 ms）。然而在現(xiàn)有基于LTE R12的網(wǎng)絡(luò)中，下行使用單播和多播時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中端到端時(shí)延最大可達(dá)235 ms和335 ms。由此可見，如果不對(duì)現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，原LTE系統(tǒng)基于Uu接口的通信方式并不能保證車聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用的時(shí)延要求。本文通過對(duì)縮減時(shí)延方案的可行性進(jìn)行分析，得出合理的時(shí)延優(yōu)化方案。

2 車聯(lián)網(wǎng)典型用例

（1）高速公路上的道路安全用例

如圖1所示，裝有車載V2V（Vehicle-to-Vehicle）客戶端車與車可以在一定范圍內(nèi)通過LTE側(cè)鏈路（Side Link）進(jìn)行通信。從應(yīng)用角度看，具體的QoS需求（如嚴(yán)格的時(shí)延）需要定義，并且車車直接通信和車與車具體的地理位置以及各自運(yùn)行的軌道相關(guān)，所以和傳統(tǒng)LTE通信相比，這種通信方式需要支持精度更高的位置信息。對(duì)于碰撞預(yù)警消息，3GPP R14規(guī)定端到端的時(shí)延不超過20 ms。

圖1 V2V道路安全用例

（2）基于地理位置的高清地圖下載用例

如圖2所示，車載客戶端通過LTE商用網(wǎng)絡(luò)和V2X應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。從應(yīng)用角度看，沒有特別的QoS要求，只需要適度而不是高精度的地理位置信息提供給V2X應(yīng)用服務(wù)器，此用例要求E2E時(shí)延約為1 000 ms。

圖2 V2N用例單/多車下載高清地圖

（3）城市交通狀況感知和交互用例

如圖3所示，車載客戶端通過LTE商用網(wǎng)絡(luò)和本地化的V2X應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。從應(yīng)用角度看，具體的QoS需求（如嚴(yán)格的時(shí)延）需要定義，并且應(yīng)用服務(wù)器需要得到車載終端高精度的地理位置信息的上報(bào)。本地化的V2I服務(wù)器收集處理交通狀況數(shù)據(jù)，再將路況信息數(shù)據(jù)通過熱點(diǎn)覆蓋的LTE小區(qū)向交叉路口的那些基于地理位置信息判斷有影響的車分發(fā)。分發(fā)的方式可以是LTE小區(qū)的向車的單播、廣播或者熱點(diǎn)覆蓋的LTE小區(qū)的單播、廣播，此用例要求E2E時(shí)延最大不超過100 ms。

圖3 V2I城市交通狀況感知和交互

（4）遠(yuǎn)程控制用例RC（Remote Control）

遠(yuǎn)程干預(yù)服務(wù)器通過LTE商用網(wǎng)絡(luò)的本地分流（Local Breakout）服務(wù)和車載終端通信，通過下發(fā)控制指令和讀取車輛狀態(tài)來對(duì)無人駕駛車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。此用例要求低時(shí)延：E2E雙向時(shí)延最大為20 ms。

3 LTE現(xiàn)網(wǎng)E2E時(shí)延分析

LTE系統(tǒng)中，端到端的時(shí)延可以拆分成多個(gè)組成部分，這樣可以逐一分析，更利于找出時(shí)延優(yōu)化方法。時(shí)延大體上可以簡單地分為用戶面和控制面兩部分，特別是控制面的時(shí)間涉及到核心網(wǎng)中多個(gè)網(wǎng)元之間的通信，對(duì)端到端的時(shí)延影響非常大。下面將對(duì)影響時(shí)延各個(gè)組成部分進(jìn)行逐一列舉。

（1）用戶面/控制面上下行時(shí)延組成

下面不針對(duì)某一或某些具體的用例進(jìn)行時(shí)延分析，而是對(duì)上下行的通用過程進(jìn)行分段描述。主要時(shí)延組成如下：

◆授權(quán)獲得（Grant Acquisition）

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要發(fā)送上行數(shù)據(jù)的終端必須在自己有效的時(shí)頻資源上發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求SR，基站成功解碼SR后在資源情況允許的情況下授權(quán)調(diào)度許可。終端得到許可后，才可以發(fā)送上行數(shù)據(jù)傳輸。

◆傳輸時(shí)隙（TTI）

無論是終端還是基站的數(shù)據(jù)傳輸必須在一個(gè)固定周期的子幀里，這個(gè)時(shí)隙稱為TTI。

◆處理時(shí)延

用戶和控制數(shù)據(jù)在終端及基站的處理需要消耗一定的時(shí)延，這個(gè)時(shí)延和傳輸塊的大小成正比。

◆混合應(yīng)答請(qǐng)求往返時(shí)延HARQ Round Trip Time（RTT）

對(duì)于FDD-LTE，上行在子幀n發(fā)送的數(shù)據(jù)，其HARQ反饋應(yīng)答在子幀n+4發(fā)送，如果需要重傳則發(fā)生在子幀n+8；對(duì)于下行在子幀n發(fā)送的數(shù)據(jù)，其HARQ反饋應(yīng)答在子幀n+4發(fā)送，如果需要重傳則發(fā)生在n+8后的任何子幀。對(duì)于TDD-LTE，其RTT和上下行子幀配比配置情況相關(guān)。

◆終端收到Grant到發(fā)送上行數(shù)據(jù)的時(shí)延

根據(jù)3GPP R12版本規(guī)定，終端子幀n在收到下行授權(quán)后，終端必須在子幀n+4發(fā)送上行數(shù)據(jù)，即使沒有來自高層的上行請(qǐng)求，也需要發(fā)送“填充（Padding）”數(shù)據(jù)。這一規(guī)定在R14版本將會(huì)更改。

◆與核心網(wǎng)/因特網(wǎng)相關(guān)的時(shí)延

在核心網(wǎng)里，數(shù)據(jù)包可能由于擁塞而被堵在隊(duì)列里，也可能經(jīng)過回程時(shí)被阻塞。數(shù)據(jù)包在因特網(wǎng)內(nèi)傳輸同樣可能因?yàn)閾砣黾觽鬏敃r(shí)延。并且實(shí)際情況下，EPC和因特網(wǎng)上的時(shí)延范圍非常廣。為了便于方案評(píng)估，假設(shè)與核心網(wǎng)/因特網(wǎng)相關(guān)的時(shí)延為0～20 ms。

◆RRC鏈路和EPS Radio Access Bearer（eRAB）建立帶來的時(shí)延

如果LTE終端處于空閑態(tài)，需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在RRC和eRAB的建立過程中需要消耗一定的時(shí)延。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，此時(shí)延平均約為70 ms。

（2）現(xiàn)網(wǎng)中用戶面的時(shí)延性能評(píng)估

上行傳輸?shù)闹匾獣r(shí)延組成如表1所示。在3GPP R12的功能情況下，如果SR周期配置為10 ms，則SR發(fā)送平均等待時(shí)間為5 ms，這樣上行無線接入的總時(shí)延約為17 ms；如果SR周期配置為1 ms，則上行接入時(shí)延為12.5 ms。

表1 R12 UE從上行授權(quán)請(qǐng)求開始的上行接入時(shí)延組成

下行傳輸?shù)臅r(shí)延組成如表2所示：

表2 下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延組成

（3）在現(xiàn)網(wǎng)中支持四種V2X典型用例的時(shí)延偏差分析

根據(jù)上文提到的目前最典型V2X用例的需求描述，高速公路上的道路安全用例、遠(yuǎn)程控制用例RC對(duì)時(shí)延要求最為苛刻，要求E2E時(shí)延最大不超過20 ms。考慮系統(tǒng)容量因素，LTE小區(qū)工作在相對(duì)高負(fù)載的情況下，由于車載終端之間的對(duì)空口時(shí)頻資源的競爭會(huì)帶來額外的時(shí)延，所以實(shí)際上當(dāng)前的商用網(wǎng)絡(luò)如果要支持端到端時(shí)延20 ms，就必須要對(duì)非競爭情況下的時(shí)延有更高要求。

以每小區(qū)每個(gè)TTI調(diào)度的20個(gè)終端為例，如果每小區(qū)需要支持100個(gè)車載終端，則理想情況下的時(shí)延為15 ms。同理，如果每小區(qū)需要支持200個(gè)車載終端，則理想情況下的時(shí)延為10 ms。如果考慮同時(shí)需要支持普通終端，那么需要優(yōu)化的時(shí)延更加苛刻。

4 LTE現(xiàn)網(wǎng)E2E時(shí)延優(yōu)化方法

根據(jù)上文分析，RRC/eRAB建立和核心網(wǎng)時(shí)延是最為重大的兩塊，因此必須要優(yōu)化或者避免。空口的上下行部分也必須進(jìn)一步優(yōu)化，才能滿足典型用例的時(shí)延需求。

4.1 無線資源控制鏈路以及EPS承載建立時(shí)延優(yōu)化或避免方法（控制面優(yōu)化）

3GPP提出一種輕量級(jí)的連接模式LCM，此模式在R13的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少信令開銷。還有一個(gè)好處是網(wǎng)絡(luò)可以借此節(jié)省信令處理的計(jì)算資源，從而提升容量。這個(gè)提案目前為止并沒有被3GPP批準(zhǔn)，因此本文不再詳述。為了優(yōu)化這一大塊的時(shí)延，非常直接的替代方法是讓處于V2X服務(wù)中的車載終端保持RRC連接態(tài)。無論是在基站延長連接維持定時(shí)器還是在V2X應(yīng)用服務(wù)器給車載終端配置定時(shí)的心跳包，都可以達(dá)到這個(gè)目的。當(dāng)然這樣做的負(fù)面影響是會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來容量問題以及給終端帶來耗電問題。

4.2 核心網(wǎng)/因特網(wǎng)時(shí)延優(yōu)化方法（控制面優(yōu)化）

（1）3GPP SIPTO方法

3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了SIPTO（Selected IP Traffic Offload）功能，SIPTO允許運(yùn)營商在終端駐扎的小區(qū)附近部署應(yīng)用服務(wù)器分流并且處理某種應(yīng)用的數(shù)據(jù)流，以緩解核心網(wǎng)的負(fù)載壓力，同時(shí)因?yàn)椴恍枰┰胶诵木W(wǎng)而達(dá)到降低端到端時(shí)延的目的。此方法要求終端支持多個(gè)APN的連接，同時(shí)需要增加新的網(wǎng)元和接口，以實(shí)現(xiàn)基于APN的PDN傳輸建立。

（2）基于MEC本地分流方法

MEC標(biāo)準(zhǔn)化是諾基亞公司于2014年10月在標(biāo)準(zhǔn)化組織ETSI發(fā)起，并且在不到一年的時(shí)間內(nèi)從6個(gè)成員增加到50個(gè)，得到了包括運(yùn)營商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商和應(yīng)用提供商等眾多廠商的支持。

基于MEC的本地分流應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示，主要通過在無線接入側(cè)部署通用服務(wù)器，為無線接入網(wǎng)提供本地計(jì)算處理能力，從而使得傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化、近距離部署的條件以及提供低時(shí)延、高帶寬的傳輸能力，可有效緩解移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸帶寬以及時(shí)延的要求。同時(shí)，業(yè)務(wù)面下沉及本地化部署可有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的需求，從而實(shí)現(xiàn)縮減網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本的目的。與方法SIPTO相比，該方法可以實(shí)現(xiàn)MEC平臺(tái)的透明部署，終端無需支持多個(gè)APN連接。

4.3 空口上行授權(quán)獲得的時(shí)延優(yōu)化方法（用戶面優(yōu)化）

3GPP協(xié)議規(guī)定，如果終端沒有上行數(shù)據(jù)要傳輸，基站并不需要為該UE分配上行資源，否則會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因此，終端需要先告訴基站自己是否有上行數(shù)據(jù)需要傳輸，基站才能決定是否給終端分配上行資源。為此LTE提供了一個(gè)上行調(diào)度請(qǐng)求（SR）的機(jī)制。

終端通過SR告訴基站是否需要上行資源以便用于UL-SCH傳輸，但并不會(huì)告訴基站有多少上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送（這是通過BSR上報(bào)的）。基站收到SR后，給終端分配多少上行資源取決于基站的實(shí)現(xiàn)，通常的做法是至少分配足夠終端發(fā)送BSR的資源。

正是這個(gè)機(jī)制會(huì)導(dǎo)致上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，根據(jù)上文分析SR周期配成5 ms時(shí)產(chǎn)生的空口上行時(shí)延在17 ms左右。考慮需要支持的容量和用戶體驗(yàn)，現(xiàn)網(wǎng)中基站給終端配置的SR周期一般為20 ms，這樣對(duì)于上行傳輸?shù)牡谝粋€(gè)包的時(shí)延就更長了。

為了優(yōu)化終端獲取上行授權(quán)這一部分時(shí)延，基站采取上行資源預(yù)先分配的算法來規(guī)避這部分時(shí)延。具體來說，在基站的上行調(diào)度器模塊中，實(shí)現(xiàn)上行資源預(yù)分配算法，基站對(duì)終端可能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲凶訋M(jìn)行預(yù)測后，對(duì)于可能有數(shù)據(jù)的子幀進(jìn)行調(diào)度，這樣終端的上行數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送，省掉從SR到BSR再到上行數(shù)據(jù)傳輸中空口上行授權(quán)獲得時(shí)延。基于Dummy Grant的上行資源預(yù)調(diào)度算法如圖5所示。對(duì)于使用Dummy Grant所授權(quán)的不同數(shù)據(jù)量而得到的HTTP瀏覽網(wǎng)頁不同的反應(yīng)時(shí)間，和不采用預(yù)分配的算法相比帶來的增益最大為23.8%。

圖4 基于MEC的本地分流應(yīng)用架構(gòu)

圖5 基于Dummy Grant的上行資源預(yù)調(diào)度算法

4.4 通過優(yōu)化空口處理時(shí)間來減少空口時(shí)延（用戶面優(yōu)化）

3GPP R14版本之前限于終端處理能力，協(xié)議明確規(guī)定FDD-LTE情況下，如果終端n子幀收到Grant，則終端將在n+4子幀發(fā)送上行數(shù)據(jù)（PUSCH）；如果終端在n子幀收到下行數(shù)據(jù)（PDSCH），則在n+4子幀傳輸HARQ-ACK。3GPP R14為了在空口進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)延，對(duì)于更高處理能力的終端可以縮減到n+3，相比n+4的時(shí)序有25%的增益。此功能對(duì)基站帶來的影響具體如下：

（1）在上行數(shù)據(jù)和下行HARQ-ACK解碼需要考慮新的n+3時(shí)序；

（2）上行支持異步HARQ方式，以增加調(diào)度的彈性；

（3）對(duì)上下行調(diào)度器影響較大，但是對(duì)基帶處理影響較小；

（4）對(duì)于下行的物理控制信道和數(shù)據(jù)信道沒有引入新的設(shè)計(jì)；

（5）對(duì)于高階下行的MIMO，載波聚合和上行的覆蓋沒有任何局限性。

4.5 小結(jié)

若應(yīng)用以上四種支持方法，如圖6所示的理論計(jì)算，可以把端到端時(shí)延從114.5 ms優(yōu)化到16 ms，則小區(qū)支持的V2X用戶數(shù)為：(20-16)×20=80 ms（假設(shè)每個(gè)TTI可以調(diào)度20個(gè)用戶）。

針對(duì)上文四種車聯(lián)網(wǎng)典型用例，優(yōu)化方法應(yīng)用結(jié)果具體如表3所示。

考慮現(xiàn)網(wǎng)支持的可行性以及當(dāng)期3GPP標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)，同時(shí)為了滿足典型V2X用例的時(shí)延需求，因此針對(duì)現(xiàn)網(wǎng)提出滿足V2X典型用例的時(shí)延優(yōu)化方案建議如下：

方法一：讓處于V2X服務(wù)中的車載終端保持RRC連接態(tài)，旨在避免RRC和eRAB建立時(shí)延；

方法二：部署基于SIPTO或者M(jìn)EC的本地應(yīng)用分流網(wǎng)元，旨在降低來自核心網(wǎng)或者傳輸?shù)臅r(shí)延；

方法三：采用上行授權(quán)預(yù)調(diào)度算法（同時(shí)支持3GPP R14上行傳輸或略以降低上行干擾），旨在降低空口上行授權(quán)獲得時(shí)延；

圖6 現(xiàn)網(wǎng)建議方案以及理論時(shí)延計(jì)算