LTE系统的半静态调度传输解决方案

摘要：本文介绍了在长期演进LTE系统中，对VoIP（Voice Over IP）、视频流等业务采用的半静态调度技术的概念以及实现方式，详细描述了最新版本协议中半静态调度传输中的问题以及解决方案。

 

一、概述

2005年春季，3GPP就启动了长期演进LTE（Long Term Evolution）的标准化工作。经过近3年的时间，其标准化工作在2008年底基本完成，目前国内外各大通信设备厂商已经有了比较明确的设备推出时间表。

LTE系统在初期阶段即提出在20M带宽上达到下行100M，上行50M的峰值速率；接入网用户层时延小于5ms，控制层时延小于100ms等的目标，另外，LTE很重要的一个业务上的特点就是取消了全部电路域的业务，提出了全IP网络的概念，利用VoIP的分组数据传输技术来承载话音业务。LTE系统支持的丰富的业务类型和高速的数据速率，对其分组调度技术也提出了很高的要求。本文将主要介绍LTE系统为了支持VoIP业务，结合系统自身特点所采用的一种新的调度技术—半静态调度传输

 

二、LTE系统中的资源调度

与传统3G移动通信技术不同的是，LTE系统采用下行OFDMA，上行SC-FDMA的接入方式，供基站进行调度的传输资源由以前3G CDMA系统的码域资源变成了时频二维资源。同时，LTE系统中取消了专用信道，采用共享信道的调度式资源分配方式，更加可以使得无线资源得以最大限度的有效利用。

LTE系统采用共享资源的方式进行用户数据的调度传输，eNB（基站）可以根据不同用户的不同信道质量，业务的QoS要求以及系统整体资源的利用情况和干扰水平来进行综合调度，从而更加有效的利用系统资源，最大限度的提高系统的吞吐量。LTE共享资源调度传输的方式如图1所示

 

 

                                                           图1  LTE共享资源调度传输的方式

其中，每个方格代表频域上12个子载波，时域上1ms。

 

LTE系统中，每个用户会配置有其独有的无线网络标识（RNTI），eNB通过用UE的RNTI对授权指示PDCCH进行掩码来区分用户，对于同一个UE的不同类型的授权信息，可能会通过不同的RNTI进行授权指示。如对于动态业务，eNB会用UE的小区无线网络标识（C-RNTI）进行掩码，对于半静态调度业务，使用半静态小区无线网络标识（SPS-C-RNTI）等。

 

三、半静态调度技术介绍

LTE采用的共享式资源分配调度方式可以极大程度的利用无线通信资源，但是同时，这种调度方式带来的开销也是系统设计者必须要考虑的问题之一。在LTE系统中，取消了全部电路域的话音业务，而代之以数据域的VoIP业务。但由于话音用户的数量往往比较庞大，LTE又采用共享式调度的资源分配方式，每次传输都需要相关的控制信息，所以控制信息的开销过大将可能变成限制LTE系统所能够同时支持的用户数，能达到的系统吞吐量的瓶颈。在LTE系统中，其带宽所能支持的VoIP用户数是其可以调度指示用户数的5倍左右，于是，对于VoIP业务而言，LTE系统控制信息的不足将极大的限制其所同时支持的用户数。针对这类数据包大小比较固定，到达时间间隔满足一定规律的实时性业务，LTE引入了一种新的调度方式—半静态调度技术（Semi-Persistent Scheduling）。简单而言，半静态调度方式是指在LTE的调度传输过程中，eNB在初始调度通过PDCCH指示UE当前的调度信息，UE识别是半静态调度，则保存当前的调度信息，每隔固定的周期在相同的时频资源位置上进行该业务数据的发送或接收。容易理解，使用半静态调度传输，可以充分利用话音数据包周期性到达的特点，一次授权，周期使用，可以有效的节省LTE系统用于调度指示的PDCCH资源，从而可以在不影响通话质量和系统性能的同时，支持更多的话音用户，并且仍然为动态调度的业务保留一定的控制信息以供使用。

以典型的VoIP业务举例，其数据包到达周期为20ms，则eNB只要通过PDCCH给UE半静态调度指示，UE即按照PDCCH的指示进行本次调度数据的传输或者接收，并且在每隔20ms之后，在相同的时频资源位置上进行新到达的VoIP数据包的传输或者接收。如图2所示，标记为绿色的资源即为UE周期进行发送或者接收的资源位置。

图2 半静态调度资源使用示意图

对于半静态调度传输，主要有三个关键的步骤，即半静态调度传输的激活，半静态调度传输的HARQ过程以及半静态调度传输资源的释放。

1．    半静态调度传输的激活

LTE系统中，需要进行半静态调度的业务如VoIP等，在业务建立初期，将由RRC配置相关的半静态调度参数，如半静态传输时间间隔，半静态调度小区无线网络标识（SPS-C-RNTI），上行传输功率等。

半静态调度传输的激活由用SPS-C-RNTI进行掩码的PDCCH指示。在第二章我们提到，UE对于PDCCH的接收是通过属于自己的无线网络标识（RNTI）对PDCCH的CRC的解掩码得到的，对于16比特的SPS-C-RNTI，UE可能会将本非用SPS-C-RNTI掩码的PDCCH错误的认为是半静态调度传输的激活，从而按照其授权信息在固定的频率资源上周期性的发送或接收信息，则会对系统造成严重的干扰。并且由于半静态调度传输是一经激活即长时间，周期性的在固定位置上发送或者接收数据，则如果对PDCCH的错误解析会带来比较长时间的，严重的资源冲突和浪费的后果。这样，对于半静态调度传输的激活信息的可靠性就提出了更高的要求。在LTE标准中，采用了一种称为“虚拟CRC”的用于半静态调度的PDCCH校验机制，即UE除了接收到SPS-C-RNTI掩码的PDCCH以外，还需要检查PDCCH中固定的比特位是否设置为预先规定好的值，只有这部分预先约定的比特位全部为设定的值时，UE才认为该PDCCH为半静态调度传输的激活信令。固定的比特位如表1所示

表1 半静态调度授权信息中的固定比特位

	DCI format 0	DCI format 1/1A	DCI format 2/2A
TPC command for scheduled PUSCH	set to ‘00’	N/A	N/A
Cyclic shift DM RS	set to ‘000’	N/A	N/A
Modulation and coding scheme and redundancy version	MSB is set to ‘0’	N/A	N/A
HARQ process number	N/A	FDD: set to ‘000’ TDD: set to ‘0000’	FDD: set to ‘000’ TDD: set to ‘0000’
Modulation and coding scheme	N/A	MSB is set to ‘0’	For the enabled transport block: MSB is set to ‘0’
Redundancy version	N/A	set to ‘00’	For the enabled transport block: set to ‘00’

 

2．    半静态调度传输的HARQ过程

LTE系统的半静态调度，由于其周期性、持续性的特点，在HARQ过程中，也和传统的动态业务有所不同。本文将分别介绍LTE半静态调度传输的上行HARQ过程和下行HARQ过程。

上行

LTE协议中规定，对于半静态传输，上行可以采用同步自适应HARQ或者同步非自适应HARQ两种方式。非自适应重传HARQ不需要进行授权，UE按照上一次传输所使用的资源和调制编码方式进行数据的重传，而自适应重传需要通过SPS-C-RNTI掩码的PDCCH进行授权传输。由于LTE系统中的上行为同步HARQ，即对于特定数据包的初始传输和重传具有固定的时间间隔，所以会存在半静态调度传输的非自适应重传和周期性到达的新数据传输发生碰撞的情况。如图3所示为FDD LTE上行半静态调度传输可能发生碰撞的情况

 

如图所示，在上行传输次数*HARQ进程传输间隔=n*半静态传输周期时，就会发生重传数据和新数据碰撞的情况，如图3中，数据包1的第五次重传就会和数据包3的初始传输发生碰撞。这个问题在FDD系统中并不明显，因为FDD的重传间隔为8ms，在进行了4次传输之后才可能发生碰撞，而4次传输基本上可以保证VoIP包的传输质量要求。但是对于TDD系统，重传间隔大多为10ms，则在第3次传输时即会发生重传数据和新数据的碰撞，导致TDD模式下，非自适应重传只能进行一次，将会使VoIP的业务质量得不到保证。

目前的LTE协议中对此也提出了解决办法，即周期偏移的方式。UE在两次半静态调度传输周期内通过一个小的偏移量对周期进行修正，从而有效的避免了重传数据和新数据的碰撞，如图4所示，在TDD LTE系统中，协议规定每相邻两个周期设置一个偏移值，前后两个数据包根据偏移值使用不同的传输周期。则在这样配置下，奇数个数据包的实际传输周期为（20-Delta）ms，偶数个数据包的实际传输周期为（20+Delta）ms

 

 

下行

LTE下行采用异步自适应的HARQ传输方式。自适应重传需要通过SPS-C-RNTI掩码的PDCCH进行授权传输，由于是异步HARQ，需要在PDCCH中明确指出当前的重传信息的HARQ进程。然而我们从表1中可以看出，下行半静态调度传输的激活中，并没有指出初始传输的HARQ进程，这样就会出现下行半静态调度的重传数据不能确定其HARQ进程，导致无法合并的现象。

为了解决半静态调度下行HARQ的合并问题，LTE协议规定，在下行半静态调度传输中，系统会为下行半静态调度传输预留编号最低的几个HARQ进程，UE根据自己接收到半静态调度授权的时间起点来进行循环使用。同时，为了保证下行半静态传输的业务质量要求，给予其足够的重传次数，需要在下行预留多个HARQ进程用于半静态调度的传输。但是由于半静态调度传输主要用于低速率数据包的传输，所以预留多个HARQ进程会对UE的峰值速率造成影响。为了解决下行半静态调度传输的可靠性和保持尽可能高的下行峰值速率的矛盾，LTE协议中支持半静态调度传输和动态调度传输共享下行进程的机制，即在半静态调度传输两次使用同一HARQ进程之间，如果其传输正确，则动态业务可以在半静态业务下一次使用该进程之前临时使用这个HARQ进程。如图5所示：

 

 

3．    半静态调度资源的释放

半静态调度技术具有一次调度，周期进行发送或者接收的特点，其配置的资源在使用完毕之后的释放将变得非常重要。如果系统资源在半静态调度业务结束之后没有成功释放，则可能会对其他用户造成严重的干扰，从而导致系统性能的下降。举例而言，对于上行半静态调度传输，如果系统没有在其业务结束后将其使用的半静态资源释放或者释放失败，则该UE将继续在配置的资源上进行传输，而此时eNB可能已经将该资源分配给其他用户进行数据传输，这样就会造成严重的同频率干扰，导致基站无法进行解调；同样，对于下行传输来说，如果系统没有在UE半静态业务结束之后释放其资源或者释放失败，UE会继续在配置好的资源位置上接收数据，而此时eNB将该资源分配给其他用户，这样就会带来UE对于不属于自己的数据进行解调并且发送HARQ反馈信息，对基站接收造成干扰的后果，并且还会带来UE侧电力的浪费。

目前LTE协议规定，eNB需要通过以SPS-C-RNTI掩码的PDCCH指示UE进行上行/下行半静态调度资源的释放。并且对PDCCH的格式做出了相应的规定，以达到更加可靠的释放的效果。同时，为了进一步增强其可靠性，UE如果释放成功，还需要向eNB进行ACK/NACK的反馈。如表2所示为用于释放半静态调度资源的PDCCH格式

表2半静态调度释放信息中的固定比特位

	DCI format 0	DCI format 1A
TPC command for scheduled PUSCH	set to ‘00’	N/A
Cyclic shift DM RS	set to ‘000’	N/A
Modulation and coding scheme and redundancy version	set to ‘11111’	N/A
Resource block assignment and hopping resource allocation	Set to all ‘1’s	N/A
HARQ process number	N/A	FDD: set to ‘000’  TDD: set to ‘0000’
Modulation and coding scheme	N/A	set to ‘11111’
Redundancy version	N/A	set to ‘00’
Resource block assignment	N/A	Set to all ‘1’s

同时，由于上行半静态调度传输释放失败的后果相对更加严重，LTE系统还为上行半静态调度资源的释放规定了一种隐式的规则，即eNB通过RRC信令配置一个UE发送不包含任何数据的次数n，如果eNB对其半静态调度资源的显式释放UE没有收到，但是其已经连续进行了n次不包含任何数据的传输，则UE会自动释放半静态调度配置的资源，停止半静态调度数据的发送。

四、总结

本文对目前已经冻结的LTE Release 8协议中规定的半静态调度方式进行了详细而深入的介绍，包括其激活、修改、重传以及释放过程，并分析了采用目前这种方式的原因和优点。

随着LTE协议规范的制定完毕，LTE的产品的研发的不断深入，LTE距离市场也越来越近。半静态调度作为一种新兴的调度方式，有针对性的面向VoIP等业务，可以有效的节省其信令开销，增加系统的话音用户容量，提高系统的有效性。而LTE系统中对VoIP技术的更好支持，必将使人类的移动通信体验发生质的飞跃。

五、参考文献

[1] 3GPP TS 36.321 v8.6.0 2009-06

[2] 3GPP TS 36.213 v8.7.0 2009-06

 

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