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LTE系统时延分析
帖子军饷威望
作者：孟繁丽,张新程,胡恒杰,魏海，贺延敏,刘昱鹏
前言LTE不仅可以提供更高的频谱效率．对于服务质量。特别是对实时业务时延的控制都是其设计目标。
LTE系统采用由eNode B构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延、低复杂度和低成本的要求。为使用户能够获得“Always Online”的体验．LTE对时延的具体要求为：用户平面内部单向传输时延(UE—eNode B)小于5ms。控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间小于50ms．从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。
1 用户面时延
用户面时延是指在UE IP层与RAN边缘节点IP层之间的数据包的单向传输时间．其中RAN边缘节点是指与核心网络直接进行通信连接的基站。
LTE系统要求对于小IP包(仅含IP帧头)，在空载(单用户但数据流时)条件下用户面时延应小于5ms。另外，E—UTRAN系统的带宽也影响实际的传输时延。用户面时延如图l所示。
实际网络中LTE系统的用户面时延主要包括处理时延、TTI长度以及帧调整。整个时延的构成如图2所示。
以下用户面时延的计算是在预调度模式下．基于0％-30％的HARQ重传情况下计算的。所有计算结果表明RAN内部双向(从下行PDCP至上行PDCP)时延小于10ms的要求是可以达到的，时延计算过程如下：
a)无重传情况下的单向用户面时延为Dupl=1(编码)+0.5(帧调整)+1(TTI)+l(解码)=3.5ms
b)考虑30％的HARQ重传的单向用户面时延为Dupl+nx5(帧调整)=3.5ms + n×5ms
n——重传次数
c)从而可以得到平均的用户面时延计算方法。
Dup=3.5ms + P×5ms
P--第一次HARQ重传时发生的错误概率
d)P=30％时的环回时延为
3．5+3.5+2×0.3×5=10ms
e)P=20％时的环回时延为
3.5+3.5+2×0.2×5=9ms
f)P=0％时的环回时延为
3.5+3.5+2×0×5=7ms
表l列出了当HARQ最初的错误概率为30％时用户面的时延情况。
当重传率为30％时。时延小于10 ms的要求很难达到。相反，重传率为0时，这个要求很容易达到。从上面的讨论中可以看到，HARQ操作点的取定对RTT的影响很大。目前，在LTE系统的外场测试中HARQ操作点的取定通常在10％一15％之间(见图3)。
2 控制面时延
控制面建立时延定义为驻留状态到激活状态的迁移以及从睡眠状态到激活状态的迁移所需时间。LTE系统要求控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间小于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms(见图4)。
图5示出的是NAS层的3个协议状态。
a)LTE_DETACHED：网络和UE侧都没有RRC实体。此时UE通常处于关机、去附着等状态。
b)LTE_IDLE：对应RRC的IDLE状态，UE和网络侧存储的信息包括给UE分配的IP地址、安全相关的参数(密钥等)、UE的能力信息、无线承载。此时UE的状态转移由基站或AGW决定。在LTE_IDLE状态下，UE处于一种省电模式．UE不向网络报告小区变化等信息。网络侧能够确定UE处于哪个TA范围，每个TA由一些小区组成。当UE被呼叫时，网络就在UE最新报告的TA范围内进行寻呼。在LTE_IDLE状态下，UE并不保留上行同步。只有当UE进行随机接人时．UE才会从LTE IDLE状态转移到LTE ACTIVE状态。在下行链路中，UE间歇接收寻呼信息。但UE依旧保留IP地址和其他一些终端信息，以便在需要时快速进入LTE_ACTIVE状态。
c)LTE_ACTIVE：对应RRC连接状态，是指UE处于接收和发送数据时的状态。状态转移由基站或AGW决定。UE也连接到相应的小区中；UE分配了一个或多个IP地址。并分配了相应的识别码C—RNTI。
图6给出了从LTE_IDLE状态到LTE_ACTIVE状态迁移的控制面流程。
表2以FDD帧结构为例对图6所示的整个流程时延进行了分析，主要分析了从LTE_IDLE状态向LTE_ACTIVE状态转移中为了达到时延小于100ms所需要的条件。
3 时延分析举例
上面分析了LTE系统的用户面与控制面时延，在实际网络中还应关注inter—eNB切换中的业务中断时延．下面重点分析切换中断时长。
在切换过程中用户面所发生的4个中断部分的时延估计值如表3所示。
3.1 无线层过程(①)
整个过程包括从切换命令开始到上行资源配置的整个过程，主要包括以下几个方面。
a)频率同步：时长主要取决于目标小区是否与当前服务频率工作在同一个频率上。由于UE已经对目标小区进行了识别与测量，这一点的影响就很小，因此由这一点所导致的时延可以忽略。
b)下行同步：基带及RF配置将会占用一些时间。UE需要进行测量来捕获目标小区的下行同步，得到源小区与目标小区的时间偏移。由于下行同步导致的时延会低于l ms。
c)上行资源申请和定时提前量的获取：这方面的时延主要取决于随机接入过程的长短。随机接入过程包括非同步随机接入方式与同步随机接人方式，其时长主要包括UE获得首次发送RACH消息的机会所需等待的一段时长，以及可能需要通过不断地增加功率，来进行多次试探所占用的时长。时延计算过程如下：
(a)等待发送前置码的接入时隙。假设10ms内有2个接入时隙。所需要的平均时长为2.5ms。
(b)发送RA前置码。其时长取决于应用场景(如站间距等)，通常为1个子帧的长度，即1ms。
(c)用于解调RA反馈信息的时长，反馈信息中包含了时间提前信息、上行资源分配信息。从最后一次RA前置码的发送到RA应答信息的解码所需要的时长取决于eNB的处理速度，通常情况下为7.5ms(控制面时延中的步骤3+4)。
这样从UE开始下行同步到收到上行分配信息的平均时长为11ms。由于RA前置码的重传还需要至少增加一个RTT时长或接入时隙间隔时长两者中的较大值。同时。需要一个随机回退机制，这意味着重传时延将会大于接入时隙间隔。
3.2 RRC信令(②、③)
对于基于竞争的接入，假设用户面的恢复是由RRC信令触发的．比如切换完成消息可触发目标eNB中的下行用户面恢复。而切换完成确认消息可触发上行用户面的恢复。整个时延包括发送端RRC信息的编码时间、空中接口上消息的发送时间、接收端对收到信息的处理时间。而三者中。空中接口上消息的传播时延是最主要的。RRC信令时延可以通过提高消息优先
级、采用低误码率的传输方式来降低。在优化的情况下，这个时延可以达到5ms左右，考虑到HARQ／ARQ的情况。该时延也可能增大到20ms左右。
对于基于非竞争的接人．由于网络可以通过UE所发送的RA前置码来识别UE。并且通过RA应答消息来通知UE。用户面的传输可以在RRC信令完成前恢复。这样，对于基于非竞争的接入，由上行RRC信令时延引起的用户面时延是可以避免的。
3.3 路由交换时的前转时延(④)
由于数据需要通过源eNB进行寻址．在GW中进行交换前送往源eNB的数据．再向目标eNB传送时需要增加一些额外的传输时延。通常情况下如果这时还有更多的数据需要传送给源eNB。这个时延一般不会增加切换中端时间。最差的情况是．在整个切换过程中。恰好只有1个数据包需要传送给UE．并且这个数据包在GW决定进行交换时传送给了源eNB。假设Sl接口延迟到源eNB和目标eNB是一样的，这个数据包需要增加一些额外的时延。包括源eNB处理时延和X2的传输时延。
3.4 对时延的讨论
从上述分析可以看出．整个上行用户面的切换中断时延是①+②+③，而下行的则是①+②或④中较大的一个。需要注意的是，如果目标eNB中的前转传输的数据在路由交换前已经准备好。整个下行中断时延就是①+②了。前转数据的传送也可以在路由交换后继续进行。这主要取决于需要传送的数据量以及在eNB间接口(X2)上的传送速率。但是，影响时延的根本因素还是第一个前转的数据包到达目标eNB的时延，这样．当无线层已经准备好、接收到切换完成消息时目标eNB就可以恢复传输。通常情况下第一个前转的数据包时延小于无线层的时延①+②。
基于上述分析．当采用FDD帧结构时，各个时延构成的估算平均值如表3所示。整个平均切换中断时长如表4所示。
需要注意的是上述估算值会由于信令流程没有最后确定而可能发生变化。该值也会取决于在源eNB与目标eNB间用户面的数据前转所采取的方式，在应用层的用户面中断时间可能会由于对来自于目标eNB均前转数据的重复传送而变长。然而，典型的用户面中断时间不会超过100ms。在理想的情况下，中断时间也可能低于12ms。
在UE发送测量报告与UE接到切换命令之间这段进程的时间不包含在用户面中断时长内。然而，这个时延应该处于一个可忍受的范围内．以避免UE与eNB间的无线链路中断和避免对网络容量的影响。图7示出的是L11E网络intra—MME／UPE切换流程中的用户面中断。
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用户面时延跟控制面时延区别？要怎么理解
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很高兴为你解答问题，如有不足！这个真的很难理解，尊敬的百度知道用户朋友，再来提问，可以继续追问，如果满意请采纳，谢谢你好，建议你先分好段
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用户平面内部单向传输时延(UE—eNode B)小于5 ms，如果时延过高需要排查问题进行优化在LTE中，有的时延短，那样的原因，实际建网总会出现这样；从睡眠状态到激活状态迁移时间小于50 ms这些都是目标值，控制面时延要求为100ms，有的时延高！PING的时延就是用户面时延
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