5G低時延技術的應用淺析

許明元

【摘 要】5G定義的很多應用場景需要低時延（5 ms～10 ms）或超低時延（1 ms～2 ms），如遠程手術、自動駕駛等，為了探討和研究新技術以減少時延，從5G應用場景和關鍵能力出發，分別從網絡架構、空口、承載網三方面對影響時延的因素進行分析，并對降低5G時延的相關技術的應用進行了淺析。

【關鍵詞】5G 網路切片 移動邊緣計算 空口 低時延

1 引言

隨著移動互聯網、物聯網、AR/VR、自動駕駛、遠程醫療等業務的發展，為滿足未來這些新需求和新特性，第五代移動通信（5G）已成為全球研發熱點。全球通信組織和運營商陸續發布了5G概念白皮書，并已啟動國際標準制定和研究工作，低時延特性作為5G關鍵能力指標之一，比4G要求更高，本文通過分析影響5G時延的因素，對5G低時延技術的應用進行了淺析。

2 5G應用場景及關鍵能力

根據移動互聯網和物聯網主要應用、業務需求，IMT-2020（5G）推進組歸納出以下四個重要應用場景：連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠場景。

不同的應用場景的關鍵能力差異較大，面臨的關鍵能力挑戰有：連續廣域覆蓋場景需具有100 Mbps的用戶體驗速率；熱點高容量場景需要達到1 Gbps用戶體驗速率、數十Gbps的峰值速率和數十Tbps/km2流量密度；低功耗大連接場景的連接數密度達到106個/ km2，同時要求超低功耗和超低成本；低時延高可靠場景要求1 ms的空口時延和毫秒量級的端到端時延，同時具有百分之百的可靠性。

目前的4G技術沒法滿足這些關鍵能力要求，尤其對于毫秒級的低時延特性需求，單純通過現有的4G技術演進是無法實現的，需從網絡架構、空口技術、承載網等方面采用新架構和新技術，才能實現超低時延的特性。

超低時延是5G最重要的關鍵能力，要滿足近乎苛刻的時延指標要求，面臨著以下挑戰：

首先，毫秒級別的延遲需要對現有網絡的架構做重大變更，實現成本相對較高，短期內實現相對困難。其次，時延和其他特性指標的之間關系需要綜合考慮，如：自動駕駛/機器人控制等應用在需求超低時延的同時需要接近100%的可靠性；AR/VR應用對時延要求較高的業務同時對吞吐量要求也較高；此外，無線系統設計中如傳輸速率、時延、可靠性等性能指標之間常常存在著一定程度的此消彼長、相互權衡的關系，需要針對業務類型合理權衡和協調時延與其它指標之間的關系。

3 實現5G低時延的技術

移動通信系統時延由如下幾個部分組成：空口時延、承載網時延、核心網時延，PDN網絡時延，如圖1所示：

5G要實現超低時延，必須從無線接入網、核心網、承載網、PDN網絡各個方面一起著手，總的思想是架構扁平、內容下層、空口重構。

端到端時延由多段路徑上的時延加和而成，僅靠單獨優化某一局部的時延無法滿足1 ms的極致時延要求，因此5G超低時延的實現需要一系列有機結合的技術，一方面要大幅度降低空口傳輸時延，另一方面要盡可能減少轉發節點，并縮短源到目的節點之間的“距離”。

以下將從網絡架構、核心網、承載網三方面研究在降低時延中扮演重要作用的關鍵技術。

3.1 網絡架構

在網絡架構方面，可以采用控制轉發分離、網絡切片、核心網功能下沉和移動邊緣計算（MEC）等關鍵技術來降低時延。

（1）控制轉發分離

新型5G網絡架構包含接入、控制和轉發三個功能平面：

1）接入平面：包含各種類型基站和無線接入設備。基站間交互能力增強，組網拓撲形式豐富，能夠實現快速靈活的無線接入協同控制和更高的無線資源利用率。

2）控制平面：通過網絡功能重構，實現集中的控制功能和簡化流程，以及接入和轉發資源的全局調度。面向差異化業務需求，通過按需編排的網絡功能，提供可定制的網絡資源，以及友好的能力開放平臺。

3）轉發平面，包含用戶面下沉的分布式網關、集成邊緣內容緩存和業務流加速等功能，在集中的控制平面的統一控制下，能較大地提升數據轉發效率和靈活性。

利用云計算技術，采用“三朵云”（接入云、控制云、轉發云）實現5G接入、控制和轉發功能。利用SDN技術實現核心網網關設備控制和轉發功能分離，分布式部署網關設備，網絡架構更加扁平化，可以有效地降低業務的傳輸時延。

（2）網絡切片技術

四大應用場景的應用在移動性、計費、安全、策略控制、時延、可靠性等方面各自具有不同的特性和需求。多樣化的應用場景對5G網絡提出了多樣化的性能要求和功能要求，利用網絡切片（Network Slicing）技術，針對不同的應用場景提供專屬的網絡控制功能和性能保證，實現按需組網，5G網絡切片技術架構如圖2所示。

網絡切片利用虛擬化技術，將5G網絡物理基礎設施資源根據場景需求虛擬化為多個平行的虛擬網絡切片，每種網絡切片邏輯上獨立（包括接入網部分、承載網部分和核心網部分），專門針對不同特性和需求的業務提供服務，保障業務的專用資源（虛擬服務器、網絡帶寬、QoS、時延等）滿足不同業務特性的需求，如對于低功耗大連接應用，不需要切換和位置更新流程，而對于低時延高可靠應用（如自動駕駛、遠程機器人控制），需要毫秒以下的端到端時延和100%可靠性，資源配置主要以滿足時延和可靠性要求為首要原則，有效降低端到端時延。

在可靠性方面，網絡切片間相互隔離，一個網絡切片內產生的故障不會影響其他網絡切片的正常通信，提高了網絡的可靠性。

（3）核心網功能下沉

在4G eNodeB和EPC兩層網絡結構的基礎上，5G網絡核心網部分功能將進一步下沉。

將核心網控制功能下沉，部署在接入網邊緣或者與基站融合部署，數據網關和業務使能設備根據業務需要在全網中靈活部署，減少回傳網絡的壓力，降低時延和提高用戶體驗速率。

核心網轉發平面進一步簡化下沉，同時將數據存儲和計算功能下移到網絡邊緣，以滿足低時延的業務要求。

（4）移動邊緣計算

4G網絡應用服務器集中位于中心機房，距離終端設備較遠，中間需要經過多個傳輸節點。MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）技術將基站與互聯網業務進行深度融合，在移動邊緣部署計算、處理和存儲功能的云計算設備，構建移動邊界云，提供信息技術服務環境和云計算能力。應用服務和內容部署在移動邊緣，可以減少數據傳輸過程中的轉發和處理時間，降低端到端時延，如對于時延和可靠性要求都比較高的V2X應用，將核心網和V2X應用服務器布置到接入網機房，可以較大地縮短數據處理時間和傳輸時延。

綜上所述，采用控制轉發分離、網絡切片、核心網功能下沉和移動邊緣計算（MEC）等技術可以降低時延，滿足不同應用場景的要求，5G網絡總體架構如圖3所示。

5G接入網是一個支持多種無線接入技術（RAT）的多層異構網絡，多種類型的基站相結合，以滿足不同應用場景的需求。5G核心網需要支持4個主要應用場景的各種業務，核心網轉發平面簡化下沉，采用MEC技術和網路切片技術，以滿足低時延和高流量的業務要求。

利用NFV和SDN技術實現控制轉發分離，使網絡功能易于進行重組，可以靈活組合功能模塊以滿足不同場景和業務特征要求，按需定制網絡資源和業務邏輯，增強網絡彈性和自適應性。

5G網絡是“一個邏輯結構，多種組網”的架構，通過網絡切片技術，根據不同的應用場景和需求，構建不同的邏輯網絡實例，實現業務需求的按需編排。網路切片間邏輯上相互隔離，切片的故障、配置和調整不會影響其他切片，從而提高了系統的可靠性。

3.2 空口時延

（1）LTE系統的空口時延

LTE系統對用戶平面單向傳輸時延的要求是小于5 ms，LTE系統用戶面時延主要包括處理時延、TTI長度以及幀周期。

1）UL時延

在LTE FDD系統中，當UE有上行數據傳輸需求時，需要等待配置發送調度請求（SR）的子幀n，UE在子幀n上發送調度請求信息給eNode B，eNode B最快在子幀n+2上發送上行數據調度授權信息，UE在子幀n+2上接收到上行數據調度授權信息后，在子幀n+6上傳輸相應的上行數據，eNode B在子幀n+10上反饋ACK/NACK信息給UE，UE在子幀n+14上重傳所述上行數據，從有數據傳輸需求到一次數據傳輸完成，不考慮等待調度請求子幀和數據處理的時間，單次傳輸的時延為6 ms，一次重傳的時間為14 ms。

考慮等待調度請求子幀和數據處理的時間，UE上行數據傳輸典型的無線接入時延如表1所示：

2）DL時延

下行數據傳輸時，在子幀n上，eNode B使用物理下行控制信道（PDCCH）調度下行數據傳輸，UE在子幀n+4上反饋ACK/NACK信息，不考慮eNode B輸入數據處理和UE數據解碼的時間，eNode B接收處理時延最小為1 ms，eNode B最快可以在子幀n+5上進行數據重傳調度，單次傳輸的時間為1 ms，一次重傳的最小時間為5 ms。

考慮輸入數據處理的時間，UE下行數據傳輸典型無線接入時延如表2所示：

由以上分析可以看出，當SR調度周期為10 ms時，UL數據傳輸的平均時延為17 ms；當SR調度周期為1 ms時，UL數據傳輸的平均時延為12.5 ms。下行數據傳輸平均傳輸時延為7.5 ms，LTE系統的用戶面傳輸時延遠遠超過5G系統毫秒級端到端時延的要求。

（2）降低空口時延的關鍵技術

從LTE空口時延分析可以看出，影響空口時延的主要因素是數據傳輸時長、數據傳輸資源請求等待時間、數據處理時間和反饋延時。可通過采用新型幀結構、降低數據傳輸時間間隔（TTI）、資源預留、降低處理時延、D2D等技術降低空口時延。

1）采用新型幀結構和減小TTI

幀結構是無線通信的核心，為了有效降低空口時延，在幀結構方面，可以采用更短的子幀長度，并在同一子幀內完成ACK/NACK反饋。現有LTE系統以子幀為單位進行數據調度，LTE子幀長度為1 ms，最小數據傳輸間隔（TTI）為1 ms，對于UE，LTE用戶平面單向時延可通過公式（1）計算：

DUP（ms）=1.5+1+1.5+n×8=4+n×8 （1）

其中，n為HARQ重傳次數。

對于不同TTI，用戶面時延的構成如圖4所示。

單向時延可通過公式（2）計算：

DUP（ms）=1.5TTI（eNB處理和調度）+1TTI+

1.5TTI（UE處理和調度）+n×8TTI（HARQ重傳）

=（4+n）×8TTI （2）

考慮到典型情況下發生0或1次重傳，用戶平面單向時延大約如公式（3）所示：

DUP_typical（ms）=（4+p×8）×TTI （3）

其中，p是數據傳輸出錯概率（BLER）。

當BLER=0%時，DUP_0%HARQ_BLER（ms）=4×TTI；

當BLER=10%時，DUP_10%HARQ_BLER（ms）=4.8×TTI。

通過以上分析可以看出，空口時延與TTI成線性關系，減小TTI可以降低空口時延。

減小TTI，可以帶來以下優勢：1）網絡能夠更快地調度UE，減少回程時間；2）能夠使HARQ和CSI反饋更快，減少反饋時間，更快地根據信道狀況進行鏈路自適應；3）能提高TCP吞吐量，對于小量數據傳輸，減少TTI長度還可以提高系統容量。

2）資源預留

LTE系統中，當終端有數據傳輸需求時，需要先發送調度請求（SR），基站分配資源后終端才能進行上行數據傳輸，采用資源預留技術，基站預分配資源給終端，終端在有數據傳輸時直接在預先分配的資源上傳輸數據，減少調度請求過程，從而降低上行數據傳輸時延。

3）降低處理時延

通過高性能硬件設備和優化算法降低時延，也可以通過高級自適應編碼來降低處理編解碼的時延，比如當SNR比較高時，采用卷積編碼，當SNR比較低時，采用Turbo編碼等。

4）D2D（Device to Device，設備對設備）技術

基于蜂窩網絡的D2D通信，使得用戶數據不經過網絡中轉，直接在終端之間傳輸，如圖5所示。

傳統的通信方式中，數據轉發要經過數個網絡節點，每次轉發都會導致時延的增加，而D2D通信模式不需要經過網絡傳遞，就可以實現設備之間的通信，特別適合于物聯網和車聯網中的V2X（Vehicle to Everything）應用，極大地降低時延。例如，在高速行車時，車輛的變道、減速等操作動作，可通過D2D通信的方式發出預警，車輛周圍的其他車輛基于接收到的預警對駕駛員提出警示，甚至緊急情況下對車輛進行自主操控，以縮短行車中面臨緊急狀況時駕駛員的反應時間，降低交通事故發生率。

基于終端直通的D2D由于在通信時延、鄰近發現等方面的特性，使得其應用于5G車聯網車輛安全領域具有先天優勢。

3.3 承載網時延

（1）承載網時延的構成

承載網時延約占整個時延的20%，以端到端1 ms的時延要求，承載網的時延不能超過200 μs。承載網時延主要由光在光纖傳輸中時延和IP設備的轉發時延兩大部分組成。

1）光在光纖傳輸中時延

根據光在媒介中傳播時時間與光速、距離和折射率的關系式：

t=n×L/c （4）

L=t×c/n （5）

其中，c為光速，n為光纖群折射率，一般為1.467～1.468之間（1310 nm～1550 nm），這里取1.5，當t=200 μs時，L=40 km。

即200 μs相當于40 km的光在光纖中的傳輸時延。對于時延超低要求的應用場景，必須將核心網距離基站不超過40 km才能滿足要求，即核心網需下沉到無線網附近或與無線網融合。

2）IP設備的轉發時延

IP設備的轉發時延包括接口時延（<2 μs）、NP處理時延、報文調度時延和交換網時延，IP網絡負載較輕時單跳時延在50 μs內，負載較重時，通過優先級調度策略，時延依然可以控制在50 μs內。

（2）降低承載網時延的關鍵技術

1）直通轉發技術

傳統數據轉發是端口在獲得一個完整的數據包后才進行校驗和轉發，會引入部分延時，直通轉發是交換機最快速的轉發方式，收到數據幀的目的MAC地址后，交換機立即向目的端口轉發數據，后續數據每到一個字節就轉發一個字節，大幅降低串行轉發延遲。

2）FLEX-E技術

FlexE實現子MAC間物理隔離，保障低時延業務帶寬，同時，FlexE低時延標識傳遞給NP，TM實現端到端低時延通道。

Flex Ethernet是在MAC和實體層（PHY）或實體編碼子層（PCS）之間創造另一中介層，用于調節控制，從MAC獲取有關封包信息，并指示PCS根據需要重新編碼。

3）降低NP處理時延

傳統NP在轉發不能感知業務優先級，優化后的NP可以感知優先級，為低時延業務開辟專用通道。

4）降低TM調度時延

采用低時延業務直通調度和搶占轉發資源的方式，以減少低時延要求業務的時延。

采用以上降低時延技術和采用傳統技術時延對比如表3所示：

采用以上技術，IP承載網絡的單跳時延可小于10 μs。

4 結束語

本文從5G應用場景和關鍵能力出發，分別從網絡架構、空口、承載網三個方面對影響時延的因素進行分析，并對降低5G時延的相關技術的應用進行了淺析。通過分析可知，實現5G低時延必需兼顧整體，從跨層考慮和設計角度出發，使得空口、網絡架構、核心網等不同層次的技術相互配合，使網絡能夠靈活應對不同垂直業務的時延需求。

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