5G SA 共享網絡時延優化策略*

歐陽恩山，方云根，田經化

（中國聯通湖南省分公司，湖南 長沙 410014）

0 引言

中國電信與中國聯通共同建設了一張全球規模最大的5G 獨立組網（Stand Alone，SA）共享網絡，實現了“一張物理網、兩張邏輯網”的共享模式，為雙方5G 業務發展提供了強有力的網絡保障。5G SA 網絡具有高速率、低時延、大連接的特點[1]，可廣泛應用于VR/AR、遠程醫療、無人駕駛、工業控制等場景，賦能產業轉型升級。特別是5G R16 版本，更是增強了對低時延高可靠通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）業務場景的支持能力，用戶面可達到10 ms 的端到端時延、1 ms 的空口時延，可靠性高達99.999%。

但在網絡的實際運營過程中，固定網絡段的傳輸路由問題、無線信號的覆蓋質量引起的丟包重傳、共享網絡的參數配置等，都會大幅增加用戶端到端的時延，進而影響到網絡性能和對時延敏感業務的感知。

本文針對5G SA 網絡共享方用戶的使用感知問題，深入分析影響用戶端到端時延的主要原因，提出一種端到端時延問題定位的方法；通過研究降低5G 無線空口調度時延、傳輸時延等關鍵技術[2]，針對固定網絡段提出網絡結構優化策略和路由優化算法；針對無線網絡部分，研究提出一種無線網絡參數優化策略，減少丟包降低時延。經實際運行驗證，本文所提策略取得了明顯改善效果，大幅提升了共享方用戶在5G SA 網絡下的業務感知。

1 5G 網絡端到端時延影響因素分析

5G 應用對業務面數據包的傳輸時延有較高要求，只有達到一定基準值才不會影響業務感知，如網站頁面訪問、視頻直播、點播、游戲等業務均對時延敏感，因此在衡量網絡端到端體驗指標時，需要對這些業務都進行時延測評[3]。

端到端時延包含無線空口（用戶設備UE 與基站間）、固定傳輸段（基站至用戶面功能（User Plane Function，UPF））間的信號傳輸時延，需關聯無線小區、核心網、承載網監控常用關鍵指標（Key Performance Indicators，KPI），建立時延影響因子庫。可以通過建立如圖1 所示的基于用戶感知的端到端時延監控模型，快速定位問題。

圖1 基于感知的端到端時延監控模型

本文面向用戶感知，以打造低時延高可靠SA網絡為出發點，剖析優化5G 無線空口調度時延、傳輸時延、固定網絡端口傳輸時延及設備處理時延等關鍵技術，深入開展分段研究與問題定位。

1.1 光纖傳輸距離時延

光信號在光纖中傳輸所耗費的時間為傳播時延。傳播距離影響傳播時延，傳輸介質也影響傳播時延。通常單位長度光纜的時延約為5 μs/km，傳輸距離越長，時延越大。

1.2 設備轉發時延

設備轉發時延包括業務發送時延、處理時延及排隊時延，在網絡未發生擁塞時，設備轉發時延主要和經過的設備跳數有關。這里重點探討波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和光傳送網（Optical Transport Network，OTN）設備的時延[4]。WDM 和OTN 設備主要由電路板OTU、合分波單元、光放大單元組成，設備部分的時延一般在100～400 μs，收、發兩端加起來，時延一般小于1 ms。一般來說，短距離（如＜100 km）情況下設備的時延影響占比較大，長距離時（如＞500 km），光纖時延影響較大，傳輸設備的時延可以忽略。

1.3 無線空口傳輸時延

無線空口側時延主要受傳輸間隔、資源調度、混合重傳、終端和基站處理時延等因素影響。在第三代移動通信伙伴項目（the 3rd Generation Partner Project，3GPP）定義的5G NR 協議中，引入了基于時隙的調度方法、上行優先級處理方法、更加靈活的傳輸定時方案等[5]。影響無線空口的時延因子有ping 包調度方式模式、上行預調度、預調度次數、上行誤塊率（Block Error Rate，BLER）、下行BLER 等。

2 端到端時延定位方法

由于5G 共享網絡組網復雜，因此面臨端到端時延定位的問題。針對電信SA 共享基站至聯通UPF 網絡訪問路徑上所有節點路由，研究基于路由追蹤（tracer）的時延跟蹤方法，總結排查影響時延的各個因素并提出解決方案，實現無線網、承載網、核心網時延變化的根因定位。同步實施網絡結構優化、路由策略優化、無線網絡參數優化[6]，降低各段時延，提升5G 用戶感知。

本文采取ping 測試分段隔離“透視”跟蹤每一跳網元路段時延，為時延問題定位提供了關鍵性方法，建立了端到端時延問題“三維四步法”診斷手段與優化策略，如圖2 所示。

圖2 端到端時延優化“三維四步法”

將SA 網絡時延路由分為兩段，即無線空口段（UE 與基站間）、固定網絡段（基站至UPF），通過T1、T2 時間戳解析空口時延、固定段時延，見圖3。

圖3 端口跟蹤（T1—T2）基站空口以上時延回環

基于tracer 測試跟蹤，進一步解析出基站至UPF 的各段路由時延，實現分段定位，如圖4。

圖4 基于tracer 跟蹤時延分段隔離

將聯通地市承載網N3 接口地址添加至電信地市邊緣路由器（Edge Router，ER），打通電信SA共享基站至聯通UPF 網絡訪問路徑上所有節點路由，實現利用ping 測試每一跳網元路段時延。測試的時延包括：

（1）共享基站空口時延；

（2）基站端至電信城域網ER 時延；

（3）電信城域網ER 至地市聯通智能城域網核心路由器（Metro Core Router，MCR）時延；

（4）地市聯通城域網MCR 至省會匯聚路由器（Multipul Custom Edge，MCE）時延；

（5）省會MCE 至省會MCR 時延；

（6）省會MCR 至省會核心網底層交換機（End of Row，EOR）時延；

（7）省會EOR 交換機至省會UPF 時延；

（8）省會UPF 至文件訪問服務器（File Transport Protol Server，FTP）時延。

3 網絡結構優化

3.1 優化網絡拓撲，MCR 直連簡化路由降低時延

承載網總時延=光纖時延+設備轉發時延，其中，設備轉發時延每跳為40～50 μs[7]，光纖時延為5 μs/km。經對比測算，光纖距離是增加時延的主要原因。通過優化網絡拓撲結構，將地市智能城域網MCR 通過波分直連省會長沙MCR，可縮短兩跳路由節點轉發時延和兩段光纖鏈路時延，減少1～2 ms 時延。地市至省會MCR 路由直連改造如圖5、圖6 所示，經測試統計對比，可有效降低時延。

圖5 地市MCR 直連改造前

以衡陽為例，時延對比結果如表1 所示，采取MCR 直連后，基站ping 至省會UPF 的大小包時延平均縮短了1 ms 左右。目前，湖南聯通已完成了13 個共享區地市直連改造。

表1 地市MCR 直連前后ping 時延對比結果

3.2 優化環網結構，減少傳輸路徑和時延

地市到省中心的鏈路，由省干OTN 系統承載，省干OTN 的環網結構決定了信號在光纖傳輸所耗費的時延。

如圖7 所示，湘潭至省中心的兩條鏈路分別為湘潭—閱讀中心局點（短徑，由湘潭直達長沙）、湘潭—河西局點（長徑，經過衡陽、郴州、株洲最后到達長沙）。其短徑、長徑的時延分別為0.5 ms和4.0 ms。經過環網結構優化，在湘潭至株洲新增了一個直達路由，其長度僅為100 km，時延為0.5 ms。優化后湘潭至河西局點的長徑，以及株洲至閱讀中心局點的短徑經新路由開通業務，可減少587 km 的光纜長度，減少了3 ms 時延。

圖7 湘潭、株洲環路優化

通過對長沙和株洲進行環路改造，傳輸距離分別從779 km 下降到92 km 左右，傳輸時延下降約3 ms。環網改造前后時延對比詳見表2。

表2 環網改造前后時延對比

4 基于負荷的短徑優先路由算法

分段測試過程中，發現本地網基站至同一UPF的時延波動差異大，最終確定是受路由中波分環路長、短徑影響。以衡陽為例，長、短徑時延差異約4 ms，如圖8 所示。

圖8 波分長短徑影響

因為網絡協議（Internet Protocol，IP）默認轉發策略為動態負載均衡隨機算法，地市SA 流量長短徑負載流量各占50%，導致不同基站隨機選擇長徑或短徑，時延差異大。基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）[8]，本文創新提出基于流量負荷的最短路由優化算法：

按照上述算法，通過分析傳輸網絡性能參數，可實現基于負荷的路由最短路徑性能優化，具體實現過程如下：

（1）SDN 控制器獲取網絡拓撲信息及網絡狀態信息。網絡接收用戶接入請求信息，將其發送至控制器，控制器判斷業務類型，并獲取網絡拓撲信息。

（2）控制器計算確定業務起止網絡節點之間所有可選路由。根據獲取的網絡拓撲信息和網絡狀態信息，計算出業務起止網絡節點之間所有可選路由。

（3）基于業務特性確定最佳路由。充分評估當前承載網核心出口為輕載，在不更改線路資源情況下，自動監控網絡負荷，并采用本文提出的算法策略，當鏈路負荷低于50%時，路由選擇最短路徑；當鏈路負荷高于50%時，根據業務特性，將非時延敏感業務分流至長徑波分，實現業務分流。

（4）業務快速重路由。在線路故障時通過承載網網絡協議（Internet Protocol，IP）的快速重路由（Fast Reroute，FRR）保護技術，業務毫秒級切換到長徑備份鏈路，對用戶實現無感知切換。

基于上述算法，針對衡陽智能城域網MCR 和長沙智能城域網MCR，配置外部邊界路由協議（External Border Gateway Protocol，EBGP）本地優先級（local-preference）屬性，并修改轉發策略為主備模式，經測試驗證，衡陽ping 時延減少了4 ms。

5 無線網絡參數優化策略

5.1 上行智能預調度算法

如圖9 所示，傳統的上行調度，需要等待終端發送調度請求（Scheduling Request，SR）[10]，并獲得授權后才能進行調度。普通上行預調度，雖減少了SR 環節，但在終端沒有上行數據發送時，會造成上行資源的浪費，并引發上行干擾。

圖9 3 種調度方式對比

本文引入智能預調度方法，該功能由下行業務觸發，一旦基站給終端發送下行數據之后，考慮到終端有相應回復，會有上行數傳，此時基站將在一定時間內持續主動給終端上行授權，實現數據即到即傳，從而有效降低業務等待時延。

本文針對不同廠家智能預調度機制，總結出時延優化參數集，包括上行聰慧預調度次數、上行聰慧預調度間隔、上行聰慧預調度延遲觸發時間、上行聰慧預調度的緩沖區狀態報告（Buffer Status Reporting，BSR）計算門限等，詳見表3。

表3 預調度時延參數集

修改預調度參數前后時延對比如圖10 所示。開啟智能預調度后，ping 循環時間（PingLoop Time）從18 ms 下降到12 ms，平均改善了6 ms，時延優化效果明顯。

圖10 修改預調度參數前后時延對比

5.2 無線網絡覆蓋差異化下的時延影響因子

由于無線環境比較復雜，UE 終端接收基站信號強度偏弱、信噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）較差、干擾等因素均可導致UE的傳輸速率達不到低時延業務的傳輸速率要求，從而出現大量通信誤碼，引發檢錯、重傳等，會導致無線空口時延大幅增加。

5G 網絡基于時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）下行時延處理的關鍵是混合自動重傳（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）響應和重傳機制[11]。此外，無線網絡覆蓋及信號質量，都將不同程度影響到業務數據的傳送質量。在控制面表現為，在NR 基于競爭的隨機接入（即PRACH 接入）過程中，手機終端發送Msg1 到RRCSetupComplete 之間的時延大幅增加。

在UE 的PRACH 接入過程（從發送Msg1 到RRCSetupComplete 期間），若發生Msg2 或Msg4 失敗，則會觸發Msg1 重傳。Msg1 的最大重傳次數由參數preambleTransMax 定義，重傳時間由raResponseWindow定義。每次重傳功率以powerRampingSte 功率攀升步長增長，直到UE 達到最大發射功率或最大重傳次數，在此期間會導致空口時延的增加。

在用戶面時延主要是通過Ping 包來測試，通常情況下Ping 小包為32 Byte，中包為1 500 Byte，大包為2 000 Byte。Ping 包周期通常為1 s，Ping 不通時會間隔3 s 再次進行Ping 包。統計空閑態UE 對FTP 服務器發起Ping 業務，終端發出第一條RACH preamble 至終端發出RRC Connection Reconfiguration Complete 的時間差形成延時。Ping 包過程如圖11所示。

圖11 Ping 包過程

本文分別選取了無線基站覆蓋好點、差點、極差點，開展大量時延測試。統計結果顯示，當無線網絡參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）小于-105 dBm 時，隨著信號質量的變差，丟包率上升，因此需大量重傳數據包，經測算每重傳一次增加6 ms 時延。在RSRP 持續下降至-130 dBm 期間，ping 時延采樣點嚴重劣化，部分采樣點時延甚至達到100 ms 左右。如圖12 所示，對不同強度無線信號下開展大量ping 測試結果進行統計，結果表明，RSRP 信號強度越低，時延越大。

圖12 網絡覆蓋差異化下的空口時延采樣對比

測試結論：當RSRP 小于-105 dBm 時，ping平均時延將大幅增加。因此，在預調度參數一致的情況下，良好的無線網絡覆蓋及信號質量，可有效降低空口時延。

6 效果驗證

6.1 共享區時延優化成效顯著

將本文研究成果應用于現有網絡，經大量測試，結果如表4 所示，共享區聯通5G SA 時延由優化前的20.48～24.41 ms，降低至13.68～14.02 ms，平均時延縮短了9～10 ms，與承建區電信用戶的時延基本一致，實現了雙方用戶時延敏感類業務體驗一致。

表4 共享區SA 時延優化前后對比

6.2 5G 網絡核心業務感知明顯改善

將本文策略應用于湖南聯通網絡，發現5G 用戶視頻、游戲類核心業務體驗良好，視頻卡頓率從1.58%降低至0.93%；游戲卡頓率從0.54%降低至0.29%；移動網絡工信部滿意度測評，由2021 年的82.28分穩步提升至2022 年的91.09 分。

7 結語

針對共享區域5G 業務端到端時延過大、電聯時延感知不一致等問題，本文深入分析了影響時延的關鍵因素，研究了降低電聯5G SA 共享網絡端到端時延的關鍵技術，以及基于無線網、承載網、核心網的端到端時延優化策略，提出了網絡結構優化方案、短徑優先路由調度算法、無線空口參數優化方案。現網部署后取得了良好的改善效果，對提升共建共享5G 網絡品質，有較高的參考價值。