網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析及面向5G的低時(shí)延策略

林何平，高志英，韓劍，康帥

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 引言

伴隨著5G技術(shù)的來臨，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延越來越成為關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)為不同需求的客戶提供差異化服務(wù)成為必然選擇。

移動(dòng)通信網(wǎng)從2G到5G，時(shí)延需求產(chǎn)生了上百倍的變化，具體如表1所示。新型業(yè)務(wù)層出不窮，其中自動(dòng)駕駛、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、感知網(wǎng)絡(luò)等uRLLC(ultra-Reliable Low latency Communications，超低時(shí)延高可靠性網(wǎng)絡(luò))類業(yè)務(wù)基于5G網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)，各類業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求見圖1所示。更低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)為未來應(yīng)用提供更多可能，甚至將顛覆人類生活。

表1 不同制式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延

2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延構(gòu)成及分析

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延由傳播時(shí)延（Propagation Delay）、傳輸時(shí)延（Transmission Delay）、處理時(shí)延（Processing Delay）、調(diào)度時(shí)延（Queuing Delay）構(gòu)成，具體如圖2所示。

2.1 傳播時(shí)延

傳播時(shí)延是指信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播所花費(fèi)的時(shí)間，與傳播速度、通信距離有關(guān)。對(duì)于光傳送網(wǎng)來說，傳輸介質(zhì)即是光纖，在光纖中光的傳播速度與折射率有關(guān)。

其中: l為光信號(hào)傳送的距離；

c為光在真空中傳播的速度，約為3×105km/s;

n為光纖折射率。

受物理光速限制，一般通過減少信號(hào)傳輸距離來降低時(shí)延，主要的方法包括：

圖1 未來業(yè)務(wù)及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求

圖2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延構(gòu)成示意圖

（1）選擇更直、更短的光傳送路由。在進(jìn)行管線建設(shè)時(shí)，在兼顧安全、技術(shù)合理的情況下，優(yōu)選路徑短的路由方案；在進(jìn)行光通道安排時(shí)，選擇路徑短、節(jié)點(diǎn)少的方案。

(2）局站設(shè)置更合理以減少引接距離。近年長(zhǎng)途光纜利用高速管道進(jìn)行建設(shè)的比較多，光放站由于對(duì)機(jī)房的面積和電源要求不太高，可在高速出口附近租用或自建機(jī)房，既便于維護(hù)又可減少光纜距離。

(3）成纜結(jié)構(gòu)上選擇中心束管式或骨架式。光纜成纜結(jié)構(gòu)主要有中心束管式、骨架式和層絞式，中心束管式和骨架式相較于層絞式在光纜中有更短的纏繞和彎曲，可減少光傳送距離。

(4）通過電域補(bǔ)償色散代替色散補(bǔ)償光纖的使用。此外，還可選擇低折射率光纖來降低時(shí)延。

2.2 傳輸時(shí)延

傳輸時(shí)延是指站點(diǎn)發(fā)送或接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀要的時(shí)間，與數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)、鏈路速率相關(guān)。

其中: F為幀長(zhǎng)；

v為線路速率。

降低傳輸時(shí)延的方法一般通過提高鏈路速率來達(dá)到，對(duì)于100 Gbit/s傳輸系統(tǒng)來說OTU4幀周期為1.168μs。在采用高速接口設(shè)備時(shí)傳輸延在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延占比較低。

2.3 處理時(shí)延

處理時(shí)延是指數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)花費(fèi)的時(shí)間，包括頭部處理、差錯(cuò)校驗(yàn)、路由表查找等，取決于節(jié)點(diǎn)的處理能力和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。

光層和電層的處理都會(huì)帶來處理時(shí)延，且OSI層級(jí)越高引入的時(shí)延將越大，相同距離情況下通過減少電層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也可降低時(shí)延。

2.4 調(diào)度時(shí)延

調(diào)度時(shí)延是指數(shù)據(jù)在輸入和輸出緩沖區(qū)排隊(duì)花費(fèi)的時(shí)間，與網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況、隊(duì)列調(diào)度機(jī)制相關(guān)。

分組網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用QoS策略，可保證高質(zhì)量業(yè)務(wù)的低時(shí)延要求。

2.5 時(shí)延構(gòu)成分析

各類型設(shè)備引入的時(shí)延見表2所示。光器件時(shí)延一般在納秒級(jí)，在整個(gè)傳輸時(shí)延上幾乎可忽略不計(jì)；傳輸節(jié)點(diǎn)為100微秒級(jí)別，一般距離越遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)越多；數(shù)據(jù)設(shè)備時(shí)延較大，應(yīng)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)減少數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

以端到端300 km為例，中間經(jīng)過6端OTN設(shè)備（含6端光放設(shè)備），1端PON設(shè)備，2跳數(shù)據(jù)設(shè)備。通過計(jì)算單路由網(wǎng)絡(luò)時(shí)延約4.15 ms。

傳輸時(shí)延：300 km×5μs/km+100μs×6+0.1μs×6+50μs≈2.15 ms

表2 主要網(wǎng)元時(shí)延

數(shù)據(jù)網(wǎng)時(shí)延：1 ms×2=2 ms

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)光纖傳播時(shí)延1.5 ms,占傳輸時(shí)延的主要部分，而其主要由距離決定。數(shù)據(jù)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)越多引入的數(shù)據(jù)網(wǎng)時(shí)延越大。

光網(wǎng)整體可預(yù)測(cè)，光纖傳輸時(shí)延是光網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的決定性因素，優(yōu)化路由，減少距離是首要原則。數(shù)據(jù)層通過網(wǎng)絡(luò)扁平化、減少網(wǎng)絡(luò)層次和跳數(shù)來優(yōu)化時(shí)延。

3 面向5G的低時(shí)延策略

對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來說，端到端時(shí)延由空口時(shí)延、傳輸網(wǎng)時(shí)延時(shí)延組成。其中傳輸部分又包括前傳、回傳及傳送網(wǎng)部分的時(shí)延，如圖3所示。端到端時(shí)延由多路徑上的時(shí)延加和組成，5G要實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，必須從各個(gè)方面一起著手，主要通過空口重構(gòu)降低空口時(shí)延，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、功能下沉縮短源宿間的距離及轉(zhuǎn)發(fā)效率，通過切片保證低時(shí)延業(yè)務(wù)的資源保證。

圖3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延構(gòu)成

圖4 LTE下行示意圖

圖5 LTE上行示意圖

3.1 重構(gòu)空口

LTE空口時(shí)延下行時(shí)延平均7.5 ms,上行最低平均時(shí)延12.5 ms, LTE的上、下行示意圖見圖4、圖5所示。

根據(jù)3GPP TR38.913 uRLLC業(yè)務(wù)場(chǎng)景下UE到CU之間時(shí)延指標(biāo)為0.5 ms，這將是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，需要對(duì)幀結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。4G LTE中的一個(gè)TTI是1 ms，而5G將通過對(duì)幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將每個(gè)子幀在時(shí)域上進(jìn)行縮短從而在物理層上進(jìn)行時(shí)延的優(yōu)化。對(duì)于FDD，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求HARQ的重設(shè)計(jì)可以減少時(shí)延；對(duì)于TDD，將數(shù)據(jù)和ACK放在可變的TTI中。5G的空口時(shí)延優(yōu)化見圖6、圖7所示。

圖6 FDD通過減少HARQ重傳次數(shù)降低時(shí)延

圖7 TDD通過自包含設(shè)計(jì)縮短RTT

特殊的應(yīng)用場(chǎng)景如V2X應(yīng)用還可以采用D2D技術(shù)，不通過網(wǎng)絡(luò)傳遞實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信，以減少經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延。

3.2 功能下沉

4G核心網(wǎng)去掉了RNC/BSC,采用eNode B和EPC兩層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)更扁平化，但仍不能滿足5G對(duì)于時(shí)延的要求。3GPP已正式確認(rèn)5G核心網(wǎng)將采用由中國(guó)移動(dòng)牽頭關(guān)聯(lián)合26家公司提出的SBA（Service-Based Architecture，基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）作為統(tǒng)一基礎(chǔ)架構(gòu)。5G核心網(wǎng)采用CUPS（Control and User Plane Separation，控制與用戶面分離），通過將用戶面部署于邊緣數(shù)據(jù)中心以更靠近用戶。

MEC技術(shù)基于NFV的硬件資源和虛擬化層架構(gòu)，提供底層硬件的計(jì)算、存儲(chǔ)、控制功能和硬件虛擬化組件（包括基于OpenStack的虛擬操作系統(tǒng)、KVM等），完成虛擬化的計(jì)算處理、緩存、虛擬交換及相應(yīng)的管理功能，使基站與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，以構(gòu)建移動(dòng)邊緣云，提供信息技術(shù)服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力。依托MEC，運(yùn)營(yíng)商可將傳統(tǒng)的外部應(yīng)用拉入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，使得傳統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化和近距離部署的條件，內(nèi)容和服務(wù)下沉以更貼近用戶，并且提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速率、降低時(shí)延以及提升連接的可靠性，從而改善用戶體驗(yàn)和開發(fā)網(wǎng)絡(luò)邊緣的價(jià)值。

5G對(duì)于傳送網(wǎng)的需求將包括CU與核心網(wǎng)S1接口和相鄰CU間eX2接口數(shù)據(jù)，且eX2流量是S1的10%～20%。為就近轉(zhuǎn)發(fā)eX2接口數(shù)據(jù)，L3將下移到匯聚層，以減少路由繞轉(zhuǎn)，從而時(shí)延更短。

3.3 調(diào)整光傳送網(wǎng)架構(gòu)

通過上面網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的分析可知，光傳送網(wǎng)中距離是首要因素，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)的處理時(shí)延，其中光層小于電層。降低光傳送網(wǎng)時(shí)延主要從縮短距離和減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，尤其是電層節(jié)點(diǎn)數(shù)量方面下手。

（1）OTN網(wǎng)絡(luò)：形成以DC為核心的DCI專網(wǎng)，采用OXC/ROADM減少電層節(jié)點(diǎn)數(shù)量，DC互訪一跳直達(dá)，以減少網(wǎng)絡(luò)層級(jí)和光傳送距離。

(2）PTN網(wǎng)絡(luò)：目前PTN網(wǎng)絡(luò)主要是環(huán)形結(jié)構(gòu)，首末端路由一般需要經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而逐一累積時(shí)延。星形網(wǎng)絡(luò)則只有源宿點(diǎn)之間的時(shí)延累加，從而減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳送距離。

3.4 網(wǎng)絡(luò)切片和信道切片

網(wǎng)絡(luò)切片即是利用虛擬化技術(shù)，將物理基礎(chǔ)資源根據(jù)場(chǎng)景虛擬化為多個(gè)平行的網(wǎng)絡(luò)切片，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片有端到端完整的網(wǎng)絡(luò)且邏輯上獨(dú)立，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求提供相應(yīng)的服務(wù)保障，對(duì)于uRRLC業(yè)務(wù)資源配置以滿足時(shí)延和可靠性要求為首要原則。

信道切片利用Flex-E技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MAC間物理隔離，并將低時(shí)延標(biāo)識(shí)傳遞給NP，提供端到端的低時(shí)延通道和帶寬保證。

3.5 低時(shí)延以太網(wǎng)

直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)（Cut Through）可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)端口層面的低時(shí)延，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存以及校驗(yàn)再轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)帶來時(shí)延的增加。直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)是建立快速通道，將低時(shí)延業(yè)務(wù)不緩存就轉(zhuǎn)發(fā)到端口并完成校驗(yàn)。

目前IEEE已經(jīng)成立了802.1 TSN（Time Sensitive Networking）任務(wù)組，在鏈路層上研究時(shí)間同步網(wǎng)和時(shí)延敏感的以太網(wǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

超低時(shí)延是5G非常重要的屬性，它的實(shí)現(xiàn)需要一系列技術(shù)有機(jī)結(jié)合，必將對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)做出重大調(diào)整，目前某些技術(shù)還需要突破，實(shí)現(xiàn)成本也相對(duì)較高，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難。同時(shí)時(shí)延與可靠性、傳輸效率等其他指標(biāo)之間又存在著一定程度的此消彼長(zhǎng)、相互權(quán)衡的關(guān)系，因此需要針對(duì)業(yè)務(wù)類型，合理權(quán)衡與協(xié)調(diào)。