5G 超低時(shí)延技術(shù)分析

劉 鵬

（軍委聯(lián)參，北京 100017）

0 引 言

隨著智能終端的普及和人們?nèi)找嬖鲩L的通信需求，4G網(wǎng)絡(luò)無論在系統(tǒng)容量、速率、時(shí)延等方面已經(jīng)不能滿足人們對極致用戶體驗(yàn)的追求。在現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)下，平均時(shí)延為50 ms。若汽車的時(shí)速為100 km/h，從發(fā)現(xiàn)障礙到啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，汽車仍需要向前移動(dòng)約1.4 m。因此，4G系統(tǒng)時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到自動(dòng)駕駛的安全要求。道路交通事關(guān)人身安全，控制指令尤其是制動(dòng)指令抵達(dá)車輛的時(shí)間要求達(dá)到毫秒級別，即控制指令自發(fā)出到抵達(dá)車輛僅前進(jìn)了3 cm。除了自動(dòng)駕駛，工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)和在線游戲等應(yīng)用場景，也對低時(shí)延提出了很高要求。因此，低時(shí)延傳輸技術(shù)在很多應(yīng)用場景中起著決定性作用，而現(xiàn)有LTE系統(tǒng)無法滿足該需求。國內(nèi)外很多5G研究組織機(jī)構(gòu)（如ITU、IMT-2020推進(jìn)組等）均對未來5G發(fā)展提出了端到端的毫秒級時(shí)延要求，且在理想情況下端到端的時(shí)延為1ms，而典型端到端的時(shí)延為5～10ms。3G端到端時(shí)延是幾百毫秒量級，LTE端到端的典型時(shí)延是50～100 ms，5G則將端到端的時(shí)延縮短為4G的1/10。

1 傳輸時(shí)延來源分析

對于移動(dòng)通信業(yè)務(wù)而言，最關(guān)注的是端到端時(shí)延。端到端時(shí)延的定義是：IP數(shù)據(jù)包從離開源點(diǎn)到抵達(dá)并被目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層成功接收共經(jīng)歷了多長時(shí)間。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)模型，端到端時(shí)延還可分單程時(shí)延和回程時(shí)延。其中，單程時(shí)延指數(shù)據(jù)包從發(fā)射端產(chǎn)生到通過無線網(wǎng)絡(luò)正確到達(dá)另外一個(gè)接收端的時(shí)間；回程時(shí)延指數(shù)據(jù)包從發(fā)射端產(chǎn)生到目標(biāo)服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)包直至發(fā)射端正確接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包的時(shí)間。若要降低時(shí)延，首先要分析時(shí)延的來源。對LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）系統(tǒng)來說，用戶端到端的時(shí)延主要由發(fā)送時(shí)延、傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)緩存、處理時(shí)延和互聯(lián)網(wǎng)排隊(duì)時(shí)延組成。如圖1所示，LTE的時(shí)延由如下幾個(gè)部分組成：空口4 ms、核心網(wǎng)1～2ms、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)5～10ms。因此，理想狀態(tài)下，LTE的時(shí)延也在10～16 ms?？梢姡鱾€(gè)方面相互制約，僅靠優(yōu)化某一項(xiàng)，是無法達(dá)到毫秒級端到端時(shí)延的要求。因此，5G低時(shí)延技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要一系列有機(jī)結(jié)合的技術(shù)，需要統(tǒng)籌兼顧與跨層布局，需要無線空口、傳輸、核心網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等各層技術(shù)相互配合，以靈活應(yīng)對不同垂直業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。未來5G要實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延（達(dá)到LTE的1/10），必須從三個(gè)方面來設(shè)計(jì)——空口重構(gòu)化、內(nèi)容下沉化和架構(gòu)扁平化。

圖1 LTE系統(tǒng)時(shí)延組成

2 5G低時(shí)延技術(shù)實(shí)現(xiàn)與分析

5G低時(shí)延的實(shí)現(xiàn)主要遵循：一是需要大幅降低空口傳輸時(shí)延，二是減少源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離，盡可能縮減轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

2.1 新型幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)是無線通信技術(shù)的核心，直接決定了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與服務(wù)水平。2016年5月，3GPP無線接入網(wǎng)技術(shù)規(guī)范工作組發(fā)布了TR36.881的技術(shù)匯報(bào)，明確提出了新型幀結(jié)構(gòu)技術(shù)（shorted TTI）。該技術(shù)主要考慮采用更短的子幀長度，以實(shí)現(xiàn)更短時(shí)延的傳輸，即傳輸時(shí)間間隔。3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)中，傳輸時(shí)間間隔為1ms，代表無線鏈路上獨(dú)立解碼的傳輸長度是資源調(diào)度的基本單位。發(fā)送過程中的SR（調(diào)度請求）、SG（調(diào)度授權(quán)）和數(shù)據(jù)在一個(gè)固定的子幀（1ms）內(nèi)進(jìn)行傳輸，這個(gè)固定時(shí)間間隔就是傳輸時(shí)間間隔，是發(fā)送時(shí)延的主要來源。LTE系統(tǒng)采用10ms的無線幀長度，又分為10個(gè)子幀。LTE系統(tǒng)要求最小的發(fā)送時(shí)間間隔等于子幀的長度，即1ms。LTE系統(tǒng)又將一個(gè)子幀劃分為兩個(gè)時(shí)隙，這樣一個(gè)無線幀就包括了10個(gè)子幀和20個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙承載7個(gè)OFDM符號。所以，LTE 1ms的傳輸時(shí)間間隔內(nèi)含有14個(gè)OFDM符號?，F(xiàn)有的LTE系統(tǒng)以子幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，子幀長度為1ms。因此，最小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長為1ms。從LTE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)看，傳輸時(shí)間間隔是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長的主要來源。因此降低子幀長度可以降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長，如果重新設(shè)計(jì)子載波間隔和一個(gè)子幀中包括的OFDM符號數(shù)量，使得一個(gè)子幀對應(yīng)時(shí)長變短，就可降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長。但實(shí)際應(yīng)用中，控制信道的開銷不可忽略，傳輸時(shí)間間隔的長度不可能無限制縮短，否則響應(yīng)的控制信道開銷占比增大，反而降低了資源利用率，使系統(tǒng)性能下降。因此，傳輸時(shí)間間隔的設(shè)計(jì)長度需要針對相應(yīng)的業(yè)務(wù)模型，合理權(quán)衡相關(guān)性能指標(biāo)。

2.2 MEC技術(shù)

可以通過減小傳輸時(shí)間間隔來降低5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)延。但是，即使將蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)延減小到0，也很難滿足1ms的需求。光纖的傳播速率為200 km/ms，即使5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)延為0，數(shù)據(jù)包在1ms內(nèi)往返傳輸最大距離也不超過100 km。以車聯(lián)網(wǎng)為例，100 km的距離也只能局限在一個(gè)地市內(nèi)進(jìn)行調(diào)度。所以，未來5G技術(shù)一定要將網(wǎng)絡(luò)下沉，讓用戶就近訪問等辦法解決低時(shí)延問題?；贛EC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)ETSI定義，MEC技術(shù)主要通過在無線接入網(wǎng)側(cè)部署通用服務(wù)器，從而為無線接入網(wǎng)提供IT和云計(jì)算的能力，即MEC技術(shù)使得傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化、近距離部署的條件。引入MEC后，應(yīng)用服務(wù)器部署在無線網(wǎng)絡(luò)邊緣，可以最大限度減少往返時(shí)延。

圖2 基于MEC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以車聯(lián)網(wǎng)為例，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所有的數(shù)據(jù)都需要傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)的服務(wù)器。當(dāng)發(fā)生交通事故時(shí)，服務(wù)器通過故障定位，將遍歷所有終端的位置來計(jì)算預(yù)警范圍，計(jì)算量大且往返時(shí)延長。如果部署了MEC，所有聯(lián)網(wǎng)的車輛和路邊傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)向位于MEC的本地服務(wù)器傳輸信息。由于覆蓋范圍小、計(jì)算量小且減少了到互聯(lián)網(wǎng)的往返時(shí)延，響應(yīng)時(shí)間才有可能達(dá)到毫秒級。需要指出的是，MEC也可以部署在目前的4G網(wǎng)絡(luò)上，但是目前MEC的計(jì)費(fèi)、安全問題還未解決，是后續(xù)工作中需要重點(diǎn)考慮的問題。

2.3 核心網(wǎng)功能下沉

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想使龐大的接入網(wǎng)更加集中化、協(xié)作化、云端化以及綠色化。為了進(jìn)一步降低時(shí)延，5G網(wǎng)絡(luò)將核心網(wǎng)用戶面部分功能下沉至eNB，由原來的集中式核心網(wǎng)演變成分散式核心網(wǎng)。這樣原來中心控制的核心網(wǎng)功能在地理位置上就會(huì)更靠近終端，達(dá)到降低時(shí)延的目的[1]。

另外，5G網(wǎng)絡(luò)將BBU功能分解重構(gòu)為中心單元（CU）和分布單元（DU）兩個(gè)功能實(shí)體。CU與DU功能的劃分依據(jù)是處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性。CU設(shè)備負(fù)責(zé)處理無線高層協(xié)議棧功能，如RRC層、PDCP層等，甚至還能夠支持部分核心網(wǎng)功能下沉至接入網(wǎng)，滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)中新興業(yè)務(wù)（如視頻、電子商務(wù)、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等）對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的更高要求。DU設(shè)備主要處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求較高的兩層功能[2]。DU也可以與RRU進(jìn)行合并。

未來5G網(wǎng)絡(luò)中，核心網(wǎng)與無線網(wǎng)的邊界將變得越來越模糊。不僅核心網(wǎng)下沉到邊緣，無線網(wǎng)也會(huì)向集中式部署的方向發(fā)展。如果將協(xié)議中的非實(shí)時(shí)處理部分從基站分離出來，基站就可以更好地完成協(xié)作，同時(shí)MEC的部署也可以更深入。因此，打破核心網(wǎng)和無線網(wǎng)的邊界，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)經(jīng)過的網(wǎng)元數(shù)量，降低通信時(shí)延，是將來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。

3 其他技術(shù)

3.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換加速

為了獲得更低的控制面時(shí)延，在4G原有連接態(tài)和空閑態(tài)的基礎(chǔ)上，5G提出了一個(gè)新的中間狀態(tài)——去激活態(tài)。去激活態(tài)保留了核心網(wǎng)的連接狀態(tài)，刪除了無線側(cè)的連接狀態(tài)。收到連接請求時(shí)，可以快速建立無線側(cè)的連接，從而大幅度降低從空閑態(tài)向連接態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。

3.2 自包含子幀

結(jié)合目前應(yīng)用越來越廣泛的Massive MIMO技術(shù)和4G系統(tǒng)中TD-LTE的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，5G TDD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)目標(biāo)：更快的系統(tǒng)反饋和更快的信道測量。實(shí)現(xiàn)快速反饋?zhàn)钪苯拥乃悸肥窃O(shè)計(jì)一個(gè)自包含子幀，幀內(nèi)同時(shí)包含DL、UL和GP信息，通過反饋UL ACK保證低時(shí)延。

3.3 增強(qiáng)HARQ反饋

傳統(tǒng)的HARQ只反饋ACK/NAK信息，增強(qiáng)的HARQ可以額外反饋接收的BER估計(jì)信息，用來通知發(fā)送端離解碼成功還差多大的概率。調(diào)度器在進(jìn)行冗余版本選擇、MCS選擇等方面可以更有針對性，提高數(shù)據(jù)一次重傳后被正確解碼的概率，從而進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

3.4 D2D技術(shù)

傳統(tǒng)通信方式中，數(shù)據(jù)包在傳輸時(shí)要經(jīng)過數(shù)個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每次轉(zhuǎn)發(fā)都意味著通信時(shí)延的增加。而D2D（終端直接通信）的通信模式不需要透過網(wǎng)絡(luò)傳遞就可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，使得其應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

本文從新空口、傳輸、核心網(wǎng)三個(gè)方面對時(shí)延的構(gòu)成進(jìn)行了深入分析，并著重介紹了無線空口中的幀結(jié)構(gòu)與子載波間隔，以及核心網(wǎng)功能下沉對5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響。通過分析計(jì)算可知，低時(shí)延高可靠場景與增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶場景必須采用不同的幀結(jié)構(gòu)，MEC必須采用不同的部署位置，CU/DU之間必須配置在不同的傳輸環(huán)中，才可以保證5G低時(shí)延技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，5G低時(shí)延技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須考慮整體與跨層設(shè)計(jì)，使得無線空口、傳輸、核心網(wǎng)等相互配合，才能靈活應(yīng)對不同的垂直業(yè)務(wù)對時(shí)延的要求。