5G承載網部署滿足uRLLC業(yè)務時延要求的研究

張中平

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

我國5G業(yè)務牌照已經正式發(fā)放，5G業(yè)務正在我國迅速展開應用。5G業(yè)務的一個重要應用場景是uRLLC業(yè)務，主要面向自動駕駛、增強/虛擬現(xiàn)實、智慧工廠、感知網絡以及人工智能等業(yè)務[1]。這些業(yè)務需要低時延、高可靠的網絡，將隨著5G網絡發(fā)展得到迅速發(fā)展和應用。

uRLLC業(yè)務必須在5G網絡才能得到應用，因為時延對這類業(yè)務極為重要。例如，自動駕駛業(yè)務，現(xiàn)高速公路的時速是120 km/h即33 m/s，前方幾十米遠出現(xiàn)狀況，去掉制動時間，留給車子反應的時間很短，所以如果要支持自動駕駛，網絡的時延必須是毫秒級。因此，5G要求網絡往返時延RTT時延5～10 ms[2]，從而給系統(tǒng)留下足夠的反應時間。

1 uRLLC典型業(yè)務網絡時延

網絡端到端單程時延是指數(shù)據(jù)包從離開源節(jié)點的應用層時算起，一直到抵達并被目的節(jié)點的應用層成功接收共經歷的時間長度，回程時延還需加上發(fā)射端正確接收到應答數(shù)據(jù)包所需要的時延。網絡端到端時延主要有4段，包括空中接口時延、承載網時延、核心網時延和應用層時延。國內外各大5G研究組織機構如ITU、IMT-2020及3GPP等推進組，均對5G提出了端到端時延要求。其中，3GPP的5G網絡用戶面和控制面要求uRLLC業(yè)務的UE至CU的單向時延小于500 μs，承載網加上無線傳輸時延最好不能大于100 μs[3]。

2 承載網時延

承載網時延實際可歸納為傳輸介質相關時延和設備相關時延。傳輸介質相關時延即傳播時延，設備相關時延則由處理時延、設備調度時延和傳輸時延構成[4]。

2.1 傳輸介質相關時延

傳播時延是指信號在傳輸介質中傳播所花費的時間。傳播速度越快，時延越小。傳播距離越大，時延越大。5G承載網使用光傳送網絡，傳輸介質為光纖。光纖時延與光纖長度、光傳播速度相關，而光傳播速度與介質折射率有關[4]。一般通信用單模光纖的時延為1 km×1.47/300 000 km≈5 μs/km。

2.2 設備相關時延

傳輸時延是指站點發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)幀需要的時間，與數(shù)據(jù)幀長度和傳輸速率相關[5]。處理時延是指數(shù)據(jù)轉發(fā)花費的時間，包括頭部處理、差錯校驗和路由表查找等[6]。調度時延是指數(shù)據(jù)在設備緩沖區(qū)的等待時間。表1是目前運營商常用傳輸設備的時延情況。

圖1 網絡架構

表1 目前運營商常用傳輸設備的時延

目前，運營商常用的5G承載網包括了接入層、匯聚層和核心層[7]，如圖1所示。

T1=1 km無線傳播時延=3 μs

T5=40 km光纖時延+OTN時延×2=40×5 μs+100 μs×2=400 μs

T3=2 km光纖時延+15 km光纖時延+OTN時延×3=5 μs×2+15×5 μs+100 μs×3=385 μs

其中，光纖時延按5 μs/km計算，無線傳播時延按3 μs/km計算，OTN（帶FEC）時延按100 μs計算，可得總時延為T=T1+T3+T5=788 μs。

可見，按uRLLC業(yè)務要求，以上時延無法滿足要求，需要采取措施減少時延。

3 解決方案

根據(jù)上文可知，減少時延的方法可從以下兩個方面入手。

（1）降低光纖時延即縮短光纖長度，而縮短光纖長度可通過調整網絡架構、減少網絡層次達到目的[8]。一般通信網絡會采用網狀網和環(huán)形網等以達到安全保護的目的，但同時增加了數(shù)據(jù)經過的光纖長度，增加了時延。一方面可以改變網絡架構，采用一跳直達方式最大程度減少光纖長度；另一方面可以通過將DU/CU設備下沉到接入層來減少光纖長度，或者合并放置這些設備。

（2）降低傳輸設備時延。一方面，降低數(shù)據(jù)經過的傳輸設備數(shù)量，可以減少時延；另一方面，降低傳輸設備本身的時延即處理、轉發(fā)信息及調度的時間，也可以減少時延[9]。

如圖2所示，根據(jù)以上思路采取DU/CU合設，放置在最接近UE的綜合接入機房，并設置MEC（移動邊緣計算）設備，也下沉至綜合接入機房；接入層采用光纖+OTN/WDM，同時傳輸設備一跳直達，充分減少光纖長度，減少傳輸設備的數(shù)量。

T3=2 km光纖時延+10 km光纖時延+OTN時延×2=5 μs×2+10×5 μs+100 μs×2=260 μs

總時延T=T1+T3=263 μs

可見，只是減少光纖長度和傳輸設備數(shù)量仍然無法達到要求，必須降低傳輸設備本身的時延。

（1）采用光纖直連方式取消傳輸設備，總時延可以降到60 μs，但光纖消耗太大；

圖2 改進的網路架構

（2）采用彩光接口，OTN關閉FEC功能，OTN設備時延可以降低到10 μs，總時延降為83 μs；

（3）采用速率更高如100G的OTN傳輸設備，時延可以降低到小于10 μs，總時延降為83 μs以下；

（4）采用其他更為新型的傳輸設備。

4 結 論

根據(jù)以上分析和計算，直接使用現(xiàn)有承載網無法承載uRLLC低時延業(yè)務，但可以通過縮短網絡光纜長度、降低傳輸設備本身的時延直至采用光纖直驅接入等承載方式，對現(xiàn)有承載網進行多種方式改造，將承載網時延降低到100 μs以下，從而保證uRLLC業(yè)務用戶面單向時延不大于500 μs。