5G 高可靠低時延目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)探討

［胡丹華］

1 引言

隨著人口紅利消失，運營商增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）營收見頂，渴望垂直行業(yè)帶來開源增收。高可靠低時延（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，uRLLC）擁有廣泛的應(yīng)用場景，涵蓋無人駕駛、智能電網(wǎng)、智能手機、智能制造、虛擬現(xiàn)實（VR）、無人機等多個領(lǐng)域，連接數(shù)空間在幾十億。隨著運營商對部署新業(yè)務(wù)需求的日益迫切，以及uRLLC端到端技術(shù)解決方案的日益成熟，5G uRLLC 必將走向規(guī)模商用，成為運營商進入垂直行業(yè)的關(guān)鍵解決方案和抓手，并有可能帶來有別于eMBB 的商業(yè)模式。

2 5G 高可靠低時延網(wǎng)絡(luò)定義和需求

URLLC 是一個端到端的概念，其具備超高可靠性的低時延連接，包含了核心網(wǎng)，傳輸，無線網(wǎng)。3GPP 的無線接入組技術(shù)報告TR 38.913 中定義了uRLLC 的指標(biāo)[1]，如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)需求

對于uRLLC 需求，有以下重要論述：

（1）關(guān)于uRLLC 特性包含兩大類：低時延、高可靠低時延。前者需實現(xiàn)部分uRLLC 標(biāo)準(zhǔn)特性，后者需實現(xiàn)全部uRLLC 標(biāo)準(zhǔn)特性。

①低時延類特性：普通低時延（50 ms，＜ 99.9%），低時延（20 ms，＜ 99.9%），超低時延（10 ms，＜ 99.9%），極致低時延（＜ 5 ms，＜ 99.9%），主要面向連續(xù)廣域類應(yīng)用；

② 高可靠低時延類特性：普通高可靠低時延（50 ms，～99.999%），高可靠低時延（20 ms，～99.999%），超高可靠低時延（10 ms，～99.999%），極致高可靠低時延（＜5 ms，＞99.999%），主要面向特定區(qū)域、局域類應(yīng)用；

（2）關(guān)于應(yīng)用：包含低時延、高可靠低時延兩類，兩者都包含2C 和2B 場景。

①低時延應(yīng)用的真實需求是保障時延，也即對時延最大值有剛性需求。相比較而言，eMBB 應(yīng)用主要特點是時延要求相對放松，傳輸可靠性要求較為發(fā)散，在滿足傳輸可靠性基礎(chǔ)上，更低均值時延是普通eMBB 重要訴求之一。

② 高可靠低時延應(yīng)用特點是對時延最大值和可靠性有剛性要求。

（3）關(guān)于業(yè)務(wù)模型

①低時延業(yè)務(wù)模型有兩種：大帶寬和小包。大帶寬業(yè)務(wù)模型接近滿隊列（Full Buffer），小包業(yè)務(wù)模型包含突發(fā)和周期性兩種情況。

② 高可靠低時延業(yè)務(wù)模型主要為小包，包含突發(fā)和周期性兩種情況。

3 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀與URLLC 需求差異分析

3.1 關(guān)于時延

網(wǎng)絡(luò)端到端時延主要指無線網(wǎng)絡(luò)中從終端到網(wǎng)關(guān)的來回時延。具體來說，端到端時延主要由三大塊組成：

（1）空口時延：4G LTE 網(wǎng)絡(luò)的空口時延至少十幾毫秒，網(wǎng)絡(luò)條件差的時延會更長；6 GHz 以下5G NR 目前現(xiàn)網(wǎng)測試的空口[2]時延大概在5～10 ms 左右，后續(xù)目標(biāo)實現(xiàn)1 ms。

（2）移動承載網(wǎng)絡(luò)時延：主要是傳輸距離加上轉(zhuǎn)發(fā)時延帶來的，現(xiàn)實部署中的“繞路”情況也導(dǎo)致了時延大大增加。理論上看，傳送網(wǎng)時延一般包括設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延（約1～2 ms）、光纖時延（約1～3 ms），合計約2～5 ms。

圖1 5 ms 端到端時延分解

（3）節(jié)點處理時延：主要是基站收到數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給傳送網(wǎng)的時延和核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的處理時延，一般在1 ms左右。

綜上，目前5G eMBB 組網(wǎng)實際端到端（E2E）時延在10～20 ms 左右，后續(xù)目標(biāo)網(wǎng)10 ms 是基礎(chǔ)，5 ms最佳。

3.2 關(guān)于可靠性

可靠性是一個很大的范疇，人們關(guān)注可靠性往往從最頂層的應(yīng)用出發(fā)，例如無人駕駛發(fā)生車禍的概率，工廠里生產(chǎn)線發(fā)生停工的概率，智能電網(wǎng)開關(guān)誤動的概率等?？梢哉f，可靠性是由應(yīng)用層決定的。

目前3GPP 主要關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議強相關(guān)的傳輸可靠性，而連續(xù)廣域覆蓋的端到端連接可靠性受多種因素影響，包空口調(diào)度算法、小區(qū)邊緣覆蓋能力、單網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性、單線路可靠性、供電可靠性等。對于空口技術(shù)而言，采用重復(fù)發(fā)送、低階低碼率調(diào)制等提高可靠性滿足5 個9[3]。此外由于電信系統(tǒng)本身的可靠性已經(jīng)處在了較好的水平，這些領(lǐng)域更多是在運維、服務(wù)等方面流程以及工具的變化，這些變化本身就是業(yè)務(wù)和商業(yè)驅(qū)動的，因此，電信系統(tǒng)當(dāng)前的可靠性并不是uRLLC 相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

4 基于50 km 網(wǎng)關(guān)覆蓋距離的目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)

從前面分析可以看出，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)離使能高可靠低時延性應(yīng)用差距并不大，隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的持續(xù)演進，可以滿足未來高可靠低時延應(yīng)用的需求。更進一步，如果網(wǎng)關(guān)覆蓋周圍直線距離50 km 左右的區(qū)域，一方面時延可以滿足要求，另外一方面，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步發(fā)展邊緣計算，也不會導(dǎo)致太大的成本，是一個較為合理的目標(biāo)。

首先從時延角度來看，50 km 意味著基站到網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)往返時延在2 ms，考慮到時分雙工（TDD）空口時延為3 ms，其他處理時延約1 ms，端到端往返總計6 毫秒，加上4 ms 裕量用以提升可靠性，無線網(wǎng)絡(luò)可以達成端到端時延10 ms 的水平，可以滿足絕大部分應(yīng)用時延需求。如果未來網(wǎng)絡(luò)升級到頻分雙工（FDD），空口時延降低到1 ms，總共4 ms，端到端時延做到5 ms 也是可以實現(xiàn)的。

其次，從服務(wù)器的角度。即使是一個超級大城市，只需要部署一個數(shù)據(jù)中心就可以滿足要求了，由于大部分應(yīng)用屬于區(qū)域性應(yīng)用，因此，這樣的部署能夠滿足大部分應(yīng)用的需求。

再次，從無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進的角度來看。國內(nèi)重點城市已經(jīng)基本具備了基礎(chǔ)設(shè)施條件，50 km 是可以達成的目標(biāo)。隨著eMBB 不斷演進促進網(wǎng)關(guān)下沉，加上uRLLC相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展，足以驅(qū)動未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進到網(wǎng)關(guān)覆蓋50 km。因而，從無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進角度來看，50 km 也是合理的。

最后，為什么不是100 km，而是50 km？主要是因為50 km 具有一定的挑戰(zhàn)性。即使是特大城市，真正核心區(qū)域直線50 km 覆蓋基本就足夠了，對于數(shù)量更多的大城市和中型城市而言，直線距離50 km 的范圍已經(jīng)足夠大，因而100 km 太缺乏挑戰(zhàn)性和未來牽引作用。為什么不是1 km，甚至是100 m，將服務(wù)器部署到基站上？原因在垂直行業(yè)的應(yīng)用處在發(fā)展的前期，規(guī)模并不足以支撐如此多的計算能力，換句話說，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，并沒有那么多邊緣計算的需求。

再來看可靠性，比如對于無人駕駛等實際物理世界的系統(tǒng)，系統(tǒng)的反應(yīng)時間基本在百毫秒量級（跟人基本相當(dāng)），如果通信系統(tǒng)能夠保證在亞秒量級的十分之一內(nèi)，也就是10 ms 內(nèi)，以足夠高的可靠性完成數(shù)據(jù)傳輸，就可以做到對應(yīng)用層的設(shè)計基本沒有影響。圖2 給出了端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖2 uRLLC 目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)

5 小結(jié)

從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)角度來看，降低端到端時延的最主要方法就是減少信號的傳輸距離、路由跳數(shù)，相應(yīng)的技術(shù)方案為網(wǎng)關(guān)下沉以及支撐網(wǎng)關(guān)下沉的控制面（CP）和用戶面（UP）技術(shù)，服務(wù)器端下沉也就是邊緣計算。隨著大流量套餐的興起，傳送網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短時（毫秒級別）擁塞的概率大大增加，為了保障網(wǎng)絡(luò)時延的一定可靠性，通過切片技術(shù)把uRLLC 業(yè)務(wù)和eMBB 隔離開是必然的選擇，隔離之后的uRLLC 不受eMBB 影響，并且網(wǎng)絡(luò)的總體端口利用率較高。網(wǎng)絡(luò)時延的可靠性主要依賴于“備份與冗余”策略實現(xiàn)，工程部署可以采用的方法很多，例如雙基站備份、電源備份、雙終端備份等。此外，雙連接技術(shù)則是通過同時利用兩條獨立的路線傳輸數(shù)據(jù)，從而提高可靠性，可以保障移動條件下發(fā)生切換時網(wǎng)絡(luò)仍然不中斷，不切換時網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到大幅提升。