優(yōu)化5G網(wǎng)絡Ping包時延的應用研究

摘要：隨著5G ToB業(yè)務的發(fā)展，其高可靠低時延應用場景對5G非獨立組網(wǎng)的時延提出更高的要求，降低時延顯得尤為重要。用戶面Ping包時延作為新開基站單站驗收的KPI重要指標之一，若Ping包時延達不到標準，將會降低用戶滿意感知度。本文首先分析了產(chǎn)生Ping時延過大原因，在傳統(tǒng)上行調度的基礎上，引入上行預調度、智能預調度，經(jīng)測試驗證用戶面Ping包時延均有明顯下降。

關鍵詞：5G；Ping包時延；傳統(tǒng)上行調度；上行預調度；智能預調度

一、引言

5G網(wǎng)絡的三大應用場景為：eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）、URLLC（高可靠低延時通信），隨著5G 網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，5G ToC即人們生活中的應用市場日趨飽滿。高可靠低時延通信場景的5G ToB新應用不斷涌現(xiàn)[1-3]，如自動駕駛、遠程控制、醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實等移動互聯(lián)網(wǎng)領域。因此，更低時延的5G網(wǎng)絡可以為其在這些高科技領域的應用提供更可靠的保障。比如自動駕駛系統(tǒng)，時延是直接的影響因素，車輛響應操作前的移動距離取決于時延，汽車平均速度為80公里/小時。若延遲為50ms的汽車，從接收到障礙物信號到打開制動系統(tǒng)，汽車行走距離為四米，而這四米的距離很危險，很多生命將受到威脅，這就要求網(wǎng)絡具有更低的時延。為了使5G網(wǎng)絡廣泛地適用于ToB高可靠低延時業(yè)務，降低時延尤為重要。本文基于用戶面Ping包時延，研究其時延增大的原因及優(yōu)化方法。

二、Ping包時延的原理及產(chǎn)生高時延的原因分析

（一）Ping包時延的原理

時延的英文是 Latency，是指從進入一臺設備到出這臺設備，一個報文在其中所需要花費的時間[2]。5G網(wǎng)絡中，做ping包時延測試，一般是在筆記本電腦上連接終端UE（移動臺），然后在筆記本電腦上面進行Ping包測試。為了避免外網(wǎng)時延對測試的影響，采用Ping FTP內網(wǎng)服務器IP地址的方式。Ping測試需要滿足三個條件：移動臺要連接的基站即目標基站的小區(qū)正常建立工作；移動臺能夠正常注冊成功并接入目標基站網(wǎng)絡；移動臺找到目標小區(qū)網(wǎng)絡好的位置即近點，一般要求SINR（信噪比）大于20dB，對該近點的網(wǎng)絡情況進行Ping包測試，測試的次數(shù)為100次，使用抓包軟件記錄應用層的往返時間（RTT）。

（二）產(chǎn)生Ping包高時延原因的研究分析

在新開基站單站驗證測試時，需要對用戶面Ping32Byte和Ping2000Byte分別進行測試，合格的標準為Ping32Byte平均時延≤15ms，Ping2000Byte平均時延≤17ms。

本文的測試數(shù)據(jù)是基于某城區(qū)對新開的5G基站進行單驗測試，在該站近點位置分別使用Ping32Byte和Ping2000Byte包長向網(wǎng)絡進行Ping包測試100次，測試時發(fā)現(xiàn)Ping包時延忽高忽低且不符合標準。測試如圖1、圖2所示。

由圖可知，Ping32Byte的時延從17ms到35ms隨機變化，平均時延達25.4ms，遠遠高于標準值15ms。Ping2000Byte的時延從28ms到147ms大幅度變化，平均時延達92.4ms，更是高于標準值17ms。下面對產(chǎn)生大時延原因進行分析。

在進行Ping包業(yè)務測試中，出現(xiàn)Ping包時延過大，最易想到的原因如下：1.查看電腦速率監(jiān)控，是否有大流量業(yè)務存在的問題；2.嘗試更換服務器繼續(xù)測試，排除因服務器問題導致的問題；3.測試終端溫度較高導致Ping時延增大；4.由于非接入層的原因，傳輸時延較長導致Ping包時延增大。判斷方法是：從基站側Ping 核心網(wǎng)或Ping FTP服務器來判斷是否傳輸網(wǎng)絡的原因。

排除以上因素后，Ping環(huán)回時延的空口時延也是產(chǎn)生Ping時延過大的原因。無線空口時延即UE和基站間的交互時延[4-6]（不包括傳輸和核心網(wǎng)時延），主要受基站無線參數(shù)設置及無線環(huán)境的影響。無線環(huán)境的好壞可以依據(jù)RSRP（功率）、SINR（信噪比）值判斷，通過優(yōu)化網(wǎng)絡質量改善網(wǎng)絡環(huán)境達到降低Ping包時延的目的。其中影響Ping包時延過長的無線參數(shù)有調度資源、SR（Scheduling Request：調度請求）傳輸周期和DRX（Discontinuous Reception：非連續(xù)接收）參數(shù)設置。

1. SR傳輸周期

當移動臺高層要求發(fā)送調度請求的時候，并不是在所有的時隙中發(fā)送，而是在調度請求周期內的某一個時隙發(fā)送。網(wǎng)管中上下行物理信道配置表中的移動臺 SR傳輸周期（ms）的大小會影響Ping包時延的長短，SR傳輸周期（ms）的大小可以在網(wǎng)管中進行修改。若SR周期設置為10ms，則SR發(fā)送前的平均等待時間為5ms。若SR周期配置5ms，Ping包時延的平均值減少3ms。在協(xié)議中，規(guī)定SR周期最小是5ms。將SR周期從10ms修改為5ms，將會導致5G上行控制信道（PUCCH）中SR信道支持的最大用戶數(shù)減少一半，因此，這種方法適合用戶數(shù)較少的場景下使用。

2. DRX（Discontinuous Reception：非連續(xù)接收）參數(shù)

開啟DRX功能后，如果沒有數(shù)據(jù)傳輸，為了節(jié)省用電，終端會進入休眠狀態(tài)，會延遲上/下行數(shù)據(jù)的發(fā)送 [7-8]，進行Ping業(yè)務時，導致時延變長。如果關閉DRX參數(shù)時，終端不會進入休眠狀態(tài)，這時候進行Ping測試，平均時延比開啟時減少3ms～4ms。

本文重點從調度資源方面分析上行調度對用戶面Ping包時延的影響。

三、優(yōu)化Ping包時延的研究方法

上行調度資源模式[9]有傳統(tǒng)上行調度、上行預調度、智能預調度，不同的調度資源流程產(chǎn)生不同的Ping時延。目前大部分基站采用的是傳統(tǒng)調度模式又稱作動態(tài)調度。

（一）上行調度資源的原理

1.傳統(tǒng)上行調度

移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先要在上行控制信道（PUCCH）信道上發(fā)送SR，基站收到UE的SR后，再給移動終端UE上行進行授權，然后移動終端UE按照基站上行授權所指定的位置發(fā)送上行數(shù)據(jù)，具體過程如圖3所示。

傳統(tǒng)的上行資源調度，移動終端UE的SR只能根據(jù)配置進行周期性發(fā)送， 根據(jù)協(xié)議，SR周期最高達80ms，如果SR周期設置80ms，終端發(fā)送上行數(shù)據(jù)需要等待80ms才能發(fā)送SR，導致上行時延大幅度增加。

2.上行預調度

為了降低上述傳統(tǒng)上行調度的上行時延，采用上行預調度功能，基本思想是基站對終端UE進行主動的上行授權，省略了終端發(fā)送SR申請的過程，具體流程如圖4所示。該功能存在的缺點是不管終端是否有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，基站都主動給終端上行授權，導致上行資源的浪費。

3.智能預調度

為了解決上行預調度帶來的問題，采用智能預調度功能。由基站的下行業(yè)務觸發(fā)智能預調度功能，具體的原理為：基站給終端發(fā)送下行數(shù)據(jù)之后，考慮到終端會有回復，即考慮到移動終端會進行上行數(shù)據(jù)傳輸，此時基站在一定時間內持續(xù)的主動給終端進行授權，流程如圖5所示。

（二）測試驗證

驗證仍是基于某城區(qū)新開5G基站。首先，保證該測試點的無線環(huán)境是良好的。通過QXDM測試工具抓取的Ping包測試log數(shù)據(jù)，測試結果發(fā)現(xiàn)，RSRP（功率）為-69.88dBm、SINR為32.31dB，現(xiàn)場無線環(huán)境良好。上行、下載小于0.05Mbps終端并無大流量業(yè)務進行。

優(yōu)化前某站點上行類型配置為傳統(tǒng)上行調度，采用預調度優(yōu)化策略后，該站點三個小區(qū)的時延均有明顯下降，Ping32Byte由25.4ms降到了12.06ms，Ping2000Byte由92.4ms降到了17.56ms，效果明顯。

四、結束語

本文分析了Ping包時延增大的原因及解決策略。在網(wǎng)絡負載比較小的場景下，可以修改SR周期來降低Ping包時延，這種方法不建議普遍使用。重點是提出了從上行調度資源方面縮短時延的優(yōu)化方法，即采用預調度，明顯地降低了Ping包的時延，存在的問題是當移動終端UE需要傳輸?shù)馁Y源較少時，會引起額外的資源消耗。

作者單位：張會娜? ? 武警工程大學

參? 考? 文? 獻

[1]朱明亮，鐘虎，顧秀秀，等. 5G低時延SPN切片網(wǎng)絡研究[J].電信快報，2020（11）：30-33.

[2]覃錦玲.5G網(wǎng)絡在to B場景下的端到端時延分析[J].中國新通信，2022（03）：42-44

[3]魏向欣.5G 網(wǎng)絡切片承載電力系統(tǒng)業(yè)務的時延特性研究[D].北京：華北電力大學，2020.

[4] 張丹，王磊，王曉琦，等. 5G網(wǎng)絡中NSA控制面和用戶面時延性能分析[J]. 電信科學，2020（9）：141-147.

[5] 王琛，游偉，王曉雷，等.一種５Ｇ 網(wǎng)絡低時延資源調度算法[J].西安交通大學學報，2018，52（4）：117-124.

[6]林何平，高志英，韓劍，等.網(wǎng)絡時延分析及面向5G的低時延策略[J].電信工程技術與標準化，2018（09）：26-30.

[7] 張軼，侯雪穎，夏亮，等.５Ｇ系統(tǒng)用戶面時延淺析[J].移動通信，2018：286-292.

[8] 陸威，方琰崴，陳亞權. URLLC超低時延解決方案和關鍵技術[J].移動通信，2020（2）：8-14.

[9] 董帝烺，許國平，林斌.URLLC低時延的技術研究及業(yè)務應用[J].移動通信，2020（4）：78-84.