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)通信設(shè)計(jì)院有限公司北京100080）摘要5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延提出更高要求，本文通過分析網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的組成提出降低時(shí)延策略，并針對(duì)未來5G對(duì)低時(shí)延的需求，提出可能的解決方案。關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；5G1引言低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求隨著社會(huì)信息化的發(fā)展和電信業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，為不同需求的客戶提供差異化服務(wù)成為必然選擇。尤其伴隨著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)。移動(dòng)通信網(wǎng)從2G到5G，時(shí)延將達(dá)到上百倍的變化，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-ReliableLowlatencyCommunications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。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)延應(yīng)用典型端到端時(shí)延（ms）2G6003G2004G15~1005G1~10時(shí)延(ms)自動(dòng)駕駛增強(qiáng)現(xiàn)實(shí).感知網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)10災(zāi)難警報(bào)實(shí)時(shí)游戲視頻通話100汽車緊急呼叫?雙向遙控設(shè)備遙感急救1000可用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)必須使用5G承載的業(yè)務(wù)監(jiān)控傳感網(wǎng)絡(luò)<1M1M個(gè)人云視頻流量無線辦公10M100M時(shí)延(ms)自動(dòng)駕駛增強(qiáng)現(xiàn)實(shí).感知網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)10災(zāi)難警報(bào)實(shí)時(shí)游戲視頻通話100汽車緊急呼叫?雙向遙控設(shè)備遙感急救1000可用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)必須使用5G承載的業(yè)務(wù)監(jiān)控傳感網(wǎng)絡(luò)<1M1M個(gè)人云視頻流量無線辦公10M100M帶寬>1G(bps)?固定設(shè)備連接突發(fā)活躍網(wǎng)絡(luò)時(shí)延由傳播時(shí)延(PropagationDelay)、傳輸時(shí)延(TransmissionDelay)、處理時(shí)延(Processingdelay)、調(diào)度時(shí)延(QueuingDelay)構(gòu)成，具體如圖2所示。傳輸時(shí)延dtrans傳播時(shí)延pTOC\o"1-5"\h\zA\:Acq]+—B覷！I、■\I設(shè)備處理時(shí)延d設(shè)備調(diào)度時(shí)延d圖2網(wǎng)絡(luò)時(shí)延構(gòu)成示意圖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)。Dp,op=lxn/c其中：z為光信號(hào)傳送的距離;c為光在真空中傳播的速度，約為3x105Km/s;九為光纖折射率。受物理光速限制，一般通過減少信號(hào)傳輸距離Z來降低時(shí)延，主要的方法包括：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，相較于層絞式在光纜中有更短的纏繞和彎曲，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)延所需傳輸時(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)。FD=—transy其中:F為幀長(zhǎng)；u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100G傳輸系統(tǒng)來說OTU4幀周期為1.168us。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。光器件時(shí)延一般在ns級(jí)，在整個(gè)傳輸時(shí)延上幾乎忽略不計(jì)；傳輸節(jié)點(diǎn)為100us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。表2主要網(wǎng)元時(shí)延類型名稱時(shí)延數(shù)據(jù)設(shè)備路由器1ms二層交換機(jī)1~10ms三層交換機(jī)1~10ms傳輸設(shè)備OTN無FEC10usOTN帶FEC100usSDH100usPTN帶Qos50usPTN無Qos（小型PTN）30~50usPTN無Qos（普通）50~100usPON下行50usPON上行900us光層光器件ns級(jí)光放大器100ns級(jí)光纖5us/Km以端到端300Km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4.15ms。傳輸時(shí)延：300kmX5us/km+100usX6+0.1usX6+50use2.15ms數(shù)據(jù)網(wǎng)時(shí)延：1msX2=2ms通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)光纖傳播時(shí)延1.5ms，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)延由多路徑上手機(jī)圖3無線網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延構(gòu)成圖4LTE下行示意圖的時(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。傳送網(wǎng)時(shí)延中傳空口時(shí)延3.1重構(gòu)空口LTE空口時(shí)延下行時(shí)延平均7.5ms,上行最低平均時(shí)延12.5ms,LTE的上、下行1ms前傳n=4n下行（基站）回傳示意圖見圖4、圖5。上行（終端PD集中分布單元單元互聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)射頻單元AAUCUDUNGCNACK圖5LTE上行示意圖根據(jù)3GPPTR38.913uRLLC業(yè)務(wù)場(chǎng)景下UE到CU之間時(shí)延指標(biāo)為0.5ms,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)。4GLTE中的一個(gè)TTI是1ms，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，將圖6FDD通過減少HARQ重傳次數(shù)降低時(shí)延Ctrl(Tx)Data(Tx)護(hù)隔保間圖6FDD通過減少HARQ重傳次數(shù)降低時(shí)延Ctrl(Tx)Data(Tx)護(hù)隔保間ACK(Rx)可變TTI圖7TDD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eNodeB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)56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-BasedArchitecture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（ControlandUserPlaneSeparation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，且光層小于電層。因此降低光傳送網(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。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。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)子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)(CutThrough)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、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)。此外，目前IEEE已經(jīng)成立了802.1TSN(TimeSensitiveNetworking)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，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)。參考文獻(xiàn)王迎春，高軍詩(shī)，李勇，陳曉明.面向5G的傳送網(wǎng)承載方案研究[J].移動(dòng)通信，2017(20):80-84.葉胤,劉興華.低時(shí)延傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].電信科學(xué),2013,1(11):92-94.吳曉璇.基于5G的TactileInternet低時(shí)延技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué).2016.孟凡.低時(shí)延光傳送網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案[J].電信科學(xué),2016(S1):238-244.康艷萍，王贛清,楊國(guó)濤.傳送網(wǎng)承載5G業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].廣東通信技術(shù),2017(6):74-79.Researchonnetworkdelayandlowlatencystrategyof5GLinHeping,GaoZhiying,KangShuai,HanJian,TanZhe(ChinaMobileGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,Beijing100080