5G低时延技术的应用浅析

许明元

【摘 要】5G定义的很多应用场景需要低时延（5 ms～10 ms）或超低时延（1 ms～2 ms），如远程手术、自动驾驶等，为了探讨和研究新技术以减少时延，从5G应用场景和关键能力出发，分别从网络架构、空口、承载网三方面对影响时延的因素进行分析，并对降低5G时延的相关技术的应用进行了浅析。

【关键词】5G 网路切片 移动边缘计算 空口 低时延

1 引言

随着移动互联网、物联网、AR/VR、自动驾驶、远程医疗等业务的发展，为满足未来这些新需求和新特性，第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点。全球通信组织和运营商陆续发布了5G概念白皮书，并已启动国际标准制定和研究工作，低时延特性作为5G关键能力指标之一，比4G要求更高，本文通过分析影响5G时延的因素，对5G低时延技术的应用进行了浅析。

2 5G应用场景及关键能力

根据移动互联网和物联网主要应用、业务需求，IMT-2020（5G）推进组归纳出以下四个重要应用场景：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠场景。

不同的应用场景的关键能力差异较大，面临的关键能力挑战有：连续广域覆盖场景需具有100 Mbps的用户体验速率；热点高容量场景需要达到1 Gbps用户体验速率、数十Gbps的峰值速率和数十Tbps/km2流量密度；低功耗大连接场景的连接数密度达到106个/ km2，同时要求超低功耗和超低成本；低時延高可靠场景要求1 ms的空口时延和毫秒量级的端到端时延，同时具有百分之百的可靠性。

目前的4G技术没法满足这些关键能力要求，尤其对于毫秒级的低时延特性需求，单纯通过现有的4G技术演进是无法实现的，需从网络架构、空口技术、承载网等方面采用新架构和新技术，才能实现超低时延的特性。

超低时延是5G最重要的关键能力，要满足近乎苛刻的时延指标要求，面临着以下挑战：

首先，毫秒级别的延迟需要对现有网络的架构做重大变更，实现成本相对较高，短期内实现相对困难。其次，时延和其他特性指标的之间关系需要综合考虑，如：自动驾驶/机器人控制等应用在需求超低时延的同时需要接近100%的可靠性；AR/VR应用对时延要求较高的业务同时对吞吐量要求也较高；此外，无线系统设计中如传输速率、时延、可靠性等性能指标之间常常存在着一定程度的此消彼长、相互权衡的关系，需要针对业务类型合理权衡和协调时延与其它指标之间的关系。

3 实现5G低时延的技术

移动通信系统时延由如下几个部分组成：空口时延、承载网时延、核心网时延，PDN网络时延，如图1所示：

5G要实现超低时延，必须从无线接入网、核心网、承载网、PDN网络各个方面一起着手，总的思想是架构扁平、内容下层、空口重构。

端到端时延由多段路径上的时延加和而成，仅靠单独优化某一局部的时延无法满足1 ms的极致时延要求，因此5G超低时延的实现需要一系列有机结合的技术，一方面要大幅度降低空口传输时延，另一方面要尽可能减少转发节点，并缩短源到目的节点之间的“距离”。

以下将从网络架构、核心网、承载网三方面研究在降低时延中扮演重要作用的关键技术。

3.1 网络架构

在网络架构方面，可以采用控制转发分离、网络切片、核心网功能下沉和移动边缘计算（MEC）等关键技术来降低时延。

（1）控制转发分离

新型5G网络架构包含接入、控制和转发三个功能平面：

1）接入平面：包含各种类型基站和无线接入设备。基站间交互能力增强，组网拓扑形式丰富，能够实现快速灵活的无线接入协同控制和更高的无线资源利用率。

2）控制平面：通过网络功能重构，实现集中的控制功能和简化流程，以及接入和转发资源的全局调度。面向差异化业务需求，通过按需编排的网络功能，提供可定制的网络资源，以及友好的能力开放平台。

3）转发平面，包含用户面下沉的分布式网关、集成边缘内容缓存和业务流加速等功能，在集中的控制平面的统一控制下，能较大地提升数据转发效率和灵活性。

利用云计算技术，采用“三朵云”（接入云、控制云、转发云）实现5G接入、控制和转发功能。利用SDN技术实现核心网网关设备控制和转发功能分离，分布式部署网关设备，网络架构更加扁平化，可以有效地降低业务的传输时延。

（2）网络切片技术

四大应用场景的应用在移动性、计费、安全、策略控制、时延、可靠性等方面各自具有不同的特性和需求。多样化的应用场景对5G网络提出了多样化的性能要求和功能要求，利用网络切片（Network Slicing）技术，针对不同的应用场景提供专属的网络控制功能和性能保证，实现按需组网，5G网络切片技术架构如图2所示。

网络切片利用虚拟化技术，将5G网络物理基础设施资源根据场景需求虚拟化为多个平行的虚拟网络切片，每种网络切片逻辑上独立（包括接入网部分、承载网部分和核心网部分），专门针对不同特性和需求的业务提供服务，保障业务的专用资源（虚拟服务器、网络带宽、QoS、时延等）满足不同业务特性的需求，如对于低功耗大连接应用，不需要切换和位置更新流程，而对于低时延高可靠应用（如自动驾驶、远程机器人控制），需要毫秒以下的端到端时延和100%可靠性，资源配置主要以满足时延和可靠性要求为首要原则，有效降低端到端时延。

在可靠性方面，网络切片间相互隔离，一个网络切片内产生的故障不会影响其他网络切片的正常通信，提高了网络的可靠性。

（3）核心网功能下沉

在4G eNodeB和EPC两层网络结构的基础上，5G网络核心网部分功能将进一步下沉。

将核心网控制功能下沉，部署在接入网边缘或者与基站融合部署，数据网关和业务使能设备根据业务需要在全网中灵活部署，减少回传网络的压力，降低时延和提高用户体验速率。

核心网转发平面进一步简化下沉，同时将数据存储和计算功能下移到网络边缘，以满足低时延的业务要求。

（4）移动边缘计算

4G网络应用服务器集中位于中心机房，距离终端设备较远，中间需要经过多个传输节点。MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）技术将基站与互联网业务进行深度融合，在移动边缘部署计算、处理和存储功能的云计算设备，构建移动边界云，提供信息技术服务环境和云计算能力。应用服务和内容部署在移动边缘，可以减少数据传输过程中的转发和处理时间，降低端到端时延，如对于时延和可靠性要求都比较高的V2X应用，将核心网和V2X应用服务器布置到接入网机房，可以较大地缩短数据处理时间和传输时延。

综上所述，采用控制转发分离、网络切片、核心网功能下沉和移动边缘计算（MEC）等技术可以降低时延，满足不同应用场景的要求，5G网络总体架构如图3所示。

5G接入网是一个支持多种无线接入技术（RAT）的多层异构网络，多种类型的基站相结合，以满足不同应用场景的需求。5G核心网需要支持4个主要应用场景的各种业务，核心网转发平面简化下沉，采用MEC技术和网路切片技术，以满足低时延和高流量的业务要求。

利用NFV和SDN技术实现控制转发分离，使网络功能易于进行重组，可以灵活组合功能模块以满足不同场景和业务特征要求，按需定制网络资源和业务逻辑，增強网络弹性和自适应性。

5G网络是“一个逻辑结构，多种组网”的架构，通过网络切片技术，根据不同的应用场景和需求，构建不同的逻辑网络实例，实现业务需求的按需编排。网路切片间逻辑上相互隔离，切片的故障、配置和调整不会影响其他切片，从而提高了系统的可靠性。

3.2 空口时延

（1）LTE系统的空口时延

LTE系统对用户平面单向传输时延的要求是小于5 ms，LTE系统用户面时延主要包括处理时延、TTI长度以及帧周期。

1）UL时延

在LTE FDD系统中，当UE有上行数据传输需求时，需要等待配置发送调度请求（SR）的子帧n，UE在子帧n上发送调度请求信息给eNode B，eNode B最快在子帧n+2上发送上行数据调度授权信息，UE在子帧n+2上接收到上行数据调度授权信息后，在子帧n+6上传输相应的上行数据，eNode B在子帧n+10上反馈ACK/NACK信息给UE，UE在子帧n+14上重传所述上行数据，从有数据传输需求到一次数据传输完成，不考虑等待调度请求子帧和数据处理的时间，单次传输的时延为6 ms，一次重传的时间为14 ms。

考虑等待调度请求子帧和数据处理的时间，UE上行数据传输典型的无线接入时延如表1所示：

2）DL时延

下行数据传输时，在子帧n上，eNode B使用物理下行控制信道（PDCCH）调度下行数据传输，UE在子帧n+4上反馈ACK/NACK信息，不考虑eNode B输入数据处理和UE数据解码的时间，eNode B接收处理时延最小为1 ms，eNode B最快可以在子帧n+5上进行数据重传调度，单次传输的时间为1 ms，一次重传的最小时间为5 ms。

考虑输入数据处理的时间，UE下行数据传输典型无线接入时延如表2所示：

由以上分析可以看出，当SR调度周期为10 ms时，UL数据传输的平均时延为17 ms；当SR调度周期为1 ms时，UL数据传输的平均时延为12.5 ms。下行数据传输平均传输时延为7.5 ms，LTE系统的用户面传输时延远远超过5G系统毫秒级端到端时延的要求。

（2）降低空口时延的关键技术

从LTE空口时延分析可以看出，影响空口时延的主要因素是数据传输时长、数据传输资源请求等待时间、数据处理时间和反馈延时。可通过采用新型帧结构、降低数据传输时间间隔（TTI）、资源预留、降低处理时延、D2D等技术降低空口时延。

1）采用新型帧结构和减小TTI

帧结构是无线通信的核心，为了有效降低空口时延，在帧结构方面，可以采用更短的子帧长度，并在同一子帧内完成ACK/NACK反馈。现有LTE系统以子帧为单位进行数据调度，LTE子帧长度为1 ms，最小数据传输间隔（TTI）为1 ms，对于UE，LTE用户平面单向时延可通过公式（1）计算：

DUP（ms）=1.5+1+1.5+n×8=4+n×8 （1）

其中，n为HARQ重传次数。

对于不同TTI，用户面时延的构成如图4所示。

单向时延可通过公式（2）计算：

DUP（ms）=1.5TTI（eNB处理和调度）+1TTI+

1.5TTI（UE处理和调度）+n×8TTI（HARQ重传）

=（4+n）×8TTI （2）

考虑到典型情况下发生0或1次重传，用户平面单向时延大约如公式（3）所示：

DUP_typical（ms）=（4+p×8）×TTI （3）

其中，p是数据传输出错概率（BLER）。

当BLER=0%时，DUP_0%HARQ_BLER（ms）=4×TTI；

当BLER=10%时，DUP_10%HARQ_BLER（ms）=4.8×TTI。

通过以上分析可以看出，空口时延与TTI成线性关系，减小TTI可以降低空口时延。

减小TTI，可以带来以下优势：1）网络能够更快地调度UE，减少回程时间；2）能够使HARQ和CSI反馈更快，减少反馈时间，更快地根据信道状况进行链路自适应；3）能提高TCP吞吐量，对于小量数据传输，减少TTI长度还可以提高系统容量。

2）资源预留

LTE系统中，当终端有数据传输需求时，需要先发送调度请求（SR），基站分配资源后终端才能进行上行数据传输，采用资源预留技术，基站预分配资源给终端，终端在有数据传输时直接在预先分配的资源上传输数据，减少调度请求过程，从而降低上行数据传输时延。

3）降低处理时延

通过高性能硬件设备和优化算法降低时延，也可以通过高级自适应编码来降低处理编解码的时延，比如当SNR比较高时，采用卷积编码，当SNR比较低时，采用Turbo编码等。

4）D2D（Device to Device，设备对设备）技术

基于蜂窝网络的D2D通信，使得用户数据不经过网络中转，直接在终端之间传输，如图5所示。

传统的通信方式中，数据转发要经过数个网络节点，每次转发都会导致时延的增加，而D2D通信模式不需要经过网络传递，就可以实现设备之间的通信，特别适合于物联网和车联网中的V2X（Vehicle to Everything）应用，极大地降低时延。例如，在高速行车时，车辆的变道、减速等操作动作，可通过D2D通信的方式发出预警，车辆周围的其他车辆基于接收到的预警对驾驶员提出警示，甚至紧急情况下对车辆进行自主操控，以缩短行车中面临紧急状况时驾驶员的反应时间，降低交通事故发生率。

基于终端直通的D2D由于在通信时延、邻近发现等方面的特性，使得其应用于5G车联网车辆安全领域具有先天优势。

3.3 承载网时延

（1）承载网时延的构成

承载网时延约占整个时延的20%，以端到端1 ms的时延要求，承载网的时延不能超过200 μs。承载网时延主要由光在光纤传输中时延和IP设备的转发时延两大部分组成。

1）光在光纤传输中时延

根据光在媒介中传播时时间与光速、距离和折射率的关系式：

t=n×L/c （4）

L=t×c/n （5）

其中，c为光速，n为光纤群折射率，一般为1.467～1.468之间（1310 nm～1550 nm），这里取1.5，当t=200 μs时，L=40 km。

即200 μs相当于40 km的光在光纤中的传输时延。对于时延超低要求的应用场景，必须将核心网距离基站不超过40 km才能满足要求，即核心网需下沉到无线网附近或与无线网融合。

2）IP设备的转发时延

IP设备的转发时延包括接口时延（<2 μs）、NP处理时延、报文调度时延和交换网时延，IP网络负载较轻时单跳时延在50 μs内，负载较重时，通过优先级调度策略，时延依然可以控制在50 μs内。

（2）降低承载网时延的关键技术

1）直通转发技术

传统数据转发是端口在获得一个完整的数据包后才进行校验和转发，会引入部分延时，直通转发是交换机最快速的转发方式，收到数据帧的目的MAC地址后，交换机立即向目的端口转发数据，后续数据每到一个字节就转发一个字节，大幅降低串行转发延迟。

2）FLEX-E技术

FlexE实现子MAC间物理隔离，保障低时延业务带宽，同时，FlexE低时延标识传递给NP，TM实现端到端低时延通道。

Flex Ethernet是在MAC和实体层（PHY）或实体编码子层（PCS）之间创造另一中介层，用于调节控制，从MAC获取有关封包信息，并指示PCS根据需要重新编码。

3）降低NP处理时延

传统NP在转发不能感知业务优先级，优化后的NP可以感知优先级，为低时延业务开辟专用通道。

4）降低TM调度时延

采用低时延业务直通调度和抢占转发资源的方式，以减少低时延要求业务的时延。

采用以上降低时延技术和采用传统技术时延对比如表3所示：

采用以上技术，IP承载网络的单跳时延可小于10 μs。

4 结束语

本文从5G应用场景和关键能力出发，分别从网络架构、空口、承载网三个方面对影响时延的因素进行分析，并对降低5G时延的相关技术的应用进行了浅析。通过分析可知，实现5G低时延必需兼顾整体，从跨层考虑和设计角度出发，使得空口、网络架构、核心网等不同层次的技术相互配合，使网络能够灵活应对不同垂直业务的时延需求。

参考文献：

[1] 劉光毅，黄宇红，向际鹰，等. 5G移动通信系统 从演进到革命[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2016.

[2] Jonathan Rodriguez. 5G：开启移动网络新时代[M]. 江甲沫，译. 北京： 电子工业出版社， 2016.

[3] Jonathan Rodriguez. Fundamentals of 5G Mobile Networks[M]. USA： John Wiley&Sons， 2015： 123-126.

[4] IMT-2020（5G）推进组. 5G概念白皮书[R]. 2015.

[5] IMT-2020（5G）推进组. 5G无线技术架构白皮书[R]. 2015.

[6] IMT-2020（5G）推进组. White Paper On 5G Network Architecture Design[R]. 2016.

[7] 3GPP TR 36.881 V14.0.0. Study on latency reduction techniques for LTE[R]. 2016.

[8] 5GPPP. Architecture Working Group： View on 5G Architecture[R]. 2016.

[9] NGMN. 5G White Paper， NGMN Alliance[R]. 2015.

[10] 戴博，夏树强，石靖. 空口降低时延关键技术[J]. 中兴通讯技术， 2014（12）.