网络时延分析及面向5G的低时延策略

林何平，高志英，韩剑，康帅

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

伴随着5G技术的来临，网络时延越来越成为关注的焦点，同时为不同需求的客户提供差异化服务成为必然选择。

移动通信网从2G到5G，时延需求产生了上百倍的变化，具体如表1所示。新型业务层出不穷，其中自动驾驶、增强现实、虚拟现实、感知网络等uRLLC(ultra-Reliable Low latency Communications，超低时延高可靠性网络)类业务基于5G网络得以实现，各类业务对网络的需求见图1所示。更低时延的网络为未来应用提供更多可能，甚至将颠覆人类生活。

表1 不同制式移动网络的端到端时延

2 网络时延构成及分析

网络时延由传播时延（Propagation Delay）、传输时延（Transmission Delay）、处理时延（Processing Delay）、调度时延（Queuing Delay）构成，具体如图2所示。

2.1 传播时延

传播时延是指信号在传输介质中传播所花费的时间，与传播速度、通信距离有关。对于光传送网来说，传输介质即是光纤，在光纤中光的传播速度与折射率有关。

其中: l为光信号传送的距离；

c为光在真空中传播的速度，约为3×105km/s;

n为光纤折射率。

受物理光速限制，一般通过减少信号传输距离来降低时延，主要的方法包括：

图1 未来业务及对网络的需求

图2 网络时延构成示意图

（1）选择更直、更短的光传送路由。在进行管线建设时，在兼顾安全、技术合理的情况下，优选路径短的路由方案；在进行光通道安排时，选择路径短、节点少的方案。

(2）局站设置更合理以减少引接距离。近年长途光缆利用高速管道进行建设的比较多，光放站由于对机房的面积和电源要求不太高，可在高速出口附近租用或自建机房，既便于维护又可减少光缆距离。

(3）成缆结构上选择中心束管式或骨架式。光缆成缆结构主要有中心束管式、骨架式和层绞式，中心束管式和骨架式相较于层绞式在光缆中有更短的缠绕和弯曲，可减少光传送距离。

(4）通过电域补偿色散代替色散补偿光纤的使用。此外，还可选择低折射率光纤来降低时延。

2.2 传输时延

传输时延是指站点发送或接收一个数据帧要的时间，与数据帧长、链路速率相关。

其中: F为帧长；

v为线路速率。

降低传输时延的方法一般通过提高链路速率来达到，对于100 Gbit/s传输系统来说OTU4帧周期为1.168μs。在采用高速接口设备时传输延在网络时延占比较低。

2.3 处理时延

处理时延是指数据转发花费的时间，包括头部处理、差错校验、路由表查找等，取决于节点的处理能力和数据处理的复杂度。

光层和电层的处理都会带来处理时延，且OSI层级越高引入的时延将越大，相同距离情况下通过减少电层节点的数量也可降低时延。

2.4 调度时延

调度时延是指数据在输入和输出缓冲区排队花费的时间，与网络拥塞状况、队列调度机制相关。

分组网络中应用QoS策略，可保证高质量业务的低时延要求。

2.5 时延构成分析

各类型设备引入的时延见表2所示。光器件时延一般在纳秒级，在整个传输时延上几乎可忽略不计；传输节点为100微秒级别，一般距离越远节点越多；数据设备时延较大，应在整个网络减少数据节点数量。

以端到端300 km为例，中间经过6端OTN设备（含6端光放设备），1端PON设备，2跳数据设备。通过计算单路由网络时延约4.15 ms。

传输时延：300 km×5μs/km+100μs×6+0.1μs×6+50μs≈2.15 ms

表2 主要网元时延

数据网时延：1 ms×2=2 ms

通过计算发现光纤传播时延1.5 ms,占传输时延的主要部分，而其主要由距离决定。数据网节点越多引入的数据网时延越大。

光网整体可预测，光纤传输时延是光网络时延的决定性因素，优化路由，减少距离是首要原则。数据层通过网络扁平化、减少网络层次和跳数来优化时延。

3 面向5G的低时延策略

对于无线网络来说，端到端时延由空口时延、传输网时延时延组成。其中传输部分又包括前传、回传及传送网部分的时延，如图3所示。端到端时延由多路径上的时延加和组成，5G要实现低时延，必须从各个方面一起着手，主要通过空口重构降低空口时延，通过调整网络架构、功能下沉缩短源宿间的距离及转发效率，通过切片保证低时延业务的资源保证。

图3 无线网络端到端时延构成

图4 LTE下行示意图

图5 LTE上行示意图

3.1 重构空口

LTE空口时延下行时延平均7.5 ms,上行最低平均时延12.5 ms, LTE的上、下行示意图见图4、图5所示。

根据3GPP TR38.913 uRLLC业务场景下UE到CU之间时延指标为0.5 ms，这将是一个重大挑战，需要对帧结构重新设计。4G LTE中的一个TTI是1 ms，而5G将通过对帧结构的优化设计，将每个子帧在时域上进行缩短从而在物理层上进行时延的优化。对于FDD，混合自动重传请求HARQ的重设计可以减少时延；对于TDD，将数据和ACK放在可变的TTI中。5G的空口时延优化见图6、图7所示。

图6 FDD通过减少HARQ重传次数降低时延

图7 TDD通过自包含设计缩短RTT

特殊的应用场景如V2X应用还可以采用D2D技术，不通过网络传递实现设备间的通信，以减少经过网络节点的时延。

3.2 功能下沉

4G核心网去掉了RNC/BSC,采用eNode B和EPC两层的网络结构，使网络更扁平化，但仍不能满足5G对于时延的要求。3GPP已正式确认5G核心网将采用由中国移动牵头关联合26家公司提出的SBA（Service-Based Architecture，基于服务的网络架构）作为统一基础架构。5G核心网采用CUPS（Control and User Plane Separation，控制与用户面分离），通过将用户面部署于边缘数据中心以更靠近用户。

MEC技术基于NFV的硬件资源和虚拟化层架构，提供底层硬件的计算、存储、控制功能和硬件虚拟化组件（包括基于OpenStack的虚拟操作系统、KVM等），完成虚拟化的计算处理、缓存、虚拟交换及相应的管理功能，使基站与互联网业务进行深度融合，以构建移动边缘云，提供信息技术服务环境和云计算能力。依托MEC，运营商可将传统的外部应用拉入移动网络内部，使得传统无线接入网具备了业务本地化和近距离部署的条件，内容和服务下沉以更贴近用户，并且提高移动网络速率、降低时延以及提升连接的可靠性，从而改善用户体验和开发网络边缘的价值。

5G对于传送网的需求将包括CU与核心网S1接口和相邻CU间eX2接口数据，且eX2流量是S1的10%～20%。为就近转发eX2接口数据，L3将下移到汇聚层，以减少路由绕转，从而时延更短。

3.3 调整光传送网架构

通过上面网络时延的分析可知，光传送网中距离是首要因素，且每个节点都有相应的处理时延，其中光层小于电层。降低光传送网时延主要从缩短距离和减少节点数量，尤其是电层节点数量方面下手。

（1）OTN网络：形成以DC为核心的DCI专网，采用OXC/ROADM减少电层节点数量，DC互访一跳直达，以减少网络层级和光传送距离。

(2）PTN网络：目前PTN网络主要是环形结构，首末端路由一般需要经过多个节点，从而逐一累积时延。星形网络则只有源宿点之间的时延累加，从而减少节点数量和传送距离。

3.4 网络切片和信道切片

网络切片即是利用虚拟化技术，将物理基础资源根据场景虚拟化为多个平行的网络切片，每个网络切片有端到端完整的网络且逻辑上独立，针对不同的业务需求提供相应的服务保障，对于uRRLC业务资源配置以满足时延和可靠性要求为首要原则。

信道切片利用Flex-E技术实现了MAC间物理隔离，并将低时延标识传递给NP，提供端到端的低时延通道和带宽保证。

3.5 低时延以太网

直通转发技术（Cut Through）可以实现以太网端口层面的低时延，传统的数据转发需要对数据进行缓存以及校验再转发，会带来时延的增加。直通转发技术是建立快速通道，将低时延业务不缓存就转发到端口并完成校验。

目前IEEE已经成立了802.1 TSN（Time Sensitive Networking）任务组，在链路层上研究时间同步网和时延敏感的以太网。

4 结束语

超低时延是5G非常重要的属性，它的实现需要一系列技术有机结合，必将对现有网络的架构做出重大调整，目前某些技术还需要突破，实现成本也相对较高，在短时间内实现相对困难。同时时延与可靠性、传输效率等其他指标之间又存在着一定程度的此消彼长、相互权衡的关系，因此需要针对业务类型，合理权衡与协调。