浅谈降低5G网络端到端时延的方法

摘要：低时延是5G网络最为重要的特性之一，只有实现超低时延，5G网络在的应用才能更加广泛和深入。该文分别从无线空口时延、核心网时延、5G网络终端处理时延三个方面，阐述了降低时延的方法，最后对5G网络端到端时延的降低给出了网络配置建议，希望在时延降低方面为5G网络应用发展提供一些参考。

关键词：5G；端到端；时延

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.034

中图分类号：TN 919.8；TN 929.5 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）09-00-03

A Brief Discussion on Methods to Reduce End to End Latency in 5G

DENG Hongyang

（Yitong Century Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract： Low latency is one of the most important features of 5G， and only by achieving ultra-low latency can 5G applications be more widespread and in-depth. This article elaborates on methods to reduce latency from three aspects： wireless air interface latency， core network latency， and 5G terminal processing latency. Finally， network configuration recommendations are provided to reduce end-to-end latency in 5G， hoping to provide some reference for the development of 5G applications in terms of latency reduction.

Keywords： 5G; end to end; time delay

5G网络凭借着超低时延、超高速率和超大连接的特性，迅速应用于千行百业。智能交通、工业控制等时延敏感类业务，对时延有着苛刻的要求。低时延是5G网络最为重要的特性之一，在理想情况下，5G的端到端时延可达到5 ms以下，只有4G网络端到端时延的十分之一。

5G网络端到端时延指的是数据包从5G网络终端发射节点的应用层发出到5G网络终端接收节点的应用层成功收到所经历的时间长度总和。根据通信方向不同，5G网络端到端时延有单向和双向之分。单向时延指发射节点到接收节点的时延，双向时延指发射节点到接收节点的时延再加上接收节点应答数据包被发射节点正确接收的时延。本文讨论的端到端时延为单向时延[1]。

5G网络端到端时延主要由三部分组成，分别为无线空口时延、核心网时延和终端处理时延。它们之间的关系为5G网络端到端时延=无线空口时延+核心网时延+终端处理时延。因此，降低5G网络端到端时延，可从这三方面着手。

1 降低5G无线空口时延的方法

5G无线空口时延，是指5G终端（UE）与5G基站（gNodeB）之间的无线空口传输时延，主要受5G终端与基站之间的距离、网络参数配置等因素的影响。5G终端与基站之间的距离越短，无线空口传输所需要的时间越来越短。5G终端与基站之间的距离属于随机不可控因素，因此，降低无线空口时延主要是通过参数配置来实现。

降低5G无线空口时延主要有关闭不连续接收（DRX）功能、调整调度（SR）周期、根据业务进行差异化预调度、打开超低误块率（BLER）链路自适应功能、PDCP不按序递交、RB资源预留等方法。

1.1 关闭DRX功能

5G终端为了节约能耗，可以开启不连续接收（DRX）功能。通过配置不连续接收（DRX）周期，当没有数据传输给5G终端的时候，5G终端可以暂时停止接收PDCCH，以此来降低功耗，从而提升5G终端电池的续航时间。不连续接收（DRX）的周期设置越长，5G终端功耗降低越明显。但通过不连续接收（DRX）来降低功耗的方法，需要以增加无线空口时延为代价。开启不连续接收（DRX）功能的时延约为关闭不连续接收（DRX）功能的2倍。

1.2 调整SR周期

通常情况下，当5G终端有上行数据需要上发时，会通过上行调度请求消息（SR）通知5G基站准备上行资源，终端则在相应的时间发送上行数据。一般来说，SR周期建议配置为20 ms。在对时延有苛刻要求的场景中，同时在配置7D2U的5 ms帧结构情况下，SR周期可以从20 ms调整为5 ms，通过缩短SR调度周期，无线空口时延可以降低45%左右。需要注意的是，SR周期设置得越小，终端发送上行数据的时延也就越小，但与此同时，消耗的无线资源也越多，因此，需要根据不同的业务需求灵活配置合适的SR周期。

1.3 差异化预调度

针对不同的业务，灵活配置不同的预调度能力。例如，针对5G垂直行业用户，进行单独配置预调度功能，避免出现同小区下5G垂直行业用户和普通个人用户同时预调度而导致感知同时劣化的现象。通过灵活预调试功能，可以有效缩短调度等待时长，从而降低时延。

1.4 BLER链路自适应

由于受信号衰落、路径损耗和干扰等因素的影响，空口的无线信道是时刻变化的，这就要求传输参数也要随着调整，在效率和质量之间达到一种平衡。基站能根据链路自适应算法来选择调制与编码策略（MCS），链路自适应算法有很多种，最常用的一种方法是BLER链路自适应。

高阶调制与编码对信道的传输质量要求较为苛刻，在信道质量不佳的环境下采用高阶调制编码会出现重传率较高的问题，增大传输时延。采用超低BLER链路自适应技术，主要通过限制BLER目标值，采用相对保守的MCS调度策略。适当降低BLER目标值可以有效降低重传率，从而达到降低时延的目的。

1.5 PDCP不按序递交

在非空闲态下，为了减少RRC连接建立的次数和RRC释放的次数，5G终端需要在控制面周期性地向网络侧上发“心跳包”，以保持“在线”状态。在PDCP层的数据包处理中，有按序递交和不按序递交两种方式。所谓按序递交，是指数据包在到达接收端时如果中间有数据包丢失，后面的数据包将会一直等待，直到丢失的数据包重发并成功收到才会继续按顺序发送后面的数据。

不按序递交则是指，如果中间有某个数据包丢失，后面的数据包将会继续递交，不必按照发送端的数据包顺序进行递交。PDCP层在不按序递交的工作机制下，可以有效避免“心跳包”连续超时的现象，大大提高了控制类业务“心跳包”的发送成功率，缩短了控制面时延。

1.6 RB资源预留

对于普通RB资源调度来说，5G终端要在发送上行信息时，首先要发送SR调度请求，5G基站侧根据SR调度请求分配RB资源。对于可靠性要求高的业务，如TCP业务，基站在向手机终端下发数据后，会及时根据终端的反馈消息，决定下一步是发送新数据包还是重传一次，在这种情况下，可以开启上行预调度功能以降低时延[2]。

所谓上行预调度，即是5G终端在下行调度时就触发了上行预调度机制，5G基站侧预先给5G终端分配资源，这样就减少了控制面信令交互的环节，降低了无线空口时延。实际操作中，可以开启本小区的资源预留以及相邻小区的资源免调度功能，这样可以降低本小区与邻区的相互干扰，提升信号质量，进而避免因为数据重传而导致的时延增加问题，有效地降低无线空口时延。

表1为各频段在不同帧结构配置下，关闭和开启预调度时所测得的系统用zU8Sk3qYHGwLMkOVQdTwXQ==户面平均时延。

以2.6 GHz频段、5 ms帧结构配置为例，在非预调度的情况下，系统用户面的平均时延为11.3 ms左右；在开启预调度功能后，系统用户面平均时延可缩短至6.1 ms左右。

4.9 GHz频段可支持多种帧结构，在关闭预调度功能的情况下，系统用户面平均时延为6～7.7 ms；开启预调度功能后，系统用户面平均时延可缩短至4.2～4.8 ms。

700 MHz频段目前采用5 ms的帧结构，在关闭预调度的情况下，系统用户面平均时延为3.6 ms左右；在开启预调度功能后，系统用户面平均时延均值可缩短至1.6 ms左右。

2 降低5G核心网时延的方法

降低5G核心网时延的方法有部署SA、部署下沉UPF和边缘计算MEC。

2.1 部署SA

在NSA（非独立）组网中，5G网络与4G网络在接入网进行互连互通，网络结构更加复杂。首先，复杂的网络结构会令跳转环节变多，时延增加。例如，对于控制面来说，在NSA非独立组网下，5GNR锚定于4G网络的控制面，因此，5GNR控制面的时延与4G网络控制面时延基本一样。对于用户面来说，5GNR与4G网络的数据流进行聚合，5GNR用户面的时延会直接受限于4G网络用户面时延。

其次，复杂的网络结构还会增加切换时延。在NSA非独立组网架构下，由于5G NR锚定于4G网络控制面，如果LTE锚定改变，5GNR之间的切换需要多个复杂步骤才能完成，所需要的切换时间也较长。另外，由于非独立组网需要把控制面信令承载在4G基站上，所以，5GNR时隙还需要和4G网络时隙保持同步，也不利于时延的降低。因此，在NSA非独立组网架构下，5GNR的接入时延与4G网络接入时延相当，5GNR端到端时延相对4G网络端到端时延，也只是略有降低，差别并不明显。

而在SA独立组网架构下，5G网络结构更加简单和扁平化，5GNR时隙也不再受4G网络时隙的限制，因此，部署SA独立组网架构，可以明显降低核心网的接入时延和端到端时延。

2.2 部署下沉UPF和MEC

UPF（User Plane Function，用户面功能）是5G核心网中最为关键的网元之一，它是连接5G核心网和边缘计算MEC的纽带，可以提供数据分流、流量统计等诸多功能。

在5G网络中，控制面和用户面实现了分离，使提供用户面服务的UPF可以从核心网剥离出来，部署到离用户更近的基站边缘，使其更加靠近用户终端，实现用户面时延的降低。将UPF下沉到基站，不但有利于数据的本地化处理，传输网时延还可以从5 ms缩短至

1 ms，可以满足更多对时延有苛刻要求的应用场景。

MEC（Mobile Edge Computing）移动边缘计算，或称之为多接入边缘计算（Muti-access Edge Computing），其工作原理是将核心网云服务器的功能下放到网络边缘服务器，在移动网络的边缘（而非核心网）进行计算操作，以减少上游传输网的带宽需求和时延。

MEC的下沉部署，可以同时满足快速访问的低时延需求和数据安全需求，其部署非常灵活，可以部署在数据中心、汇聚节点、传输节点和基站。目前来说，MEC与UPF一起下沉到基站的部署模式，可以最大限度地降低传输时延。

3 降低5G终端处理时延的方法

5G终端的处理时延，与5G终端支持的频段、网络类型（FDD、TDD）、硬件配置（如系统处理内存、处理芯片等）和整体终端性能有关。要降低5G终端处理时延，需要终端支持超短帧，同时，配置足够的系统处理内存和高性能处理芯片，提升5G终端的整理性能，可明显加快5G终端的反应速度，降低5G终端的处理时延。

4 降低5G网络端到端时延的配置建议

5G网络端到端时延=5G终端处理时延+5G无线空口时延+5G核心网时延。其中，5G终端处理时延主要取决于行业终端的发展。基于以上无线空口和核心网的时延降低方法，结合5G网络用户对网络的时延级别的要求，给出5G网络端到端时延降低的配置建议表，如表2所示。

5 结束语

超低时延是5G网络的关键性能之一，只有实现了超低时延，5G网络的应用才能更加广泛和深入。文章分别从无线空口时延、核心网时延、终端处理时延三个方面，阐述了降低时延的方法，最后梳理出了降低5G网络端到端时延的网络配置建议，希望能在时延降低方面为5G网络应用发展提供一些参考。

参考文献

[1] 覃锦玲．5G网络在toB场景下的端到端时延分析[J]．中国新通信，2022，24（3）：42-44．

[2] 倪春亚．面向5G的端到端网络切片关键技术研究[J]．电子世界，2019（23）：165-166．