5G 超低時延技術分析

劉 鵬

（軍委聯參，北京 100017）

0 引 言

隨著智能終端的普及和人們日益增長的通信需求，4G網絡無論在系統容量、速率、時延等方面已經不能滿足人們對極致用戶體驗的追求。在現有的4G網絡下，平均時延為50 ms。若汽車的時速為100 km/h，從發現障礙到啟動制動系統，汽車仍需要向前移動約1.4 m。因此，4G系統時延遠遠達不到自動駕駛的安全要求。道路交通事關人身安全，控制指令尤其是制動指令抵達車輛的時間要求達到毫秒級別，即控制指令自發出到抵達車輛僅前進了3 cm。除了自動駕駛，工業控制、遠程醫療、增強現實、實時云計算、虛擬現實和在線游戲等應用場景，也對低時延提出了很高要求。因此，低時延傳輸技術在很多應用場景中起著決定性作用，而現有LTE系統無法滿足該需求。國內外很多5G研究組織機構（如ITU、IMT-2020推進組等）均對未來5G發展提出了端到端的毫秒級時延要求，且在理想情況下端到端的時延為1ms，而典型端到端的時延為5～10ms。3G端到端時延是幾百毫秒量級，LTE端到端的典型時延是50～100 ms，5G則將端到端的時延縮短為4G的1/10。

1 傳輸時延來源分析

對于移動通信業務而言，最關注的是端到端時延。端到端時延的定義是：IP數據包從離開源點到抵達并被目的節點應用層成功接收共經歷了多長時間。根據不同的業務模型，端到端時延還可分單程時延和回程時延。其中，單程時延指數據包從發射端產生到通過無線網絡正確到達另外一個接收端的時間；回程時延指數據包從發射端產生到目標服務器收到數據包并返回相應的數據包直至發射端正確接收到應答數據包的時間。若要降低時延，首先要分析時延的來源。對LTE（Long Term Evolution，長期演進）系統來說，用戶端到端的時延主要由發送時延、傳輸網絡節點的數據緩存、處理時延和互聯網排隊時延組成。如圖1所示，LTE的時延由如下幾個部分組成：空口4 ms、核心網1～2ms、公共數據網網絡5～10ms。因此，理想狀態下，LTE的時延也在10～16 ms。可見，各個方面相互制約，僅靠優化某一項，是無法達到毫秒級端到端時延的要求。因此，5G低時延技術實現需要一系列有機結合的技術，需要統籌兼顧與跨層布局，需要無線空口、傳輸、核心網和網絡架構等各層技術相互配合，以靈活應對不同垂直業務的時延要求。未來5G要實現超低時延（達到LTE的1/10），必須從三個方面來設計——空口重構化、內容下沉化和架構扁平化。

圖1 LTE系統時延組成

2 5G低時延技術實現與分析

5G低時延的實現主要遵循：一是需要大幅降低空口傳輸時延，二是減少源節點到目的節點的距離，盡可能縮減轉發節點。

2.1 新型幀結構

幀結構是無線通信技術的核心，直接決定了系統的功能設計與服務水平。2016年5月，3GPP無線接入網技術規范工作組發布了TR36.881的技術匯報，明確提出了新型幀結構技術（shorted TTI）。該技術主要考慮采用更短的子幀長度，以實現更短時延的傳輸，即傳輸時間間隔。3GPP LTE標準中，傳輸時間間隔為1ms，代表無線鏈路上獨立解碼的傳輸長度是資源調度的基本單位。發送過程中的SR（調度請求）、SG（調度授權）和數據在一個固定的子幀（1ms）內進行傳輸，這個固定時間間隔就是傳輸時間間隔，是發送時延的主要來源。LTE系統采用10ms的無線幀長度，又分為10個子幀。LTE系統要求最小的發送時間間隔等于子幀的長度，即1ms。LTE系統又將一個子幀劃分為兩個時隙，這樣一個無線幀就包括了10個子幀和20個時隙，每個時隙承載7個OFDM符號。所以，LTE 1ms的傳輸時間間隔內含有14個OFDM符號。現有的LTE系統以子幀為單位進行數據傳輸，子幀長度為1ms。因此，最小數據傳輸時長為1ms。從LTE的系統設計看，傳輸時間間隔是數據傳輸時長的主要來源。因此降低子幀長度可以降低數據傳輸時長，如果重新設計子載波間隔和一個子幀中包括的OFDM符號數量，使得一個子幀對應時長變短，就可降低數據傳輸時長。但實際應用中，控制信道的開銷不可忽略，傳輸時間間隔的長度不可能無限制縮短，否則響應的控制信道開銷占比增大，反而降低了資源利用率，使系統性能下降。因此，傳輸時間間隔的設計長度需要針對相應的業務模型，合理權衡相關性能指標。

2.2 MEC技術

可以通過減小傳輸時間間隔來降低5G網絡內部時延。但是，即使將蜂窩網絡內部時延減小到0，也很難滿足1ms的需求。光纖的傳播速率為200 km/ms，即使5G網絡內部時延為0，數據包在1ms內往返傳輸最大距離也不超過100 km。以車聯網為例，100 km的距離也只能局限在一個地市內進行調度。所以，未來5G技術一定要將網絡下沉，讓用戶就近訪問等辦法解決低時延問題。基于MEC的網絡架構，如圖2所示。根據ETSI定義，MEC技術主要通過在無線接入網側部署通用服務器，從而為無線接入網提供IT和云計算的能力，即MEC技術使得傳統無線接入網具備了業務本地化、近距離部署的條件。引入MEC后，應用服務器部署在無線網絡邊緣，可以最大限度減少往返時延。

圖2 基于MEC的網絡架構

以車聯網為例，傳統網絡所有的數據都需要傳輸到互聯網的服務器。當發生交通事故時，服務器通過故障定位，將遍歷所有終端的位置來計算預警范圍，計算量大且往返時延長。如果部署了MEC，所有聯網的車輛和路邊傳感器通過無線網絡向位于MEC的本地服務器傳輸信息。由于覆蓋范圍小、計算量小且減少了到互聯網的往返時延，響應時間才有可能達到毫秒級。需要指出的是，MEC也可以部署在目前的4G網絡上，但是目前MEC的計費、安全問題還未解決，是后續工作中需要重點考慮的問題。

2.3 核心網功能下沉

5G網絡架構設計思想使龐大的接入網更加集中化、協作化、云端化以及綠色化。為了進一步降低時延，5G網絡將核心網用戶面部分功能下沉至eNB，由原來的集中式核心網演變成分散式核心網。這樣原來中心控制的核心網功能在地理位置上就會更靠近終端，達到降低時延的目的[1]。

另外，5G網絡將BBU功能分解重構為中心單元（CU）和分布單元（DU）兩個功能實體。CU與DU功能的劃分依據是處理內容的實時性。CU設備負責處理無線高層協議棧功能，如RRC層、PDCP層等，甚至還能夠支持部分核心網功能下沉至接入網，滿足未來通信網絡中新興業務（如視頻、電子商務、虛擬/增強現實等）對網絡時延的更高要求。DU設備主要處理物理層功能和實時性需求較高的兩層功能[2]。DU也可以與RRU進行合并。

未來5G網絡中，核心網與無線網的邊界將變得越來越模糊。不僅核心網下沉到邊緣，無線網也會向集中式部署的方向發展。如果將協議中的非實時處理部分從基站分離出來，基站就可以更好地完成協作，同時MEC的部署也可以更深入。因此，打破核心網和無線網的邊界，減少數據傳輸時經過的網元數量，降低通信時延，是將來網絡發展的必然趨勢。

3 其他技術

3.1 狀態轉換加速

為了獲得更低的控制面時延，在4G原有連接態和空閑態的基礎上，5G提出了一個新的中間狀態——去激活態。去激活態保留了核心網的連接狀態，刪除了無線側的連接狀態。收到連接請求時，可以快速建立無線側的連接，從而大幅度降低從空閑態向連接態轉換的時間。

3.2 自包含子幀

結合目前應用越來越廣泛的Massive MIMO技術和4G系統中TD-LTE的設計經驗，5G TDD系統的設計有兩個目標：更快的系統反饋和更快的信道測量。實現快速反饋最直接的思路是設計一個自包含子幀，幀內同時包含DL、UL和GP信息，通過反饋UL ACK保證低時延。

3.3 增強HARQ反饋

傳統的HARQ只反饋ACK/NAK信息，增強的HARQ可以額外反饋接收的BER估計信息，用來通知發送端離解碼成功還差多大的概率。調度器在進行冗余版本選擇、MCS選擇等方面可以更有針對性，提高數據一次重傳后被正確解碼的概率，從而進一步降低數據傳輸時延。

3.4 D2D技術

傳統通信方式中，數據包在傳輸時要經過數個網絡節點，每次轉發都意味著通信時延的增加。而D2D（終端直接通信）的通信模式不需要透過網絡傳遞就可實現設備之間的通信，使得其應用于車聯網等領域具有先天優勢。

4 結 論

本文從新空口、傳輸、核心網三個方面對時延的構成進行了深入分析，并著重介紹了無線空口中的幀結構與子載波間隔，以及核心網功能下沉對5G網絡時延的影響。通過分析計算可知，低時延高可靠場景與增強的移動寬帶場景必須采用不同的幀結構，MEC必須采用不同的部署位置，CU/DU之間必須配置在不同的傳輸環中，才可以保證5G低時延技術的實現。同時，5G低時延技術的實現必須考慮整體與跨層設計，使得無線空口、傳輸、核心網等相互配合，才能靈活應對不同的垂直業務對時延的要求。