5G 高可靠低時延目標網架構探討

［胡丹華］

1 引言

隨著人口紅利消失，運營商增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）營收見頂，渴望垂直行業帶來開源增收。高可靠低時延（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，uRLLC）擁有廣泛的應用場景，涵蓋無人駕駛、智能電網、智能手機、智能制造、虛擬現實（VR）、無人機等多個領域，連接數空間在幾十億。隨著運營商對部署新業務需求的日益迫切，以及uRLLC端到端技術解決方案的日益成熟，5G uRLLC 必將走向規模商用，成為運營商進入垂直行業的關鍵解決方案和抓手，并有可能帶來有別于eMBB 的商業模式。

2 5G 高可靠低時延網絡定義和需求

URLLC 是一個端到端的概念，其具備超高可靠性的低時延連接，包含了核心網，傳輸，無線網。3GPP 的無線接入組技術報告TR 38.913 中定義了uRLLC 的指標[1]，如表1 所示。

表1 網絡需求

對于uRLLC 需求，有以下重要論述：

（1）關于uRLLC 特性包含兩大類：低時延、高可靠低時延。前者需實現部分uRLLC 標準特性，后者需實現全部uRLLC 標準特性。

①低時延類特性：普通低時延（50 ms，＜ 99.9%），低時延（20 ms，＜ 99.9%），超低時延（10 ms，＜ 99.9%），極致低時延（＜ 5 ms，＜ 99.9%），主要面向連續廣域類應用；

② 高可靠低時延類特性：普通高可靠低時延（50 ms，～99.999%），高可靠低時延（20 ms，～99.999%），超高可靠低時延（10 ms，～99.999%），極致高可靠低時延（＜5 ms，＞99.999%），主要面向特定區域、局域類應用；

（2）關于應用：包含低時延、高可靠低時延兩類，兩者都包含2C 和2B 場景。

①低時延應用的真實需求是保障時延，也即對時延最大值有剛性需求。相比較而言，eMBB 應用主要特點是時延要求相對放松，傳輸可靠性要求較為發散，在滿足傳輸可靠性基礎上，更低均值時延是普通eMBB 重要訴求之一。

② 高可靠低時延應用特點是對時延最大值和可靠性有剛性要求。

（3）關于業務模型

①低時延業務模型有兩種：大帶寬和小包。大帶寬業務模型接近滿隊列（Full Buffer），小包業務模型包含突發和周期性兩種情況。

② 高可靠低時延業務模型主要為小包，包含突發和周期性兩種情況。

3 網絡現狀與URLLC 需求差異分析

3.1 關于時延

網絡端到端時延主要指無線網絡中從終端到網關的來回時延。具體來說，端到端時延主要由三大塊組成：

（1）空口時延：4G LTE 網絡的空口時延至少十幾毫秒，網絡條件差的時延會更長；6 GHz 以下5G NR 目前現網測試的空口[2]時延大概在5～10 ms 左右，后續目標實現1 ms。

（2）移動承載網絡時延：主要是傳輸距離加上轉發時延帶來的，現實部署中的“繞路”情況也導致了時延大大增加。理論上看，傳送網時延一般包括設備轉發時延（約1～2 ms）、光纖時延（約1～3 ms），合計約2～5 ms。

圖1 5 ms 端到端時延分解

（3）節點處理時延：主要是基站收到數據后轉發給傳送網的時延和核心網網關的處理時延，一般在1 ms左右。

綜上，目前5G eMBB 組網實際端到端（E2E）時延在10～20 ms 左右，后續目標網10 ms 是基礎，5 ms最佳。

3.2 關于可靠性

可靠性是一個很大的范疇，人們關注可靠性往往從最頂層的應用出發，例如無人駕駛發生車禍的概率，工廠里生產線發生停工的概率，智能電網開關誤動的概率等。可以說，可靠性是由應用層決定的。

目前3GPP 主要關注標準協議強相關的傳輸可靠性，而連續廣域覆蓋的端到端連接可靠性受多種因素影響，包空口調度算法、小區邊緣覆蓋能力、單網絡設備可靠性、單線路可靠性、供電可靠性等。對于空口技術而言，采用重復發送、低階低碼率調制等提高可靠性滿足5 個9[3]。此外由于電信系統本身的可靠性已經處在了較好的水平，這些領域更多是在運維、服務等方面流程以及工具的變化，這些變化本身就是業務和商業驅動的，因此，電信系統當前的可靠性并不是uRLLC 相關應用產業發展的瓶頸。

4 基于50 km 網關覆蓋距離的目標網架構

從前面分析可以看出，當前網絡架構離使能高可靠低時延性應用差距并不大，隨著網絡架構的持續演進，可以滿足未來高可靠低時延應用的需求。更進一步，如果網關覆蓋周圍直線距離50 km 左右的區域，一方面時延可以滿足要求，另外一方面，在現有基礎上進一步發展邊緣計算，也不會導致太大的成本，是一個較為合理的目標。

首先從時延角度來看，50 km 意味著基站到網關可實現往返時延在2 ms，考慮到時分雙工（TDD）空口時延為3 ms，其他處理時延約1 ms，端到端往返總計6 毫秒，加上4 ms 裕量用以提升可靠性，無線網絡可以達成端到端時延10 ms 的水平，可以滿足絕大部分應用時延需求。如果未來網絡升級到頻分雙工（FDD），空口時延降低到1 ms，總共4 ms，端到端時延做到5 ms 也是可以實現的。

其次，從服務器的角度。即使是一個超級大城市，只需要部署一個數據中心就可以滿足要求了，由于大部分應用屬于區域性應用，因此，這樣的部署能夠滿足大部分應用的需求。

再次，從無線網絡架構演進的角度來看。國內重點城市已經基本具備了基礎設施條件，50 km 是可以達成的目標。隨著eMBB 不斷演進促進網關下沉，加上uRLLC相關應用的發展，足以驅動未來網絡架構演進到網關覆蓋50 km。因而，從無線網絡架構演進角度來看，50 km 也是合理的。

最后，為什么不是100 km，而是50 km？主要是因為50 km 具有一定的挑戰性。即使是特大城市，真正核心區域直線50 km 覆蓋基本就足夠了，對于數量更多的大城市和中型城市而言，直線距離50 km 的范圍已經足夠大，因而100 km 太缺乏挑戰性和未來牽引作用。為什么不是1 km，甚至是100 m，將服務器部署到基站上？原因在垂直行業的應用處在發展的前期，規模并不足以支撐如此多的計算能力，換句話說，在產業發展的前期，并沒有那么多邊緣計算的需求。

再來看可靠性，比如對于無人駕駛等實際物理世界的系統，系統的反應時間基本在百毫秒量級（跟人基本相當），如果通信系統能夠保證在亞秒量級的十分之一內，也就是10 ms 內，以足夠高的可靠性完成數據傳輸，就可以做到對應用層的設計基本沒有影響。圖2 給出了端到端網絡架構。

圖2 uRLLC 目標網架構

5 小結

從網絡架構角度來看，降低端到端時延的最主要方法就是減少信號的傳輸距離、路由跳數，相應的技術方案為網關下沉以及支撐網關下沉的控制面（CP）和用戶面（UP）技術，服務器端下沉也就是邊緣計算。隨著大流量套餐的興起，傳送網絡發生短時（毫秒級別）擁塞的概率大大增加，為了保障網絡時延的一定可靠性，通過切片技術把uRLLC 業務和eMBB 隔離開是必然的選擇，隔離之后的uRLLC 不受eMBB 影響，并且網絡的總體端口利用率較高。網絡時延的可靠性主要依賴于“備份與冗余”策略實現，工程部署可以采用的方法很多，例如雙基站備份、電源備份、雙終端備份等。此外，雙連接技術則是通過同時利用兩條獨立的路線傳輸數據，從而提高可靠性，可以保障移動條件下發生切換時網絡仍然不中斷，不切換時網絡的可靠性得到大幅提升。