5G網絡在toB場景下的端到端時延分析

【摘要】? ? 5G網絡需要同時滿足eMBB（超大帶寬），uRLLC（超高可靠性，超低時延）和mMTC（超大連接）業務的需求。本文所講述的，正是5G網絡的超低時延對于toB端帶來的巨大改變。toB端作為5G網絡最終價值承載的歸宿，從這一方面來說，當前的5G網絡時延還需進一步降低。本文將通過幀結構、極化碼等方向來對進一步降低5G網絡時延的研究方向進行舉例說明。

【關鍵詞】? ? 低時延? ? toB端? ? 應用方式? ? 幀結構

一、研究背景

現如今，網絡的速度越來越快，許多人對于5G網絡的認知就是5G比4G更快而已。

然而，并非僅僅如此。現如今的4G網絡在網絡速度的傳輸速率上，已經滿足絕大部分人的生活，而5G網絡對于人類的生活的改變，絕非僅僅是網絡傳輸速率上的提升。5G網絡存在著三個基本特征，一是高可靠低延遲通信（URLLC），二是大規模物聯網（mMTC），三則是增強型移動寬帶（eMBB）。本文要講的，則是其中對于自動駕駛汽車等新興實時技術最為重要的部分，高可靠低延遲通信（URLLC）。而這一項5G網絡特征中的關鍵字，正是時延。

舉個例子，1ms，這是未來對于5G網絡的端對端時延要求，而讓絕大部分人難以相信與理解的是，這1ms對于人類的生活帶來的改變將有多大。或者說，這將是對人類的未來生活的一種顛覆。

人類的反應速度有多快呢。據研究，當一個人的指尖產生痛覺，從它產生到傳導至腦干，所用的時間為29ms到200ms。并且，我們要知道的是，這只是傳導時間，而非人類的反應時間，哪怕是人類最為迅速的身體反射，也存在著幾十ms的時延。所以說，當人類面對一個只有1ms時延的網絡時，宏觀上來說，這將是一個超越人類本身反應速度的網絡。

但是僅僅從這個方面來說，似乎不能闡述時延對于人類的重要性，因為據研究表明，時延低于50ms的網絡游戲已經不會影響到玩家的體驗感。

時延更為重要的應用，還是在那些需要比人的反應速度更快的場景當中，也就是ToB場景。最為顯著的例子，有大眾皆知的無人駕駛汽車和VR，也有一直被寄予厚望的遠程醫療，還有涉及高端自動化的工業物聯網。

5G按照目前的情況來看，必將并且已經率先滲透入toC端，但是當toC端市場趨于飽和后，5G最終的歸宿，還是作為其價值承載的toB端。

以上并不是說如今的5G網絡時延已經到達了1ms之下，但是我們不得不認同時延在我們的生活中的巨大作用，以及將給我們的生活帶來的巨大的改變。為此，我們必須去進一步了解5G網絡的時延在toB場景的情況。

二、什么是網絡時延

看到時延，大部分人所第一時間想到的，都會是網絡游戲的延遲，畢竟二者聽起來像是同一種東西。但是時延和延遲雖然相關，但是卻不相等。應該說，網絡的時延僅代表網絡的響應時間，而延遲，卻往往涉及網絡的吞吐量。當吞吐量的需求大于網絡的速度時，就會導致網絡的延遲，甚至數據的丟失。或者說，跟網絡游戲的延遲有關的，應該是延時，而非時延。在這里，我們首先要了解的，就是到底什么是時延。

（一）時延的概念

時延的英文是Latency，是指從進入一臺設備到出這臺設備，一個報文在其中所需要花費的時間，實際考驗的是這個報文在這臺設備所消耗的時間，時間越短，此設備性能越高。而延時的英文是Delay，是指一個操作和另一個操作之間停頓的時間。從這里我們就可以顯著地看出時延和延時的區別，雖然僅僅是兩個字調換了順序，但卻是完全不同的兩個概念。或者再進行更加具體的舉例：時延更多的指的是一種因果關系，當你對著一處墻壁喊話，喊話是“因”，而你從墻壁聽到的回聲，則是“果”。從你開始喊話，到你的聽覺感知到回聲，這其中的時間差，就是“時延”。

（二）網絡的時延有哪些

我們理解了時延的概念之后，就需要去進一步了解網絡中存在哪些方面的時延，這里我們以一個5G網絡拓撲圖來進行表示。按照上圖所示，把網絡傳輸各個節點之間的時延相加所得之和即是總網絡的時延，5G終端與控制系統——策略服務器之間可能以3g、WLAN等基站為傳輸節點，而這各個節點又分別包括了空口時延、回傳時延、核心網處理時延，同時包括應用服務器與核心網之間的時延。這些傳輸節點與5G終端之間的對于數據的傳輸關系的處理，很大程度上決定了網絡的時延最終所產生的影響的效果。

三、形成網絡時延的原因

網絡延遲是什么呢？它是一個所針對的對象主要是網絡用戶的詞匯，而它具體就是從用戶發出的請求到遠端系統作出響應的這段時間。而因為現在是大多都是以TCP/IP協議為基礎，所以對于用戶的每一次請求：不論是服務器請求、還是ADU（用戶數據單元）處理網絡傳輸又或是路由處理，延遲都會產生。導致網絡時延的原因主要包含以下八個方面：

1.傳播時延：主要指的是信號在傳輸介質中傳播所需要的時間，并且當傳播介質一定時，傳播所需要的時間便和實際通信距離成正比。而光傳輸網絡的傳輸介質為光纖，并且光的折射率極大程度地影響著光在光纖中的傳播速度，物理上一般只能通過減少信號傳輸的距離來達到降低時延的效果。例如因為單模光纖中的光的傳播速度大于200000km/s （即0.005 ms/km ）， 所以傳播時延等于光纜長度乘以0.005 ms/Km。光纖越長，傳播時延越長。

2.傳輸時延：通常來說，站點發送或接收一個數據幀時所需的時間統稱為傳輸時延，并且鏈路速率以及數據幀長決定著傳輸時延。因此，大多數時候，降低傳輸時延往往通過提高鏈路速率達成。

3.處理時延：頭部處理、差錯校驗和路由表等查找數據轉發時的步驟與處理時延有著緊密聯系。節點的處理能力和數據的復雜程度，很大程度的影響著處理時延的速率。光層和電層的處理過程中會導致一部分處理時延的形成，并且引入的時延隨著OSI的層級的升高而增大。因此可以通過減少電層節點的數量這一手段入手來達到降低相同距離情況之下的時延。

4.調度時延：是指某段時間被數據消耗在輸入以及輸出緩沖區排隊的過程，并且在網絡排隊，調度時延會極大程度地被增大。

5.路由延遲：由域名請求延遲、IP在各個網關上的尋徑延遲和TCP連接釋放延遲以及TCP連接建立延遲這四個部分組成。對方主機的域名被用戶應用時，同時用戶應用中卻沒有使用IP地址，就會發生請求延遲。當地址聯編出現，該軟件就會查找是否存在相應的域名于本地緩存區中，即當域名被應用程序傳輸到本地解析器軟件的情況下;當找不到時，本地解析器就會構造出一個詢問報文，初始域名服務器（本地服務器）接收這個報文，而情況在被域名服務器解析后，回答響應一個響應報文。

6.排隊延遲：出現分組交換臨時過載的情況時，分組交換網中的主要延遲就是排隊延遲，而PDU在傳輸路徑上出現的緩沖延遲是因為交換而造成的，連續的緩沖延遲中就形成了排隊延遲。在這種情況下，假設10個路由器中的數據依次通過，而因為其中的任何一個路由器上都存在著大量的數據包，平均在這些路由器上排隊的有10個IP數據包，這條路徑上的排隊延遲非常有可能達到上百毫秒。

6.發送時延：由一個終端發送出一個數據幀所需要的時間，也就是發送數據幀的首個比特時開始，到最后一個比特完成的時間。

7.串行時延：幀或小區被接收節點處理之前，節點完全獲得，然后到該幀或小區所花費的時間。例如，只有在接收到所有CRC之后，AC幀才能完全被處理。100Mbit/s以太網鏈路被用于傳輸最小MAC幀為64字節時，串行延時為51.2ms;MAC幀能達到的最大長度為518字節。當傳輸時使用100 Mbit/s以太網鏈路，串行延遲為0.2144ms。以此可以得出，串行延遲與傳輸速率成反向增加的形式。速率越低，接收完整幀的時間越長。同時，串行延遲也與幀長有著密不可分的聯系。幀越短，延遲越小。在高帶寬下，串行延遲對端到端延遲的影響最小。

因此，想要減少網絡延遲，我們不得不考慮最小化端到端延遲。而端到端延遲，包括了串行延遲、傳播延遲和處理延遲的總和。隨著網絡傳輸速度的提高，串行延遲在日常網絡使用中逐漸變得不那么重要。它的主要性能主要集中在傳輸延遲和處理延遲上。可以看出，延遲與帶寬和距離有關，不同的網絡結構會有不同的延遲。因此，不同系統或設備的負載也是時延測試中值得考慮的問題。測量的時間延遲也因系統或設備的負載而異。

四、如何實現5G的時延優化并進一步滿足toB的應用要求

對于幾代通信技術，人們更容易將其理解為僅僅是傳輸速度方面具有了巨大的優勢。實際上，相比于過去主流的3G與4G網，超快速度的數據傳輸只是5G的眾多特色之一。在5G剛剛開發的過程中，人們十分期望能使用其來充分發揮與協調垂直行業應用潛力。諸如高級輔助駕駛，基于物聯網的萬物互聯，這些面向未來的技術需要實現，都脫離不了超低的時延。又或者說，沒有超低時延的5G，甚至只能算作4G+。

（一）為什么4G時延無法滿足這些應用的要求

例如，對于自動駕駛系統，車輛響應操作前的移動距離將被時延直接影響。如果是使用4G網絡，平均速度為100公里/小時，延遲50毫秒的汽車，從接收到障礙物信號，到打開制動系統的距離為4m，而這四米的距離至關重要。在關鍵時刻，更多的生命威脅隨著每一厘米的增加而產生。因此，在人身安全與道路交通關系密切這個條件下，控制命令，尤其是制動命令，需要實現毫秒級，也就是控制命令的時間，從開始到到達僅花費甚至不超過1毫秒的傳輸速度。

以下是自動駕駛系統的一次測試結果：

在柳州市寶駿工業園5G全覆蓋下，在廣西移動、華為的合作下，基于5G網絡的無人駕駛成功測試。

（二）多低的時延才能滿足5G的要求

ITU、IMT-2020推進組等國內外5G研究小組。5G架構提出了以毫秒為單位的端到端時機要求，最理想的情況是1ms，一般的5-10ms。目前我們使用的4G網絡的理想端對端時機（end-to-end）為10毫秒左右，LTE的典型端對端時機（end-to-end）為50～100ms。這意味著5G縮短為4G的十分之一。3G的縱貫延遲是數百毫秒級。 在這里，端到端延遲被定義為信息包從離開原始節點的應用層到到達和看到為止。 應用程序接收成功的節點時間。另外，縱貫-縱貫延遲可以根據服務模型的差異分為短程延遲和反停止延遲，其中反停止延遲包括發射器準確接收應答包所需的延遲。因此，端到端延遲包括空間網絡延遲、核心網絡延遲和PTN網絡延遲。

（三）如何使5G的時延進一步降低，以滿足toB應用

針對toB應用當中對于時延的超低要求，工程師們對不同情況下的優化方案進行了設想。以下我們對兩個優化方案進行舉例：

1.從幀結構入手。無線幀當中，存在子分區，那就是子幀，這是來自LTE的定義。一般來說，正常情況下的子幀，通常具有6個、12個或者14個符號，并且分別用在兩種不同的CP上。至于LTE的最近的一個版本中，則以物理信道和時頻資源之間的傳輸映射關系為引，定義了另一個時間分區。通過這樣對于子幀的定義和子載波帶寬之間的指定，最終以達到放大子載波間隔的目的，或者降低最小時隙/TTI，而使得時延被降低。

2.從極化碼入手。極化碼的本質，其實是更加高效的信道編解碼的方案。作為5G技術的關鍵性技術的研究方向之一，極化碼擁有著信道聯合和信道分裂這兩種截然不同的信道理論，進而被稱為信道極化理論。并且它作為一種新型信道編碼，通過數學方法證明了它能夠達到香農極限，而且它存在著這一領域的唯一性。當前，作為這樣一種高效的信道編碼，它已經被納入第五代移動通信系統的編碼方案當中。它的原理，簡單來說就是按照不同軟硬件在時延上的要求差異，對數據進行封裝。

（四）其他的在現有5G網絡鋪設狀況的前提下降低總體時延的方法

除了第3點中提到的各種方案外，還有一些通過“抄近道”的方法來降低總體時延的方法。例如：云計算以及邊緣計算。在云計算的架構下，許多的計算不再占用自身的運算能力，而是集中在云端進行計算，完成處理后返回原計算機或者應用。然而云計算對于toB應用來說有著一個致命的弱點那就是因為增加傳輸過程而提升的時延。由此，邊緣計算應運而生。邊緣計算的原理，實際上是按照不同應用對于時延有著不同的要求這一點來將運算的要求進行分層，時延要求高的應用的計算將不會再傳至云端進行處理，而是依托自身的計算能力進行處理，以達到降低云端數據的傳輸量進而降低端到端時延的目的。總體來說，這兩種計算都算得上是一種抄近道的計算方式，在復雜的計算當中，運算結果把原始的數據傳輸轉化并傳輸，以減少傳輸時延的方式減少總體時延。

五、結束語

現如今，單論中國，5G的用戶就已經達千萬級別，5G網絡的建設和進一步鋪設已經有了極大的成果。然而如何將已經鋪設的5G網絡進行更好的應用，是5G網絡建設中應該進一步研究的課題。當前的5G網絡主要面向的是toC，也就是人們生活中的應用，但其對人類的生活的最大的改變應當在toB應用，當toC市場日趨飽滿的時候，toB才是5G網絡最終的價值承載的歸宿。想要5G網絡愈發廣泛地適用于toB領域，毫無疑問需要進一步降低5G的時延，毫秒級的時延想要進一步縮短毫無疑問不是一個簡單的命題，但卻是一個我們不可回避的問題。通過成本等方面來進行考慮，我們首先要考慮的是如何在現有的5G網絡上降低時延，使其能夠滿足更多的toB場景應用。

作者單位：覃錦玲? ? 中國移動通信集團廣西有限公司

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