優化5G網絡Ping包時延的應用研究

摘要：隨著5G ToB業務的發展，其高可靠低時延應用場景對5G非獨立組網的時延提出更高的要求，降低時延顯得尤為重要。用戶面Ping包時延作為新開基站單站驗收的KPI重要指標之一，若Ping包時延達不到標準，將會降低用戶滿意感知度。本文首先分析了產生Ping時延過大原因，在傳統上行調度的基礎上，引入上行預調度、智能預調度，經測試驗證用戶面Ping包時延均有明顯下降。

關鍵詞：5G；Ping包時延；傳統上行調度；上行預調度；智能預調度

一、引言

5G網絡的三大應用場景為：eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）、URLLC（高可靠低延時通信），隨著5G 網絡的不斷發展，5G ToC即人們生活中的應用市場日趨飽滿。高可靠低時延通信場景的5G ToB新應用不斷涌現[1-3]，如自動駕駛、遠程控制、醫療、虛擬現實等移動互聯網領域。因此，更低時延的5G網絡可以為其在這些高科技領域的應用提供更可靠的保障。比如自動駕駛系統，時延是直接的影響因素，車輛響應操作前的移動距離取決于時延，汽車平均速度為80公里/小時。若延遲為50ms的汽車，從接收到障礙物信號到打開制動系統，汽車行走距離為四米，而這四米的距離很危險，很多生命將受到威脅，這就要求網絡具有更低的時延。為了使5G網絡廣泛地適用于ToB高可靠低延時業務，降低時延尤為重要。本文基于用戶面Ping包時延，研究其時延增大的原因及優化方法。

二、Ping包時延的原理及產生高時延的原因分析

（一）Ping包時延的原理

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[2]。5G網絡中，做ping包時延測試，一般是在筆記本電腦上連接終端UE（移動臺），然后在筆記本電腦上面進行Ping包測試。為了避免外網時延對測試的影響，采用Ping FTP內網服務器IP地址的方式。Ping測試需要滿足三個條件：移動臺要連接的基站即目標基站的小區正常建立工作；移動臺能夠正常注冊成功并接入目標基站網絡；移動臺找到目標小區網絡好的位置即近點，一般要求SINR（信噪比）大于20dB，對該近點的網絡情況進行Ping包測試，測試的次數為100次，使用抓包軟件記錄應用層的往返時間（RTT）。

（二）產生Ping包高時延原因的研究分析

在新開基站單站驗證測試時，需要對用戶面Ping32Byte和Ping2000Byte分別進行測試，合格的標準為Ping32Byte平均時延≤15ms，Ping2000Byte平均時延≤17ms。

本文的測試數據是基于某城區對新開的5G基站進行單驗測試，在該站近點位置分別使用Ping32Byte和Ping2000Byte包長向網絡進行Ping包測試100次，測試時發現Ping包時延忽高忽低且不符合標準。測試如圖1、圖2所示。

由圖可知，Ping32Byte的時延從17ms到35ms隨機變化，平均時延達25.4ms，遠遠高于標準值15ms。Ping2000Byte的時延從28ms到147ms大幅度變化，平均時延達92.4ms，更是高于標準值17ms。下面對產生大時延原因進行分析。

在進行Ping包業務測試中，出現Ping包時延過大，最易想到的原因如下：1.查看電腦速率監控，是否有大流量業務存在的問題；2.嘗試更換服務器繼續測試，排除因服務器問題導致的問題；3.測試終端溫度較高導致Ping時延增大；4.由于非接入層的原因，傳輸時延較長導致Ping包時延增大。判斷方法是：從基站側Ping 核心網或Ping FTP服務器來判斷是否傳輸網絡的原因。

排除以上因素后，Ping環回時延的空口時延也是產生Ping時延過大的原因。無線空口時延即UE和基站間的交互時延[4-6]（不包括傳輸和核心網時延），主要受基站無線參數設置及無線環境的影響。無線環境的好壞可以依據RSRP（功率）、SINR（信噪比）值判斷，通過優化網絡質量改善網絡環境達到降低Ping包時延的目的。其中影響Ping包時延過長的無線參數有調度資源、SR（Scheduling Request：調度請求）傳輸周期和DRX（Discontinuous Reception：非連續接收）參數設置。

1. SR傳輸周期

當移動臺高層要求發送調度請求的時候，并不是在所有的時隙中發送，而是在調度請求周期內的某一個時隙發送。網管中上下行物理信道配置表中的移動臺 SR傳輸周期（ms）的大小會影響Ping包時延的長短，SR傳輸周期（ms）的大小可以在網管中進行修改。若SR周期設置為10ms，則SR發送前的平均等待時間為5ms。若SR周期配置5ms，Ping包時延的平均值減少3ms。在協議中，規定SR周期最小是5ms。將SR周期從10ms修改為5ms，將會導致5G上行控制信道（PUCCH）中SR信道支持的最大用戶數減少一半，因此，這種方法適合用戶數較少的場景下使用。

2. DRX（Discontinuous Reception：非連續接收）參數

開啟DRX功能后，如果沒有數據傳輸，為了節省用電，終端會進入休眠狀態，會延遲上/下行數據的發送 [7-8]，進行Ping業務時，導致時延變長。如果關閉DRX參數時，終端不會進入休眠狀態，這時候進行Ping測試，平均時延比開啟時減少3ms～4ms。

本文重點從調度資源方面分析上行調度對用戶面Ping包時延的影響。

三、優化Ping包時延的研究方法

上行調度資源模式[9]有傳統上行調度、上行預調度、智能預調度，不同的調度資源流程產生不同的Ping時延。目前大部分基站采用的是傳統調度模式又稱作動態調度。

（一）上行調度資源的原理

1.傳統上行調度

移動終端發送數據時，首先要在上行控制信道（PUCCH）信道上發送SR，基站收到UE的SR后，再給移動終端UE上行進行授權，然后移動終端UE按照基站上行授權所指定的位置發送上行數據，具體過程如圖3所示。

傳統的上行資源調度，移動終端UE的SR只能根據配置進行周期性發送， 根據協議，SR周期最高達80ms，如果SR周期設置80ms，終端發送上行數據需要等待80ms才能發送SR，導致上行時延大幅度增加。

2.上行預調度

為了降低上述傳統上行調度的上行時延，采用上行預調度功能，基本思想是基站對終端UE進行主動的上行授權，省略了終端發送SR申請的過程，具體流程如圖4所示。該功能存在的缺點是不管終端是否有上行數據發送，基站都主動給終端上行授權，導致上行資源的浪費。

3.智能預調度

為了解決上行預調度帶來的問題，采用智能預調度功能。由基站的下行業務觸發智能預調度功能，具體的原理為：基站給終端發送下行數據之后，考慮到終端會有回復，即考慮到移動終端會進行上行數據傳輸，此時基站在一定時間內持續的主動給終端進行授權，流程如圖5所示。

（二）測試驗證

驗證仍是基于某城區新開5G基站。首先，保證該測試點的無線環境是良好的。通過QXDM測試工具抓取的Ping包測試log數據，測試結果發現，RSRP（功率）為-69.88dBm、SINR為32.31dB，現場無線環境良好。上行、下載小于0.05Mbps終端并無大流量業務進行。

優化前某站點上行類型配置為傳統上行調度，采用預調度優化策略后，該站點三個小區的時延均有明顯下降，Ping32Byte由25.4ms降到了12.06ms，Ping2000Byte由92.4ms降到了17.56ms，效果明顯。

四、結束語

本文分析了Ping包時延增大的原因及解決策略。在網絡負載比較小的場景下，可以修改SR周期來降低Ping包時延，這種方法不建議普遍使用。重點是提出了從上行調度資源方面縮短時延的優化方法，即采用預調度，明顯地降低了Ping包的時延，存在的問題是當移動終端UE需要傳輸的資源較少時，會引起額外的資源消耗。

作者單位：張會娜? ? 武警工程大學

參? 考? 文? 獻

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