5G網(wǎng)絡(luò)在toB場景下的端到端時延分析

【摘要】? ? 5G網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)的需求。本文所講述的，正是5G網(wǎng)絡(luò)的超低時延對于toB端帶來的巨大改變。toB端作為5G網(wǎng)絡(luò)最終價值承載的歸宿，從這一方面來說，當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)時延還需進(jìn)一步降低。本文將通過幀結(jié)構(gòu)、極化碼等方向來對進(jìn)一步降低5G網(wǎng)絡(luò)時延的研究方向進(jìn)行舉例說明。

【關(guān)鍵詞】? ? 低時延? ? toB端? ? 應(yīng)用方式? ? 幀結(jié)構(gòu)

一、研究背景

現(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)的速度越來越快，許多人對于5G網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知就是5G比4G更快而已。

然而，并非僅僅如此?，F(xiàn)如今的4G網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)速度的傳輸速率上，已經(jīng)滿足絕大部分人的生活，而5G網(wǎng)絡(luò)對于人類的生活的改變，絕非僅僅是網(wǎng)絡(luò)傳輸速率上的提升。5G網(wǎng)絡(luò)存在著三個基本特征，一是高可靠低延遲通信（URLLC），二是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC），三則是增強(qiáng)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(shí)時技術(shù)最為重要的部分，高可靠低延遲通信（URLLC）。而這一項(xiàng)5G網(wǎng)絡(luò)特征中的關(guān)鍵字，正是時延。

舉個例子，1ms，這是未來對于5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)速度有多快呢。據(jù)研究，當(dāng)一個人的指尖產(chǎn)生痛覺，從它產(chǎn)生到傳導(dǎo)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(dǎo)時間，而非人類的反應(yīng)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(dāng)人類面對一個只有1ms時延的網(wǎng)絡(luò)時，宏觀上來說，這將是一個超越人類本身反應(yīng)速度的網(wǎng)絡(luò)。

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?yàn)閾?jù)研究表明，時延低于50ms的網(wǎng)絡(luò)游戲已經(jīng)不會影響到玩家的體驗(yàn)感。

時延更為重要的應(yīng)用，還是在那些需要比人的反應(yīng)速度更快的場景當(dāng)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(yuǎn)程醫(yī)療，還有涉及高端自動化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

5G按照目前的情況來看，必將并且已經(jīng)率先滲透入toC端，但是當(dāng)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(wǎng)絡(luò)時延已經(jīng)到達(dá)了1ms之下，但是我們不得不認(rèn)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(jìn)一步了解5G網(wǎng)絡(luò)的時延在toB場景的情況。

二、什么是網(wǎng)絡(luò)時延

看到時延，大部分人所第一時間想到的，都會是網(wǎng)絡(luò)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(guān)，但是卻不相等。應(yīng)該說，網(wǎng)絡(luò)的時延僅代表網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間，而延遲，卻往往涉及網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。當(dāng)吞吐量的需求大于網(wǎng)絡(luò)的速度時，就會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的延遲，甚至數(shù)據(jù)的丟失?；蛘哒f，跟網(wǎng)絡(luò)游戲的延遲有關(guān)的，應(yīng)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(jìn)入一臺設(shè)備到出這臺設(shè)備，一個報文在其中所需要花費(fèi)的時間，實(shí)際考驗(yàn)的是這個報文在這臺設(shè)備所消耗的時間，時間越短，此設(shè)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(qū)別，雖然僅僅是兩個字調(diào)換了順序，但卻是完全不同的兩個概念?；蛘咴龠M(jìn)行更加具體的舉例：時延更多的指的是一種因果關(guān)系，當(dāng)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(wǎng)絡(luò)的時延有哪些

我們理解了時延的概念之后，就需要去進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)中存在哪些方面的時延，這里我們以一個5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D來進(jìn)行表示。按照上圖所示，把網(wǎng)絡(luò)傳輸各個節(jié)點(diǎn)之間的時延相加所得之和即是總網(wǎng)絡(luò)的時延，5G終端與控制系統(tǒng)——策略服務(wù)器之間可能以3g、WLAN等基站為傳輸節(jié)點(diǎn)，而這各個節(jié)點(diǎn)又分別包括了空口時延、回傳時延、核心網(wǎng)處理時延，同時包括應(yīng)用服務(wù)器與核心網(wǎng)之間的時延。這些傳輸節(jié)點(diǎn)與5G終端之間的對于數(shù)據(jù)的傳輸關(guān)系的處理，很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的時延最終所產(chǎn)生的影響的效果。

三、形成網(wǎng)絡(luò)時延的原因

網(wǎng)絡(luò)延遲是什么呢？它是一個所針對的對象主要是網(wǎng)絡(luò)用戶的詞匯，而它具體就是從用戶發(fā)出的請求到遠(yuǎn)端系統(tǒng)作出響應(yīng)的這段時間。而因?yàn)楝F(xiàn)在是大多都是以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，所以對于用戶的每一次請求：不論是服務(wù)器請求、還是ADU（用戶數(shù)據(jù)單元）處理網(wǎng)絡(luò)傳輸又或是路由處理，延遲都會產(chǎn)生。導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(zhì)中傳播所需要的時間，并且當(dāng)傳播介質(zhì)一定時，傳播所需要的時間便和實(shí)際通信距離成正比。而光傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)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?shù)木嚯x來達(dá)到降低時延的效果。例如因?yàn)閱文９饫w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(diǎn)發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)幀時所需的時間統(tǒng)稱為傳輸時延，并且鏈路速率以及數(shù)據(jù)幀長決定著傳輸時延。因此，大多數(shù)時候，降低傳輸時延往往通過提高鏈路速率達(dá)成。

3.處理時延：頭部處理、差錯校驗(yàn)和路由表等查找數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的步驟與處理時延有著緊密聯(lián)系。節(jié)點(diǎn)的處理能力和數(shù)據(jù)的復(fù)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(dǎo)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(jié)點(diǎn)的數(shù)量這一手段入手來達(dá)到降低相同距離情況之下的時延。

4.調(diào)度時延：是指某段時間被數(shù)據(jù)消耗在輸入以及輸出緩沖區(qū)排隊(duì)的過程，并且在網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)，調(diào)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(wǎng)關(guān)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(jī)的域名被用戶應(yīng)用時，同時用戶應(yīng)用中卻沒有使用IP地址，就會發(fā)生請求延遲。當(dāng)?shù)刂仿?lián)編出現(xiàn)，該軟件就會查找是否存在相應(yīng)的域名于本地緩存區(qū)中，即當(dāng)域名被應(yīng)用程序傳輸?shù)奖镜亟馕銎鬈浖那闆r下;當(dāng)找不到時，本地解析器就會構(gòu)造出一個詢問報文，初始域名服務(wù)器（本地服務(wù)器）接收這個報文，而情況在被域名服務(wù)器解析后，回答響應(yīng)一個響應(yīng)報文。

6.排隊(duì)延遲：出現(xiàn)分組交換臨時過載的情況時，分組交換網(wǎng)中的主要延遲就是排隊(duì)延遲，而PDU在傳輸路徑上出現(xiàn)的緩沖延遲是因?yàn)榻粨Q而造成的，連續(xù)的緩沖延遲中就形成了排隊(duì)延遲。在這種情況下，假設(shè)10個路由器中的數(shù)據(jù)依次通過，而因?yàn)槠渲械娜魏我粋€路由器上都存在著大量的數(shù)據(jù)包，平均在這些路由器上排隊(duì)的有10個IP數(shù)據(jù)包，這條路徑上的排隊(duì)延遲非常有可能達(dá)到上百毫秒。

6.發(fā)送時延：由一個終端發(fā)送出一個數(shù)據(jù)幀所需要的時間，也就是發(fā)送數(shù)據(jù)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(qū)被接收節(jié)點(diǎn)處理之前，節(jié)點(diǎn)完全獲得，然后到該幀或小區(qū)所花費(fèi)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(wǎng)鏈路被用于傳輸最小MAC幀為64字節(jié)時，串行延時為51.2ms;MAC幀能達(dá)到的最大長度為518字節(jié)。當(dāng)傳輸時使用100 Mbit/s以太網(wǎng)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(lián)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提高，串行延遲在日常網(wǎng)絡(luò)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?？梢钥闯?，延遲與帶寬和距離有關(guān)，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會有不同的延遲。因此，不同系統(tǒng)或設(shè)備的負(fù)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(tǒng)或設(shè)備的負(fù)載而異。

四、如何實(shí)現(xiàn)5G的時延優(yōu)化并進(jìn)一步滿足toB的應(yīng)用要求

對于幾代通信技術(shù)，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(yōu)勢。實(shí)際上，相比于過去主流的3G與4G網(wǎng)，超快速度的數(shù)據(jù)傳輸只是5G的眾多特色之一。在5G剛剛開發(fā)的過程中，人們十分期望能使用其來充分發(fā)揮與協(xié)調(diào)垂直行業(yè)應(yīng)用潛力。諸如高級輔助駕駛，基于物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)，這些面向未來的技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)，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(yīng)用的要求

例如，對于自動駕駛系統(tǒng)，車輛響應(yīng)操作前的移動距離將被時延直接影響。如果是使用4G網(wǎng)絡(luò)，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(tǒng)的距離為4m，而這四米的距離至關(guān)重要。在關(guān)鍵時刻，更多的生命威脅隨著每一厘米的增加而產(chǎn)生。因此，在人身安全與道路交通關(guān)系密切這個條件下，控制命令，尤其是制動命令，需要實(shí)現(xiàn)毫秒級，也就是控制命令的時間，從開始到到達(dá)僅花費(fèi)甚至不超過1毫秒的傳輸速度。

以下是自動駕駛系統(tǒng)的一次測試結(jié)果：

在柳州市寶駿工業(yè)園5G全覆蓋下，在廣西移動、華為的合作下，基于5G網(wǎng)絡(luò)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(jìn)組等國內(nèi)外5G研究小組。5G架構(gòu)提出了以毫秒為單位的端到端時機(jī)要求，最理想的情況是1ms，一般的5-10ms。目前我們使用的4G網(wǎng)絡(luò)的理想端對端時機(jī)（end-to-end）為10毫秒左右，LTE的典型端對端時機(jī)（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(shù)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(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層到到達(dá)和看到為止。 應(yīng)用程序接收成功的節(jié)點(diǎn)時間。另外，縱貫-縱貫延遲可以根據(jù)服務(wù)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(fā)射器準(zhǔn)確接收應(yīng)答包所需的延遲。因此，端到端延遲包括空間網(wǎng)絡(luò)延遲、核心網(wǎng)絡(luò)延遲和PTN網(wǎng)絡(luò)延遲。

（三）如何使5G的時延進(jìn)一步降低，以滿足toB應(yīng)用

針對toB應(yīng)用當(dāng)中對于時延的超低要求，工程師們對不同情況下的優(yōu)化方案進(jìn)行了設(shè)想。以下我們對兩個優(yōu)化方案進(jìn)行舉例：

1.從幀結(jié)構(gòu)入手。無線幀當(dāng)中，存在子分區(qū)，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(guān)系為引，定義了另一個時間分區(qū)。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(dá)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(zhì)，其實(shí)是更加高效的信道編解碼的方案。作為5G技術(shù)的關(guān)鍵性技術(shù)的研究方向之一，極化碼擁有著信道聯(lián)合和信道分裂這兩種截然不同的信道理論，進(jìn)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(shù)學(xué)方法證明了它能夠達(dá)到香農(nóng)極限，而且它存在著這一領(lǐng)域的唯一性。當(dāng)前，作為這樣一種高效的信道編碼，它已經(jīng)被納入第五代移動通信系統(tǒng)的編碼方案當(dāng)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(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。

（四）其他的在現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)狀況的前提下降低總體時延的方法

除了第3點(diǎn)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(gòu)下，許多的計算不再占用自身的運(yùn)算能力，而是集中在云端進(jìn)行計算，完成處理后返回原計算機(jī)或者應(yīng)用。然而云計算對于toB應(yīng)用來說有著一個致命的弱點(diǎn)那就是因?yàn)樵黾觽鬏斶^程而提升的時延。由此，邊緣計算應(yīng)運(yùn)而生。邊緣計算的原理，實(shí)際上是按照不同應(yīng)用對于時延有著不同的要求這一點(diǎn)來將運(yùn)算的要求進(jìn)行分層，時延要求高的應(yīng)用的計算將不會再傳至云端進(jìn)行處理，而是依托自身的計算能力進(jìn)行處理，以達(dá)到降低云端數(shù)據(jù)的傳輸量進(jìn)而降低端到端時延的目的?？傮w來說，這兩種計算都算得上是一種抄近道的計算方式，在復(fù)雜的計算當(dāng)中，運(yùn)算結(jié)果把原始的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)化并傳輸，以減少傳輸時延的方式減少總體時延。

五、結(jié)束語

現(xiàn)如今，單論中國，5G的用戶就已經(jīng)達(dá)千萬級別，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和進(jìn)一步鋪設(shè)已經(jīng)有了極大的成果。然而如何將已經(jīng)鋪設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更好的應(yīng)用，是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)該進(jìn)一步研究的課題。當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)主要面向的是toC，也就是人們生活中的應(yīng)用，但其對人類的生活的最大的改變應(yīng)當(dāng)在toB應(yīng)用，當(dāng)toC市場日趨飽滿的時候，toB才是5G網(wǎng)絡(luò)最終的價值承載的歸宿。想要5G網(wǎng)絡(luò)愈發(fā)廣泛地適用于toB領(lǐng)域，毫無疑問需要進(jìn)一步降低5G的時延，毫秒級的時延想要進(jìn)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(jìn)行考慮，我們首先要考慮的是如何在現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)上降低時延，使其能夠滿足更多的toB場景應(yīng)用。

作者單位：覃錦玲? ? 中國移動通信集團(tuán)廣西有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]陳強(qiáng). 面向5G網(wǎng)絡(luò)的MEC關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)分析[J]. 數(shù)字通信世界（5）：4.

[2]張軼， 侯雪穎， 夏亮，等. 5G系統(tǒng)用戶面時延淺析[C]// 5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會（2018）. 0.

[3]梁輝、韓瀟、李福昌. 5G URLLC端到端關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 移動通信， 2020， 44（8）：5.

[4]王磊. 5G獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)方案分析[J]. 通信技術(shù)， 2019， 52（8）：4.

[5]汪國輝. 面向5G超實(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究[D]. 電子科技大學(xué)， 2016.

[6]馬曉凱. 5G邊緣計算技術(shù)詳解與應(yīng)用分析[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品， 2019（16）：2.

[7]趙芳菲. 面向5G的低時延高可靠通信關(guān)鍵技術(shù)的研究與仿真[D]. 北京郵電大學(xué)， 2018.