5G 超低时延技术分析

刘 鹏

（军委联参，北京 100017）

0 引 言

随着智能终端的普及和人们日益增长的通信需求，4G网络无论在系统容量、速率、时延等方面已经不能满足人们对极致用户体验的追求。在现有的4G网络下，平均时延为50 ms。若汽车的时速为100 km/h，从发现障碍到启动制动系统，汽车仍需要向前移动约1.4 m。因此，4G系统时延远远达不到自动驾驶的安全要求。道路交通事关人身安全，控制指令尤其是制动指令抵达车辆的时间要求达到毫秒级别，即控制指令自发出到抵达车辆仅前进了3 cm。除了自动驾驶，工业控制、远程医疗、增强现实、实时云计算、虚拟现实和在线游戏等应用场景，也对低时延提出了很高要求。因此，低时延传输技术在很多应用场景中起着决定性作用，而现有LTE系统无法满足该需求。国内外很多5G研究组织机构（如ITU、IMT-2020推进组等）均对未来5G发展提出了端到端的毫秒级时延要求，且在理想情况下端到端的时延为1ms，而典型端到端的时延为5～10ms。3G端到端时延是几百毫秒量级，LTE端到端的典型时延是50～100 ms，5G则将端到端的时延缩短为4G的1/10。

1 传输时延来源分析

对于移动通信业务而言，最关注的是端到端时延。端到端时延的定义是：IP数据包从离开源点到抵达并被目的节点应用层成功接收共经历了多长时间。根据不同的业务模型，端到端时延还可分单程时延和回程时延。其中，单程时延指数据包从发射端产生到通过无线网络正确到达另外一个接收端的时间；回程时延指数据包从发射端产生到目标服务器收到数据包并返回相应的数据包直至发射端正确接收到应答数据包的时间。若要降低时延，首先要分析时延的来源。对LTE（Long Term Evolution，长期演进）系统来说，用户端到端的时延主要由发送时延、传输网络节点的数据缓存、处理时延和互联网排队时延组成。如图1所示，LTE的时延由如下几个部分组成：空口4 ms、核心网1～2ms、公共数据网网络5～10ms。因此，理想状态下，LTE的时延也在10～16 ms。可见，各个方面相互制约，仅靠优化某一项，是无法达到毫秒级端到端时延的要求。因此，5G低时延技术实现需要一系列有机结合的技术，需要统筹兼顾与跨层布局，需要无线空口、传输、核心网和网络架构等各层技术相互配合，以灵活应对不同垂直业务的时延要求。未来5G要实现超低时延（达到LTE的1/10），必须从三个方面来设计——空口重构化、内容下沉化和架构扁平化。

图1 LTE系统时延组成

2 5G低时延技术实现与分析

5G低时延的实现主要遵循：一是需要大幅降低空口传输时延，二是减少源节点到目的节点的距离，尽可能缩减转发节点。

2.1 新型帧结构

帧结构是无线通信技术的核心，直接决定了系统的功能设计与服务水平。2016年5月，3GPP无线接入网技术规范工作组发布了TR36.881的技术汇报，明确提出了新型帧结构技术（shorted TTI）。该技术主要考虑采用更短的子帧长度，以实现更短时延的传输，即传输时间间隔。3GPP LTE标准中，传输时间间隔为1ms，代表无线链路上独立解码的传输长度是资源调度的基本单位。发送过程中的SR（调度请求）、SG（调度授权）和数据在一个固定的子帧（1ms）内进行传输，这个固定时间间隔就是传输时间间隔，是发送时延的主要来源。LTE系统采用10ms的无线帧长度，又分为10个子帧。LTE系统要求最小的发送时间间隔等于子帧的长度，即1ms。LTE系统又将一个子帧划分为两个时隙，这样一个无线帧就包括了10个子帧和20个时隙，每个时隙承载7个OFDM符号。所以，LTE 1ms的传输时间间隔内含有14个OFDM符号。现有的LTE系统以子帧为单位进行数据传输，子帧长度为1ms。因此，最小数据传输时长为1ms。从LTE的系统设计看，传输时间间隔是数据传输时长的主要来源。因此降低子帧长度可以降低数据传输时长，如果重新设计子载波间隔和一个子帧中包括的OFDM符号数量，使得一个子帧对应时长变短，就可降低数据传输时长。但实际应用中，控制信道的开销不可忽略，传输时间间隔的长度不可能无限制缩短，否则响应的控制信道开销占比增大，反而降低了资源利用率，使系统性能下降。因此，传输时间间隔的设计长度需要针对相应的业务模型，合理权衡相关性能指标。

2.2 MEC技术

可以通过减小传输时间间隔来降低5G网络内部时延。但是，即使将蜂窝网络内部时延减小到0，也很难满足1ms的需求。光纤的传播速率为200 km/ms，即使5G网络内部时延为0，数据包在1ms内往返传输最大距离也不超过100 km。以车联网为例，100 km的距离也只能局限在一个地市内进行调度。所以，未来5G技术一定要将网络下沉，让用户就近访问等办法解决低时延问题。基于MEC的网络架构，如图2所示。根据ETSI定义，MEC技术主要通过在无线接入网侧部署通用服务器，从而为无线接入网提供IT和云计算的能力，即MEC技术使得传统无线接入网具备了业务本地化、近距离部署的条件。引入MEC后，应用服务器部署在无线网络边缘，可以最大限度减少往返时延。

图2 基于MEC的网络架构

以车联网为例，传统网络所有的数据都需要传输到互联网的服务器。当发生交通事故时，服务器通过故障定位，将遍历所有终端的位置来计算预警范围，计算量大且往返时延长。如果部署了MEC，所有联网的车辆和路边传感器通过无线网络向位于MEC的本地服务器传输信息。由于覆盖范围小、计算量小且减少了到互联网的往返时延，响应时间才有可能达到毫秒级。需要指出的是，MEC也可以部署在目前的4G网络上，但是目前MEC的计费、安全问题还未解决，是后续工作中需要重点考虑的问题。

2.3 核心网功能下沉

5G网络架构设计思想使庞大的接入网更加集中化、协作化、云端化以及绿色化。为了进一步降低时延，5G网络将核心网用户面部分功能下沉至eNB，由原来的集中式核心网演变成分散式核心网。这样原来中心控制的核心网功能在地理位置上就会更靠近终端，达到降低时延的目的[1]。

另外，5G网络将BBU功能分解重构为中心单元（CU）和分布单元（DU）两个功能实体。CU与DU功能的划分依据是处理内容的实时性。CU设备负责处理无线高层协议栈功能，如RRC层、PDCP层等，甚至还能够支持部分核心网功能下沉至接入网，满足未来通信网络中新兴业务（如视频、电子商务、虚拟/增强现实等）对网络时延的更高要求。DU设备主要处理物理层功能和实时性需求较高的两层功能[2]。DU也可以与RRU进行合并。

未来5G网络中，核心网与无线网的边界将变得越来越模糊。不仅核心网下沉到边缘，无线网也会向集中式部署的方向发展。如果将协议中的非实时处理部分从基站分离出来，基站就可以更好地完成协作，同时MEC的部署也可以更深入。因此，打破核心网和无线网的边界，减少数据传输时经过的网元数量，降低通信时延，是将来网络发展的必然趋势。

3 其他技术

3.1 状态转换加速

为了获得更低的控制面时延，在4G原有连接态和空闲态的基础上，5G提出了一个新的中间状态——去激活态。去激活态保留了核心网的连接状态，删除了无线侧的连接状态。收到连接请求时，可以快速建立无线侧的连接，从而大幅度降低从空闲态向连接态转换的时间。

3.2 自包含子帧

结合目前应用越来越广泛的Massive MIMO技术和4G系统中TD-LTE的设计经验，5G TDD系统的设计有两个目标：更快的系统反馈和更快的信道测量。实现快速反馈最直接的思路是设计一个自包含子帧，帧内同时包含DL、UL和GP信息，通过反馈UL ACK保证低时延。

3.3 增强HARQ反馈

传统的HARQ只反馈ACK/NAK信息，增强的HARQ可以额外反馈接收的BER估计信息，用来通知发送端离解码成功还差多大的概率。调度器在进行冗余版本选择、MCS选择等方面可以更有针对性，提高数据一次重传后被正确解码的概率，从而进一步降低数据传输时延。

3.4 D2D技术

传统通信方式中，数据包在传输时要经过数个网络节点，每次转发都意味着通信时延的增加。而D2D（终端直接通信）的通信模式不需要透过网络传递就可实现设备之间的通信，使得其应用于车联网等领域具有先天优势。

4 结 论

本文从新空口、传输、核心网三个方面对时延的构成进行了深入分析，并着重介绍了无线空口中的帧结构与子载波间隔，以及核心网功能下沉对5G网络时延的影响。通过分析计算可知，低时延高可靠场景与增强的移动宽带场景必须采用不同的帧结构，MEC必须采用不同的部署位置，CU/DU之间必须配置在不同的传输环中，才可以保证5G低时延技术的实现。同时，5G低时延技术的实现必须考虑整体与跨层设计，使得无线空口、传输、核心网等相互配合，才能灵活应对不同的垂直业务对时延的要求。