5G 高可靠低时延目标网架构探讨

［胡丹华］

1 引言

随着人口红利消失，运营商增强移动带宽（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）营收见顶，渴望垂直行业带来开源增收。高可靠低时延（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，uRLLC）拥有广泛的应用场景，涵盖无人驾驶、智能电网、智能手机、智能制造、虚拟现实（VR）、无人机等多个领域，连接数空间在几十亿。随着运营商对部署新业务需求的日益迫切，以及uRLLC端到端技术解决方案的日益成熟，5G uRLLC 必将走向规模商用，成为运营商进入垂直行业的关键解决方案和抓手，并有可能带来有别于eMBB 的商业模式。

2 5G 高可靠低时延网络定义和需求

URLLC 是一个端到端的概念，其具备超高可靠性的低时延连接，包含了核心网，传输，无线网。3GPP 的无线接入组技术报告TR 38.913 中定义了uRLLC 的指标[1]，如表1 所示。

表1 网络需求

对于uRLLC 需求，有以下重要论述：

（1）关于uRLLC 特性包含两大类：低时延、高可靠低时延。前者需实现部分uRLLC 标准特性，后者需实现全部uRLLC 标准特性。

①低时延类特性：普通低时延（50 ms，＜ 99.9%），低时延（20 ms，＜ 99.9%），超低时延（10 ms，＜ 99.9%），极致低时延（＜ 5 ms，＜ 99.9%），主要面向连续广域类应用；

② 高可靠低时延类特性：普通高可靠低时延（50 ms，～99.999%），高可靠低时延（20 ms，～99.999%），超高可靠低时延（10 ms，～99.999%），极致高可靠低时延（＜5 ms，＞99.999%），主要面向特定区域、局域类应用；

（2）关于应用：包含低时延、高可靠低时延两类，两者都包含2C 和2B 场景。

①低时延应用的真实需求是保障时延，也即对时延最大值有刚性需求。相比较而言，eMBB 应用主要特点是时延要求相对放松，传输可靠性要求较为发散，在满足传输可靠性基础上，更低均值时延是普通eMBB 重要诉求之一。

② 高可靠低时延应用特点是对时延最大值和可靠性有刚性要求。

（3）关于业务模型

①低时延业务模型有两种：大带宽和小包。大带宽业务模型接近满队列（Full Buffer），小包业务模型包含突发和周期性两种情况。

② 高可靠低时延业务模型主要为小包，包含突发和周期性两种情况。

3 网络现状与URLLC 需求差异分析

3.1 关于时延

网络端到端时延主要指无线网络中从终端到网关的来回时延。具体来说，端到端时延主要由三大块组成：

（1）空口时延：4G LTE 网络的空口时延至少十几毫秒，网络条件差的时延会更长；6 GHz 以下5G NR 目前现网测试的空口[2]时延大概在5～10 ms 左右，后续目标实现1 ms。

（2）移动承载网络时延：主要是传输距离加上转发时延带来的，现实部署中的“绕路”情况也导致了时延大大增加。理论上看，传送网时延一般包括设备转发时延（约1～2 ms）、光纤时延（约1～3 ms），合计约2～5 ms。

图1 5 ms 端到端时延分解

（3）节点处理时延：主要是基站收到数据后转发给传送网的时延和核心网网关的处理时延，一般在1 ms左右。

综上，目前5G eMBB 组网实际端到端（E2E）时延在10～20 ms 左右，后续目标网10 ms 是基础，5 ms最佳。

3.2 关于可靠性

可靠性是一个很大的范畴，人们关注可靠性往往从最顶层的应用出发，例如无人驾驶发生车祸的概率，工厂里生产线发生停工的概率，智能电网开关误动的概率等。可以说，可靠性是由应用层决定的。

目前3GPP 主要关注标准协议强相关的传输可靠性，而连续广域覆盖的端到端连接可靠性受多种因素影响，包空口调度算法、小区边缘覆盖能力、单网络设备可靠性、单线路可靠性、供电可靠性等。对于空口技术而言，采用重复发送、低阶低码率调制等提高可靠性满足5 个9[3]。此外由于电信系统本身的可靠性已经处在了较好的水平，这些领域更多是在运维、服务等方面流程以及工具的变化，这些变化本身就是业务和商业驱动的，因此，电信系统当前的可靠性并不是uRLLC 相关应用产业发展的瓶颈。

4 基于50 km 网关覆盖距离的目标网架构

从前面分析可以看出，当前网络架构离使能高可靠低时延性应用差距并不大，随着网络架构的持续演进，可以满足未来高可靠低时延应用的需求。更进一步，如果网关覆盖周围直线距离50 km 左右的区域，一方面时延可以满足要求，另外一方面，在现有基础上进一步发展边缘计算，也不会导致太大的成本，是一个较为合理的目标。

首先从时延角度来看，50 km 意味着基站到网关可实现往返时延在2 ms，考虑到时分双工（TDD）空口时延为3 ms，其他处理时延约1 ms，端到端往返总计6 毫秒，加上4 ms 裕量用以提升可靠性，无线网络可以达成端到端时延10 ms 的水平，可以满足绝大部分应用时延需求。如果未来网络升级到频分双工（FDD），空口时延降低到1 ms，总共4 ms，端到端时延做到5 ms 也是可以实现的。

其次，从服务器的角度。即使是一个超级大城市，只需要部署一个数据中心就可以满足要求了，由于大部分应用属于区域性应用，因此，这样的部署能够满足大部分应用的需求。

再次，从无线网络架构演进的角度来看。国内重点城市已经基本具备了基础设施条件，50 km 是可以达成的目标。随着eMBB 不断演进促进网关下沉，加上uRLLC相关应用的发展，足以驱动未来网络架构演进到网关覆盖50 km。因而，从无线网络架构演进角度来看，50 km 也是合理的。

最后，为什么不是100 km，而是50 km？主要是因为50 km 具有一定的挑战性。即使是特大城市，真正核心区域直线50 km 覆盖基本就足够了，对于数量更多的大城市和中型城市而言，直线距离50 km 的范围已经足够大，因而100 km 太缺乏挑战性和未来牵引作用。为什么不是1 km，甚至是100 m，将服务器部署到基站上？原因在垂直行业的应用处在发展的前期，规模并不足以支撑如此多的计算能力，换句话说，在产业发展的前期，并没有那么多边缘计算的需求。

再来看可靠性，比如对于无人驾驶等实际物理世界的系统，系统的反应时间基本在百毫秒量级（跟人基本相当），如果通信系统能够保证在亚秒量级的十分之一内，也就是10 ms 内，以足够高的可靠性完成数据传输，就可以做到对应用层的设计基本没有影响。图2 给出了端到端网络架构。

图2 uRLLC 目标网架构

5 小结

从网络架构角度来看，降低端到端时延的最主要方法就是减少信号的传输距离、路由跳数，相应的技术方案为网关下沉以及支撑网关下沉的控制面（CP）和用户面（UP）技术，服务器端下沉也就是边缘计算。随着大流量套餐的兴起，传送网络发生短时（毫秒级别）拥塞的概率大大增加，为了保障网络时延的一定可靠性，通过切片技术把uRLLC 业务和eMBB 隔离开是必然的选择，隔离之后的uRLLC 不受eMBB 影响，并且网络的总体端口利用率较高。网络时延的可靠性主要依赖于“备份与冗余”策略实现，工程部署可以采用的方法很多，例如双基站备份、电源备份、双终端备份等。此外，双连接技术则是通过同时利用两条独立的路线传输数据，从而提高可靠性，可以保障移动条件下发生切换时网络仍然不中断，不切换时网络的可靠性得到大幅提升。