5G SA 共享网络时延优化策略*

欧阳恩山，方云根，田经化

（中国联通湖南省分公司，湖南 长沙 410014）

0 引言

中国电信与中国联通共同建设了一张全球规模最大的5G 独立组网（Stand Alone，SA）共享网络，实现了“一张物理网、两张逻辑网”的共享模式，为双方5G 业务发展提供了强有力的网络保障。5G SA 网络具有高速率、低时延、大连接的特点[1]，可广泛应用于VR/AR、远程医疗、无人驾驶、工业控制等场景，赋能产业转型升级。特别是5G R16 版本，更是增强了对低时延高可靠通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）业务场景的支持能力，用户面可达到10 ms 的端到端时延、1 ms 的空口时延，可靠性高达99.999%。

但在网络的实际运营过程中，固定网络段的传输路由问题、无线信号的覆盖质量引起的丢包重传、共享网络的参数配置等，都会大幅增加用户端到端的时延，进而影响到网络性能和对时延敏感业务的感知。

本文针对5G SA 网络共享方用户的使用感知问题，深入分析影响用户端到端时延的主要原因，提出一种端到端时延问题定位的方法；通过研究降低5G 无线空口调度时延、传输时延等关键技术[2]，针对固定网络段提出网络结构优化策略和路由优化算法；针对无线网络部分，研究提出一种无线网络参数优化策略，减少丢包降低时延。经实际运行验证，本文所提策略取得了明显改善效果，大幅提升了共享方用户在5G SA 网络下的业务感知。

1 5G 网络端到端时延影响因素分析

5G 应用对业务面数据包的传输时延有较高要求，只有达到一定基准值才不会影响业务感知，如网站页面访问、视频直播、点播、游戏等业务均对时延敏感，因此在衡量网络端到端体验指标时，需要对这些业务都进行时延测评[3]。

端到端时延包含无线空口（用户设备UE 与基站间）、固定传输段（基站至用户面功能（User Plane Function，UPF））间的信号传输时延，需关联无线小区、核心网、承载网监控常用关键指标（Key Performance Indicators，KPI），建立时延影响因子库。可以通过建立如图1 所示的基于用户感知的端到端时延监控模型，快速定位问题。

图1 基于感知的端到端时延监控模型

本文面向用户感知，以打造低时延高可靠SA网络为出发点，剖析优化5G 无线空口调度时延、传输时延、固定网络端口传输时延及设备处理时延等关键技术，深入开展分段研究与问题定位。

1.1 光纤传输距离时延

光信号在光纤中传输所耗费的时间为传播时延。传播距离影响传播时延，传输介质也影响传播时延。通常单位长度光缆的时延约为5 μs/km，传输距离越长，时延越大。

1.2 设备转发时延

设备转发时延包括业务发送时延、处理时延及排队时延，在网络未发生拥塞时，设备转发时延主要和经过的设备跳数有关。这里重点探讨波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和光传送网（Optical Transport Network，OTN）设备的时延[4]。WDM 和OTN 设备主要由电路板OTU、合分波单元、光放大单元组成，设备部分的时延一般在100～400 μs，收、发两端加起来，时延一般小于1 ms。一般来说，短距离（如＜100 km）情况下设备的时延影响占比较大，长距离时（如＞500 km），光纤时延影响较大，传输设备的时延可以忽略。

1.3 无线空口传输时延

无线空口侧时延主要受传输间隔、资源调度、混合重传、终端和基站处理时延等因素影响。在第三代移动通信伙伴项目（the 3rd Generation Partner Project，3GPP）定义的5G NR 协议中，引入了基于时隙的调度方法、上行优先级处理方法、更加灵活的传输定时方案等[5]。影响无线空口的时延因子有ping 包调度方式模式、上行预调度、预调度次数、上行误块率（Block Error Rate，BLER）、下行BLER 等。

2 端到端时延定位方法

由于5G 共享网络组网复杂，因此面临端到端时延定位的问题。针对电信SA 共享基站至联通UPF 网络访问路径上所有节点路由，研究基于路由追踪（tracer）的时延跟踪方法，总结排查影响时延的各个因素并提出解决方案，实现无线网、承载网、核心网时延变化的根因定位。同步实施网络结构优化、路由策略优化、无线网络参数优化[6]，降低各段时延，提升5G 用户感知。

本文采取ping 测试分段隔离“透视”跟踪每一跳网元路段时延，为时延问题定位提供了关键性方法，建立了端到端时延问题“三维四步法”诊断手段与优化策略，如图2 所示。

图2 端到端时延优化“三维四步法”

将SA 网络时延路由分为两段，即无线空口段（UE 与基站间）、固定网络段（基站至UPF），通过T1、T2 时间戳解析空口时延、固定段时延，见图3。

图3 端口跟踪（T1—T2）基站空口以上时延回环

基于tracer 测试跟踪，进一步解析出基站至UPF 的各段路由时延，实现分段定位，如图4。

图4 基于tracer 跟踪时延分段隔离

将联通地市承载网N3 接口地址添加至电信地市边缘路由器（Edge Router，ER），打通电信SA共享基站至联通UPF 网络访问路径上所有节点路由，实现利用ping 测试每一跳网元路段时延。测试的时延包括：

（1）共享基站空口时延；

（2）基站端至电信城域网ER 时延；

（3）电信城域网ER 至地市联通智能城域网核心路由器（Metro Core Router，MCR）时延；

（4）地市联通城域网MCR 至省会汇聚路由器（Multipul Custom Edge，MCE）时延；

（5）省会MCE 至省会MCR 时延；

（6）省会MCR 至省会核心网底层交换机（End of Row，EOR）时延；

（7）省会EOR 交换机至省会UPF 时延；

（8）省会UPF 至文件访问服务器（File Transport Protol Server，FTP）时延。

3 网络结构优化

3.1 优化网络拓扑，MCR 直连简化路由降低时延

承载网总时延=光纤时延+设备转发时延，其中，设备转发时延每跳为40～50 μs[7]，光纤时延为5 μs/km。经对比测算，光纤距离是增加时延的主要原因。通过优化网络拓扑结构，将地市智能城域网MCR 通过波分直连省会长沙MCR，可缩短两跳路由节点转发时延和两段光纤链路时延，减少1～2 ms 时延。地市至省会MCR 路由直连改造如图5、图6 所示，经测试统计对比，可有效降低时延。

图5 地市MCR 直连改造前

以衡阳为例，时延对比结果如表1 所示，采取MCR 直连后，基站ping 至省会UPF 的大小包时延平均缩短了1 ms 左右。目前，湖南联通已完成了13 个共享区地市直连改造。

表1 地市MCR 直连前后ping 时延对比结果

3.2 优化环网结构，减少传输路径和时延

地市到省中心的链路，由省干OTN 系统承载，省干OTN 的环网结构决定了信号在光纤传输所耗费的时延。

如图7 所示，湘潭至省中心的两条链路分别为湘潭—阅读中心局点（短径，由湘潭直达长沙）、湘潭—河西局点（长径，经过衡阳、郴州、株洲最后到达长沙）。其短径、长径的时延分别为0.5 ms和4.0 ms。经过环网结构优化，在湘潭至株洲新增了一个直达路由，其长度仅为100 km，时延为0.5 ms。优化后湘潭至河西局点的长径，以及株洲至阅读中心局点的短径经新路由开通业务，可减少587 km 的光缆长度，减少了3 ms 时延。

图7 湘潭、株洲环路优化

通过对长沙和株洲进行环路改造，传输距离分别从779 km 下降到92 km 左右，传输时延下降约3 ms。环网改造前后时延对比详见表2。

表2 环网改造前后时延对比

4 基于负荷的短径优先路由算法

分段测试过程中，发现本地网基站至同一UPF的时延波动差异大，最终确定是受路由中波分环路长、短径影响。以衡阳为例，长、短径时延差异约4 ms，如图8 所示。

图8 波分长短径影响

因为网络协议（Internet Protocol，IP）默认转发策略为动态负载均衡随机算法，地市SA 流量长短径负载流量各占50%，导致不同基站随机选择长径或短径，时延差异大。基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）[8]，本文创新提出基于流量负荷的最短路由优化算法：

按照上述算法，通过分析传输网络性能参数，可实现基于负荷的路由最短路径性能优化，具体实现过程如下：

（1）SDN 控制器获取网络拓扑信息及网络状态信息。网络接收用户接入请求信息，将其发送至控制器，控制器判断业务类型，并获取网络拓扑信息。

（2）控制器计算确定业务起止网络节点之间所有可选路由。根据获取的网络拓扑信息和网络状态信息，计算出业务起止网络节点之间所有可选路由。

（3）基于业务特性确定最佳路由。充分评估当前承载网核心出口为轻载，在不更改线路资源情况下，自动监控网络负荷，并采用本文提出的算法策略，当链路负荷低于50%时，路由选择最短路径；当链路负荷高于50%时，根据业务特性，将非时延敏感业务分流至长径波分，实现业务分流。

（4）业务快速重路由。在线路故障时通过承载网网络协议（Internet Protocol，IP）的快速重路由（Fast Reroute，FRR）保护技术，业务毫秒级切换到长径备份链路，对用户实现无感知切换。

基于上述算法，针对衡阳智能城域网MCR 和长沙智能城域网MCR，配置外部边界路由协议（External Border Gateway Protocol，EBGP）本地优先级（local-preference）属性，并修改转发策略为主备模式，经测试验证，衡阳ping 时延减少了4 ms。

5 无线网络参数优化策略

5.1 上行智能预调度算法

如图9 所示，传统的上行调度，需要等待终端发送调度请求（Scheduling Request，SR）[10]，并获得授权后才能进行调度。普通上行预调度，虽减少了SR 环节，但在终端没有上行数据发送时，会造成上行资源的浪费，并引发上行干扰。

图9 3 种调度方式对比

本文引入智能预调度方法，该功能由下行业务触发，一旦基站给终端发送下行数据之后，考虑到终端有相应回复，会有上行数传，此时基站将在一定时间内持续主动给终端上行授权，实现数据即到即传，从而有效降低业务等待时延。

本文针对不同厂家智能预调度机制，总结出时延优化参数集，包括上行聪慧预调度次数、上行聪慧预调度间隔、上行聪慧预调度延迟触发时间、上行聪慧预调度的缓冲区状态报告（Buffer Status Reporting，BSR）计算门限等，详见表3。

表3 预调度时延参数集

修改预调度参数前后时延对比如图10 所示。开启智能预调度后，ping 循环时间（PingLoop Time）从18 ms 下降到12 ms，平均改善了6 ms，时延优化效果明显。

图10 修改预调度参数前后时延对比

5.2 无线网络覆盖差异化下的时延影响因子

由于无线环境比较复杂，UE 终端接收基站信号强度偏弱、信噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）较差、干扰等因素均可导致UE的传输速率达不到低时延业务的传输速率要求，从而出现大量通信误码，引发检错、重传等，会导致无线空口时延大幅增加。

5G 网络基于时分双工（Time Division Duplexing，TDD）下行时延处理的关键是混合自动重传（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）响应和重传机制[11]。此外，无线网络覆盖及信号质量，都将不同程度影响到业务数据的传送质量。在控制面表现为，在NR 基于竞争的随机接入（即PRACH 接入）过程中，手机终端发送Msg1 到RRCSetupComplete 之间的时延大幅增加。

在UE 的PRACH 接入过程（从发送Msg1 到RRCSetupComplete 期间），若发生Msg2 或Msg4 失败，则会触发Msg1 重传。Msg1 的最大重传次数由参数preambleTransMax 定义，重传时间由raResponseWindow定义。每次重传功率以powerRampingSte 功率攀升步长增长，直到UE 达到最大发射功率或最大重传次数，在此期间会导致空口时延的增加。

在用户面时延主要是通过Ping 包来测试，通常情况下Ping 小包为32 Byte，中包为1 500 Byte，大包为2 000 Byte。Ping 包周期通常为1 s，Ping 不通时会间隔3 s 再次进行Ping 包。统计空闲态UE 对FTP 服务器发起Ping 业务，终端发出第一条RACH preamble 至终端发出RRC Connection Reconfiguration Complete 的时间差形成延时。Ping 包过程如图11所示。

图11 Ping 包过程

本文分别选取了无线基站覆盖好点、差点、极差点，开展大量时延测试。统计结果显示，当无线网络参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）小于-105 dBm 时，随着信号质量的变差，丢包率上升，因此需大量重传数据包，经测算每重传一次增加6 ms 时延。在RSRP 持续下降至-130 dBm 期间，ping 时延采样点严重劣化，部分采样点时延甚至达到100 ms 左右。如图12 所示，对不同强度无线信号下开展大量ping 测试结果进行统计，结果表明，RSRP 信号强度越低，时延越大。

图12 网络覆盖差异化下的空口时延采样对比

测试结论：当RSRP 小于-105 dBm 时，ping平均时延将大幅增加。因此，在预调度参数一致的情况下，良好的无线网络覆盖及信号质量，可有效降低空口时延。

6 效果验证

6.1 共享区时延优化成效显著

将本文研究成果应用于现有网络，经大量测试，结果如表4 所示，共享区联通5G SA 时延由优化前的20.48～24.41 ms，降低至13.68～14.02 ms，平均时延缩短了9～10 ms，与承建区电信用户的时延基本一致，实现了双方用户时延敏感类业务体验一致。

表4 共享区SA 时延优化前后对比

6.2 5G 网络核心业务感知明显改善

将本文策略应用于湖南联通网络，发现5G 用户视频、游戏类核心业务体验良好，视频卡顿率从1.58%降低至0.93%；游戏卡顿率从0.54%降低至0.29%；移动网络工信部满意度测评，由2021 年的82.28分稳步提升至2022 年的91.09 分。

7 结语

针对共享区域5G 业务端到端时延过大、电联时延感知不一致等问题，本文深入分析了影响时延的关键因素，研究了降低电联5G SA 共享网络端到端时延的关键技术，以及基于无线网、承载网、核心网的端到端时延优化策略，提出了网络结构优化方案、短径优先路由调度算法、无线空口参数优化方案。现网部署后取得了良好的改善效果，对提升共建共享5G 网络品质，有较高的参考价值。