优化5G网络Ping包时延的应用研究

摘要：随着5G ToB业务的发展，其高可靠低时延应用场景对5G非独立组网的时延提出更高的要求，降低时延显得尤为重要。用户面Ping包时延作为新开基站单站验收的KPI重要指标之一，若Ping包时延达不到标准，将会降低用户满意感知度。本文首先分析了产生Ping时延过大原因，在传统上行调度的基础上，引入上行预调度、智能预调度，经测试验证用户面Ping包时延均有明顯下降。

关键词：5G；Ping包时延；传统上行调度；上行预调度；智能预调度

一、引言

5G网络的三大应用场景为：eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）、URLLC（高可靠低延时通信），随着5G 网络的不断发展，5G ToC即人们生活中的应用市场日趋饱满。高可靠低时延通信场景的5G ToB新应用不断涌现[1-3]，如自动驾驶、远程控制、医疗、虚拟现实等移动互联网领域。因此，更低时延的5G网络可以为其在这些高科技领域的应用提供更可靠的保障。比如自动驾驶系统，时延是直接的影响因素，车辆响应操作前的移动距离取决于时延，汽车平均速度为80公里/小时。若延迟为50ms的汽车，从接收到障碍物信号到打开制动系统，汽车行走距离为四米，而这四米的距离很危险，很多生命将受到威胁，这就要求网络具有更低的时延。为了使5G网络广泛地适用于ToB高可靠低延时业务，降低时延尤为重要。本文基于用户面Ping包时延，研究其时延增大的原因及优化方法。

二、Ping包时延的原理及产生高时延的原因分析

（一）Ping包时延的原理

时延的英文是 Latency，是指从进入一台设备到出这台设备，一个报文在其中所需要花费的时间[2]。5G网络中，做ping包时延测试，一般是在笔记本电脑上连接终端UE（移动台），然后在笔记本电脑上面进行Ping包测试。为了避免外网时延对测试的影响，采用Ping FTP内网服务器IP地址的方式。Ping测试需要满足三个条件：移动台要连接的基站即目标基站的小区正常建立工作；移动台能够正常注册成功并接入目标基站网络；移动台找到目标小区网络好的位置即近点，一般要求SINR（信噪比）大于20dB，对该近点的网络情况进行Ping包测试，测试的次数为100次，使用抓包软件记录应用层的往返时间（RTT）。

（二）产生Ping包高时延原因的研究分析

在新开基站单站验证测试时，需要对用户面Ping32Byte和Ping2000Byte分别进行测试，合格的标准为Ping32Byte平均时延≤15ms，Ping2000Byte平均时延≤17ms。

本文的测试数据是基于某城区对新开的5G基站进行单验测试，在该站近点位置分别使用Ping32Byte和Ping2000Byte包长向网络进行Ping包测试100次，测试时发现Ping包时延忽高忽低且不符合标准。测试如图1、图2所示。

由图可知，Ping32Byte的时延从17ms到35ms随机变化，平均时延达25.4ms，远远高于标准值15ms。Ping2000Byte的时延从28ms到147ms大幅度变化，平均时延达92.4ms，更是高于标准值17ms。下面对产生大时延原因进行分析。

在进行Ping包业务测试中，出现Ping包时延过大，最易想到的原因如下：1.查看电脑速率监控，是否有大流量业务存在的问题；2.尝试更换服务器继续测试，排除因服务器问题导致的问题；3.测试终端温度较高导致Ping时延增大；4.由于非接入层的原因，传输时延较长导致Ping包时延增大。判断方法是：从基站侧Ping 核心网或Ping FTP服务器来判断是否传输网络的原因。

排除以上因素后，Ping环回时延的空口时延也是产生Ping时延过大的原因。无线空口时延即UE和基站间的交互时延[4-6]（不包括传输和核心网时延），主要受基站无线参数设置及无线环境的影响。无线环境的好坏可以依据RSRP（功率）、SINR（信噪比）值判断，通过优化网络质量改善网络环境达到降低Ping包时延的目的。其中影响Ping包时延过长的无线参数有调度资源、SR（Scheduling Request：调度请求）传输周期和DRX（Discontinuous Reception：非连续接收）参数设置。

1. SR传输周期

当移动台高层要求发送调度请求的时候，并不是在所有的时隙中发送，而是在调度请求周期内的某一个时隙发送。网管中上下行物理信道配置表中的移动台 SR传输周期（ms）的大小会影响Ping包时延的长短，SR传输周期（ms）的大小可以在网管中进行修改。若SR周期设置为10ms，则SR发送前的平均等待时间为5ms。若SR周期配置5ms，Ping包时延的平均值减少3ms。在协议中，规定SR周期最小是5ms。将SR周期从10ms修改为5ms，将会导致5G上行控制信道（PUCCH）中SR信道支持的最大用户数减少一半，因此，这种方法适合用户数较少的场景下使用。

2. DRX（Discontinuous Reception：非连续接收）参数

开启DRX功能后，如果没有数据传输，为了节省用电，终端会进入休眠状态，会延迟上/下行数据的发送 [7-8]，进行Ping业务时，导致时延变长。如果关闭DRX参数时，终端不会进入休眠状态，这时候进行Ping测试，平均时延比开启时减少3ms～4ms。

本文重点从调度资源方面分析上行调度对用户面Ping包时延的影响。

三、优化Ping包时延的研究方法

上行调度资源模式[9]有传统上行调度、上行预调度、智能预调度，不同的调度资源流程产生不同的Ping时延。目前大部分基站采用的是传统调度模式又称作动态调度。

（一）上行调度资源的原理

1.传统上行调度

移动终端发送数据时，首先要在上行控制信道（PUCCH）信道上发送SR，基站收到UE的SR后，再给移动终端UE上行进行授权，然后移动终端UE按照基站上行授权所指定的位置发送上行数据，具体过程如图3所示。

传统的上行資源调度，移动终端UE的SR只能根据配置进行周期性发送， 根据协议，SR周期最高达80ms，如果SR周期设置80ms，终端发送上行数据需要等待80ms才能发送SR，导致上行时延大幅度增加。

2.上行预调度

为了降低上述传统上行调度的上行时延，采用上行预调度功能，基本思想是基站对终端UE进行主动的上行授权，省略了终端发送SR申请的过程，具体流程如图4所示。该功能存在的缺点是不管终端是否有上行数据发送，基站都主动给终端上行授权，导致上行资源的浪费。

3.智能预调度

为了解决上行预调度带来的问题，采用智能预调度功能。由基站的下行业务触发智能预调度功能，具体的原理为：基站给终端发送下行数据之后，考虑到终端会有回复，即考虑到移动终端会进行上行数据传输，此时基站在一定时间内持续的主动给终端进行授权，流程如图5所示。

（二）测试验证

验证仍是基于某城区新开5G基站。首先，保证该测试点的无线环境是良好的。通过QXDM测试工具抓取的Ping包测试log数据，测试结果发现，RSRP（功率）为-69.88dBm、SINR为32.31dB，现场无线环境良好。上行、下载小于0.05Mbps终端并无大流量业务进行。

优化前某站点上行类型配置为传统上行调度，采用预调度优化策略后，该站点三个小区的时延均有明显下降，Ping32Byte由25.4ms降到了12.06ms，Ping2000Byte由92.4ms降到了17.56ms，效果明显。

四、结束语

本文分析了Ping包时延增大的原因及解决策略。在网络负载比较小的场景下，可以修改SR周期来降低Ping包时延，这种方法不建议普遍使用。重点是提出了从上行调度资源方面缩短时延的优化方法，即采用预调度，明显地降低了Ping包的时延，存在的问题是当移动终端UE需要传输的资源较少时，会引起额外的资源消耗。

作者单位：张会娜    武警工程大学

参  考  文  献

[1]朱明亮，钟虎，顾秀秀，等. 5G低时延SPN切片网络研究[J].电信快报，2020（11）：30-33.

[2]覃锦玲.5G网络在to B场景下的端到端时延分析[J].中国新通信，2022（03）：42-44

[3]魏向欣.5G 网络切片承载电力系统业务的时延特性研究[D].北京：华北电力大学，2020.

[4] 张丹，王磊，王晓琦，等. 5G网络中NSA控制面和用户面时延性能分析[J]. 电信科学，2020（9）：141-147.

[5] 王琛，游伟，王晓雷，等.一种５Ｇ 网络低时延资源调度算法[J].西安交通大学学报，2018，52（4）：117-124.

[6]林何平，高志英，韩剑，等.网络时延分析及面向5G的低时延策略[J].电信工程技术与标准化，2018（09）：26-30.

[7] 张轶，侯雪颖，夏亮，等.５Ｇ系统用户面时延浅析[J].移动通信，2018：286-292.

[8] 陆威，方琰崴，陈亚权. URLLC超低时延解决方案和关键技术[J].移动通信，2020（2）：8-14.

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