張中平

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

我國(guó)5G業(yè)務(wù)牌照已經(jīng)正式發(fā)放，5G業(yè)務(wù)正在我國(guó)迅速展開應(yīng)用。5G業(yè)務(wù)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景是uRLLC業(yè)務(wù)，主要面向自動(dòng)駕駛、增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧工廠、感知網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等業(yè)務(wù)[1]。這些業(yè)務(wù)需要低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)，將隨著5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。

uRLLC業(yè)務(wù)必須在5G網(wǎng)絡(luò)才能得到應(yīng)用，因?yàn)闀r(shí)延對(duì)這類業(yè)務(wù)極為重要。例如，自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)，現(xiàn)高速公路的時(shí)速是120 km/h即33 m/s，前方幾十米遠(yuǎn)出現(xiàn)狀況，去掉制動(dòng)時(shí)間，留給車子反應(yīng)的時(shí)間很短，所以如果要支持自動(dòng)駕駛，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延必須是毫秒級(jí)。因此，5G要求網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)延RTT時(shí)延5～10 ms[2]，從而給系統(tǒng)留下足夠的反應(yīng)時(shí)間。

1 uRLLC典型業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)端到端單程時(shí)延是指數(shù)據(jù)包從離開源節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層時(shí)算起，一直到抵達(dá)并被目的節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層成功接收共經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)度，回程時(shí)延還需加上發(fā)射端正確接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延主要有4段，包括空中接口時(shí)延、承載網(wǎng)時(shí)延、核心網(wǎng)時(shí)延和應(yīng)用層時(shí)延。國(guó)內(nèi)外各大5G研究組織機(jī)構(gòu)如ITU、IMT-2020及3GPP等推進(jìn)組，均對(duì)5G提出了端到端時(shí)延要求。其中，3GPP的5G網(wǎng)絡(luò)用戶面和控制面要求uRLLC業(yè)務(wù)的UE至CU的單向時(shí)延小于500 μs，承載網(wǎng)加上無(wú)線傳輸時(shí)延最好不能大于100 μs[3]。

2 承載網(wǎng)時(shí)延

承載網(wǎng)時(shí)延實(shí)際可歸納為傳輸介質(zhì)相關(guān)時(shí)延和設(shè)備相關(guān)時(shí)延。傳輸介質(zhì)相關(guān)時(shí)延即傳播時(shí)延，設(shè)備相關(guān)時(shí)延則由處理時(shí)延、設(shè)備調(diào)度時(shí)延和傳輸時(shí)延構(gòu)成[4]。

2.1 傳輸介質(zhì)相關(guān)時(shí)延

傳播時(shí)延是指信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播所花費(fèi)的時(shí)間。傳播速度越快，時(shí)延越小。傳播距離越大，時(shí)延越大。5G承載網(wǎng)使用光傳送網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)為光纖。光纖時(shí)延與光纖長(zhǎng)度、光傳播速度相關(guān)，而光傳播速度與介質(zhì)折射率有關(guān)[4]。一般通信用單模光纖的時(shí)延為1 km×1.47/300 000 km≈5 μs/km。

2.2 設(shè)備相關(guān)時(shí)延

傳輸時(shí)延是指站點(diǎn)發(fā)送或接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀需要的時(shí)間，與數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度和傳輸速率相關(guān)[5]。處理時(shí)延是指數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)花費(fèi)的時(shí)間，包括頭部處理、差錯(cuò)校驗(yàn)和路由表查找等[6]。調(diào)度時(shí)延是指數(shù)據(jù)在設(shè)備緩沖區(qū)的等待時(shí)間。表1是目前運(yùn)營(yíng)商常用傳輸設(shè)備的時(shí)延情況。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 目前運(yùn)營(yíng)商常用傳輸設(shè)備的時(shí)延

目前，運(yùn)營(yíng)商常用的5G承載網(wǎng)包括了接入層、匯聚層和核心層[7]，如圖1所示。

T1=1 km無(wú)線傳播時(shí)延=3 μs

T5=40 km光纖時(shí)延+OTN時(shí)延×2=40×5 μs+100 μs×2=400 μs

T3=2 km光纖時(shí)延+15 km光纖時(shí)延+OTN時(shí)延×3=5 μs×2+15×5 μs+100 μs×3=385 μs

其中，光纖時(shí)延按5 μs/km計(jì)算，無(wú)線傳播時(shí)延按3 μs/km計(jì)算，OTN（帶FEC）時(shí)延按100 μs計(jì)算，可得總時(shí)延為T=T1+T3+T5=788 μs。

可見，按uRLLC業(yè)務(wù)要求，以上時(shí)延無(wú)法滿足要求，需要采取措施減少時(shí)延。

3 解決方案

根據(jù)上文可知，減少時(shí)延的方法可從以下兩個(gè)方面入手。

（1）降低光纖時(shí)延即縮短光纖長(zhǎng)度，而縮短光纖長(zhǎng)度可通過(guò)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、減少網(wǎng)絡(luò)層次達(dá)到目的[8]。一般通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)采用網(wǎng)狀網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)等以達(dá)到安全保護(hù)的目的，但同時(shí)增加了數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)的光纖長(zhǎng)度，增加了時(shí)延。一方面可以改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用一跳直達(dá)方式最大程度減少光纖長(zhǎng)度；另一方面可以通過(guò)將DU/CU設(shè)備下沉到接入層來(lái)減少光纖長(zhǎng)度，或者合并放置這些設(shè)備。

（2）降低傳輸設(shè)備時(shí)延。一方面，降低數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)的傳輸設(shè)備數(shù)量，可以減少時(shí)延；另一方面，降低傳輸設(shè)備本身的時(shí)延即處理、轉(zhuǎn)發(fā)信息及調(diào)度的時(shí)間，也可以減少時(shí)延[9]。

如圖2所示，根據(jù)以上思路采取DU/CU合設(shè)，放置在最接近UE的綜合接入機(jī)房，并設(shè)置MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）設(shè)備，也下沉至綜合接入機(jī)房；接入層采用光纖+OTN/WDM，同時(shí)傳輸設(shè)備一跳直達(dá)，充分減少光纖長(zhǎng)度，減少傳輸設(shè)備的數(shù)量。

T3=2 km光纖時(shí)延+10 km光纖時(shí)延+OTN時(shí)延×2=5 μs×2+10×5 μs+100 μs×2=260 μs

總時(shí)延T=T1+T3=263 μs

可見，只是減少光纖長(zhǎng)度和傳輸設(shè)備數(shù)量仍然無(wú)法達(dá)到要求，必須降低傳輸設(shè)備本身的時(shí)延。

（1）采用光纖直連方式取消傳輸設(shè)備，總時(shí)延可以降到60 μs，但光纖消耗太大；

圖2 改進(jìn)的網(wǎng)路架構(gòu)

（2）采用彩光接口，OTN關(guān)閉FEC功能，OTN設(shè)備時(shí)延可以降低到10 μs，總時(shí)延降為83 μs；

（3）采用速率更高如100G的OTN傳輸設(shè)備，時(shí)延可以降低到小于10 μs，總時(shí)延降為83 μs以下；

（4）采用其他更為新型的傳輸設(shè)備。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上分析和計(jì)算，直接使用現(xiàn)有承載網(wǎng)無(wú)法承載uRLLC低時(shí)延業(yè)務(wù)，但可以通過(guò)縮短網(wǎng)絡(luò)光纜長(zhǎng)度、降低傳輸設(shè)備本身的時(shí)延直至采用光纖直驅(qū)接入等承載方式，對(duì)現(xiàn)有承載網(wǎng)進(jìn)行多種方式改造，將承載網(wǎng)時(shí)延降低到100 μs以下，從而保證uRLLC業(yè)務(wù)用戶面單向時(shí)延不大于500 μs。