摘要：低時(shí)延是5G網(wǎng)絡(luò)最為重要的特性之一，只有實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延，5G網(wǎng)絡(luò)在的應(yīng)用才能更加廣泛和深入。該文分別從無(wú)線空口時(shí)延、核心網(wǎng)時(shí)延、5G網(wǎng)絡(luò)終端處理時(shí)延三個(gè)方面，闡述了降低時(shí)延的方法，最后對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延的降低給出了網(wǎng)絡(luò)配置建議，希望在時(shí)延降低方面為5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：5G；端到端；時(shí)延

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.034

中圖分類號(hào)：TN 919.8；TN 929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-00-03

A Brief Discussion on Methods to Reduce End to End Latency in 5G

DENG Hongyang

（Yitong Century Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract： Low latency is one of the most important features of 5G， and only by achieving ultra-low latency can 5G applications be more widespread and in-depth. This article elaborates on methods to reduce latency from three aspects： wireless air interface latency， core network latency， and 5G terminal processing latency. Finally， network configuration recommendations are provided to reduce end-to-end latency in 5G， hoping to provide some reference for the development of 5G applications in terms of latency reduction.

Keywords： 5G; end to end; time delay

5G網(wǎng)絡(luò)憑借著超低時(shí)延、超高速率和超大連接的特性，迅速應(yīng)用于千行百業(yè)。智能交通、工業(yè)控制等時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)延有著苛刻的要求。低時(shí)延是5G網(wǎng)絡(luò)最為重要的特性之一，在理想情況下，5G的端到端時(shí)延可達(dá)到5 ms以下，只有4G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延的十分之一。

5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延指的是數(shù)據(jù)包從5G網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)射節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層發(fā)出到5G網(wǎng)絡(luò)終端接收節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層成功收到所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)度總和。根據(jù)通信方向不同，5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延有單向和雙向之分。單向時(shí)延指發(fā)射節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)延，雙向時(shí)延指發(fā)射節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)延再加上接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)答數(shù)據(jù)包被發(fā)射節(jié)點(diǎn)正確接收的時(shí)延。本文討論的端到端時(shí)延為單向時(shí)延[1]。

5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延主要由三部分組成，分別為無(wú)線空口時(shí)延、核心網(wǎng)時(shí)延和終端處理時(shí)延。它們之間的關(guān)系為5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延=無(wú)線空口時(shí)延+核心網(wǎng)時(shí)延+終端處理時(shí)延。因此，降低5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延，可從這三方面著手。

1 降低5G無(wú)線空口時(shí)延的方法

5G無(wú)線空口時(shí)延，是指5G終端（UE）與5G基站（gNodeB）之間的無(wú)線空口傳輸時(shí)延，主要受5G終端與基站之間的距離、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置等因素的影響。5G終端與基站之間的距離越短，無(wú)線空口傳輸所需要的時(shí)間越來(lái)越短。5G終端與基站之間的距離屬于隨機(jī)不可控因素，因此，降低無(wú)線空口時(shí)延主要是通過(guò)參數(shù)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

降低5G無(wú)線空口時(shí)延主要有關(guān)閉不連續(xù)接收（DRX）功能、調(diào)整調(diào)度（SR）周期、根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行差異化預(yù)調(diào)度、打開超低誤塊率（BLER）鏈路自適應(yīng)功能、PDCP不按序遞交、RB資源預(yù)留等方法。

1.1 關(guān)閉DRX功能

5G終端為了節(jié)約能耗，可以開啟不連續(xù)接收（DRX）功能。通過(guò)配置不連續(xù)接收（DRX）周期，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸給5G終端的時(shí)候，5G終端可以暫時(shí)停止接收PDCCH，以此來(lái)降低功耗，從而提升5G終端電池的續(xù)航時(shí)間。不連續(xù)接收（DRX）的周期設(shè)置越長(zhǎng)，5G終端功耗降低越明顯。但通過(guò)不連續(xù)接收（DRX）來(lái)降低功耗的方法，需要以增加無(wú)線空口時(shí)延為代價(jià)。開啟不連續(xù)接收（DRX）功能的時(shí)延約為關(guān)閉不連續(xù)接收（DRX）功能的2倍。

1.2 調(diào)整SR周期

通常情況下，當(dāng)5G終端有上行數(shù)據(jù)需要上發(fā)時(shí)，會(huì)通過(guò)上行調(diào)度請(qǐng)求消息（SR）通知5G基站準(zhǔn)備上行資源，終端則在相應(yīng)的時(shí)間發(fā)送上行數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，SR周期建議配置為20 ms。在對(duì)時(shí)延有苛刻要求的場(chǎng)景中，同時(shí)在配置7D2U的5 ms幀結(jié)構(gòu)情況下，SR周期可以從20 ms調(diào)整為5 ms，通過(guò)縮短SR調(diào)度周期，無(wú)線空口時(shí)延可以降低45%左右。需要注意的是，SR周期設(shè)置得越小，終端發(fā)送上行數(shù)據(jù)的時(shí)延也就越小，但與此同時(shí)，消耗的無(wú)線資源也越多，因此，需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求靈活配置合適的SR周期。

1.3 差異化預(yù)調(diào)度

針對(duì)不同的業(yè)務(wù)，靈活配置不同的預(yù)調(diào)度能力。例如，針對(duì)5G垂直行業(yè)用戶，進(jìn)行單獨(dú)配置預(yù)調(diào)度功能，避免出現(xiàn)同小區(qū)下5G垂直行業(yè)用戶和普通個(gè)人用戶同時(shí)預(yù)調(diào)度而導(dǎo)致感知同時(shí)劣化的現(xiàn)象。通過(guò)靈活預(yù)調(diào)試功能，可以有效縮短調(diào)度等待時(shí)長(zhǎng)，從而降低時(shí)延。

1.4 BLER鏈路自適應(yīng)

由于受信號(hào)衰落、路徑損耗和干擾等因素的影響，空口的無(wú)線信道是時(shí)刻變化的，這就要求傳輸參數(shù)也要隨著調(diào)整，在效率和質(zhì)量之間達(dá)到一種平衡?；灸芨鶕?jù)鏈路自適應(yīng)算法來(lái)選擇調(diào)制與編碼策略（MCS），鏈路自適應(yīng)算法有很多種，最常用的一種方法是BLER鏈路自適應(yīng)。

高階調(diào)制與編碼對(duì)信道的傳輸質(zhì)量要求較為苛刻，在信道質(zhì)量不佳的環(huán)境下采用高階調(diào)制編碼會(huì)出現(xiàn)重傳率較高的問(wèn)題，增大傳輸時(shí)延。采用超低BLER鏈路自適應(yīng)技術(shù)，主要通過(guò)限制BLER目標(biāo)值，采用相對(duì)保守的MCS調(diào)度策略。適當(dāng)降低BLER目標(biāo)值可以有效降低重傳率，從而達(dá)到降低時(shí)延的目的。

1.5 PDCP不按序遞交

在非空閑態(tài)下，為了減少RRC連接建立的次數(shù)和RRC釋放的次數(shù)，5G終端需要在控制面周期性地向網(wǎng)絡(luò)側(cè)上發(fā)“心跳包”，以保持“在線”狀態(tài)。在PDCP層的數(shù)據(jù)包處理中，有按序遞交和不按序遞交兩種方式。所謂按序遞交，是指數(shù)據(jù)包在到達(dá)接收端時(shí)如果中間有數(shù)據(jù)包丟失，后面的數(shù)據(jù)包將會(huì)一直等待，直到丟失的數(shù)據(jù)包重發(fā)并成功收到才會(huì)繼續(xù)按順序發(fā)送后面的數(shù)據(jù)。

不按序遞交則是指，如果中間有某個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，后面的數(shù)據(jù)包將會(huì)繼續(xù)遞交，不必按照發(fā)送端的數(shù)據(jù)包順序進(jìn)行遞交。PDCP層在不按序遞交的工作機(jī)制下，可以有效避免“心跳包”連續(xù)超時(shí)的現(xiàn)象，大大提高了控制類業(yè)務(wù)“心跳包”的發(fā)送成功率，縮短了控制面時(shí)延。

1.6 RB資源預(yù)留

對(duì)于普通RB資源調(diào)度來(lái)說(shuō)，5G終端要在發(fā)送上行信息時(shí)，首先要發(fā)送SR調(diào)度請(qǐng)求，5G基站側(cè)根據(jù)SR調(diào)度請(qǐng)求分配RB資源。對(duì)于可靠性要求高的業(yè)務(wù)，如TCP業(yè)務(wù)，基站在向手機(jī)終端下發(fā)數(shù)據(jù)后，會(huì)及時(shí)根據(jù)終端的反饋消息，決定下一步是發(fā)送新數(shù)據(jù)包還是重傳一次，在這種情況下，可以開啟上行預(yù)調(diào)度功能以降低時(shí)延[2]。

所謂上行預(yù)調(diào)度，即是5G終端在下行調(diào)度時(shí)就觸發(fā)了上行預(yù)調(diào)度機(jī)制，5G基站側(cè)預(yù)先給5G終端分配資源，這樣就減少了控制面信令交互的環(huán)節(jié)，降低了無(wú)線空口時(shí)延。實(shí)際操作中，可以開啟本小區(qū)的資源預(yù)留以及相鄰小區(qū)的資源免調(diào)度功能，這樣可以降低本小區(qū)與鄰區(qū)的相互干擾，提升信號(hào)質(zhì)量，進(jìn)而避免因?yàn)閿?shù)據(jù)重傳而導(dǎo)致的時(shí)延增加問(wèn)題，有效地降低無(wú)線空口時(shí)延。

表1為各頻段在不同幀結(jié)構(gòu)配置下，關(guān)閉和開啟預(yù)調(diào)度時(shí)所測(cè)得的系統(tǒng)用zU8Sk3qYHGwLMkOVQdTwXQ==戶面平均時(shí)延。

以2.6 GHz頻段、5 ms幀結(jié)構(gòu)配置為例，在非預(yù)調(diào)度的情況下，系統(tǒng)用戶面的平均時(shí)延為11.3 ms左右；在開啟預(yù)調(diào)度功能后，系統(tǒng)用戶面平均時(shí)延可縮短至6.1 ms左右。

4.9 GHz頻段可支持多種幀結(jié)構(gòu)，在關(guān)閉預(yù)調(diào)度功能的情況下，系統(tǒng)用戶面平均時(shí)延為6～7.7 ms；開啟預(yù)調(diào)度功能后，系統(tǒng)用戶面平均時(shí)延可縮短至4.2～4.8 ms。

700 MHz頻段目前采用5 ms的幀結(jié)構(gòu)，在關(guān)閉預(yù)調(diào)度的情況下，系統(tǒng)用戶面平均時(shí)延為3.6 ms左右；在開啟預(yù)調(diào)度功能后，系統(tǒng)用戶面平均時(shí)延均值可縮短至1.6 ms左右。

2 降低5G核心網(wǎng)時(shí)延的方法

降低5G核心網(wǎng)時(shí)延的方法有部署SA、部署下沉UPF和邊緣計(jì)算MEC。

2.1 部署SA

在NSA（非獨(dú)立）組網(wǎng)中，5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)在接入網(wǎng)進(jìn)行互連互通，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。首先，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)令跳轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)變多，時(shí)延增加。例如，對(duì)于控制面來(lái)說(shuō)，在NSA非獨(dú)立組網(wǎng)下，5GNR錨定于4G網(wǎng)絡(luò)的控制面，因此，5GNR控制面的時(shí)延與4G網(wǎng)絡(luò)控制面時(shí)延基本一樣。對(duì)于用戶面來(lái)說(shuō)，5GNR與4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行聚合，5GNR用戶面的時(shí)延會(huì)直接受限于4G網(wǎng)絡(luò)用戶面時(shí)延。

其次，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還會(huì)增加切換時(shí)延。在NSA非獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)下，由于5G NR錨定于4G網(wǎng)絡(luò)控制面，如果LTE錨定改變，5GNR之間的切換需要多個(gè)復(fù)雜步驟才能完成，所需要的切換時(shí)間也較長(zhǎng)。另外，由于非獨(dú)立組網(wǎng)需要把控制面信令承載在4G基站上，所以，5GNR時(shí)隙還需要和4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙保持同步，也不利于時(shí)延的降低。因此，在NSA非獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)下，5GNR的接入時(shí)延與4G網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)延相當(dāng)，5GNR端到端時(shí)延相對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延，也只是略有降低，差別并不明顯。

而在SA獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)下，5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單和扁平化，5GNR時(shí)隙也不再受4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的限制，因此，部署SA獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)，可以明顯降低核心網(wǎng)的接入時(shí)延和端到端時(shí)延。

2.2 部署下沉UPF和MEC

UPF（User Plane Function，用戶面功能）是5G核心網(wǎng)中最為關(guān)鍵的網(wǎng)元之一，它是連接5G核心網(wǎng)和邊緣計(jì)算MEC的紐帶，可以提供數(shù)據(jù)分流、流量統(tǒng)計(jì)等諸多功能。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，控制面和用戶面實(shí)現(xiàn)了分離，使提供用戶面服務(wù)的UPF可以從核心網(wǎng)剝離出來(lái)，部署到離用戶更近的基站邊緣，使其更加靠近用戶終端，實(shí)現(xiàn)用戶面時(shí)延的降低。將UPF下沉到基站，不但有利于數(shù)據(jù)的本地化處理，傳輸網(wǎng)時(shí)延還可以從5 ms縮短至

1 ms，可以滿足更多對(duì)時(shí)延有苛刻要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

MEC（Mobile Edge Computing）移動(dòng)邊緣計(jì)算，或稱之為多接入邊緣計(jì)算（Muti-access Edge Computing），其工作原理是將核心網(wǎng)云服務(wù)器的功能下放到網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)器，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣（而非核心網(wǎng)）進(jìn)行計(jì)算操作，以減少上游傳輸網(wǎng)的帶寬需求和時(shí)延。

MEC的下沉部署，可以同時(shí)滿足快速訪問(wèn)的低時(shí)延需求和數(shù)據(jù)安全需求，其部署非常靈活，可以部署在數(shù)據(jù)中心、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳輸節(jié)點(diǎn)和基站。目前來(lái)說(shuō)，MEC與UPF一起下沉到基站的部署模式，可以最大限度地降低傳輸時(shí)延。

3 降低5G終端處理時(shí)延的方法

5G終端的處理時(shí)延，與5G終端支持的頻段、網(wǎng)絡(luò)類型（FDD、TDD）、硬件配置（如系統(tǒng)處理內(nèi)存、處理芯片等）和整體終端性能有關(guān)。要降低5G終端處理時(shí)延，需要終端支持超短幀，同時(shí)，配置足夠的系統(tǒng)處理內(nèi)存和高性能處理芯片，提升5G終端的整理性能，可明顯加快5G終端的反應(yīng)速度，降低5G終端的處理時(shí)延。

4 降低5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延的配置建議

5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延=5G終端處理時(shí)延+5G無(wú)線空口時(shí)延+5G核心網(wǎng)時(shí)延。其中，5G終端處理時(shí)延主要取決于行業(yè)終端的發(fā)展?；谝陨蠠o(wú)線空口和核心網(wǎng)的時(shí)延降低方法，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延級(jí)別的要求，給出5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延降低的配置建議表，如表2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

超低時(shí)延是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能之一，只有實(shí)現(xiàn)了超低時(shí)延，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用才能更加廣泛和深入。文章分別從無(wú)線空口時(shí)延、核心網(wǎng)時(shí)延、終端處理時(shí)延三個(gè)方面，闡述了降低時(shí)延的方法，最后梳理出了降低5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)配置建議，希望能在時(shí)延降低方面為5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 覃錦玲．5G網(wǎng)絡(luò)在toB場(chǎng)景下的端到端時(shí)延分析[J]．中國(guó)新通信，2022，24（3）：42-44．

[2] 倪春亞．面向5G的端到端網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．電子世界，2019（23）：165-166．