5G承载网部署满足uRLLC业务时延要求的研究

张中平

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

我国5G业务牌照已经正式发放，5G业务正在我国迅速展开应用。5G业务的一个重要应用场景是uRLLC业务，主要面向自动驾驶、增强/虚拟现实、智慧工厂、感知网络以及人工智能等业务[1]。这些业务需要低时延、高可靠的网络，将随着5G网络发展得到迅速发展和应用。

uRLLC业务必须在5G网络才能得到应用，因为时延对这类业务极为重要。例如，自动驾驶业务，现高速公路的时速是120 km/h即33 m/s，前方几十米远出现状况，去掉制动时间，留给车子反应的时间很短，所以如果要支持自动驾驶，网络的时延必须是毫秒级。因此，5G要求网络往返时延RTT时延5～10 ms[2]，从而给系统留下足够的反应时间。

1 uRLLC典型业务网络时延

网络端到端单程时延是指数据包从离开源节点的应用层时算起，一直到抵达并被目的节点的应用层成功接收共经历的时间长度，回程时延还需加上发射端正确接收到应答数据包所需要的时延。网络端到端时延主要有4段，包括空中接口时延、承载网时延、核心网时延和应用层时延。国内外各大5G研究组织机构如ITU、IMT-2020及3GPP等推进组，均对5G提出了端到端时延要求。其中，3GPP的5G网络用户面和控制面要求uRLLC业务的UE至CU的单向时延小于500 μs，承载网加上无线传输时延最好不能大于100 μs[3]。

2 承载网时延

承载网时延实际可归纳为传输介质相关时延和设备相关时延。传输介质相关时延即传播时延，设备相关时延则由处理时延、设备调度时延和传输时延构成[4]。

2.1 传输介质相关时延

传播时延是指信号在传输介质中传播所花费的时间。传播速度越快，时延越小。传播距离越大，时延越大。5G承载网使用光传送网络，传输介质为光纤。光纤时延与光纤长度、光传播速度相关，而光传播速度与介质折射率有关[4]。一般通信用单模光纤的时延为1 km×1.47/300 000 km≈5 μs/km。

2.2 设备相关时延

传输时延是指站点发送或接收一个数据帧需要的时间，与数据帧长度和传输速率相关[5]。处理时延是指数据转发花费的时间，包括头部处理、差错校验和路由表查找等[6]。调度时延是指数据在设备缓冲区的等待时间。表1是目前运营商常用传输设备的时延情况。

图1 网络架构

表1 目前运营商常用传输设备的时延

目前，运营商常用的5G承载网包括了接入层、汇聚层和核心层[7]，如图1所示。

T1=1 km无线传播时延=3 μs

T5=40 km光纤时延+OTN时延×2=40×5 μs+100 μs×2=400 μs

T3=2 km光纤时延+15 km光纤时延+OTN时延×3=5 μs×2+15×5 μs+100 μs×3=385 μs

其中，光纤时延按5 μs/km计算，无线传播时延按3 μs/km计算，OTN（带FEC）时延按100 μs计算，可得总时延为T=T1+T3+T5=788 μs。

可见，按uRLLC业务要求，以上时延无法满足要求，需要采取措施减少时延。

3 解决方案

根据上文可知，减少时延的方法可从以下两个方面入手。

（1）降低光纤时延即缩短光纤长度，而缩短光纤长度可通过调整网络架构、减少网络层次达到目的[8]。一般通信网络会采用网状网和环形网等以达到安全保护的目的，但同时增加了数据经过的光纤长度，增加了时延。一方面可以改变网络架构，采用一跳直达方式最大程度减少光纤长度；另一方面可以通过将DU/CU设备下沉到接入层来减少光纤长度，或者合并放置这些设备。

（2）降低传输设备时延。一方面，降低数据经过的传输设备数量，可以减少时延；另一方面，降低传输设备本身的时延即处理、转发信息及调度的时间，也可以减少时延[9]。

如图2所示，根据以上思路采取DU/CU合设，放置在最接近UE的综合接入机房，并设置MEC（移动边缘计算）设备，也下沉至综合接入机房；接入层采用光纤+OTN/WDM，同时传输设备一跳直达，充分减少光纤长度，减少传输设备的数量。

T3=2 km光纤时延+10 km光纤时延+OTN时延×2=5 μs×2+10×5 μs+100 μs×2=260 μs

总时延T=T1+T3=263 μs

可见，只是减少光纤长度和传输设备数量仍然无法达到要求，必须降低传输设备本身的时延。

（1）采用光纤直连方式取消传输设备，总时延可以降到60 μs，但光纤消耗太大；

图2 改进的网路架构

（2）采用彩光接口，OTN关闭FEC功能，OTN设备时延可以降低到10 μs，总时延降为83 μs；

（3）采用速率更高如100G的OTN传输设备，时延可以降低到小于10 μs，总时延降为83 μs以下；

（4）采用其他更为新型的传输设备。

4 结 论

根据以上分析和计算，直接使用现有承载网无法承载uRLLC低时延业务，但可以通过缩短网络光缆长度、降低传输设备本身的时延直至采用光纤直驱接入等承载方式，对现有承载网进行多种方式改造，将承载网时延降低到100 μs以下，从而保证uRLLC业务用户面单向时延不大于500 μs。