【摘要】? ? 5G網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)滿足eMBB（超大帶寬），uRLLC（超高可靠性，超低時(shí)延）和mMTC（超大連接）業(yè)務(wù)的需求。本文所講述的，正是5G網(wǎng)絡(luò)的超低時(shí)延對(duì)于toB端帶來的巨大改變。toB端作為5G網(wǎng)絡(luò)最終價(jià)值承載的歸宿，從這一方面來說，當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延還需進(jìn)一步降低。本文將通過幀結(jié)構(gòu)、極化碼等方向來對(duì)進(jìn)一步降低5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的研究方向進(jìn)行舉例說明。

【關(guān)鍵詞】? ? 低時(shí)延? ? toB端? ? 應(yīng)用方式? ? 幀結(jié)構(gòu)

一、研究背景

現(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)的速度越來越快，許多人對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知就是5G比4G更快而已。

然而，并非僅僅如此。現(xiàn)如今的4G網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)速度的傳輸速率上，已經(jīng)滿足絕大部分人的生活，而5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于人類的生活的改變，絕非僅僅是網(wǎng)絡(luò)傳輸速率上的提升。5G網(wǎng)絡(luò)存在著三個(gè)基本特征，一是高可靠低延遲通信（URLLC），二是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC），三則是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）。本文要講的，則是其中對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車等新興實(shí)時(shí)技術(shù)最為重要的部分，高可靠低延遲通信（URLLC）。而這一項(xiàng)5G網(wǎng)絡(luò)特征中的關(guān)鍵字，正是時(shí)延。

舉個(gè)例子，1ms，這是未來對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的端對(duì)端時(shí)延要求，而讓絕大部分人難以相信與理解的是，這1ms對(duì)于人類的生活帶來的改變將有多大。或者說，這將是對(duì)人類的未來生活的一種顛覆。

人類的反應(yīng)速度有多快呢。據(jù)研究，當(dāng)一個(gè)人的指尖產(chǎn)生痛覺，從它產(chǎn)生到傳導(dǎo)至腦干，所用的時(shí)間為29ms到200ms。并且，我們要知道的是，這只是傳導(dǎo)時(shí)間，而非人類的反應(yīng)時(shí)間，哪怕是人類最為迅速的身體反射，也存在著幾十ms的時(shí)延。所以說，當(dāng)人類面對(duì)一個(gè)只有1ms時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，宏觀上來說，這將是一個(gè)超越人類本身反應(yīng)速度的網(wǎng)絡(luò)。

但是僅僅從這個(gè)方面來說，似乎不能闡述時(shí)延對(duì)于人類的重要性，因?yàn)閾?jù)研究表明，時(shí)延低于50ms的網(wǎng)絡(luò)游戲已經(jīng)不會(huì)影響到玩家的體驗(yàn)感。

時(shí)延更為重要的應(yīng)用，還是在那些需要比人的反應(yīng)速度更快的場(chǎng)景當(dāng)中，也就是ToB場(chǎng)景。最為顯著的例子，有大眾皆知的無人駕駛汽車和VR，也有一直被寄予厚望的遠(yuǎn)程醫(yī)療，還有涉及高端自動(dòng)化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

5G按照目前的情況來看，必將并且已經(jīng)率先滲透入toC端，但是當(dāng)toC端市場(chǎng)趨于飽和后，5G最終的歸宿，還是作為其價(jià)值承載的toB端。

以上并不是說如今的5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延已經(jīng)到達(dá)了1ms之下，但是我們不得不認(rèn)同時(shí)延在我們的生活中的巨大作用，以及將給我們的生活帶來的巨大的改變。為此，我們必須去進(jìn)一步了解5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延在toB場(chǎng)景的情況。

二、什么是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

看到時(shí)延，大部分人所第一時(shí)間想到的，都會(huì)是網(wǎng)絡(luò)游戲的延遲，畢竟二者聽起來像是同一種東西。但是時(shí)延和延遲雖然相關(guān)，但是卻不相等。應(yīng)該說，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延僅代表網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間，而延遲，卻往往涉及網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。當(dāng)吞吐量的需求大于網(wǎng)絡(luò)的速度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的延遲，甚至數(shù)據(jù)的丟失?；蛘哒f，跟網(wǎng)絡(luò)游戲的延遲有關(guān)的，應(yīng)該是延時(shí)，而非時(shí)延。在這里，我們首先要了解的，就是到底什么是時(shí)延。

（一）時(shí)延的概念

時(shí)延的英文是Latency，是指從進(jìn)入一臺(tái)設(shè)備到出這臺(tái)設(shè)備，一個(gè)報(bào)文在其中所需要花費(fèi)的時(shí)間，實(shí)際考驗(yàn)的是這個(gè)報(bào)文在這臺(tái)設(shè)備所消耗的時(shí)間，時(shí)間越短，此設(shè)備性能越高。而延時(shí)的英文是Delay，是指一個(gè)操作和另一個(gè)操作之間停頓的時(shí)間。從這里我們就可以顯著地看出時(shí)延和延時(shí)的區(qū)別，雖然僅僅是兩個(gè)字調(diào)換了順序，但卻是完全不同的兩個(gè)概念?；蛘咴龠M(jìn)行更加具體的舉例：時(shí)延更多的指的是一種因果關(guān)系，當(dāng)你對(duì)著一處墻壁喊話，喊話是“因”，而你從墻壁聽到的回聲，則是“果”。從你開始喊話，到你的聽覺感知到回聲，這其中的時(shí)間差，就是“時(shí)延”。

（二）網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延有哪些

我們理解了時(shí)延的概念之后，就需要去進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)中存在哪些方面的時(shí)延，這里我們以一個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D來進(jìn)行表示。按照上圖所示，把網(wǎng)絡(luò)傳輸各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)延相加所得之和即是總網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，5G終端與控制系統(tǒng)——策略服務(wù)器之間可能以3g、WLAN等基站為傳輸節(jié)點(diǎn)，而這各個(gè)節(jié)點(diǎn)又分別包括了空口時(shí)延、回傳時(shí)延、核心網(wǎng)處理時(shí)延，同時(shí)包括應(yīng)用服務(wù)器與核心網(wǎng)之間的時(shí)延。這些傳輸節(jié)點(diǎn)與5G終端之間的對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸關(guān)系的處理，很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延最終所產(chǎn)生的影響的效果。

三、形成網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的原因

網(wǎng)絡(luò)延遲是什么呢？它是一個(gè)所針對(duì)的對(duì)象主要是網(wǎng)絡(luò)用戶的詞匯，而它具體就是從用戶發(fā)出的請(qǐng)求到遠(yuǎn)端系統(tǒng)作出響應(yīng)的這段時(shí)間。而因?yàn)楝F(xiàn)在是大多都是以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，所以對(duì)于用戶的每一次請(qǐng)求：不論是服務(wù)器請(qǐng)求、還是ADU（用戶數(shù)據(jù)單元）處理網(wǎng)絡(luò)傳輸又或是路由處理，延遲都會(huì)產(chǎn)生。導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的原因主要包含以下八個(gè)方面：

1.傳播時(shí)延：主要指的是信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播所需要的時(shí)間，并且當(dāng)傳播介質(zhì)一定時(shí)，傳播所需要的時(shí)間便和實(shí)際通信距離成正比。而光傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)為光纖，并且光的折射率極大程度地影響著光在光纖中的傳播速度，物理上一般只能通過減少信號(hào)傳輸?shù)木嚯x來達(dá)到降低時(shí)延的效果。例如因?yàn)閱文９饫w中的光的傳播速度大于200000km/s （即0.005 ms/km ）， 所以傳播時(shí)延等于光纜長(zhǎng)度乘以0.005 ms/Km。光纖越長(zhǎng)，傳播時(shí)延越長(zhǎng)。

2.傳輸時(shí)延：通常來說，站點(diǎn)發(fā)送或接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)所需的時(shí)間統(tǒng)稱為傳輸時(shí)延，并且鏈路速率以及數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)決定著傳輸時(shí)延。因此，大多數(shù)時(shí)候，降低傳輸時(shí)延往往通過提高鏈路速率達(dá)成。

3.處理時(shí)延：頭部處理、差錯(cuò)校驗(yàn)和路由表等查找數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的步驟與處理時(shí)延有著緊密聯(lián)系。節(jié)點(diǎn)的處理能力和數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度，很大程度的影響著處理時(shí)延的速率。光層和電層的處理過程中會(huì)導(dǎo)致一部分處理時(shí)延的形成，并且引入的時(shí)延隨著OSI的層級(jí)的升高而增大。因此可以通過減少電層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量這一手段入手來達(dá)到降低相同距離情況之下的時(shí)延。

4.調(diào)度時(shí)延：是指某段時(shí)間被數(shù)據(jù)消耗在輸入以及輸出緩沖區(qū)排隊(duì)的過程，并且在網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)，調(diào)度時(shí)延會(huì)極大程度地被增大。

5.路由延遲：由域名請(qǐng)求延遲、IP在各個(gè)網(wǎng)關(guān)上的尋徑延遲和TCP連接釋放延遲以及TCP連接建立延遲這四個(gè)部分組成。對(duì)方主機(jī)的域名被用戶應(yīng)用時(shí)，同時(shí)用戶應(yīng)用中卻沒有使用IP地址，就會(huì)發(fā)生請(qǐng)求延遲。當(dāng)?shù)刂仿?lián)編出現(xiàn)，該軟件就會(huì)查找是否存在相應(yīng)的域名于本地緩存區(qū)中，即當(dāng)域名被應(yīng)用程序傳輸?shù)奖镜亟馕銎鬈浖那闆r下;當(dāng)找不到時(shí)，本地解析器就會(huì)構(gòu)造出一個(gè)詢問報(bào)文，初始域名服務(wù)器（本地服務(wù)器）接收這個(gè)報(bào)文，而情況在被域名服務(wù)器解析后，回答響應(yīng)一個(gè)響應(yīng)報(bào)文。

6.排隊(duì)延遲：出現(xiàn)分組交換臨時(shí)過載的情況時(shí)，分組交換網(wǎng)中的主要延遲就是排隊(duì)延遲，而PDU在傳輸路徑上出現(xiàn)的緩沖延遲是因?yàn)榻粨Q而造成的，連續(xù)的緩沖延遲中就形成了排隊(duì)延遲。在這種情況下，假設(shè)10個(gè)路由器中的數(shù)據(jù)依次通過，而因?yàn)槠渲械娜魏我粋€(gè)路由器上都存在著大量的數(shù)據(jù)包，平均在這些路由器上排隊(duì)的有10個(gè)IP數(shù)據(jù)包，這條路徑上的排隊(duì)延遲非常有可能達(dá)到上百毫秒。

6.發(fā)送時(shí)延：由一個(gè)終端發(fā)送出一個(gè)數(shù)據(jù)幀所需要的時(shí)間，也就是發(fā)送數(shù)據(jù)幀的首個(gè)比特時(shí)開始，到最后一個(gè)比特完成的時(shí)間。

7.串行時(shí)延：幀或小區(qū)被接收節(jié)點(diǎn)處理之前，節(jié)點(diǎn)完全獲得，然后到該幀或小區(qū)所花費(fèi)的時(shí)間。例如，只有在接收到所有CRC之后，AC幀才能完全被處理。100Mbit/s以太網(wǎng)鏈路被用于傳輸最小MAC幀為64字節(jié)時(shí)，串行延時(shí)為51.2ms;MAC幀能達(dá)到的最大長(zhǎng)度為518字節(jié)。當(dāng)傳輸時(shí)使用100 Mbit/s以太網(wǎng)鏈路，串行延遲為0.2144ms。以此可以得出，串行延遲與傳輸速率成反向增加的形式。速率越低，接收完整幀的時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)，串行延遲也與幀長(zhǎng)有著密不可分的聯(lián)系。幀越短，延遲越小。在高帶寬下，串行延遲對(duì)端到端延遲的影響最小。

因此，想要減少網(wǎng)絡(luò)延遲，我們不得不考慮最小化端到端延遲。而端到端延遲，包括了串行延遲、傳播延遲和處理延遲的總和。隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提高，串行延遲在日常網(wǎng)絡(luò)使用中逐漸變得不那么重要。它的主要性能主要集中在傳輸延遲和處理延遲上?？梢钥闯?，延遲與帶寬和距離有關(guān)，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的延遲。因此，不同系統(tǒng)或設(shè)備的負(fù)載也是時(shí)延測(cè)試中值得考慮的問題。測(cè)量的時(shí)間延遲也因系統(tǒng)或設(shè)備的負(fù)載而異。

四、如何實(shí)現(xiàn)5G的時(shí)延優(yōu)化并進(jìn)一步滿足toB的應(yīng)用要求

對(duì)于幾代通信技術(shù)，人們更容易將其理解為僅僅是傳輸速度方面具有了巨大的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，相比于過去主流的3G與4G網(wǎng)，超快速度的數(shù)據(jù)傳輸只是5G的眾多特色之一。在5G剛剛開發(fā)的過程中，人們十分期望能使用其來充分發(fā)揮與協(xié)調(diào)垂直行業(yè)應(yīng)用潛力。諸如高級(jí)輔助駕駛，基于物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)，這些面向未來的技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)，都脫離不了超低的時(shí)延。又或者說，沒有超低時(shí)延的5G，甚至只能算作4G+。

（一）為什么4G時(shí)延無法滿足這些應(yīng)用的要求

例如，對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，車輛響應(yīng)操作前的移動(dòng)距離將被時(shí)延直接影響。如果是使用4G網(wǎng)絡(luò)，平均速度為100公里/小時(shí)，延遲50毫秒的汽車，從接收到障礙物信號(hào)，到打開制動(dòng)系統(tǒng)的距離為4m，而這四米的距離至關(guān)重要。在關(guān)鍵時(shí)刻，更多的生命威脅隨著每一厘米的增加而產(chǎn)生。因此，在人身安全與道路交通關(guān)系密切這個(gè)條件下，控制命令，尤其是制動(dòng)命令，需要實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)，也就是控制命令的時(shí)間，從開始到到達(dá)僅花費(fèi)甚至不超過1毫秒的傳輸速度。

以下是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的一次測(cè)試結(jié)果：

在柳州市寶駿工業(yè)園5G全覆蓋下，在廣西移動(dòng)、華為的合作下，基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人駕駛成功測(cè)試。

（二）多低的時(shí)延才能滿足5G的要求

ITU、IMT-2020推進(jìn)組等國(guó)內(nèi)外5G研究小組。5G架構(gòu)提出了以毫秒為單位的端到端時(shí)機(jī)要求，最理想的情況是1ms，一般的5-10ms。目前我們使用的4G網(wǎng)絡(luò)的理想端對(duì)端時(shí)機(jī)（end-to-end）為10毫秒左右，LTE的典型端對(duì)端時(shí)機(jī)（end-to-end）為50～100ms。這意味著5G縮短為4G的十分之一。3G的縱貫延遲是數(shù)百毫秒級(jí)。 在這里，端到端延遲被定義為信息包從離開原始節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層到到達(dá)和看到為止。 應(yīng)用程序接收成功的節(jié)點(diǎn)時(shí)間。另外，縱貫-縱貫延遲可以根據(jù)服務(wù)模型的差異分為短程延遲和反停止延遲，其中反停止延遲包括發(fā)射器準(zhǔn)確接收應(yīng)答包所需的延遲。因此，端到端延遲包括空間網(wǎng)絡(luò)延遲、核心網(wǎng)絡(luò)延遲和PTN網(wǎng)絡(luò)延遲。

（三）如何使5G的時(shí)延進(jìn)一步降低，以滿足toB應(yīng)用

針對(duì)toB應(yīng)用當(dāng)中對(duì)于時(shí)延的超低要求，工程師們對(duì)不同情況下的優(yōu)化方案進(jìn)行了設(shè)想。以下我們對(duì)兩個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行舉例：

1.從幀結(jié)構(gòu)入手。無線幀當(dāng)中，存在子分區(qū)，那就是子幀，這是來自LTE的定義。一般來說，正常情況下的子幀，通常具有6個(gè)、12個(gè)或者14個(gè)符號(hào)，并且分別用在兩種不同的CP上。至于LTE的最近的一個(gè)版本中，則以物理信道和時(shí)頻資源之間的傳輸映射關(guān)系為引，定義了另一個(gè)時(shí)間分區(qū)。通過這樣對(duì)于子幀的定義和子載波帶寬之間的指定，最終以達(dá)到放大子載波間隔的目的，或者降低最小時(shí)隙/TTI，而使得時(shí)延被降低。

2.從極化碼入手。極化碼的本質(zhì)，其實(shí)是更加高效的信道編解碼的方案。作為5G技術(shù)的關(guān)鍵性技術(shù)的研究方向之一，極化碼擁有著信道聯(lián)合和信道分裂這兩種截然不同的信道理論，進(jìn)而被稱為信道極化理論。并且它作為一種新型信道編碼，通過數(shù)學(xué)方法證明了它能夠達(dá)到香農(nóng)極限，而且它存在著這一領(lǐng)域的唯一性。當(dāng)前，作為這樣一種高效的信道編碼，它已經(jīng)被納入第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的編碼方案當(dāng)中。它的原理，簡(jiǎn)單來說就是按照不同軟硬件在時(shí)延上的要求差異，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。

（四）其他的在現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)狀況的前提下降低總體時(shí)延的方法

除了第3點(diǎn)中提到的各種方案外，還有一些通過“抄近道”的方法來降低總體時(shí)延的方法。例如：云計(jì)算以及邊緣計(jì)算。在云計(jì)算的架構(gòu)下，許多的計(jì)算不再占用自身的運(yùn)算能力，而是集中在云端進(jìn)行計(jì)算，完成處理后返回原計(jì)算機(jī)或者應(yīng)用。然而云計(jì)算對(duì)于toB應(yīng)用來說有著一個(gè)致命的弱點(diǎn)那就是因?yàn)樵黾觽鬏斶^程而提升的時(shí)延。由此，邊緣計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。邊緣計(jì)算的原理，實(shí)際上是按照不同應(yīng)用對(duì)于時(shí)延有著不同的要求這一點(diǎn)來將運(yùn)算的要求進(jìn)行分層，時(shí)延要求高的應(yīng)用的計(jì)算將不會(huì)再傳至云端進(jìn)行處理，而是依托自身的計(jì)算能力進(jìn)行處理，以達(dá)到降低云端數(shù)據(jù)的傳輸量進(jìn)而降低端到端時(shí)延的目的?？傮w來說，這兩種計(jì)算都算得上是一種抄近道的計(jì)算方式，在復(fù)雜的計(jì)算當(dāng)中，運(yùn)算結(jié)果把原始的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)化并傳輸，以減少傳輸時(shí)延的方式減少總體時(shí)延。

五、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)如今，單論中國(guó)，5G的用戶就已經(jīng)達(dá)千萬級(jí)別，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和進(jìn)一步鋪設(shè)已經(jīng)有了極大的成果。然而如何將已經(jīng)鋪設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更好的應(yīng)用，是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)該進(jìn)一步研究的課題。當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)主要面向的是toC，也就是人們生活中的應(yīng)用，但其對(duì)人類的生活的最大的改變應(yīng)當(dāng)在toB應(yīng)用，當(dāng)toC市場(chǎng)日趨飽滿的時(shí)候，toB才是5G網(wǎng)絡(luò)最終的價(jià)值承載的歸宿。想要5G網(wǎng)絡(luò)愈發(fā)廣泛地適用于toB領(lǐng)域，毫無疑問需要進(jìn)一步降低5G的時(shí)延，毫秒級(jí)的時(shí)延想要進(jìn)一步縮短毫無疑問不是一個(gè)簡(jiǎn)單的命題，但卻是一個(gè)我們不可回避的問題。通過成本等方面來進(jìn)行考慮，我們首先要考慮的是如何在現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)上降低時(shí)延，使其能夠滿足更多的toB場(chǎng)景應(yīng)用。

作者單位：覃錦玲? ? 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣西有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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