如何實現(xiàn)超低時延

    幾代通信技術(shù)帶給用戶的感受，讓人更容易解讀為無線通信技術(shù)在傳輸速率上的突飛猛進(jìn)。然而與 3G、4G 網(wǎng)絡(luò)相比，5G 還有一個非常重要的特性是數(shù)據(jù)傳輸中的超低時延。在 5G 開始研究之初，便明確了 5G 問世的一個非常重要使命就是充分激發(fā)并釋放垂直行業(yè)應(yīng)用的潛力。從自動駕駛到工業(yè)控制，這些美好的夢想一一照進(jìn)照現(xiàn)實都離不開 5G 的超低時延特性。更有業(yè)界專家認(rèn)為如果沒有超低時延特性，5G 只能算是 4G+。
對于 5G 超低時延，讀者一定會有這樣那樣的疑問，讓我們一邊提問一邊嘗試回答，希望能夠帶給大家一些有意義的信息。

    為什么4G時延無法滿足這些應(yīng)用的要求？
舉個例子，對于自動駕駛，時延直接影響車輛在響應(yīng)操作前移動的距離。現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)平均50ms時延條件之下，時速100公里的汽車，從發(fā)現(xiàn)障礙到啟動制動系統(tǒng)仍需要移動約1.4米。不要小看這1米多的距離，在危急時刻，每增加一厘米都意味著多一分生命危險。因此由于道路交通事關(guān)人身安全，控制指令，尤其是制動指令抵達(dá)車輛的時間要求達(dá)到1毫秒的級別，即控制指令自發(fā)出到抵達(dá)車輛僅前進(jìn)了3cm。

5G究竟需要多低的時延？
    ITU、IMT-2020 推進(jìn)組等國內(nèi)外 5G 研究組織機(jī)構(gòu)均對 5G 提出了毫秒級的端到端時延要求，理想情況下端到端時延為 1ms，典型端到端時延為 5-10ms 左右。我們目前使用的4G 網(wǎng)絡(luò)，端到端理想時延是 10 毫秒左右，LTE 的端到端典型時延是 50-100ms，這意味著5G 將端到端時延縮短為 4G 的十分之一。而 3G 的端到端時延是幾百毫秒量級。
這里，端到端時延的定義是：數(shù)據(jù)包從離開源節(jié)點的應(yīng)用層時算起一直到抵達(dá)并被目的節(jié)點的應(yīng)用層成功接收一共經(jīng)歷的時間長度。并且，根據(jù)業(yè)務(wù)模型不同，端到端時延還可分為單程時延和回程時延，其中回程時延還需加上發(fā)射端正確接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包所需的時延。因此，端到端時延包括空口時延、核心網(wǎng)時延以及 PDN 網(wǎng)絡(luò)時延。

   那么，5G通過哪些技術(shù)實現(xiàn)超低時延呢？
   既然端到端時延由多段路徑上的時延加和而成，僅靠單獨(dú)優(yōu)化某一局部的時延都無法滿足 1ms 的極致時延要求，因此 5G 超低時延的實現(xiàn)需要一系列有機(jī)結(jié)合的技術(shù)。5G 低時延的實現(xiàn)將主要遵循這樣的思路，一方面要大幅度降低空口傳輸時延，另一方面要盡可能減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，并縮短源到目的節(jié)點之間的“距離”。此外，實現(xiàn) 5G 低時延還需兼顧整體，從跨層考慮和設(shè)計角度出發(fā)，使得空口、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、核心網(wǎng)等不同層次的技術(shù)相互配合，讓網(wǎng)絡(luò)能夠靈活應(yīng)對不同垂直業(yè)務(wù)的時延需求。
    目前，超低時延的完整技術(shù)方案尚不明朗，小編這里給出可能在未來扮演重要作用的關(guān)鍵技術(shù)。

新型幀結(jié)構(gòu)
    套用小編團(tuán)隊中物理層大牛的原話，“ Frame structure 是無線通信的核心，直接決定了系統(tǒng)的功能設(shè)計與服務(wù)水平”。為了有效降低空口時延，在 3GPP 正在進(jìn)行 NR 的研究項目，在幀結(jié)構(gòu)方面，將考慮采用更短的子幀長度，并在同一子幀內(nèi)完成 ACK/NACK 反饋。美國運(yùn)營商 Version 在近期公布的 5G 標(biāo)準(zhǔn)中也遵循了相同的設(shè)計思路。

終端直接通信
    D2D 并不是 5G 的新技術(shù)了，但是 D2D 注定要在 5G 中發(fā)揚(yáng)光大。傳統(tǒng)通信方式中，數(shù)據(jù)包要經(jīng)過數(shù)個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，每次轉(zhuǎn)發(fā)都意味著時延的增加。而終端直接通信的通信模式不需要透過網(wǎng)絡(luò)傳遞就可實現(xiàn)設(shè)備相互之間的通信，使得其應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢。
核心網(wǎng)功能下沉
    在 4G 網(wǎng)絡(luò)中，LTE 移除了 3G 中的 RNC，將 RNC 的大部分功能轉(zhuǎn)移到基站，一部分功能集成到核心網(wǎng)，采用 eNodeB 和 EPC 兩層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種扁平化結(jié)構(gòu)有效減少了節(jié)點減少時延，以滿足 LTE 低時延的要求。在 5G 網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)用戶面部分功能將進(jìn)一步下沉至接入網(wǎng)，原有的集中式核心網(wǎng)變成分布式，核心網(wǎng)功能在地理位置上更靠近終端，從而達(dá)到減小時延的目的。

     MEC
     MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）技術(shù)由國際標(biāo)準(zhǔn)組織 ETSI 提出，基于 5G 演進(jìn)的架構(gòu)將基站與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合。MEC 將計算、處理和存儲推向移動邊界，一方面為移動邊緣入口的服務(wù)創(chuàng)新提供了無限可能，另一方面使得海量數(shù)據(jù)可以得到實時、快速處理，以減少時延。
除了上述幾個關(guān)鍵技術(shù)，無線側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)的諸多技術(shù)都針對時延因素加以增強(qiáng)，滲透著對低時延的考慮。比如 5G 還將通過更精簡的信令流程，避免調(diào)度、接入過程中的競爭等方式進(jìn)一步縮短時延。這里，還值得一提的是網(wǎng)絡(luò)切片。5G 并不需要為低時延需求而構(gòu)建獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)切片使得運(yùn)營商根據(jù)需求對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編排，即從一個物理網(wǎng)絡(luò)切割出獨(dú)立于其他網(wǎng)絡(luò)的的低時延的端到端網(wǎng)絡(luò)，或者滿足其他需求的網(wǎng)絡(luò)。因此，網(wǎng)絡(luò)切片雖然不能縮短端到端時延，但是卻將在低時延網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與管理中發(fā)揮重要作用。

    5G低時延面臨哪些挑戰(zhàn)？
    首先，毫秒級別的延遲需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)做重大變更，實現(xiàn)成本相對較高，因此短期內(nèi)實現(xiàn)相對困難。此外，時延和其他性能指標(biāo)的之間關(guān)系同樣值得考慮。比如很多業(yè)務(wù)在需求超低時延的同時還常常伴有接近 100%的可靠性。又比如有些時延相對較高的業(yè)務(wù)還對吞吐量有需求，如虛擬現(xiàn)實技術(shù)，要實現(xiàn)完美的虛擬現(xiàn)實體驗，除了需要降低時延至系統(tǒng)反應(yīng)時間短于人體感覺器官的反應(yīng)時間，大約 20ms 以內(nèi)，每秒還要處理高達(dá) 5.2Gbit的數(shù)據(jù)量。無線系統(tǒng)設(shè)計中如傳輸速率、時延、可靠性等性能指標(biāo)之間常常存在著一定程度的此消彼長、相互權(quán)衡的關(guān)系，一個維度的優(yōu)化往往會導(dǎo)致另一個維度性能的退化。例如短TTI 以優(yōu)化時延將會以增加控制開銷以及降低編碼增益為代價。因此，需要針對業(yè)務(wù)類型，合理權(quán)衡與協(xié)調(diào)時延與其他性能指標(biāo)實現(xiàn)之間的關(guān)系。
最后，一言以概之，超低時延是5G 非常重要的屬性，它的實現(xiàn)需要一系列技術(shù)有機(jī)
結(jié)合，可以預(yù)見5G 低時延所面臨的挑戰(zhàn)不容忽視，然而也正因如此更值得我們有所期待。

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