如何實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延

    幾代通信技術(shù)帶給用戶的感受，讓人更容易解讀為無(wú)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(gè)非常重要的特性是數(shù)據(jù)傳輸中的超低時(shí)延。在 5G 開(kāi)始研究之初，便明確了 5G 問(wèn)世的一個(gè)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(dòng)駕駛到工業(yè)控制，這些美好的夢(mèng)想一一照進(jìn)照現(xiàn)實(shí)都離不開(kāi) 5G 的超低時(shí)延特性。更有業(yè)界專家認(rèn)為如果沒(méi)有超低時(shí)延特性，5G 只能算是 4G+。
對(duì)于 5G 超低時(shí)延，讀者一定會(huì)有這樣那樣的疑問(wèn)，讓我們一邊提問(wèn)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(shí)延無(wú)法滿足這些應(yīng)用的要求？
舉個(gè)例子，對(duì)于自動(dòng)駕駛，時(shí)延直接影響車輛在響應(yīng)操作前移動(dòng)的距離�，F(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)平均50ms時(shí)延條件之下，時(shí)速100公里的汽車，從發(fā)現(xiàn)障礙到啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)仍需要移動(dòng)約1.4米。不要小看這1米多的距離，在危急時(shí)刻，每增加一厘米都意味著多一分生命危險(xiǎn)。因此由于道路交通事關(guān)人身安全，控制指令，尤其是制動(dòng)指令抵達(dá)車輛的時(shí)間要求達(dá)到1毫秒的級(jí)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(shí)延？
    ITU、IMT-2020 推進(jìn)組等國(guó)內(nèi)外 5G 研究組織機(jī)構(gòu)均對(duì) 5G 提出了毫秒級(jí)的端到端時(shí)延要求，理想情況下端到端時(shí)延為 1ms，典型端到端時(shí)延為 5-10ms 左右。我們目前使用的4G 網(wǎng)絡(luò)，端到端理想時(shí)延是 10 毫秒左右，LTE 的端到端典型時(shí)延是 50-100ms，這意味著5G 將端到端時(shí)延縮短為 4G 的十分之一。而 3G 的端到端時(shí)延是幾百毫秒量級(jí)。
這里，端到端時(shí)延的定義是：數(shù)據(jù)包從離開(kāi)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)用層成功接收一共經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)度。并且，根據(jù)業(yè)務(wù)模型不同，端到端時(shí)延還可分為單程時(shí)延和回程時(shí)延，其中回程時(shí)延還需加上發(fā)射端正確接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包所需的時(shí)延。因此，端到端時(shí)延包括空口時(shí)延、核心網(wǎng)時(shí)延以及 PDN 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

   那么，5G通過(guò)哪些技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延呢？
   既然端到端時(shí)延由多段路徑上的時(shí)延加和而成，僅靠單獨(dú)優(yōu)化某一局部的時(shí)延都無(wú)法滿足 1ms 的極致時(shí)延要求，因此 5G 超低時(shí)延的實(shí)現(xiàn)需要一系列有機(jī)結(jié)合的技術(shù)。5G 低時(shí)延的實(shí)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(shí)延，另一方面要盡可能減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并縮短源到目的節(jié)點(diǎn)之間的“距離”。此外，實(shí)現(xiàn) 5G 低時(shí)延還需兼顧整體，從跨層考慮和設(shè)計(jì)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(duì)不同垂直業(yè)務(wù)的時(shí)延需求。
    目前，超低時(shí)延的完整技術(shù)方案尚不明朗，小編這里給出可能在未來(lái)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(duì)中物理層大牛的原話，“ Frame structure 是無(wú)線通信的核心，直接決定了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與服務(wù)水平”。為了有效降低空口時(shí)延，在 3GPP 正在進(jìn)行 NR 的研究項(xiàng)目，在幀結(jié)構(gòu)方面，將考慮采用更短的子幀長(zhǎng)度，并在同一子幀內(nèi)完成 ACK/NACK 反饋。美國(guó)運(yùn)營(yíng)商 Version 在近期公布的 5G 標(biāo)準(zhǔn)中也遵循了相同的設(shè)計(jì)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(guò)數(shù)個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每次轉(zhuǎn)發(fā)都意味著時(shí)延的增加。而終端直接通信的通信模式不需要透過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞就可實(shí)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(shì)。
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(diǎn)減少時(shí)延，以滿足 LTE 低時(shí)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(shí)延的目的。

     MEC
     MEC（Mobile Edge Computing，移動(dòng)邊緣計(jì)算）技術(shù)由國(guó)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(jì)算、處理和存儲(chǔ)推向移動(dòng)邊界，一方面為移動(dòng)邊緣入口的服務(wù)創(chuàng)新提供了無(wú)限可能，另一方面使得海量數(shù)據(jù)可以得到實(shí)時(shí)、快速處理，以減少時(shí)延。
除了上述幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，無(wú)線側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)的諸多技術(shù)都針對(duì)時(shí)延因素加以增強(qiáng)，滲透著對(duì)低時(shí)延的考慮。比如 5G 還將通過(guò)更精簡(jiǎn)的信令流程，避免調(diào)度、接入過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)等方式進(jìn)一步縮短時(shí)延。這里，還值得一提的是網(wǎng)絡(luò)切片。5G 并不需要為低時(shí)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(yíng)商根據(jù)需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編排，即從一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切割出獨(dú)立于其他網(wǎng)絡(luò)的的低時(shí)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(shí)延，但是卻將在低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與管理中發(fā)揮重要作用。

    5G低時(shí)延面臨哪些挑戰(zhàn)？
    首先，毫秒級(jí)別的延遲需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)做重大變更，實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較高，因此短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難。此外，時(shí)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(shí)延的同時(shí)還常常伴有接近 100%的可靠性。又比如有些時(shí)延相對(duì)較高的業(yè)務(wù)還對(duì)吞吐量有需求，如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)完美的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，除了需要降低時(shí)延至系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間短于人體感覺(jué)器官的反應(yīng)時(shí)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(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如傳輸速率、時(shí)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(zhǎng)、相互權(quán)衡的關(guān)系，一個(gè)維度的優(yōu)化往往會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)維度性能的退化。例如短TTI 以優(yōu)化時(shí)延將會(huì)以增加控制開(kāi)銷以及降低編碼增益為代價(jià)。因此，需要針對(duì)業(yè)務(wù)類型，合理權(quán)衡與協(xié)調(diào)時(shí)延與其他性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系。
最后，一言以概之，超低時(shí)延是5G 非常重要的屬性，它的實(shí)現(xiàn)需要一系列技術(shù)有機(jī)
結(jié)合，可以預(yù)見(jiàn)5G 低時(shí)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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