【摘要】    5G网络需要同时满足eMBB（超大带宽），uRLLC（超高可靠性，超低时延）和mMTC（超大连接）业务的需求。本文所讲述的，正是5G网络的超低时延对于toB端带来的巨大改变。toB端作为5G网络最终价值承载的归宿，从这一方面来说，当前的5G网络时延还需进一步降低。本文将通过帧结构、极化码等方向来对进一步降低5G网络时延的研究方向进行举例说明。

【关键词】    低时延    toB端    应用方式    帧结构

一、研究背景

现如今，网络的速度越来越快，许多人对于5G网络的认知就是5G比4G更快而已。

然而，并非仅仅如此。现如今的4G网络在网络速度的传输速率上，已经满足绝大部分人的生活，而5G网络对于人类的生活的改变，绝非仅仅是网络传输速率上的提升。5G网络存在着三个基本特征，一是高可靠低延迟通信（URLLC），二是大规模物联网（mMTC），三则是增强型移动宽带（eMBB）。本文要讲的，则是其中对于自动驾驶汽车等新兴实时技术最为重要的部分，高可靠低延迟通信（URLLC）。而这一项5G网络特征中的关键字，正是时延。

举个例子，1ms，这是未来对于5G网络的端对端时延要求，而让绝大部分人难以相信与理解的是，这1ms对于人类的生活带来的改变将有多大。或者说，这将是对人类的未来生活的一种颠覆。

人类的反应速度有多快呢。据研究，当一个人的指尖产生痛觉，从它产生到传导至脑干，所用的时间为29ms到200ms。并且，我们要知道的是，这只是传导时间，而非人类的反应时间，哪怕是人类最为迅速的身体反射，也存在着几十ms的时延。所以说，当人类面对一个只有1ms时延的网络时，宏观上来说，这将是一个超越人类本身反应速度的网络。

但是仅仅从这个方面来说，似乎不能阐述时延对于人类的重要性，因为据研究表明，时延低于50ms的网络游戏已经不会影响到玩家的体验感。

时延更为重要的应用，还是在那些需要比人的反应速度更快的场景当中，也就是ToB场景。最为显著的例子，有大众皆知的无人驾驶汽车和VR，也有一直被寄予厚望的远程医疗，还有涉及高端自动化的工业物联网。

5G按照目前的情况来看，必将并且已经率先渗透入toC端，但是当toC端市场趋于饱和后，5G最终的归宿，还是作为其价值承载的toB端。

以上并不是说如今的5G网络时延已经到达了1ms之下，但是我们不得不认同时延在我们的生活中的巨大作用，以及将给我们的生活带来的巨大的改变。为此，我们必须去进一步了解5G网络的时延在toB场景的情况。

二、什么是网络时延

看到时延，大部分人所第一时间想到的，都会是网络游戏的延迟，毕竟二者听起来像是同一种东西。但是时延和延迟虽然相关，但是却不相等。应该说，网络的时延仅代表网络的响应时间，而延迟，却往往涉及网络的吞吐量。当吞吐量的需求大于网络的速度时，就会导致网络的延迟，甚至数据的丢失。或者说，跟网络游戏的延迟有关的，应该是延时，而非时延。在这里，我们首先要了解的，就是到底什么是时延。

（一）时延的概念

时延的英文是Latency，是指从进入一台设备到出这台设备，一个报文在其中所需要花费的时间，实际考验的是这个报文在这台设备所消耗的时间，时间越短，此设备性能越高。而延时的英文是Delay，是指一个操作和另一个操作之间停顿的时间。从这里我们就可以显著地看出时延和延时的区别，虽然仅仅是两个字调换了顺序，但却是完全不同的两个概念。或者再进行更加具体的举例：时延更多的指的是一种因果关系，当你对着一处墙壁喊话，喊话是“因”，而你从墙壁听到的回声，则是“果”。从你开始喊话，到你的听觉感知到回声，这其中的时间差，就是“时延”。

（二）网络的时延有哪些

我们理解了时延的概念之后，就需要去进一步了解网络中存在哪些方面的时延，这里我们以一个5G网络拓扑图来进行表示。按照上图所示，把网络传输各个节點之间的时延相加所得之和即是总网络的时延，5G终端与控制系统——策略服务器之间可能以3g、WLAN等基站为传输节点，而这各个节点又分别包括了空口时延、回传时延、核心网处理时延，同时包括应用服务器与核心网之间的时延。这些传输节点与5G终端之间的对于数据的传输关系的处理，很大程度上决定了网络的时延最终所产生的影响的效果。

三、形成网络时延的原因

网络延迟是什么呢？它是一个所针对的对象主要是网络用户的词汇，而它具体就是从用户发出的请求到远端系统作出响应的这段时间。而因为现在是大多都是以TCP/IP协议为基础，所以对于用户的每一次请求：不论是服务器请求、还是ADU（用户数据单元）处理网络传输又或是路由处理，延迟都会产生。导致网络时延的原因主要包含以下八个方面：

1.传播时延：主要指的是信号在传输介质中传播所需要的时间，并且当传播介质一定时，传播所需要的时间便和实际通信距离成正比。而光传输网络的传输介质为光纤，并且光的折射率极大程度地影响着光在光纤中的传播速度，物理上一般只能通过减少信号传输的距离来达到降低时延的效果。例如因为单模光纤中的光的传播速度大于200000km/s （即0.005 ms/km ）， 所以传播时延等于光缆长度乘以0.005 ms/Km。光纤越长，传播时延越长。

2.传输时延：通常来说，站点发送或接收一个数据帧时所需的时间统称为传输时延，并且链路速率以及数据帧长决定着传输时延。因此，大多数时候，降低传输时延往往通过提高链路速率达成。

3.处理时延：头部处理、差错校验和路由表等查找数据转发时的步骤与处理时延有着紧密联系。节点的处理能力和数据的复杂程度，很大程度的影响着处理时延的速率。光层和电层的处理过程中会导致一部分处理时延的形成，并且引入的时延随着OSI的层级的升高而增大。因此可以通过减少电层节点的数量这一手段入手来达到降低相同距离情况之下的时延。

4.调度时延：是指某段时间被数据消耗在输入以及输出缓冲区排队的过程，并且在网络排队，调度时延会极大程度地被增大。

5.路由延迟：由域名请求延迟、IP在各个网关上的寻径延迟和TCP连接释放延迟以及TCP连接建立延迟这四个部分组成。对方主机的域名被用户应用时，同时用户应用中却没有使用IP地址，就会发生请求延迟。当地址联编出现，该软件就会查找是否存在相应的域名于本地缓存区中，即当域名被应用程序传输到本地解析器软件的情况下;当找不到时，本地解析器就会构造出一个询问报文，初始域名服务器（本地服务器）接收这个报文，而情况在被域名服务器解析后，回答响应一个响应报文。

6.排队延迟：出现分组交换临时过载的情况时，分组交换网中的主要延迟就是排队延迟，而PDU在传输路径上出现的缓冲延迟是因为交换而造成的，连续的缓冲延迟中就形成了排队延迟。在这种情况下，假设10个路由器中的数据依次通过，而因为其中的任何一个路由器上都存在着大量的数据包，平均在这些路由器上排队的有10个IP数据包，这条路径上的排队延迟非常有可能达到上百毫秒。

6.发送时延：由一个终端发送出一个数据帧所需要的时间，也就是发送数据帧的首个比特时开始，到最后一个比特完成的时间。

7.串行时延：帧或小区被接收节点处理之前，节点完全获得，然后到该帧或小区所花费的时间。例如，只有在接收到所有CRC之后，AC帧才能完全被处理。100Mbit/s以太网链路被用于传输最小MAC帧为64字节时，串行延时为51.2ms;MAC帧能达到的最大长度为518字节。当传输时使用100 Mbit/s以太网链路，串行延迟为0.2144ms。以此可以得出，串行延迟与传输速率成反向增加的形式。速率越低，接收完整帧的时间越长。同时，串行延迟也与帧长有着密不可分的联系。帧越短，延迟越小。在高带宽下，串行延迟对端到端延迟的影响最小。

因此，想要减少网络延迟，我们不得不考虑最小化端到端延迟。而端到端延迟，包括了串行延迟、传播延迟和处理延迟的总和。随着网络传输速度的提高，串行延迟在日常网络使用中逐渐变得不那么重要。它的主要性能主要集中在传输延迟和处理延迟上。可以看出，延迟与带宽和距离有关，不同的网络结构会有不同的延迟。因此，不同系统或设备的负载也是时延测试中值得考虑的问题。测量的时间延迟也因系统或设备的负载而异。

四、如何实现5G的时延优化并进一步满足toB的应用要求

对于几代通信技术，人们更容易将其理解为仅仅是传输速度方面具有了巨大的优势。实际上，相比于过去主流的3G与4G网，超快速度的数据传输只是5G的众多特色之一。在5G刚刚开发的过程中，人们十分期望能使用其来充分发挥与协调垂直行业应用潜力。诸如高级辅助驾驶，基于物联网的万物互联，这些面向未来的技术需要实现，都脱离不了超低的时延。又或者说，没有超低时延的5G，甚至只能算作4G+。

（一）为什么4G时延无法满足这些应用的要求

例如，对于自动驾驶系统，车辆响应操作前的移动距离将被时延直接影响。如果是使用4G网络，平均速度为100公里/小时，延迟50毫秒的汽车，从接收到障碍物信号，到打开制动系统的距离为4m，而这四米的距离至关重要。在关键时刻，更多的生命威胁随着每一厘米的增加而产生。因此，在人身安全与道路交通关系密切这个条件下，控制命令，尤其是制动命令，需要实现毫秒级，也就是控制命令的时间，从开始到到达仅花费甚至不超过1毫秒的传输速度。

以下是自动驾驶系统的一次测试结果：

在柳州市宝骏工业园5G全覆盖下，在广西移动、华为的合作下，基于5G网络的无人驾驶成功测试。

（二）多低的时延才能满足5G的要求

ITU、IMT-2020推进组等国内外5G研究小组。5G架构提出了以毫秒为单位的端到端时机要求，最理想的情况是1ms，一般的5-10ms。目前我们使用的4G网络的理想端对端时机（end-to-end）为10毫秒左右，LTE的典型端对端时机（end-to-end）为50～100ms。这意味着5G缩短为4G的十分之一。3G的纵贯延迟是数百毫秒级。 在这里，端到端延迟被定义为信息包从离开原始节点的应用层到到达和看到为止。 应用程序接收成功的节点时间。另外，纵贯-纵贯延迟可以根据服务模型的差异分为短程延迟和反停止延迟，其中反停止延迟包括发射器准确接收应答包所需的延迟。因此，端到端延迟包括空间网络延迟、核心网络延迟和PTN网络延迟。

（三）如何使5G的时延进一步降低，以满足toB应用

针对toB应用当中对于时延的超低要求，工程师们对不同情况下的优化方案进行了设想。以下我们对两个优化方案进行举例：

1.从帧结构入手。无线帧当中，存在子分区，那就是子帧，这是来自LTE的定义。一般来说，正常情况下的子帧，通常具有6个、12个或者14个符号，并且分别用在两种不同的CP上。至于LTE的最近的一个版本中，则以物理信道和时频资源之间的传输映射关系为引，定义了另一个时间分区。通过这样对于子帧的定义和子载波带宽之间的指定，最终以达到放大子载波间隔的目的，或者降低最小时隙/TTI，而使得时延被降低。

2.从极化码入手。极化码的本质，其实是更加高效的信道编解码的方案。作为5G技术的关键性技术的研究方向之一，极化码拥有着信道联合和信道分裂这两种截然不同的信道理论，进而被称为信道极化理论。并且它作为一种新型信道编码，通过数学方法证明了它能够达到香农极限，而且它存在着这一领域的唯一性。当前，作为这样一种高效的信道编码，它已经被纳入第五代移动通信系统的编码方案当中。它的原理，简单来说就是按照不同软硬件在时延上的要求差异，对数据进行封装。

（四）其他的在现有5G网络铺设状况的前提下降低总体时延的方法

除了第3點中提到的各种方案外，还有一些通过“抄近道”的方法来降低总体时延的方法。例如：云计算以及边缘计算。在云计算的架构下，许多的计算不再占用自身的运算能力，而是集中在云端进行计算，完成处理后返回原计算机或者应用。然而云计算对于toB应用来说有着一个致命的弱点那就是因为增加传输过程而提升的时延。由此，边缘计算应运而生。边缘计算的原理，实际上是按照不同应用对于时延有着不同的要求这一点来将运算的要求进行分层，时延要求高的应用的计算将不会再传至云端进行处理，而是依托自身的计算能力进行处理，以达到降低云端数据的传输量进而降低端到端时延的目的。总体来说，这两种计算都算得上是一种抄近道的计算方式，在复杂的计算当中，运算结果把原始的数据传输转化并传输，以减少传输时延的方式减少总体时延。

五、结束语

现如今，单论中国，5G的用户就已经达千万级别，5G网络的建设和进一步铺设已经有了极大的成果。然而如何将已经铺设的5G网络进行更好的应用，是5G网络建设中应该进一步研究的课题。当前的5G网络主要面向的是toC，也就是人们生活中的应用，但其对人类的生活的最大的改变应当在toB应用，当toC市场日趋饱满的时候，toB才是5G网络最终的价值承载的归宿。想要5G网络愈发广泛地适用于toB领域，毫无疑问需要进一步降低5G的时延，毫秒级的时延想要进一步缩短毫无疑问不是一个简单的命题，但却是一个我们不可回避的问题。通过成本等方面来进行考虑，我们首先要考虑的是如何在现有的5G网络上降低时延，使其能够满足更多的toB场景应用。

作者单位：覃锦玲    中国移动通信集团广西有限公司

参  考  文  献

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