网络时延分析及面向5G的低时延策略

网络时延分析及面向5G 的低时延策略

林何平，高志英，韩剑，康帅

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

摘　要　5G网络对网络时延提出更高要求，本文通过分析网络时延的组成提出降低时延策略，并针对未来5G对低时延

的需求，提出可能的解决方案。

关键词　网络时延；5G；策略

中图分类号 TN913 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2018）09-0026-05

收稿日期：2018-03-15

1 引言

伴随着5G 技术的来临，网络时延越来越成为关注的焦点，同时为不同需求的客户提供差异化服务成为必然选择。

移动通信网从2G 到5G，时延需求产生了上百倍的变化，具体如表1所示。新型业务层出不穷，其中自动驾驶、增强现实、虚拟现实、感知网络等uRLLC (ultra-Reliable Low latency Communications，超低时延高可靠性网络)类业务基于5G 网络得以实现， 各类业务对网络的需求见图1所示。更低时延的网络为未来应用提供更多可能，甚至将颠覆人类生活。

2 网络时延构成及分析

网络时延由传播时延（Propagation Delay）、传输时延（Transmission Delay）、处理时延（Processing Delay）、调度时延（Queuing Delay）构成，具体如图2所示。2.1 传播时延

传播时延是指信号在传输介质中传播所花费的时间，与传播速度、通信距离有关。对于光传送网来说，传输介质即是光纤，在光纤中光的传播速度与折射率有关。

D prop ＝l ×n /c

其中: l 为光信号传送的距离；

c 为光在真空中传播的速度，约为3×105 km/s;n 为光纤折射率。

受物理光速限制，一般通过减少信号传输距离来降低时延，主要的方法包括：

（1）选择更直、更短的光传送路由。在进行管线建

应用典型端到端时延（ms）

2G 6003G 2004G 15～1005G

1～10

表1 不同制式移动网络的端到端时延

设时，在兼顾安全、技术合理的情况下，优选路径短的路由方案；在进行光通道安排时，选择路径短、节点少的方案。

(2）局站设置更合理以减少引接距离。近年长途光缆利用高速管道进行建设的比较多，光放站由于对机房的面积和电源要求不太高，可在高速出口附近租用或自建机房，既便于维护又可减少光缆距离。

(3）成缆结构上选择中心束管式或骨架式。光缆成缆结构主要有中心束管式、骨架式和层绞式，中心束管式和骨架式相较于层绞式在光缆中有更短的缠绕和弯曲，可减少光传送距离。

(4）通过电域补偿色散代替色散补偿光纤的使用。此外，还可选择低折射率光纤来降低时延。

2.2 传输时延

传输时延是指站点发送或接收一个数据帧要的时间，与数据帧长、链路速率相关。

D trans ＝F /v

其中: F 为帧长；

v 为线路速率。

降低传输时延的方法一般通过提高链路速率来达到，对于100 Gbit/s 传输系统来说OTU4帧周期为1.168μs。在采用高速接口设备时传输延在网络时延占比较低。2.3 处理时延

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、路由表查找等，取决于节点的处理能力和数据处理的复杂度。

光层和电层的处理都会带来处理时延，且OSI 层级越高引入的时延将越大，相同距离情况下通过减少电层

节点的数量也可降低时延。2.4 调度时延

调度时延是指数据在输入和输出缓冲区排队花费的时间，与网络拥塞状况、队列调度机制相关。

分组网络中应用QoS 策略，可保证高质量业务的低时延要求。2.5 时延构成分析

各类型设备引入的时延见表2所示。光器件时延一般在纳秒级，在整个传输时延上几乎可忽略不计；传输节点为100微秒级别，一般距离越远节点越多；数据设备时延较大，应在整个网络减少数据节点数量。

以端到端300 km 为例，中间经过6端OTN 设备

（含6端光放设备）

，1端PON 设备，2跳数据设备。通过计算单路由网络时延约4.15 ms。

传输时延：300 km×5μs/km+100μs×6+0.1μs×

图1 未来业务及对网络的需求

图2 网络时延构成示意图

6+50μs ≈2.15 ms

数据网时延：1 ms×2=2 ms

通过计算发现光纤传播时延1.5 ms,占传输时延的主要部分，而其主要由距离决定。数据网节点越多引入的数据网时延越大。

光网整体可预测，光纤传输时延是光网络时延的决

定性因素，优化路由，减少距离是首要原则。数据层通过网络扁平化、减少网络层次和跳数来优化时延。

3 面向5G 的低时延策略

对于无线网络来说，端到端时延由空口时延、传输网时延时延组成。其中传输部分又包括前传、回传及传送网部分的时延，如图3所示。端到端时延由多路径上的时延加和组成，5G 要实现低时延，必须从各个方面一起着手，主要通过空口重构降低空口时延，通过调整网络架构、功能下沉缩短源宿间的距离及转发效率，通过切片保证低时延业务的资源保证。

类型

名称时延数据设备

路由器

1 ms 二层交换机1～10 ms 三层交换机1～10 ms 传输设备

OTN 无FEC 10μs OTN 带FEC

100μs SDH

100μs PTN 带QoS 50μs PTN 无QoS（小型PTN）30～50μs PTN 无QoS（普通）

50～100μs PON 下行50μs PON 上行900μs 光层

光器件

ns 级光放大器100 ns 级光纤

5μs/km

表2 主要网元时延

图4 LTE下行示意图

图5 LTE上行示意图

图3 无线网络端到端时延构成