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5G优化案例:5G NR网络端到端时延优化案例.pdf
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5G NR网络端到端时延优化
【摘要】目前中国电信 5G 网络已经开始运行,在网络实际运行的过程中,时延是最明显的感
知指标, 5G 时延和 4G 相比, 从 20ms 降低至 1ms , 有着非常大的提升, 也是
URLLC (Ultra reliable and low latency communication )超可靠且超低的时延业务所
需求的。本案例结合影响时延的各个网元节点,对时延优化进行深入分析,并结合地市实
际情况进行问题处理,从端到端对影响时延的各个因素进行总结排查,并解决问题。
【关键字】时延、端到端
【业务类别】参数优化
1. 问题描述
5G 网络的 1 毫秒时间延迟,最初是由 ITU IMT-2020 M.2410-0 (4.7.1)关于 IMT-
2020 系统的设计最小需求中提到的。其适用的范围是 URLLC(Ultra reliable and low
latency communication)超可靠且超低的时延业务,这里的时延是针对用户面时延。
用户面时延,是指我们平时使用手机发送数据的时间延迟,区别于控制面时延:手
机注册网络或者状态转换经过的信令流程所花费的时间(控制面时延不做讨论)。另外,1
毫秒指的是无线网络空中接口(手机和基站之间,不包括核心网,互联网等网络节点)的
双向延迟时间。
图 1-1:双向延迟
双向延迟(Round Trip Time, RTT),指的是信息从发送方到达接收方,加上接受方
发信息给发送方所花费的总时间。双向延迟在工程中更加常见,因为我们可以只在信息发
送方或者接收方的其中一方就可以测量到双向延迟(利用 ping 等工具)。
在 5G 网络中,时延是一个重要的关注点,如何优化改善网络时延,是需要重点关注的
方面。
2. 分析过程
5G URLLC 满足极低时延极高可靠业务,2016 年,3GPP 开始了 5G 的需求分析和研究项
目,为了满足 ITU 所设置的 URLLC 极高的可靠性和极低的时延要求,在 5G 的需求研究项目
TR38.913 Study on scenarios and requirements for next generation access technologies
中的用户面 KPI 中针对 URLLC 业务用户面时延定义了上行 0.5ms 和下行0.5ms的要求,加起
来正好是 1ms 的双向时延。
需求的定义明确了,接下来进入了研究如何实现技术需求的阶段,2016 年 3 月,3GPP
TSG RAN 71 次会议通过了 TR38.912 Study on New Radio (NR) access technology ,这
项研究工作致力于提出可行的无线技术来满足 ITU-2020 制定的 5G 需求。而从研究项目伊
始,URLLC 就做为一项不可缺少的 5G 需求被考虑进来。
从 2016 年的研究项目开始到 2018 年中第一版本 5G 标准(release 15 NSA&SA)的出
炉,低时延的设计贯穿了整个 5G 无线系统,我们就从用户面的每个层(物理层 PHY,媒体
接入控制层 MAC,无线链路控制层 RLC)看看为了实现 1ms 的目标都做了怎样的努力。
5G 中物理层的主要作用是:编解码,调制/解调,多天线映射等。
因为低时延是与 URLLC 的另一部分需求:极高的可靠性(99.999%)被共同捆绑在一起
的。如果单单考虑低时延会比低时延高可靠简单很多,因为要满足极高的可靠性惯常采用
更多的控制信令开销,重传,冗余,这些手段往往会提升时间延迟的水平。所以如何在保
证可靠性的同时改善时延水平在物理层的设计中是难上加难。5G 物理层用了哪些手段来改
善时延呢?
2.1 包结构
图 2-2:物理层
在 4G LTE 的时延分析中提到过的系统处理时间在时延中所占的分量比较大,而且改善较
为不易。这部分时延包括了接收包,获取控制信息,调度信息,解调数据,以及错误检测。
在 4G LTE 中是采用下图左侧这种方形的包结构,传输的信息分为三部分,导频信息
(Pilot),控制信息(control information),以及数据(data)。
这种设计方式被广泛的用来对抗信道衰落。但是在 5G 中URLLC 包采用的是下图右侧这
种设计方式,导频信息,控制信息,以及数据依次在时域上排列,这样做的好处是信道估
计,控制信道解码,数据的获取可以串行的进行,通过这样的方式这样减少了处理时间。
图 2-3:4G LTE 和 5G URLLC 包结构对比
从手机收到资源分配(Grant)指令到数据的传输时间要求如下,中间部分是 5G 不同
子载波间隔(Subcarrier Spacing)配置下的不同要求:
图 2-4:子载波从手机收到资源分配(Grant)指令到数据的传输时间要求
2.2 信道编码
4G LTE 采用Turbo 和Simple code 来编解码数据达到无线传输的可靠性。在 5G 中使用
的是 LDPC 和Polar 码来提升数据和控制信道的编解码效率,经过编码界研究的不懈努力,编
解码的性能和计算复杂度的提升对于降低时延也有所帮助。
2.3 更短的传输时间间隔
从更短的时间间隔这点说 5G 是天然优势一点都不为过,LTE 规定的一个子载波(传送
信息的最小频域单位)是 15KHz,时间域是 1ms (正常情况下)。
5G 所需要支持的频率范围非常广,中低频从 450MHz~6000MHz(FR1),高频从
24.25GHz~52.6GHz(FR2)。高频意味着更高的相位噪声,所以需要设计更加宽的子载波间
隔来抵御相位噪声的干扰。更宽的子载波间隔,意味着时域上更短的时隙,更短的传输时
间间隔,我们在 4G LTE 时代千方百计想要降低的传输时间间隔在 5G 时代只需要使用更高的
频段,更宽的子载波间隔就轻而易举的降低了。而且根据不同的频段可以选择从 15KHz, 30KHz
到 120KHz 的子载波间隔,可以简单的理解为,5G 子载波间隔相比于 LTE 15KHz 增加了多少
倍,那么在时域上的传输时间间隔就减少相应的倍数。频域子载波间隔成倍增加, 时域符号时长相应
倍数减少。
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