什么是5G专线业务低时延特性

2020-10-13 10:27

随着移动通信的发展，专线业务的时延要求越来越低。本文以5G专线业务低时延特性的实现为目标，详细分析了网络架构和切片对时延的影响，提出了相应的低时延特性的实现方案。为降低线路时延，将网络重构为CU-DU-AAU， CU放置位置下沉。为保证设备转发低时延，采用FlexE的1.5层快速转发。为避免带宽抢占造成的分组丢失，减少业务拥塞，提出信道硬隔离的方案，可实现5G专线业务低时延的特性。

移动通信从2G时代到4G时代，每一次的网络发展迭代都是先建网再衍生出新业务生态。而5G网络是由特定业务场景的驱动而诞生的，比如无人驾驶和远程医疗等均需要网络端到端时延达到一个很低的水平。5G时代的传输专线必须具备低时延的特性，URLLC业务端到端时延小于1ms，eMBB业务端到端时延小于10ms。目前我国的4G传输专线端到端理想时延是10ms左右，端到端典型时延是50~100ms之间，这意味着5G传输专线的端到端时延将缩短为4G的1/10，这对底层的承载网络提出了前所未有的挑战。于是，5G传输专线低时延特性的研究工作实属重中之重。

1 5G专线业务时延特性演进

移动通信系统由无线接入网、传送承载网和核心网组成，其端到端时延也包括这3个部分。IMT-2020（5G）推进组对URLLC和eMBB两种业务场景分别定义了端到端时延为1ms和10ms。其中，低时延高可靠的URLLC业务对承载网时延要求为0.125ms，见表1。

什么是5G专线业务低时延特性

表1 5G业务时延要求

可以看到，5G专线业务对时延要求最高的是URLLC场景下的承载网时延，要求极其苛刻。接下来将具体分析5G承载网对5G专线业务低时延特性的影响。

1.1、网络架构改变带来的影响

根据5G承载网络的变化，BBU/RRU重构为CU-DU-AAU两级架构，CU设备处理非实时的无线高层协议栈功能，DU设备处理物理层功能和实时性需求。DU放置于无线机房，并且CU可以部署在汇聚或接入位置。CU放置位置不一样，5G专线业务的承载网时延也不一样。根据远程医疗和无人驾驶等URLLC业务需求，CU和DU之间时延最好小于1ms。那么，CU位置越高，对时延要求越严格。同时，CU位置越靠下，机房资源越难满足。因为CU/DU要云化组网，对城域机房可用空间、供电和散热要求更高，目前多数汇聚层以下机房资源不能满足需求。另一方面，CU之间有协同的需求，CU位置越靠下，3层的功能需求就越靠下。

1.2、网络切片带来的影响

由于不同5G专线业务有不同SLA（Service-Level Agreement，服务等级协议）需求，所以5G网络要进行端到端切片。4G时代，专线业务在传输承载网中是通过软管道隔离来提供差异化服务，采用VPN技术提供路径、带宽的区分和控制。但是，软隔离在MAC层之上提供转发平面，带宽资源是共享的。当网络出现拥塞时，业务之间会抢占带宽，造成分组丢失并重传，导致时延增大。网络切片对5G专线业务低时延特性带来了新的影响。5G网络切片需要承载网支持软、硬管道隔离。

2 5G专线业务低时延特性的实现

5G专线业务主要以三大业务场景来分类，其中URLLC场景的要求最苛刻。其传输端到端时延要求小于1ms，承载网络时延要求小于0.125ms。这无疑对传输承载网提出了前所未有的挑战。5G网络，承载先行。所以，对5G专线业务承载网方面低时延特性的研究实现显得尤其重要。

承载网的时延主要包含光纤传输时延和设备转发时延，前者占比很大，约为99%。通过光波在光纤中传输的折射率和速度的关系式可以算出，光波在1000km长的光纤中传输的时延约为5ms。设备产生的转发时延一般是us级，占比较小。目前中国移动通用传输设备的转发时延约为50us。由此可见，若要降低5G专线业务的网络时延，在传输承载网方面，需要致力于降低底层传输线路的时延。

下面从影响5G专线业务时延的因素入手进行研究，总结出三大技术方案。其一，为保证线路传输的低时延，缩短光纤传输距离。其二，加快设备转发速度。其三，为避免带宽抢占造成的分组丢失，减少业务拥塞，提出信道硬隔离的方案。综合上述方案，可以实现5G专线业务的低时延特性。

2.1、网络结构调整

光信号在光纤中传送的时延和光纤长度成正比。一般来说，光信号在1000km的光纤中传输的时延约为5ms。要想降低线路传输的时延，最直接的办法就是缩短业务流的源节点和宿节点之间的距离，从而缩短光纤传输距离。于是，通过网络结构调整来实现通信距离的缩短，可以降低光纤传输时延。网络结构调整的示意图如图1所示。

什么是5G专线业务低时延特性

图1 网络结构调整示意图

通过5G网络结构的调整，将5G网络相关功能下沉到接入层，可以缩短光纤传输距离，从而降低时延。5G核心网用户面功能可以下沉，流量就近转发。5G承载网3层VPN也可以下沉，接入节点流量就近转发。如此一来，可以大大缩短时延。

对于东西向流量而言，在4G网络架构中，传统的3层设备的部署位置一般在地市核心机房，基站之间的业务需要绕到地市核心机房进行转发。对于5G网络来讲，互联的复杂性对于横向业务的需求进一步增加，基站间协同要求更高，基站之间的业务需求量更大。5G东西向流量的暴增驱动了网络功能的下沉。通过将3层VPN下沉到接入层可以实现东西向流量就近转发，从而缩短光纤传输距离，最终降低业务时延。

对于南北向流量而言，在5G网络架构中，核心网的控制平面和用户平面是分离的。通过下沉部分用户平面的功能到接入层同样可以降低南北向流量的传输线路转发时延。将一些对时延要求比较高的业务网关部署在MEC上，同时MEC之间进行云化连接成池，可以就近进行资源获取和业务的协同交互，相比4G业务通过上层核心网迂回的方式，更加高效便捷，时延更短。因此通过MEC下沉可以使得业务在接入层就近转发，明显地缩短光纤传输距离，从而大幅度降低信号的传输时延。

通过调整5G网络架构，使得MEC和3层VPN下沉，经过挂表实验进行时延统计，东西向传输时延可以从目前的1ms降低到100us，南北向传输时延从1ms降低到50us，可以有效缩短5G专线业务的时延。

2.2、FlexE快速1.5层转发

5G专线业务的时延不但受光纤长度影响，还受设备转发速度影响。5G网络通用设备通过技术升级也可以进一步提高转发速度，降低设备转发时延。

传统以太网是在源节点和宿节点的数据链路层和物理层之间进行封装和解封装来实现通信的。传统以太网的转发是发生在数据链路层的。灵活以太网技术（FlexE）可以实现数据链路层和物理层的解耦，将转发层从数据链路层下降到1.5层，如图2所示。

什么是5G专线业务低时延特性

图2 基于FlexE的1.5层快速转发示意图

利用FlexE在承载网络中实现业务隔离和网络分片可以避免业务拥塞，进而避免数据分组重传造成的高时延。通过在以太网数据链路层和物理层之间的添加一个中间层，即FlexE shim层。shim层是基于时分复用来分发业务的，将多个客户侧接口的数据按照时隙方式分发调度到不同的子通道。正是由于FlexE新技术实现了MAC层和PHY层的解耦，从而使得FlexE转发位于1.5层，近似于1层转发，从而缩短了设备转发时间。

由此，基于FlexE的1.5层比特块交换，可以免去传统IP转发的成帧、封装成数据分组、查表和缓存等过程，提供超低的设备转发时延。经过挂表实验进行时延统计，可将目前传输设备转发时延从50us降低至1us，进一步降低了5G专线业务的时延，可以满足5G业务URLLC场景对承载网超低时延的需求。

2.3、通过信道隔离降低时延

在4G时代，中国移动承载网采用的PTN技术，业务支持统计复用。业务之间的隔离采用的是软管道软隔离。同一隧道承载的不同业务会相互影响，争抢带宽。当网络有流量冲突时，就会造成分组丢失重传，从而提高了时延。5G时代，承载网采用SPN技术，结合FlexE技术可以实现业务隔离和网络分片，具有带宽灵活可调和数据硬隔离的特点。以100GE管道为例，通过FlexE shim中间层可以划分为20个5G速率的子通道，每个客户侧接口可指定使用某一个或多个子通道，实现业务之间的信道硬隔离，防止业务相互争抢带宽，避免分组丢失重传。

FlexE分片不同以往，它是基于时隙调度的。对于以太网物理端口来说，可以划分为多个硬管道，每个硬管道内又具有以太网弹性。这样可以使得网络既具备类似于时分复用独占时隙、隔离性好的特性，又具备以太网统计复用、网络效率高的两大特点，实现同一分片内业务统计复用。这样一来，分片之间业务互不影响。FlexE分片相对于通过VPN实现的分片，隔离性更好，从技术上解决了业务相互争抢带宽的问题，实现了专用业务独享专有的硬通道。通过时隙分片技术实现信道隔离，为低时延业务构建低时延专用通道，避免业务拥塞，从而降低时延。

基于FlexE转发和信道隔离技术可以实现超低时延转发。经过挂表时延进行时延统计，5G网络通用设备单节点转发时延降低至1us。对于5G超低时延URLLC的应用场景，应用SPN端到端的前传、中传以及回传网络组网方案，可以实现5G专线业务在信道层面的硬隔离，从而实现低时延的特性。

3 结束语

本文从URLLC应用场景对5G网络时延低于1ms的要求入手，分析了5G专线业务低时延特性的影响因素，包括光纤传输距离、设备转发时间和业务拥塞情况。通过网络架构调整降低线路传输时延，通过FlexE的1.5层快速转发降低设备转发时延，通过SPN信道硬隔离提供专用通道。综合上述技术方案，可有效实现5G专线业务超低时延的关键能力。未来的研究工作将是如何使得5G专线业务在具备低时延特性的同时具备高可靠性。

参考文献

[1]王洪梅,崔明.5G无线网络CU/DU部署方案探讨[J].中国新通信,2019(8).

[2]欧阳春波,李春荣,胡永健,等.基于FlexE的承载网络分片隔离技术研究和应用[J].电信技术,2018(12).

[3]侯文雷.浅谈5G时代SPN组网架构[J].中国新通信,2020(1).