隨著移動通信的發展，專線業務的時延要求越來越低。本文以5G專線業務低時延特性的實現為目標，詳細分析了網絡架構和切片對時延的影響，提出了相應的低時延特性的實現方案。為降低線路時延，將網絡重構為CU-DU-AAU， CU放置位置下沉。為保證設備轉發低時延，采用FlexE的1.5層快速轉發。為避免帶寬搶占造成的分組丟失，減少業務擁塞，提出信道硬隔離的方案，可實現5G專線業務低時延的特性。

移動通信從2G時代到4G時代，每一次的網絡發展迭代都是先建網再衍生出新業務生態。而5G網絡是由特定業務場景的驅動而誕生的，比如無人駕駛和遠程醫療等均需要網絡端到端時延達到一個很低的水平。5G時代的傳輸專線必須具備低時延的特性，URLLC業務端到端時延小于1ms，eMBB業務端到端時延小于10ms。目前我國的4G傳輸專線端到端理想時延是10ms左右，端到端典型時延是50~100ms之間，這意味著5G傳輸專線的端到端時延將縮短為4G的1/10，這對底層的承載網絡提出了前所未有的挑戰。于是，5G傳輸專線低時延特性的研究工作實屬重中之重。

1 5G專線業務時延特性演進

移動通信系統由無線接入網、傳送承載網和核心網組成，其端到端時延也包括這3個部分。IMT-2020（5G）推進組對URLLC和eMBB兩種業務場景分別定義了端到端時延為1ms和10ms。其中，低時延高可靠的URLLC業務對承載網時延要求為0.125ms，見表1。

表1 5G業務時延要求

可以看到，5G專線業務對時延要求最高的是URLLC場景下的承載網時延，要求極其苛刻。接下來將具體分析5G承載網對5G專線業務低時延特性的影響。

1.1、網絡架構改變帶來的影響

根據5G承載網絡的變化，BBU/RRU重構為CU-DU-AAU兩級架構，CU設備處理非實時的無線高層協議棧功能，DU設備處理物理層功能和實時性需求。DU放置于無線機房，并且CU可以部署在匯聚或接入位置。CU放置位置不一樣，5G專線業務的承載網時延也不一樣。根據遠程醫療和無人駕駛等URLLC業務需求，CU和DU之間時延最好小于1ms。那么，CU位置越高，對時延要求越嚴格。同時，CU位置越靠下，機房資源越難滿足。因為CU/DU要云化組網，對城域機房可用空間、供電和散熱要求更高，目前多數匯聚層以下機房資源不能滿足需求。另一方面，CU之間有協同的需求，CU位置越靠下，3層的功能需求就越靠下。

1.2、網絡切片帶來的影響

由于不同5G專線業務有不同SLA（Service-Level Agreement，服務等級協議）需求，所以5G網絡要進行端到端切片。4G時代，專線業務在傳輸承載網中是通過軟管道隔離來提供差異化服務，采用VPN技術提供路徑、帶寬的區分和控制。但是，軟隔離在MAC層之上提供轉發平面，帶寬資源是共享的。當網絡出現擁塞時，業務之間會搶占帶寬，造成分組丟失并重傳，導致時延增大。網絡切片對5G專線業務低時延特性帶來了新的影響。5G網絡切片需要承載網支持軟、硬管道隔離。

2 5G專線業務低時延特性的實現

5G專線業務主要以三大業務場景來分類，其中URLLC場景的要求最苛刻。其傳輸端到端時延要求小于1ms，承載網絡時延要求小于0.125ms。這無疑對傳輸承載網提出了前所未有的挑戰。5G網絡，承載先行。所以，對5G專線業務承載網方面低時延特性的研究實現顯得尤其重要。

承載網的時延主要包含光纖傳輸時延和設備轉發時延，前者占比很大，約為99%。通過光波在光纖中傳輸的折射率和速度的關系式可以算出，光波在1000km長的光纖中傳輸的時延約為5ms。設備產生的轉發時延一般是us級，占比較小。目前中國移動通用傳輸設備的轉發時延約為50us。由此可見，若要降低5G專線業務的網絡時延，在傳輸承載網方面，需要致力于降低底層傳輸線路的時延。

下面從影響5G專線業務時延的因素入手進行研究，總結出三大技術方案。其一，為保證線路傳輸的低時延，縮短光纖傳輸距離。其二，加快設備轉發速度。其三，為避免帶寬搶占造成的分組丟失，減少業務擁塞，提出信道硬隔離的方案。綜合上述方案，可以實現5G專線業務的低時延特性。

2.1、網絡結構調整

光信號在光纖中傳送的時延和光纖長度成正比。一般來說，光信號在1000km的光纖中傳輸的時延約為5ms。要想降低線路傳輸的時延，最直接的辦法就是縮短業務流的源節點和宿節點之間的距離，從而縮短光纖傳輸距離。于是，通過網絡結構調整來實現通信距離的縮短，可以降低光纖傳輸時延。網絡結構調整的示意圖如圖1所示。

圖1 網絡結構調整示意圖

通過5G網絡結構的調整，將5G網絡相關功能下沉到接入層，可以縮短光纖傳輸距離，從而降低時延。5G核心網用戶面功能可以下沉，流量就近轉發。5G承載網3層VPN也可以下沉，接入節點流量就近轉發。如此一來，可以大大縮短時延。

對于東西向流量而言，在4G網絡架構中，傳統的3層設備的部署位置一般在地市核心機房，基站之間的業務需要繞到地市核心機房進行轉發。對于5G網絡來講，互聯的復雜性對于橫向業務的需求進一步增加，基站間協同要求更高，基站之間的業務需求量更大。5G東西向流量的暴增驅動了網絡功能的下沉。通過將3層VPN下沉到接入層可以實現東西向流量就近轉發，從而縮短光纖傳輸距離，最終降低業務時延。

對于南北向流量而言，在5G網絡架構中，核心網的控制平面和用戶平面是分離的。通過下沉部分用戶平面的功能到接入層同樣可以降低南北向流量的傳輸線路轉發時延。將一些對時延要求比較高的業務網關部署在MEC上，同時MEC之間進行云化連接成池，可以就近進行資源獲取和業務的協同交互，相比4G業務通過上層核心網迂回的方式，更加高效便捷，時延更短。因此通過MEC下沉可以使得業務在接入層就近轉發，明顯地縮短光纖傳輸距離，從而大幅度降低信號的傳輸時延。

通過調整5G網絡架構，使得MEC和3層VPN下沉，經過掛表實驗進行時延統計，東西向傳輸時延可以從目前的1ms降低到100us，南北向傳輸時延從1ms降低到50us，可以有效縮短5G專線業務的時延。

2.2、FlexE快速1.5層轉發

5G專線業務的時延不但受光纖長度影響，還受設備轉發速度影響。5G網絡通用設備通過技術升級也可以進一步提高轉發速度，降低設備轉發時延。

傳統以太網是在源節點和宿節點的數據鏈路層和物理層之間進行封裝和解封裝來實現通信的。傳統以太網的轉發是發生在數據鏈路層的。靈活以太網技術（FlexE）可以實現數據鏈路層和物理層的解耦，將轉發層從數據鏈路層下降到1.5層，如圖2所示。

圖2 基于FlexE的1.5層快速轉發示意圖

利用FlexE在承載網絡中實現業務隔離和網絡分片可以避免業務擁塞，進而避免數據分組重傳造成的高時延。通過在以太網數據鏈路層和物理層之間的添加一個中間層，即FlexE shim層。shim層是基于時分復用來分發業務的，將多個客戶側接口的數據按照時隙方式分發調度到不同的子通道。正是由于FlexE新技術實現了MAC層和PHY層的解耦，從而使得FlexE轉發位于1.5層，近似于1層轉發，從而縮短了設備轉發時間。

由此，基于FlexE的1.5層比特塊交換，可以免去傳統IP轉發的成幀、封裝成數據分組、查表和緩存等過程，提供超低的設備轉發時延。經過掛表實驗進行時延統計，可將目前傳輸設備轉發時延從50us降低至1us，進一步降低了5G專線業務的時延，可以滿足5G業務URLLC場景對承載網超低時延的需求。

2.3、通過信道隔離降低時延

在4G時代，中國移動承載網采用的PTN技術，業務支持統計復用。業務之間的隔離采用的是軟管道軟隔離。同一隧道承載的不同業務會相互影響，爭搶帶寬。當網絡有流量沖突時，就會造成分組丟失重傳，從而提高了時延。5G時代，承載網采用SPN技術，結合FlexE技術可以實現業務隔離和網絡分片，具有帶寬靈活可調和數據硬隔離的特點。以100GE管道為例，通過FlexE shim中間層可以劃分為20個5G速率的子通道，每個客戶側接口可指定使用某一個或多個子通道，實現業務之間的信道硬隔離，防止業務相互爭搶帶寬，避免分組丟失重傳。

FlexE分片不同以往，它是基于時隙調度的。對于以太網物理端口來說，可以劃分為多個硬管道，每個硬管道內又具有以太網彈性。這樣可以使得網絡既具備類似于時分復用獨占時隙、隔離性好的特性，又具備以太網統計復用、網絡效率高的兩大特點，實現同一分片內業務統計復用。這樣一來，分片之間業務互不影響。FlexE分片相對于通過VPN實現的分片，隔離性更好，從技術上解決了業務相互爭搶帶寬的問題，實現了專用業務獨享專有的硬通道。通過時隙分片技術實現信道隔離，為低時延業務構建低時延專用通道，避免業務擁塞，從而降低時延。

基于FlexE轉發和信道隔離技術可以實現超低時延轉發。經過掛表時延進行時延統計，5G網絡通用設備單節點轉發時延降低至1us。對于5G超低時延URLLC的應用場景，應用SPN端到端的前傳、中傳以及回傳網絡組網方案，可以實現5G專線業務在信道層面的硬隔離，從而實現低時延的特性。

3 結束語

本文從URLLC應用場景對5G網絡時延低于1ms的要求入手，分析了5G專線業務低時延特性的影響因素，包括光纖傳輸距離、設備轉發時間和業務擁塞情況。通過網絡架構調整降低線路傳輸時延，通過FlexE的1.5層快速轉發降低設備轉發時延，通過SPN信道硬隔離提供專用通道。綜合上述技術方案，可有效實現5G專線業務超低時延的關鍵能力。未來的研究工作將是如何使得5G專線業務在具備低時延特性的同時具備高可靠性。

審核編輯：符乾江