NR 演進之路
1.2.3 高移動性需求的實作
1.2.4 低延遲時間需求的實作
NR 要求實作毫秒級的使用者面端到端時延，理想情況下端到端時延為 1ms，典型端到端時延約為 5～10 ms。注意此處對端到端時延的定義是，資料分組從離開源節點的應用層開始，直至抵達并被目标節點的應用層成功接收所經曆的時間長度。也即，端到端時延包含了多段路徑的傳輸時延以及對應轉發節點的處理時延。
典型 NR 網絡架構的端到端時延由空口、前傳、中傳和回傳多段路徑的傳輸時延，以及 UE、AAU、CU、DU 和 5GC 裝置各個節點的處理時延相加而成，如圖 1-16 所示。是以，NR 實作低延遲時間需要一系列技術的有機結合，而不能僅僅針對某一局部的時延進行單獨的優化。
1．低延遲時間的基本限制
為簡化分析，可将 NR 的端到端時延視由空口時延、承載網時延和核心網時延 3 段組成。
核心網時延主要是指核心網網元裝置的處理時延，具體與裝置的集中計算能力和處理能力等有關。實際上，此處出于簡化的目的，還規避了對核心網到應用伺服器的時延讨論，而這主要取決于核心網到伺服器的傳輸距離。由于網絡自身結構的複雜性，對網元裝置處理時延的優化難以對端到端時延起到量變的作用。因而，對核心網時延的優化更多的是關注核心網的“去中心化”，将核心網分離部署，使使用者平面簡化下沉，資料存儲和計算功能下移到網絡邊緣，進而降低延遲時間。
承載網時延與傳輸距離以及承載裝置的處理能力密切相關。對于光傳送網而言，光在媒介中的傳播時間與光速、距離和折射率相關，即有
其中，n 為光纖群折射率，一般取值在 1.467～1.468（1310～1550 nm）。c 為光速，L 為傳輸距離。可見，在傳輸距離一定的條件下，光纖傳輸時延無法優化。而對于承載裝置節點的處理時延，目前一般為 20～50 μs 量級，當優化到10 μs 以内或更低時，進一步優化的必要性已經不強。是以，對于承載網時延，其基本限制是源節點到目的節點的距離，以及傳輸路由中的轉發節點數量。
相比于核心網時延和承載網時延，空口時延的優化空間相對較大。以 LTE為例，圖 1-17 和圖 1-18 分别示出了 LTE 的上行傳輸時延和下行傳輸時延，不包括重傳時延。上下行傳輸時延主要由以下幾個部分組成。
-
排程請求。UE 在發送資料前須先發送排程請求（SR，Scheduling Requst），在收到 eNodeB 的排程授權（SG，Scheduling Grant）并得到上行傳輸資源後，UE 才可以向 eNodeB 端發送資料分組。此處産生的時延是，UE 必須嚴格等待下一個 PUCCH 資源才能夠發送 SR；eNodeB 收到 SR 控制資訊，引入了 SR 解碼時延；eNodeB 經過排程和配置設定資源，決定允許使用者進行上行傳輸并回報 SG；
UE 收到 SG 相應引入了 SG 解碼時延，然後才可以在 PUSCH 傳輸上行資料。
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随機接入。如果 UE 上行定時未對齊，則需要通過随機接入來進行初始的定時對齊。eNodeB 通過向 UE 發送定時提前指令來完成定時對齊，但是經過一個去激活周期，可能會停止發送定時提前指令，是以，在 RRC 連接配接态下，随機接入的周期也會影響到時延。随機接入過程也可以用于發送 SR，此時不需要
PUCCH 資源發送 SR。
- TTI（Transmission Time Interval）。LTE 的各種信令（包括請求、排程）以及資料傳輸，都是基于 1 ms 的子幀，是以，TTI 是 UE 和 eNodeB 間每個分組交換時延的來源。
- 處理時延。UE 和 eNodeB 需要對資料和控制信令進行處理，例如調制、解調。資料的處理時延（Processing Time）和傳輸塊（TB，Transport Block）的大小正相關，而控制信令的處理時延與 TB 的大小沒有太大關系。
- HARQ RTT。對于 LTE FDD，在上行方向，n 子幀發送的資料在 n+4 子幀進行 HARQ 回報，在 n+8 子幀進行重傳，是以，上行 HARQ RTT 為 8 ms；在下行方向，由于采用異步重傳，RTT 未詳細規定，n 子幀發送的資料可以在n+4 子幀進行 HARQ 回報，在 n+8 或者之後的子幀進行重傳。對于 LTE TDD，HARQ RTT 和 TDD 的配置有關，這是由于在 TDD 中，上下行子幀的數目是不連續的，也并非一一對應的關系。例如，eNodeB 在 n 子幀接收到錯誤資料後，在 n+4 子幀的位置可能不存在下行子幀，因而 eNodeB 需要多等待一段時間，才有可能排程到相應的下行 HARQ 程序。
1-3 和表 1-4 給出了在不考慮重傳時延的條件下，LTE（R8/R9）典型的上下行空口時延。當 SR 排程周期為 10 ms 時，上行傳輸時延平均為 17 ms；當SR 排程周期為 5 ms 時，上行傳輸時延平均為 12.5 ms，下行傳輸時延平均為7.5 ms。由此也可見，LTE 使用者面傳輸時延遠遠超過 NR 毫秒級的低延遲時間要求。
由上述 LTE 上下行傳輸時延的分析可知，資料傳輸資源請求等待時間、資料傳輸時長、資料處理時間以及回報時間都是影響空口時延的主要因素，可針對實體層和 MAC 層協定進行優化，擷取較大的時延性能提升。
2．低延遲時間的實作思路
結合前面的讨論，低延遲時間的實作需要一系列有機結合的技術應用，一方面盡可能地減少轉發節點，并縮短源節點到目的節點的距離；另一方面通過底層協定的優化大幅度降低空口傳輸時延。針對前者，主要有邊緣計算、核心網功能下沉、CU/DU 分離等解決思路；針對後者，則提出了時隙聚合、EAI 機制、上下行異步 HARQ 等技術方案。
（1）邊緣計算。
在不考慮空口時延、多重彙聚和轉發時延以及擁塞和抖動等的前提下，即網絡内部時延為 0 時，根據式（1-17）可知，資料分組在 1 ms 端到端時延的條件限制下，往返的最大傳輸距離不能超過 100 km。這僅僅相當于地市級别的排程範圍，而将核心網功能和應用伺服器整體下沉至市區一級明顯不夠現實。因而，NR 必須考慮讓使用者就近通路的方法。多接入邊緣計算（MEC，Multi-AccessEdge Computing）通過在無線接入網側部署通用伺服器，為無線接入網提供 IT和雲計算能力，使業務本地化、使用者就近通路的訴求具備了實作條件。
以視訊監控和智能分析場景為例，如圖 1-19 所示。傳統網絡中視訊監控的所有資料都需要回傳到網絡伺服器，而監控視訊的回傳流量通常較大，且大部分畫面是靜止不動或無價值的。這種方式往往計算量大、耗費資源且往返時延較長。而通過在基站側部署 MEC 伺服器并加載視訊管理應用，可将捕捉到的視訊流進行轉碼和就地儲存，以節省傳輸資源。同時，視訊管理應用還可對視訊内容進行分析和處理，對監控畫面有變化的片段或者出現預配置事件的片段進行回傳，計算量大幅減少。
（2）核心網功能下沉。
與 MEC 下沉的思路相對應，核心網功能也要求盡可能在地理位置上靠近使用者。NR 核心網可以進一步将控制面功能（CPF）和使用者面功能（UPF）分離，統一的 CPF 部署在省幹或大區的核心機房或資料中心（DC，Data Center），實作集中管控營運，分布式的 UPF 則根據業務需求，分布式部署在省幹核心 DC、本地 DC 或者邊緣 DC。其中，部署在邊緣 DC 的 UPF 可以與 MEC 平台融合，進行本地分流，以滿足低延遲時間業務的需求。
（3）CU/DU 分離。
将 NR BBU 功能重構為集中單元（CU，Centralized Unit）和分布單元（DC，Distributed Unit）兩個功能實體，如圖 1-20 所示。CU 和 DU 功能的切分通過處理内容的實時性進行區分。CU 主要負責非實時性的無線高層協定棧功能，同時也支援部分核心網功能下沉和邊緣應用業務的部署。而 DU 主要處理實時性要求較高的實體層和層二功能。
在低延遲時間業務場景下，DU 可以下沉部署，甚至與 AAU 合設，實作實時性功能的本地化處理。
上述幾類方案主要是針對回傳時延的解決思路，如前所述，空口時延的優化空間相對更大。但是空口時延的降低是一個系統性工程，可以考慮從縮短 TTI以減小等待及響應時延、增強 HARQ 以降低可能的重傳時延、簡化控制信道以降低 UE 解碼複雜度進而減小處理時延等方面進行組合優化。以下僅簡要介紹幾類關鍵技術、排程政策或優化機制。
（4）時隙聚合。
相對 LTE 每毫秒每子幀排程一次的機制（TTI =1 ms），NR 引入了時隙聚合（Slot Aggregation）機制，即在 NR 中的排程周期可以靈活變動，且一次可以排程多個時隙，以适應不同的業務需求，降低無線傳輸時延，如圖 1-21 所示。
（5）EAI 機制。
當 NR 多業務，尤其是 eMBB 和 uRLLC 業務共存時，必須設計合理的資源複用機制以保證 uRLLC 的實時可靠傳輸。
我們注意到，eMBB 業務由于資料分組通常較大，傳輸速率要求高，通常采用較大的時域排程單元進行資料傳輸。而 uRLLC 資料分組較小，且為了保證超短時延傳輸的要求，通常采用較小的時域排程單元。是以，eMBB 和 uRLLC業務共存時，uRLLC 的業務特性會影響空口資源的配置設定方式。如果采用預占資源的方式為 uRLLC 配置設定資源，則由于 uRLLC 的突發傳輸和小資料分組特性，在大部分無 uRLLC 資料傳輸的周期，會造成極大的資源浪費。如果采用頻分複用的方式為 uRLLC 配置設定資源，則由于 eMBB 和 uRLLC 業務的時域排程粒度差異很大，會造成資源配置設定複雜度的提高。
鑒于上述原因，NR 采用了 EAI（Embed Air Interface）機制來實作 uRLLC業務對 eMBB 所占用資源的打孔，借此保障 uRLLC 對時延的敏感要求。如圖 1-22 所示，當 uRLLC 業務資料到達 gNB 時，如果此時無可排程的空閑時頻資源，由于 uRLLC 業務對時延敏感，無法等待 eMBB 正常傳輸完成後再進行排程，此時 gNB 會對目前已配置設定給 eMBB 業務的時頻資源的部分或者全部進行打孔，交由 uRLLC業務進行資料傳輸。一旦 eMBB 資源被打孔，gNB 會通過搶占訓示（PI，Preemption Indication）通知對應的 UE，以免 UE 将該時頻資源上的資料全部接收，并且由于接收資料中含有 uRLLC 使用者資料而造成譯碼錯誤，進而導緻重傳。
需特别說明的是，上述的 EAI 機制目前僅對下行 eMBB 和 uRLLC 業務共存場景适用。對于上行 eMBB 和 uRLLC 業務共存場景，R15 暫時未予以支援，需要在後續演進的版本進一步研究。
（6）異步 HARQ。
在 LTE 中，上行鍊路采用同步 HARQ，如圖 1-23 所示，可以使用自适應或非自适應模式。下行鍊路采用自适應的異步 HARQ，如圖 1-24 所示。
同步 HARQ 是指 HARQ 程序号不需要傳輸，依據時間關系接收端即可判斷出相應的程序号。異步 HARQ 是指一個 HARQ 程序的傳輸可以發生在任意時刻，接收端預先不知道傳輸的發生時刻，是以，HARQ 程序的處理序号需要連同資料一起發送。相對同步 HARQ，異步 HARQ 信令開銷較大，但是為排程和資源配置設定提供了更多的靈活性。
自适應 HARQ（Adaptive HARQ）意味着可以改變重傳所使用的 PRB 資源以及調制與編碼政策（MCS，Modulation and Coding Scheme）。非自适應 HARQ（Non-adaptive HARQ）意味着重傳必須與前一次傳輸（新傳或前一次重傳）使用相同的 PRB 資源和 MCS。
在 NR 中，為了縮短重傳時延，上下行鍊路均采用自适應的異步 HARQ 機制。這樣，gNB 可以根據 MCS 靈活選擇 HARQ 排程。例如，對于靠近 gNB 且時延敏感的使用者，可以選擇上下行單 TTI 排程，以減少等待重傳的時間。而對于遠離 gNB 且上行發射功率受限的使用者，可以選擇下行單 TTI、上行多 TTI 聚合進行排程，以提高傳輸的可靠性。
除上述讨論的方案外，NR 還通過靈活自适應的 Numerology、自包含時隙、上行免排程傳輸等機制的設計來實作空口時延的縮短，具體内容将在後續章節讨論。
1.2.5 大連接配接需求的實作