浅谈5G移动网络的低时延的业务需求

目前明确提出低时延需求的业务有四类：第一是金融和电子交易类用户，特别是大家耳熟能详的从事期货等产品高频交易的电子交易类用户；第二是基于TCP协议的高清视频类业务，包括4K/8K高清视频直播和点播业务、高清视频会议、以及未来的虚拟现实（VR）等实时性要求极高的大带宽业务；第三是部分云业务，特别是虚机迁移、数据热备份和实时性要求比较高的云桌面、云支付等业务；第四是5G移动网络的传送承载业务，目前5G网络对传送承载层预留的时延指标非常苛刻，需要一些低时延传输新技术加以保障。

金融/交易类业务对低时延的极致需求

信息不对称是交易盈利的不二法则，时延越低，意味着你的信息比别人快，你的订单比别人先到达交易中心，你也就越容易盈利。在发达的金融和交易市场中（尤其是美国），高频交易（HFT: High Frequency Trading）或称为机器交易、算法交易已经兴起多年，交易品涵盖了期货、股票、外汇等多个领域。有统计数据显示,2009年HFT交易量在美国全国总交易量中的比例达到61%，2012这个数据攀升到70%，而英国在2011年甚至达到过77%。

早在2008年，美国咨询公司TABB Group给出的题为《The Value of a Millisecond: Finding the Optimal Speed of a Trading Infrastructure》的研究报告中就指出，对于一个在美国电子交易市场的交易公司而言，如果其交易系统处理时间（包括传输时延）比竞争对手慢5毫秒（ms），它将损失1%的利润，如果慢10ms，则损失扩大到10%。

图1：纽约至芝加哥微波中继电路时延性能示意图

“时间就是金钱”这句谚语在高频交易业务中充分显示的其现实意义，早在 2007年，Information Week杂志在一篇题为《Wall Street‘s Quest To Process Data At The Speed Of Light 》的报道中，就宣称在美国电子金融交易市场，1ms的时延优势的价值是1亿美元。2014年美国一家名为Virtue Financial的HFT公司准备上市前公开披露的报告显示其在过去5年共1278个交易日中，只有1个交易日是亏损的。

HFT的发展使得金融和电子交易公司对低时延的追求达到极致：一方面这些公司的服务器尽可能部署在交易机构（NYSE纽约股票交易所、NASDAQ 纳斯达克股票交易所、CME 芝加哥期货交易所等）的服务器附近，最好是相同的机房；另一方面，这些公司对低时延传输电路的追求也达到了白热化。

4K/8K/虚拟现实等业务的高吞吐量需求

TCP协议已经成为Internet主流，TCP的确认机制保证了可靠性，但也带来了吞吐量受限的问题，参见如下公式：TCP吞吐量受限于三个因素，带宽BW、往返时延RTT和丢包率ρ 。假设带宽足够，且良好的网络质量可以不考虑丢包率，则时延成为决定性因素。如果时延过大，客户体验带宽无法提升，此时仅提高带宽无法解决问题，形象的称之为“带宽黑洞”。

目前TCP协议包头表征拥塞窗口（CWND）大小是16位，因此CWND最大值是64K字节（65536 Bytes）；MSS（Maximum Segment Size）是最大段长度，一般是1460字节，传输网中一般可以假设丢包率为零，因此最后一项不需要考虑；假设带宽（BW）为10Gbps，单向时延10ms（往返时延RTT为20ms）；根据上述公式，TCP协议的最大吞吐量只有26.3Mbps，远低于网络带宽。

考虑到网络实际情况，业界通常认为4K/8K高清视频等实时大通量业务的吞吐量需要达到实际码流速率的1.5倍，才能保证业务质量。因此4K高清视频的吞吐量需求为30~45Mbps，按照上述公式计算，所能容忍的最大往返时延RTT 为12~17ms。

虽然业界也提出了一些新技术来解决TCP协议的滑动窗口受限问题，例如 RFC7323 将滑动窗口的总大小扩展为30bit（230=1073725440Bytes），应用层软件采用UDP传输或者多TCP线程也可以改善滑动窗口带来的吞吐量限制；但是这些解决方案需要网络整体的升级改造，短期内难以全面部署。基于现有的网络环境，降低时延是解决TCP协议滑动窗口受限问题的最直接和最有效的手段。IDC和CDN的部署需要考虑到4K/8K高清视频等高吞吐量业务的时延需求，合理部署。

实时性云业务的低时延需求

云计算、大数据、物联网等发展趋势使得越来越多的业务运行在云上，云已经成为通信网络无法回避的趋势，而作为云的物理载体——数据中心逐渐成为网络流量的核心，数据在数据中心内部以及数据中心之间(DCI)的迁移越来越频繁，我们称之为云通信业务。部分云通信业务有严格的实时性要求，此类业务也提出了低时延需求。

最典型的实时性云通信业务是虚拟机迁移，例如热迁移通常要求时延低于 10ms。此外，云数据热备份、云灾备、高通量协同计算等云通信业务也有着严格的实时性要求。

随着越来越多的上层业务迁移到云上，为了满足用户体验，同样也会对云承载网络提出严格的时延需求，例如云支付业务的最佳体验需要时延低于10ms、云桌面业务的最佳体验需要时延低于20ms，等等。

5G移动通信的低时延承载需求

5G目前处于起步阶段，提出了非常远大的愿景。ITU已将5G标准正式命名为 IMT-2020，我国IMT-2020(5G)推进组在2014年发布的题为《5G愿景与需求》白皮书中提出了5G的关键技术能力，包括：0.1~1Gbps的用户体验速率、每平方公里一百万的连接数密度、毫秒（ms）级的端到端时延、每平方公里数十Tbps的流量密度、每小时500公里（km）以上的移动性和数十 Gbps以上的峰值速率，参考图2。该白皮书明确了用户体验速率、连接数密度和时延等5G网络的三大基本性能指标。

图2：ITU-R M. 2083定义的IMT-2020(5G)关键能力指标

5G相对于4G/LTE，对时延的要求更加苛刻。在5G后续发展中，需要无线网络和承载网络的技术专家深入合作，制定更加明确和合理的时延指标，更好支撑5G的发展。

综上所述，随着电子交易、高清视频、云计算和未来5G等业务的发展，时延已经成为通信网络的重要性能指标，低时延也将成为未来运营商网络能力竞争的重要手段。在发达国家和国际市场的专线市场中，低时延电路已经是一个专门的产品门类，时延已成为各大运营商专线业务的重要SLA和差异化指标。

例如隶属澳大利亚电信（Telstra）的海缆公司PACNET就将其两个节点间的传输海缆专项按照时延性能分成低时延（Low Latency）、标准时延（Standard Latency）和尽力而为（Best Effort）三个等级，并提供差异化定价。塔塔电信（TATA Communications）于2012年宣布建成全球低时延网络，重点服务于全球的金融公司和高频交易公司。Verizon也专门成立了服务于金融公司的部门（VFN:Verizon Financial Network），并与2012年推出了纽约、新泽西、芝加哥六大金融和交易数据中心之间的专用低时延网络，其中最具有代表意义的CME芝加哥Cermak 路数据中心和新泽西Carteret 数据中心之间的传输专线双向时延是14.5ms，比普通电路减少了40%。

编辑：黄飞