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%。

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