關(guān)于5G時(shí)延的深度解讀，非常詳盡！

導(dǎo)讀：我們來(lái)聊一聊5G的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，也就是5G的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間。

今天，我們來(lái)聊一聊5G的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，也就是5G的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間。

▋ 網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間的定義

單向延遲

單向延遲指的是信息從發(fā)送方傳到接收方的所花費(fèi)的時(shí)間。

單向時(shí)間延遲

雙向延遲

雙向延遲(Round Trip Time, RTT)，指的是信息從發(fā)送方到達(dá)接收方，加上接受方發(fā)信息給發(fā)送方所花費(fèi)的總時(shí)間。雙向延遲在工程中更加常見(jiàn)，因?yàn)槲覀兛梢灾辉谛畔l(fā)送方或者接收方的其中一方就可以測(cè)量到雙向延遲(利用ping等工具)。

雙向時(shí)間延遲

用戶(hù)面時(shí)延

5G網(wǎng)絡(luò)的1毫秒時(shí)間延遲，最初是由ITU IMT-2020 M.2410-0 (4.7.1)關(guān)于IMT-2020系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最小需求中提到的。其適用的范圍是URLLC(Ultra reliable and low latency communication)超可靠且超低的時(shí)延業(yè)務(wù)，這里的時(shí)延是針對(duì)用戶(hù)面時(shí)延。用戶(hù)面時(shí)延，是指我們平時(shí)使用手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲，區(qū)別于控制面時(shí)延：手機(jī)注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)或者狀態(tài)轉(zhuǎn)換經(jīng)過(guò)的信令流程所花費(fèi)的時(shí)間(控制面時(shí)延不做討論)。另外，1毫秒指的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空中接口(手機(jī)和基站之間，不包括核心網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))的雙向延遲時(shí)間。

明確了討論的范圍(無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空中接口的雙向用戶(hù)面時(shí)間延遲)，接下來(lái)真正進(jìn)入正題：網(wǎng)絡(luò)空中接口的時(shí)間延遲是如何一步步降下來(lái)的。

▋ 4G網(wǎng)絡(luò)延遲

4G網(wǎng)絡(luò)(注：本文中提到的4G特指LTE網(wǎng)絡(luò))是從2004年開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化，2009年開(kāi)始商用網(wǎng)絡(luò)部署，到現(xiàn)在已經(jīng)歷經(jīng)了10余年的時(shí)間，是最成功的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之一，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛部署。最初的4G網(wǎng)絡(luò)，主要關(guān)注的業(yè)務(wù)和應(yīng)用是MBB(Mobile broad band)移動(dòng)帶寬業(yè)務(wù)。通俗的講就是提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量，更快的上網(wǎng)速度。從最初的3GPP release8 到 release13一直是沿著這條路走，標(biāo)準(zhǔn)定義的峰值速率從300Mbps到25Gbps(載波聚合，MIMO，高階調(diào)制方式)。當(dāng)我們?cè)谒俾矢爝@條路走得越來(lái)越遠(yuǎn)，才發(fā)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延水平也需要改善，時(shí)延還會(huì)從側(cè)面影響下載的速率，謹(jǐn)慎地評(píng)估了LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，空中接口的時(shí)間延遲是未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化組織重點(diǎn)關(guān)注的研究對(duì)象。而在當(dāng)時(shí)，LTE網(wǎng)絡(luò)的延遲狀況是接近20ms左右的雙向時(shí)延。(理論延遲時(shí)間，實(shí)際根據(jù)無(wú)線環(huán)境情況一般會(huì)更長(zhǎng))

LTE網(wǎng)絡(luò)空中接口上下行時(shí)延基線

上圖描述了LTE空中接口的上行(從終端到基站)和下行(從基站到終端)時(shí)延。上行時(shí)間延遲上行時(shí)間延遲(從手機(jī)到基站)：當(dāng)手機(jī)有一個(gè)數(shù)據(jù)包需要發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)，需要向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起無(wú)線資源請(qǐng)求的申請(qǐng)(Scheduling request, SR)，告訴基站我有數(shù)據(jù)要發(fā)啦!基站接收到請(qǐng)求后，需要3毫秒時(shí)間解碼用戶(hù)發(fā)送的調(diào)度請(qǐng)求，然后準(zhǔn)備給用戶(hù)調(diào)度的資源，準(zhǔn)備好了之后，給用戶(hù)發(fā)送信息(Grant)，告訴用戶(hù)在某個(gè)時(shí)間某個(gè)頻率上去發(fā)送他想要發(fā)送的數(shù)據(jù)。用戶(hù)收到了調(diào)度信息之后，需要3毫秒時(shí)間解碼調(diào)度的信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站?；臼盏接脩?hù)發(fā)送的信息之后需要3毫秒的時(shí)間解碼數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)的傳送工作。整個(gè)時(shí)間計(jì)算下來(lái)是12.5ms。下行時(shí)間延遲下行時(shí)間延遲(從基站到手機(jī))：當(dāng)基站有一個(gè)數(shù)據(jù)包需要發(fā)送到終端，需要3毫秒時(shí)間解碼用戶(hù)發(fā)送的調(diào)度請(qǐng)求，然后準(zhǔn)備給用戶(hù)調(diào)度的資源，準(zhǔn)備好了之后，給用戶(hù)發(fā)送信息，告訴用戶(hù)在某個(gè)時(shí)間某個(gè)頻率上去接受他的數(shù)據(jù)。用戶(hù)收到了調(diào)度信息之后，需要3毫秒時(shí)間解碼調(diào)度的信息并接收解碼數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)的傳送工作。

整個(gè)時(shí)間計(jì)算下來(lái)是7.5ms。所以總共的雙向時(shí)延是12.5ms+7.5ms = 20ms。詳細(xì)的時(shí)間延遲組成請(qǐng)參考3GPP 36.881 Study on latency reduction techniques for LTE(5.2.1)

LTE上行時(shí)間延遲組成(Source:3GPP 36.881 Study on latency reduction techniques for LTE)

LTE下行時(shí)間延遲組成(Source:3GPP 36.881 Study on latency reduction techniques for LTE)

從20毫秒開(kāi)始，到1毫秒要走過(guò)怎樣的路?當(dāng)LTE標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP意識(shí)到網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲是一個(gè)問(wèn)題，而且具有很大的潛在提升的時(shí)候，相關(guān)的工作拉開(kāi)了序幕。時(shí)間來(lái)到了2015年，3月初，中國(guó)上海，乍暖還寒，在3GPP RAN 67 次會(huì)議上，終于迎來(lái)了關(guān)于減少LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲的研究項(xiàng)目(SI)立項(xiàng)(RP-150465 New SI proposal: Study on Latency reduction techniques for LTE)。本次研究項(xiàng)目的立項(xiàng)旨在減小LTE網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲，因?yàn)樵诖艘郧癓TE網(wǎng)絡(luò)一直向著速率更快的方向在發(fā)展，但是網(wǎng)絡(luò)的延遲水平一直沒(méi)有得到改善，而研究發(fā)現(xiàn)用戶(hù)面網(wǎng)絡(luò)延遲的改善能夠提升網(wǎng)絡(luò)的速率瓶頸(因?yàn)門(mén)CP的慢啟動(dòng)效應(yīng)，改善TCP握手的時(shí)延，從而提升網(wǎng)絡(luò)的速率)，而且能夠更好地支持更多對(duì)于時(shí)延要求特別高的應(yīng)用，比如：VR，實(shí)時(shí)游戲，VoIP，視頻會(huì)議等等。

改善LTE無(wú)線時(shí)延水平以支持更多的應(yīng)用 (Source: Ericsson, Joachim Sachs: 5G Ultra-Reliable and Low Latency Communication, IEEE cscn2017)

有了提升的意愿，通過(guò)什么方式提升?要解決一個(gè)問(wèn)題，需要全面的了解問(wèn)題本身。網(wǎng)絡(luò)延遲的組成LTE網(wǎng)絡(luò)空中接口的用戶(hù)面網(wǎng)絡(luò)延遲主要由以下及部分組成：資源調(diào)度請(qǐng)求和指派(Grant acquisition)，傳輸時(shí)間間隔(Transmission time interval)，終端和基站的數(shù)據(jù)包以及信令處理時(shí)間(Processing)，混合重傳來(lái)回時(shí)間(HARQ RTT)。經(jīng)過(guò)研究，終端和基站的數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間根據(jù)數(shù)據(jù)包的大小時(shí)間不同，這塊時(shí)延很難大幅度改善，主要的提升方向放在了前兩部分：資源調(diào)度請(qǐng)求和指派(Grant acquisition)，傳輸時(shí)間間隔(Transmission time interval)，同時(shí)這兩部分也是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)延遲改善的方向。資源調(diào)度請(qǐng)求和指派終端在需要傳送上行數(shù)據(jù)的時(shí)候需要先給基站發(fā)送資源調(diào)度請(qǐng)求，然后基站才會(huì)分配相關(guān)的資源給終端，終端收到相應(yīng)的指派信令后再在相關(guān)的資源上去發(fā)送上行的數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程下來(lái)，從手機(jī)有發(fā)送數(shù)據(jù)的意愿到真正開(kāi)始向基站傳數(shù)據(jù)，花了8.5ms，相對(duì)于整個(gè)上行的單向時(shí)延12.5ms來(lái)說(shuō)，是相當(dāng)大的一部分時(shí)間延遲。所以研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了怎樣使用戶(hù)不用通過(guò)上行資源的請(qǐng)求流程，直接就能想發(fā)送數(shù)據(jù)就發(fā)送數(shù)據(jù)?傳輸時(shí)間間隔傳輸時(shí)間間隔，是網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)，請(qǐng)求的最小時(shí)間單位，在LTE中傳輸時(shí)間間隔等于1毫秒，也就是一個(gè)無(wú)線子幀。如何縮小傳輸?shù)臅r(shí)間間隔也是改善時(shí)延的研究重點(diǎn)。如何改善LTE網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延?對(duì)于資源調(diào)度請(qǐng)求和指派這個(gè)方向，在LTE release 14以前，設(shè)備廠家普遍采用預(yù)調(diào)度(Pre-scheduling)的方式來(lái)改善延遲，這種辦法的主要思想在于：基站周期性的給終端用戶(hù)分配好相應(yīng)的無(wú)線資源，終端在有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候直接就能在預(yù)先分配好的無(wú)線資源上發(fā)送，無(wú)需再向網(wǎng)絡(luò)側(cè)請(qǐng)求資源，所以減少了整個(gè)資源請(qǐng)求流程的時(shí)間。但是這種辦法有一些缺點(diǎn)：不管終端用戶(hù)是否使用預(yù)先調(diào)度的無(wú)線資源，始終會(huì)分配給用戶(hù)。造成了寶貴無(wú)線資源的浪費(fèi)。終端用戶(hù)在接收到無(wú)線資源調(diào)度后，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，始終會(huì)使用已經(jīng)分配的無(wú)線資源上傳填充數(shù)據(jù)(padding data)，這樣會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的干擾水平抬升，影響了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。而且手機(jī)的耗電量也增加了。

LTE預(yù)調(diào)度(Pre-scheduling)

似乎探索有了方向。。。光陰如梭，整整一年后，2016年3月初，瑞典哥德堡，3GPP RAN 71 次會(huì)議，關(guān)于真正網(wǎng)絡(luò)延遲減少工作立項(xiàng)了(RP-160667 L2 latency reduction techniques for LTE)，此次工作項(xiàng)目的立項(xiàng)標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)延遲減少工作的正式開(kāi)啟。所要著手解決的主要集中在改善上行的網(wǎng)絡(luò)延遲，而解決問(wèn)題的思想是和預(yù)調(diào)度類(lèi)似的半靜態(tài)調(diào)度，提前為終端周期性的分配好相關(guān)的無(wú)線資源，用戶(hù)在需要傳送上行數(shù)據(jù)的時(shí)候直接使用已經(jīng)預(yù)先分配好的資源，無(wú)需再進(jìn)行資源請(qǐng)求流程。而在這個(gè)版本中引入了更短的半靜態(tài)調(diào)度周期，低至一毫秒，從而能進(jìn)一步改善時(shí)間延遲。同時(shí)針對(duì)預(yù)調(diào)度中分配了無(wú)線資源終端就得發(fā)送數(shù)據(jù)的問(wèn)題(造成網(wǎng)絡(luò)干擾和電量消耗)，通過(guò)Release 14標(biāo)準(zhǔn)的改善，使用戶(hù)即使分配了無(wú)線資源，也可以不發(fā)送填充數(shù)據(jù)。至此，上行的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲大大減少。根據(jù)仿真的結(jié)果，LTE空中接口雙向傳輸時(shí)延降至約8ms。

更短的半靜態(tài)調(diào)度周期

上行不用發(fā)送Padding數(shù)據(jù)手機(jī)的能耗也下降了約10%。

時(shí)延減少的同時(shí)對(duì)手機(jī)耗電量的改善(Source: 3GPP R2-153490 L2 enhancements to reduce latency)

同時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的改善也從側(cè)面提升了終端的速率約30%-40%。

時(shí)延減少的同時(shí)對(duì)終端速率提升(Source: 3GPP R2-153490 L2 enhancements to reduce latency, Ericsson)但是，真的這樣就足夠了嗎?No，通信人止于至善。以上只是解決問(wèn)題的其中一個(gè)角度，針對(duì)另一個(gè)角度改善傳輸間隔時(shí)間能做點(diǎn)什么?3個(gè)月后，又又又開(kāi)會(huì)了，韓國(guó)釜山，RAN 72次會(huì)議，立項(xiàng)了關(guān)于從改善LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸間隔時(shí)間從而減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的工作(RP-161299 New Work Item on shortened TTI and processing time for LTE)，改善的方法得從LTE的無(wú)線幀結(jié)構(gòu)說(shuō)起。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)是時(shí)間和頻率資源，終端在分配的時(shí)間和頻率上發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在通信的世界里，時(shí)間的單位很短很短，一個(gè)LTE幀是10毫秒，可以分為10個(gè)子幀，每個(gè)子幀1毫秒，這就是網(wǎng)絡(luò)最小可以調(diào)度的時(shí)間單位：1毫秒。1個(gè)子幀還可以分為兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙還可以分為7個(gè)符號(hào)，至此，終于分完。

Short transmission time interval (sTTI) 減少傳輸時(shí)延

以前LTE網(wǎng)絡(luò)每次的傳輸時(shí)間間隔是固定一個(gè)子幀=1毫秒，上圖紅色部分是控制信道，用于傳輸無(wú)線資源指派等信令，綠色部分是下行數(shù)據(jù)信道，用于傳輸數(shù)據(jù)。本次工作要做的是將傳輸時(shí)間間隔從子幀級(jí)別(1ms)降低至符號(hào)級(jí)別(1/14 ms)，最小的調(diào)度間隔根據(jù)情況可以選擇3/2個(gè)符號(hào)(3/14ms, 2/14ms)，7個(gè)符號(hào)(7/14ms)，具體的子時(shí)隙(subslot)細(xì)分方式如下圖。從而又進(jìn)一步降低了整個(gè)LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空口的時(shí)延。

4G LTE sTTI 上下行可選配置方式(Source: URLLC Services in 5GLow Latency Enhancements for LTE, Thomas Fehrenbach, Rohit Datta)

在LTE release 15中，還降低了處理(procession)時(shí)間(收到上行資源grant到上行傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間，以及從收到下行指派到反饋HARQ ACK/NACK指示的時(shí)間)，以前需要4ms，降至了3ms。

R15 處理時(shí)間的減少?gòu)?n+4 到 n+3 ms(Source: 3GPP TR 21.915 Summary of Rel-15 Work Items)

2018年，到LTE release 15時(shí)，所有的大招都用上，LTE的網(wǎng)絡(luò)延遲理論上可以降至雙向2.7毫秒(下行0.7毫秒+上行2.0毫秒)

LTE用戶(hù)面時(shí)延(Source: URLLC Services in 5GLow Latency Enhancements for LTE, Thomas Fehrenbach, Rohit Datta) 

至此，LTE的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)延遲改善到頭了。那么夢(mèng)寐以求的一毫秒時(shí)間延遲怎么實(shí)現(xiàn)?剩下的使命需要5G來(lái)完成。

▋ 5G網(wǎng)絡(luò)延遲

和人一樣，一項(xiàng)技術(shù)也有自己的命運(yùn)，LTE從應(yīng)運(yùn)而生到如今的如日中天已經(jīng)走過(guò)了10多個(gè)春秋，正如之前在另一個(gè)問(wèn)題中討論的從專(zhuān)業(yè)角度講，為什么需要開(kāi)展 5G 而不是繼續(xù)提升 4G?因?yàn)?G LTE從出生伊始已經(jīng)注定了其時(shí)間延遲的下限，而這個(gè)下限如今也已經(jīng)被我們觸摸到了。下一步需要我們轉(zhuǎn)向一項(xiàng)延遲下限更低的技術(shù)去找尋極限。5G是站在巨人(4G)的肩膀上誕生的，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就將網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲的特性考慮了進(jìn)來(lái)，成為5G需求的一部分: URLLC(Ultra reliable and low latency communication)超低的時(shí)延和超高可靠的通信以支持對(duì)時(shí)延和可靠性要求極高的行業(yè)應(yīng)用，比如智能工廠，遠(yuǎn)程手術(shù)，自動(dòng)駕駛等等。這部分的需求在5G的第一個(gè)版本Release 15中滿足了一部分。關(guān)于超低的時(shí)延：1ms的無(wú)線空中接口雙向傳輸時(shí)延是怎么一步步實(shí)現(xiàn)的呢?

5G URLLC滿足極低時(shí)延極高可靠業(yè)務(wù)(Source: Ericsson, Joachim Sachs: 5G Ultra-Reliable and Low Latency Communication, IEEE cscn2017)

2016年，3GPP開(kāi)始了5G的需求分析和研究項(xiàng)目，為了滿足ITU所設(shè)置的URLLC極高的可靠性和極低的時(shí)延要求，在5G的需求研究項(xiàng)目TR38.913 Study on scenarios and requirements for next generation access technologies 中的用戶(hù)面KPI中針對(duì)URLLC業(yè)務(wù)用戶(hù)面時(shí)延定義了上行0.5ms和下行0.5ms的要求，加起來(lái)正好是1ms的雙向時(shí)延。需求的定義明確了，接下來(lái)進(jìn)入了研究如何實(shí)現(xiàn)技術(shù)需求的階段，2016年3月，3GPP TSG RAN 71次會(huì)議通過(guò)了 TR38.912 Study on New Radio (NR) access technology ，這項(xiàng)研究工作致力于提出可行的無(wú)線技術(shù)來(lái)滿足ITU-2020制定的5G需求。而從研究項(xiàng)目伊始，URLLC就做為一項(xiàng)不可缺少的5G需求被考慮進(jìn)來(lái)。從2016年的研究項(xiàng)目開(kāi)始到2018年中第一版本5G標(biāo)準(zhǔn)(release 15 NSA&SA)的出爐，低時(shí)延的設(shè)計(jì)貫穿了整個(gè)5G無(wú)線系統(tǒng)，我們就從用戶(hù)面的每個(gè)層(物理層PHY，媒體接入控制層MAC，無(wú)線鏈路控制層RLC)看看為了實(shí)現(xiàn)1ms的目標(biāo)都做了怎樣的努力。物理層5G中物理層的主要作用是：編解碼，調(diào)制/解調(diào)，多天線映射等。雖然本回答主要討論的是低時(shí)延的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，但是低時(shí)延是與URLLC的另一部分需求：極高的可靠性(99.999%)被共同捆綁在一起的。如果單單考慮低時(shí)延會(huì)比低時(shí)延高可靠簡(jiǎn)單很多，因?yàn)橐獫M足極高的可靠性慣常采用更多的控制信令開(kāi)銷(xiāo)，重傳，冗余，這些手段往往會(huì)提升時(shí)間延遲的水平。所以如何在保證可靠性的同時(shí)改善時(shí)延水平在物理層的設(shè)計(jì)中是難上加難。5G物理層用了哪些手段來(lái)改善時(shí)延呢?

5G用戶(hù)面協(xié)議層

包結(jié)構(gòu)(Packet structure)在4G LTE的時(shí)延分析中提到過(guò)的系統(tǒng)處理時(shí)間在時(shí)延中所占的分量比較大，而且改善較為不易。這部分時(shí)延包括了接收包，獲取控制信息，調(diào)度信息，解調(diào)數(shù)據(jù)，以及錯(cuò)誤檢測(cè)。在4G LTE中是采用下圖左側(cè)這種方形的包結(jié)構(gòu)，傳輸?shù)男畔⒎譃槿糠郑瑢?dǎo)頻信息(Pilot)，控制信息(control information)，以及數(shù)據(jù)(data)。這種設(shè)計(jì)方式被廣泛的用來(lái)對(duì)抗信道衰落。但是在5G中URLLC包采用的是下圖右側(cè)這種設(shè)計(jì)方式，導(dǎo)頻信息，控制信息，以及數(shù)據(jù)依次在時(shí)域上排列，這樣做的好處是信道估計(jì)，控制信道解碼，數(shù)據(jù)的獲取可以串行的進(jìn)行，通過(guò)這樣的方式這樣減少了處理時(shí)間。

4G LTE和5G URLLC包結(jié)構(gòu)對(duì)比 (Source: Ultra Reliable and Low LatencyCommunications in 5G Downlink: PhysicalLayer Aspects)

從手機(jī)收到資源分配(Grant)指令到數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間要求如下，中間部分是5G不同子載波間隔(Subcarrier Spacing)配置下的不同要求：

從手機(jī)收到資源分配(Grant)指令到數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間要求(Source: NR: the next generation wireless access technology by ErikDahlman, JohanSkold, StefanParkvall, Ericsson)

信道編碼

4G LTE采用Turbo和Simple code來(lái)編解碼數(shù)據(jù)達(dá)到無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?。?G中使用的是LDPC和Polar碼來(lái)提升數(shù)據(jù)和控制信道的編解碼效率，經(jīng)過(guò)編碼界研究的不懈努力，編解碼的性能和計(jì)算復(fù)雜度的提升對(duì)于降低時(shí)延也有所幫助。更短的傳輸時(shí)間間隔(可變的Numerology)從更短的時(shí)間間隔這點(diǎn)說(shuō)5G是天生麗質(zhì)一點(diǎn)都不為過(guò)，LTE規(guī)定的一個(gè)子載波(傳送信息的最小頻域單位)是15KHz，時(shí)間域是1ms (正常情況下)。5G所需要支持的頻率范圍非常廣，中低頻從450MHz~6000MHz(FR1)，高頻從24.25GHz~52.6GHz(FR2)。高頻意味著更高的相位噪聲，所以需要設(shè)計(jì)更加寬的子載波間隔來(lái)抵御相位噪聲的干擾。更寬的子載波間隔，意味著時(shí)域上更短的時(shí)隙，更短的傳輸時(shí)間間隔，我們?cè)?G LTE時(shí)代千方百計(jì)想要降低的傳輸時(shí)間間隔在5G時(shí)代只需要使用更高的頻段，更寬的子載波間隔就輕而易舉的降低了。而且根據(jù)不同的頻段可以選擇從15KHz, 30KHz 到120KHz的子載波間隔，可以簡(jiǎn)單的理解為，5G 子載波間隔相比于LTE 15KHz增加了多少倍，那么在時(shí)域上的傳輸時(shí)間間隔就減少相應(yīng)的倍數(shù)。

頻域子載波間隔成倍增加，時(shí)域符號(hào)時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)倍數(shù)減少(Source: Ultra Reliable and Low LatencyCommunications in 5G Downlink: PhysicalLayer Aspects)

不同子載波間隔(sub-carrier spacing)對(duì)應(yīng)的無(wú)線幀結(jié)構(gòu)

微時(shí)隙調(diào)度(Mini-slot)微時(shí)隙調(diào)度繼承了LTE中減小傳輸時(shí)間間隔(subslot)的設(shè)計(jì)理念，將最小的傳輸時(shí)間間隔由子幀拓展到了符號(hào)上。第一優(yōu)先級(jí)最小的調(diào)度間隔根據(jù)情況可以選擇2個(gè)符號(hào)，4個(gè)符號(hào)，7個(gè)符號(hào)。下圖是一個(gè)下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖纠?，?shù)據(jù)包到達(dá)了基站，基站經(jīng)過(guò)4個(gè)符號(hào)的處理以及等待合適的sPDCCH時(shí)間，隨后通過(guò)兩個(gè)符號(hào)的微時(shí)隙調(diào)度將數(shù)據(jù)傳輸給用戶(hù)。

下行微時(shí)隙調(diào)度

MAC(媒體接入控制)層MAC的作用是多路邏輯信道的復(fù)用，HARQ(混合重傳)，以及調(diào)度相關(guān)的功能。關(guān)于時(shí)延的改善的技術(shù)在MAC層有：異步HARQ(異步混合重傳)當(dāng)無(wú)線環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題等原因造成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯(cuò)，在MAC層會(huì)由HARQ功能來(lái)發(fā)起重新傳輸流程，在LTE中，HARQ的時(shí)間間隔(從收到數(shù)據(jù)到發(fā)送反饋給發(fā)送方是否正確接收信息指令)是固定的(FDD，TDD根據(jù)子幀結(jié)構(gòu)變化)。而在5G中，HARQ的時(shí)間間隔是動(dòng)態(tài)指派的，更加的靈活，也符合低時(shí)延的設(shè)計(jì)要求。5G與4G HARQ流程時(shí)間對(duì)比：

5G與4G LTE HARQ時(shí)延對(duì)比(Source: NR: the next generation wireless access technology by ErikDahlman, JohanSkold, StefanParkvall, Ericsson)

上行免調(diào)度傳輸 (Grant free transmission)和4G LTE一樣，5G可以周期性的給用戶(hù)分配上行資源(半靜態(tài)調(diào)度)來(lái)減少上行的傳輸時(shí)延，而且5G更加進(jìn)了一步。在4G中半靜態(tài)調(diào)度的資源一般是給每個(gè)用戶(hù)單獨(dú)分配的，所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)較多的時(shí)候，造成的浪費(fèi)是非常大的，因?yàn)轭A(yù)留的無(wú)線資源終端不一定會(huì)使用。在5G中可以將預(yù)留資源分配給一組終端用戶(hù)，并且設(shè)計(jì)了當(dāng)多個(gè)用戶(hù)同時(shí)在相同的無(wú)線資源上發(fā)生沖撞的解決機(jī)制。這樣在降低時(shí)延的同時(shí)使寶貴的無(wú)線資源的利用率也得到了保證。

5G上行免調(diào)度傳輸type1和type2 (Source: NR: the next generation wireless access technology by ErikDahlman, JohanSkold, StefanParkvall, Ericsson)

預(yù)清空調(diào)度(Downlink preemption Scheduling)預(yù)清空調(diào)度的意思是為某個(gè)高優(yōu)先級(jí)的用戶(hù)清空原來(lái)已經(jīng)分配給其他用戶(hù)的資源，打個(gè)比方，我們?nèi)ゲ宛^吃飯，沒(méi)有位置了，餐館老板認(rèn)識(shí)我們是高級(jí)VIP，所以把一桌正在吃飯的人趕走了，把桌子留給了咱們。通過(guò)這樣的方式達(dá)到了對(duì)時(shí)間延遲要求高的用戶(hù)可以立即傳輸數(shù)據(jù)，從而降低了時(shí)延。下圖是一個(gè)示例：用戶(hù)A已經(jīng)在一個(gè)時(shí)隙上被調(diào)度了數(shù)據(jù)，但是這時(shí)用戶(hù)B被標(biāo)記為對(duì)時(shí)延要求高的數(shù)據(jù)需要傳輸。

如果這時(shí)有空閑的時(shí)頻域資源可用，用戶(hù)B會(huì)被優(yōu)先調(diào)度空閑的資源

但是如果此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大，沒(méi)有空閑的資源可用，用戶(hù)B就會(huì)搶占其他用戶(hù)的(例如用戶(hù)A)的資源。

這種方式有個(gè)弊端就是會(huì)影響原本被分配資源的A的用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸(在被用戶(hù)B搶占的資源上)，當(dāng)然優(yōu)秀的5G系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，方式有：HARQ重傳用戶(hù)A受影響的傳輸數(shù)據(jù)，或者是直接通過(guò)控制信令(DCI2-1)通知用戶(hù)A，哪些傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受到了影響。

下行預(yù)清空調(diào)度示例(Source: NR: the next generation wireless access technology by ErikDahlman, JohanSkold, StefanParkvall, Ericsson)

RLC(無(wú)線鏈路控制)層RLC層主要負(fù)責(zé)RLC數(shù)據(jù)的切分，重復(fù)數(shù)據(jù)去除，RLC重傳的工作。在RLC層中關(guān)于低時(shí)延的技術(shù)考量主要體現(xiàn)在：在4G LTE中RLC層還需要負(fù)責(zé)保證數(shù)據(jù)的按順序傳遞(In-sequence delivery)，即前面的包沒(méi)有向上層傳遞之前，排在后面的包需要等待。在5G中去掉了這樣的功能要求來(lái)保障低時(shí)延水平。這樣做的好處是，如果之前有某些包因?yàn)槟承┰?例如無(wú)線環(huán)境突然變差)丟失了需要重傳，在5G中后面的包不需要等到前面的包重傳完畢就可以直接向上層傳遞。那么通過(guò)以上關(guān)鍵技術(shù)的組合，是怎么一步步使5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲降低到1毫秒的呢?

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空中接口雙向時(shí)延演進(jìn)

通過(guò)使用30KHz的子載波間隔，上行免調(diào)度，以及兩個(gè)符號(hào)的微時(shí)隙的5G系統(tǒng)配置方案，可以達(dá)到低于雙向時(shí)延1ms以下的要求。如果采用5G高頻通信，使用120KHz的子載波間隔，時(shí)延可以更低。至此，1ms夢(mèng)寐以求的目標(biāo)終于達(dá)成，但是科技工作者們?nèi)詻](méi)有停下探索的腳步，目前的研究轉(zhuǎn)向了5G物理層的增強(qiáng)對(duì)URLLC業(yè)務(wù)的支持，而新的研究項(xiàng)目也已經(jīng)成功立項(xiàng)并完成：Study on physical layer enhancements for NR ultra-reliable and low latency case (URLLC), 在下一版本5G release 16中，URLLC將從PDCCH，UCI，PUSCH(上下行控制信道以及上行數(shù)據(jù)信道)獲得更多的提升。同時(shí)還研究支持對(duì)時(shí)延和可靠性要求極高的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用Study on NR industrial Internet of Things (IoT)。探索為什么5G能降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲到1ms完結(jié)，但是需要引起注意的是，我們這里討論的延遲是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的一部分，特指空中接口。但是網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延絕不是空中接口單一接口就能夠保證的，還涉及到端到端的核心網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)。剩下這部分屬于TSN(Time Sensitive Networking)的范圍，什么是TSN，怎么將無(wú)線URLLC和TSN結(jié)合起來(lái)為工業(yè)4.0服務(wù)，下次有機(jī)會(huì)再聊。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延高可靠特性結(jié)合TSN為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)(Source：Boosting smart manufacturing with 5G wireless connectivity, Ericsson)

歷史的有趣之處就在于：總是在起起伏伏，跌跌撞撞中前行，不斷的循環(huán)，卻又驚人的相似。對(duì)比5G中時(shí)延減少的思路，很多都和4G類(lèi)似。而從4G一路看過(guò)來(lái)，才不會(huì)亂花漸欲迷人眼。20毫秒到1毫秒，這么短，卻又那么長(zhǎng)，背后是無(wú)數(shù)通信工作者夜以繼日，年復(fù)一年，默默無(wú)聞的貢獻(xiàn)自己的力量。