網絡延遲時間的定義

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的時間。

單向時間延遲

雙向延遲

雙向延遲(Round Trip Time, RTT)，指的是信息從發(fā)送方到達接收方，加上接受方發(fā)信息給發(fā)送方所花費的總時間。雙向延遲在工程中更加常見，因為我們可以只在信息發(fā)送方或者接收方的其中一方就可以測量到雙向延遲(利用ping等工具)。

雙向時間延遲

用戶面時延

5G網絡的1毫秒時間延遲，最初是由ITU IMT-2020 M.2410-0 (4.7.1)關于IMT-2020系統(tǒng)的設計最小需求中提到的。其適用的范圍是URLLC(Ultra reliable and low latency communication)超可靠且超低的時延業(yè)務，這里的時延是針對用戶面時延。

用戶面時延，是指我們平時使用手機發(fā)送數據的時間延遲，區(qū)別于控制面時延：手機注冊網絡或者狀態(tài)轉換經過的信令流程所花費的時間(控制面時延不做討論)。

另外，1毫秒指的是無線網絡空中接口(手機和基站之間，不包括核心網，互聯(lián)網等網絡節(jié)點)的雙向延遲時間。

明確了討論的范圍(無線網絡空中接口的雙向用戶面時間延遲)，接下來真正進入正題：網絡空中接口的時間延遲是如何一步步降下來的。

▋ 4G網絡延遲

4G網絡(注：本文中提到的4G特指LTE網絡)是從2004年開始標準化，2009年開始商用網絡部署，到現(xiàn)在已經歷經了10余年的時間，是最成功的無線網絡之一，已經在全球范圍內廣泛部署。

最初的4G網絡，主要關注的業(yè)務和應用是MBB(Mobile broad band)移動帶寬業(yè)務。通俗的講就是提供更大的網絡容量，更快的上網速度。

從最初的3GPP release8 到 release13一直是沿著這條路走，標準定義的峰值速率從300Mbps到25Gbps(載波聚合，MIMO，高階調制方式)。

當我們在速率更快這條路走得越來越遠，才發(fā)現(xiàn)無線網絡的時延水平也需要改善，時延還會從側面影響下載的速率，謹慎地評估了LTE無線網絡的現(xiàn)狀，空中接口的時間延遲是未來標準化組織重點關注的研究對象。

而在當時，LTE網絡的延遲狀況是接近20ms左右的雙向時延。(理論延遲時間，實際根據無線環(huán)境情況一般會更長)

LTE網絡空中接口上下行時延基線

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)時延。

上行時間延遲

上行時間延遲(從手機到基站)：當手機有一個數據包需要發(fā)送到網絡側，需要向網絡側發(fā)起無線資源請求的申請(Scheduling request, SR)，告訴基站我有數據要發(fā)啦!

基站接收到請求后，需要3毫秒時間解碼用戶發(fā)送的調度請求，然后準備給用戶調度的資源，準備好了之后，給用戶發(fā)送信息(Grant)，告訴用戶在某個時間某個頻率上去發(fā)送他想要發(fā)送的數據。

用戶收到了調度信息之后，需要3毫秒時間解碼調度的信息，并將數據發(fā)送給基站?；臼盏接脩舭l(fā)送的信息之后需要3毫秒的時間解碼數據信息，完成數據的傳送工作。

整個時間計算下來是12.5ms。

下行時間延遲

下行時間延遲(從基站到手機)：當基站有一個數據包需要發(fā)送到終端，需要3毫秒時間解碼用戶發(fā)送的調度請求，然后準備給用戶調度的資源，準備好了之后，給用戶發(fā)送信息，告訴用戶在某個時間某個頻率上去接受他的數據。

用戶收到了調度信息之后，需要3毫秒時間解碼調度的信息并接收解碼數據信息，完成數據的傳送工作。

整個時間計算下來是7.5ms。

所以總共的雙向時延是12.5ms+7.5ms = 20ms。

從20毫秒開始，到1毫秒要走過怎樣的路?

當LTE標準化組織3GPP意識到網絡的時間延遲是一個問題，而且具有很大的潛在提升的時候，相關的工作拉開了序幕。

時間來到了2015年，3月初，中國上海，乍暖還寒，在3GPP RAN 67 次會議上，終于迎來了關于減少LTE網絡時間延遲的研究項目(SI)立項(RP-150465 New SI proposal: Study on Latency reduction techniques for LTE)。

本次研究項目的立項旨在減小LTE網絡的時間延遲，因為在此以前LTE網絡一直向著速率更快的方向在發(fā)展，但是網絡的延遲水平一直沒有得到改善，而研究發(fā)現(xiàn)用戶面網絡延遲的改善能夠提升網絡的速率瓶頸(因為TCP的慢啟動效應，改善TCP握手的時延，從而提升網絡的速率)，而且能夠更好地支持更多對于時延要求特別高的應用，比如：VR，實時游戲，VoIP，視頻會議等等。

改善LTE無線時延水平以支持更多的應用 (Source: Ericsson, Joachim Sachs: 5G Ultra-Reliable and Low Latency Communication, IEEE cscn2017)

有了提升的意愿，通過什么方式提升?要解決一個問題，需要全面的了解問題本身。

網絡延遲的組成

LTE網絡空中接口的用戶面網絡延遲主要由以下及部分組成：資源調度請求和指派(Grant acquisition)，傳輸時間間隔(Transmission time interval)，終端和基站的數據包以及信令處理時間(Processing)，混合重傳來回時間(HARQ RTT)。

經過研究，終端和基站的數據包的處理時間根據數據包的大小時間不同，這塊時延很難大幅度改善，主要的提升方向放在了前兩部分：資源調度請求和指派(Grant acquisition)，傳輸時間間隔(Transmission time interval)，同時這兩部分也是未來5G網絡延遲改善的方向。

資源調度請求和指派

終端在需要傳送上行數據的時候需要先給基站發(fā)送資源調度請求，然后基站才會分配相關的資源給終端，終端收到相應的指派信令后再在相關的資源上去發(fā)送上行的數據。整個過程下來，從手機有發(fā)送數據的意愿到真正開始向基站傳數據，花了8.5ms，相對于整個上行的單向時延12.5ms來說，是相當大的一部分時間延遲。所以研究的重點轉向了怎樣使用戶不用通過上行資源的請求流程，直接就能想發(fā)送數據就發(fā)送數據?

傳輸時間間隔

傳輸時間間隔，是網絡處理數據，請求的最小時間單位，在LTE中傳輸時間間隔等于1毫秒，也就是一個無線子幀。如何縮小傳輸的時間間隔也是改善時延的研究重點。

如何改善LTE網絡的時延?

對于資源調度請求和指派這個方向，在LTE release 14以前，設備廠家普遍采用預調度(Pre-scheduling)的方式來改善延遲，這種辦法的主要思想在于：基站周期性的給終端用戶分配好相應的無線資源，終端在有數據要發(fā)送的時候直接就能在預先分配好的無線資源上發(fā)送，無需再向網絡側請求資源，所以減少了整個資源請求流程的時間。但是這種辦法有一些缺點：

不管終端用戶是否使用預先調度的無線資源，始終會分配給用戶。造成了寶貴無線資源的浪費。

終端用戶在接收到無線資源調度后，如果沒有數據發(fā)送，始終會使用已經分配的無線資源上傳填充數據(padding data)，這樣會造成網絡的干擾水平抬升，影響了網絡的整體性能。而且手機的耗電量也增加了。

LTE預調度(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 次會議，關于真正網絡延遲減少工作立項了(RP-160667 L2 latency reduction techniques for LTE)，此次工作項目的立項標志著網絡延遲減少工作的正式開啟。

所要著手解決的主要集中在改善上行的網絡延遲，而解決問題的思想是和預調度類似的半靜態(tài)調度，提前為終端周期性的分配好相關的無線資源，用戶在需要傳送上行數據的時候直接使用已經預先分配好的資源，無需再進行資源請求流程。而在這個版本中引入了更短的半靜態(tài)調度周期，低至一毫秒，從而能進一步改善時間延遲。

同時針對預調度中分配了無線資源終端就得發(fā)送數據的問題(造成網絡干擾和電量消耗)，通過Release 14標準的改善，使用戶即使分配了無線資源，也可以不發(fā)送填充數據。

至此，上行的網絡傳輸延遲大大減少。根據仿真的結果，LTE空中接口雙向傳輸時延降至約8ms。

手機的能耗也下降了約10%。

時延減少的同時對手機耗電量的改善(Source: 3GPP R2-153490 L2 enhancements to reduce latency)

同時網絡時延的改善也從側面提升了終端的速率約30%-40%。

時延減少的同時對終端速率提升(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。

以上只是解決問題的其中一個角度，針對另一個角度改善傳輸間隔時間能做點什么?

3個月后，又又又開會了，韓國釜山，RAN 72次會議，立項了關于從改善LTE網絡傳輸間隔時間從而減少網絡時延的工作(RP-161299 New Work Item on shortened TTI and processing time for LTE)，改善的方法得從LTE的無線幀結構說起。

無線網絡的傳輸介質是時間和頻率資源，終端在分配的時間和頻率上發(fā)送相應的數據，在通信的世界里，時間的單位很短很短，一個LTE幀是10毫秒，可以分為10個子幀，每個子幀1毫秒，這就是網絡最小可以調度的時間單位：1毫秒。

1個子幀還可以分為兩個時隙，每個時隙還可以分為7個符號，至此，終于分完。

Short transmission time interval (sTTI) 減少傳輸時延

以前LTE網絡每次的傳輸時間間隔是固定一個子幀=1毫秒，上圖紅色部分是控制信道，用于傳輸無線資源指派等信令，綠色部分是下行數據信道，用于傳輸數據。

本次工作要做的是將傳輸時間間隔從子幀級別(1ms)降低至符號級別(1/14 ms)，最小的調度間隔根據情況可以選擇3/2個符號(3/14ms, 2/14ms)，7個符號(7/14ms)，具體的子時隙(subslot)細分方式如下圖。從而又進一步降低了整個LTE無線網絡空口的時延。

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)時間(收到上行資源grant到上行傳輸數據的時間，以及從收到下行指派到反饋HARQ ACK/NACK指示的時間)，以前需要4ms，降至了3ms。

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

2018年，到LTE release 15時，所有的大招都用上，LTE的網絡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用戶面時延(Source: URLLC Services in 5GLow Latency Enhancements for LTE, Thomas Fehrenbach, Rohit Datta)

至此，LTE的無線網絡延遲改善到頭了。

那么夢寐以求的一毫秒時間延遲怎么實現(xiàn)?剩下的使命需要5G來完成。

▋ 5G網絡延遲

和人一樣，一項技術也有自己的命運，LTE從應運而生到如今的如日中天已經走過了10多個春秋，正如之前在另一個問題中討論的從專業(yè)角度講，為什么需要開展 5G 而不是繼續(xù)提升 4G?因為4G LTE從出生伊始已經注定了其時間延遲的下限，而這個下限如今也已經被我們觸摸到了。下一步需要我們轉向一項延遲下限更低的技術去找尋極限。

5G是站在巨人(4G)的肩膀上誕生的，從系統(tǒng)設計之初就將網絡時間延遲的特性考慮了進來，成為5G需求的一部分: URLLC(Ultra reliable and low latency communication)超低的時延和超高可靠的通信以支持對時延和可靠性要求極高的行業(yè)應用，比如智能工廠，遠程手術，自動駕駛等等。這部分的需求在5G的第一個版本Release 15中滿足了一部分。關于超低的時延：1ms的無線空中接口雙向傳輸時延是怎么一步步實現(xiàn)的呢?

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

2016年，3GPP開始了5G的需求分析和研究項目，為了滿足ITU所設置的URLLC極高的可靠性和極低的時延要求，在5G的需求研究項目TR38.913 Study on scenarios and requirements for next generation access technologies 中的用戶面KPI中針對URLLC業(yè)務用戶面時延定義了上行0.5ms和下行0.5ms的要求，加起來正好是1ms的雙向時延。

需求的定義明確了，接下來進入了研究如何實現(xiàn)技術需求的階段，2016年3月，3GPP TSG RAN 71次會議通過了 TR38.912 Study on New Radio (NR) access technology ，這項研究工作致力于提出可行的無線技術來滿足ITU-2020制定的5G需求。而從研究項目伊始，URLLC就做為一項不可缺少的5G需求被考慮進來。

從2016年的研究項目開始到2018年中第一版本5G標準(release 15 NSA&SA)的出爐，低時延的設計貫穿了整個5G無線系統(tǒng)，我們就從用戶面的每個層(物理層PHY，媒體接入控制層MAC，無線鏈路控制層RLC)看看為了實現(xiàn)1ms的目標都做了怎樣的努力。

物理層

5G中物理層的主要作用是：編解碼，調制/解調，多天線映射等。

雖然本回答主要討論的是低時延的系統(tǒng)架構設計，但是低時延是與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。如果單單考慮低時延會比低時延高可靠簡單很多，因為要滿足極高的可靠性慣常采用更多的控制信令開銷，重傳，冗余，這些手段往往會提升時間延遲的水平。所以如何在保證可靠性的同時改善時延水平在物理層的設計中是難上加難。5G物理層用了哪些手段來改善時延呢?

5G用戶面協(xié)議層

包結構(Packet structure)

在4G LTE的時延分析中提到過的系統(tǒng)處理時間在時延中所占的分量比較大，而且改善較為不易。這部分時延包括了接收包，獲取控制信息，調度信息，解調數據，以及錯誤檢測。在4G LTE中是采用下圖左側這種方形的包結構，傳輸的信息分為三部分，導頻信息(Pilot)，控制信息(control information)，以及數據(data)。

這種設計方式被廣泛的用來對抗信道衰落。但是在5G中URLLC包采用的是下圖右側這種設計方式，導頻信息，控制信息，以及數據依次在時域上排列，這樣做的好處是信道估計，控制信道解碼，數據的獲取可以串行的進行，通過這樣的方式這樣減少了處理時間。

4G LTE和5G URLLC包結構對比 (Source: Ultra Reliable and Low LatencyCommunications in 5G Downlink: PhysicalLayer Aspects)

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

從手機收到資源分配(Grant)指令到數據的傳輸時間要求(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來編解碼數據達到無線傳輸的可靠性。在5G中使用的是LDPC和Polar碼來提升數據和控制信道的編解碼效率，經過編碼界研究的不懈努力，編解碼的性能和計算復雜度的提升對于降低時延也有所幫助。

更短的傳輸時間間隔(可變的Numerology)

從更短的時間間隔這點說5G是天生麗質一點都不為過，LTE規(guī)定的一個子載波(傳送信息的最小頻域單位)是15KHz，時間域是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，所以需要設計更加寬的子載波間隔來抵御相位噪聲的干擾。更寬的子載波間隔，意味著時域上更短的時隙，更短的傳輸時間間隔，我們在4G LTE時代千方百計想要降低的傳輸時間間隔在5G時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。而且根據不同的頻段可以選擇從15KHz, 30KHz 到120KHz的子載波間隔，可以簡單的理解為，5G 子載波間隔相比于LTE 15KHz增加了多少倍，那么在時域上的傳輸時間間隔就減少相應的倍數。

頻域子載波間隔成倍增加，時域符號時長相應倍數減少(Source: Ultra Reliable and Low LatencyCommunications in 5G Downlink: PhysicalLayer Aspects)

微時隙調度(Mini-slot)

微時隙調度繼承了LTE中減小傳輸時間間隔(subslot)的設計理念，將最小的傳輸時間間隔由子幀拓展到了符號上。第一優(yōu)先級最小的調度間隔根據情況可以選擇2個符號，4個符號，7個符號。下圖是一個下行數據傳輸的示例，數據包到達了基站，基站經過4個符號的處理以及等待合適的sPDCCH時間，隨后通過兩個符號的微時隙調度將數據傳輸給用戶。

MAC(媒體接入控制)層

MAC的作用是多路邏輯信道的復用，HARQ(混合重傳)，以及調度相關的功能。關于時延的改善的技術在MAC層有：

異步HARQ(異步混合重傳)

當無線環(huán)境出現(xiàn)問題等原因造成傳輸的數據出錯，在MAC層會由HARQ功能來發(fā)起重新傳輸流程，在LTE中，HARQ的時間間隔(從收到數據到發(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根據子幀結構變化)。

而在5G中，HARQ的時間間隔是動態(tài)指派的，更加的靈活，也符合低時延的設計要求。

5G與4G HARQ流程時間對比：

上行免調度傳輸 (Grant free transmission)

和4G LTE一樣，5G可以周期性的給用戶分配上行資源(半靜態(tài)調度)來減少上行的傳輸時延，而且5G更加進了一步。在4G中半靜態(tài)調度的資源一般是給每個用戶單獨分配的，所以當網絡中用戶較多的時候，造成的浪費是非常大的，因為預留的無線資源終端不一定會使用。

在5G中可以將預留資源分配給一組終端用戶，并且設計了當多個用戶同時在相同的無線資源上發(fā)生沖撞的解決機制。這樣在降低時延的同時使寶貴的無線資源的利用率也得到了保證。

預清空調度(Downlink preemption Scheduling)

預清空調度的意思是為某個高優(yōu)先級的用戶清空原來已經分配給其他用戶的資源，打個比方，我們去餐館吃飯，沒有位置了，餐館老板認識我們是高級VIP，所以把一桌正在吃飯的人趕走了，把桌子留給了咱們。

通過這樣的方式達到了對時間延遲要求高的用戶可以立即傳輸數據，從而降低了時延。下圖是一個示例：

用戶A已經在一個時隙上被調度了數據，但是這時用戶B被標記為對時延要求高的數據需要傳輸。

如果這時有空閑的時頻域資源可用，用戶B會被優(yōu)先調度空閑的資源

但是如果此時網絡負荷較大，沒有空閑的資源可用，用戶B就會搶占其他用戶的(例如用戶A)的資源。

這種方式有個弊端就是會影響原本被分配資源的A的用戶的數據傳輸(在被用戶B搶占的資源上)，當然優(yōu)秀的5G系統(tǒng)也設計了方案來解決這個問題，方式有：HARQ重傳用戶A受影響的傳輸數據，或者是直接通過控制信令(DCI2-1)通知用戶A，哪些傳輸的數據受到了影響。

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

RLC(無線鏈路控制)層

RLC層主要負責RLC數據的切分，重復數據去除，RLC重傳的工作。

在RLC層中關于低時延的技術考量主要體現(xiàn)在：在4G LTE中RLC層還需要負責保證數據的按順序傳遞(In-sequence delivery)，即前面的包沒有向上層傳遞之前，排在后面的包需要等待。在5G中去掉了這樣的功能要求來保障低時延水平。這樣做的好處是，如果之前有某些包因為某些原因(例如無線環(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。

那么通過以上關鍵技術的組合，是怎么一步步使5G無線網絡時間延遲降低到1毫秒的呢?

無線網絡空中接口雙向時延演進

通過使用30KHz的子載波間隔，上行免調度，以及兩個符號的微時隙的5G系統(tǒng)配置方案，可以達到低于雙向時延1ms以下的要求。如果采用5G高頻通信，使用120KHz的子載波間隔，時延可以更低。

至此，1ms夢寐以求的目標終于達成，但是科技工作者們仍沒有停下探索的腳步，目前的研究轉向了5G物理層的增強對URLLC業(yè)務的支持，而新的研究項目也已經成功立項并完成：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據信道)獲得更多的提升。同時還研究支持對時延和可靠性要求極高的工業(yè)互聯(lián)網應用Study on NR industrial Internet of Things (IoT)。

探索為什么5G能降低網絡時間延遲到1ms完結，但是需要引起注意的是，我們這里討論的延遲是整個網絡中的一部分，特指空中接口。但是網絡的傳輸時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以及互聯(lián)網。剩下這部分屬于TSN(Time Sensitive Networking)的范圍，什么是TSN，怎么將無線URLLC和TSN結合起來為工業(yè)4.0服務，下次有機會再聊。

無線網絡的低時延高可靠特性結合TSN為工業(yè)互聯(lián)網服務(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。對比5G中時延減少的思路，很多都和4G類似。而從4G一路看過來，才不會亂花漸欲迷人眼。20毫秒到1毫秒，這么短，卻又那么長，背后是無數通信工作者夜以繼日，年復一年，默默無聞的貢獻自己的力量。