近日，腾讯无线网络与物联网技术负责人李秋翔与高校科研教授、产业链、运营商等行业嘉宾共同参与了知乎“技术共振5G+”活动，除了专业的5G探讨，还谈到了不少与开发者息息相关的问题。基于此，云加社区携手知乎科技，从知乎上超过5G相关问答中精选内容，落地社区专场《一起探索5G》。

本文就“5G有多快？”这一问题，为您重点分享。

5G如何实现1毫秒的网络延迟？

建伟：我最近对历史很着迷，从4G到5G，网络延迟的改善历史是怎样的？

网络延迟的定义

单向延迟

单向延迟是指信息从发送方传输到接收方所需的时间。

单向延时

双向延迟

双向延迟（Trip Time，RTT）是指信息从发送方到达接收方所需的时间，加上接收方向发送方发送信息所需的时间。双向延迟在工程上比较常见，因为我们只能在信息发送方或接收方的一侧测量双向延迟（使用 ping 等工具）。

双向延时

用户面时延

题主提到的5G网络1毫秒时延，最初是在ITU IMT-2020 M.2410-0（4.7.1）关于IMT-2020系统最低设计要求中提到的，其适用范围是（及低）超可靠超低时延业务，这里的时延指的是用户面时延。

用户面时延指的是我们通常使用手机发送数据时的时间延迟，不同于控制面时延：手机向网络注册或者状态转换的信令过程所需的时间（不讨论控制面时延）。

还有一点是，1毫秒是指无线网络空中接口（手机与基站之间，不包括核心网、互联网等网络节点）的双向时延时间。

既然定义了讨论的范围（无线网络空口双向用户面时延），那么我们就可以进入正题了：如何一步步降低网络空口时延。

4G网络延迟

4G网络（注：本文提到的4G特指LTE网络）于2004年标准化，2009年开始商用网络部署，至今已过十余年，是最成功的无线网络之一，在全球得到了广泛部署。

最初的4G网络专注于MBB（band）移动宽带业务，通俗地说就是提供更大的网络容量和更快的上网速度。从最初的3GPP到现在，我们一直沿着这条路走，峰值速率由从到的标准定义（载波聚合、MIMO和高阶调制）。当我们在更快速率的道路上越走越远，发现无线网络的时延水平也需要提升。时延从侧面也会影响下载速率。我们仔细评估了LTE无线网络的现状，空口的时延是未来标准化组织研究的重点。

当时LTE网络的延迟在两个方向上都接近~20ms。（理论延迟时间，实际延迟时间通常会更长，具体取决于无线环境）

LTE网络空口上下行时延基线

上图描述了LTE空口的上行（从终端到基站）和下行（从基站到终端）的时延。

上行时延

上行时延（手机到基站）：当手机有数据包要发送给网络侧时，需要向网络侧发起无线资源请求（SR），告诉基站我有数据要发送。基站收到请求之后，需要3毫秒的时间解码用户发送的调度请求，然后为用户准备好要调度的资源。准备好之后，就向用户发送消息（），告诉用户在某个时间和频率上发送自己要发送的数据。用户收到调度信息之后，需要3毫秒的时间解码调度信息，把数据发送给基站。基站收到用户发送的信息之后，需要3毫秒的时间解码数据信息，完成数据的传输。总的时间计算为12.5ms。

下行时延

下行时延（基站到手机）：当基站有数据包要发送给终端时，需要3毫秒的时间才能解码用户发送的调度请求，然后为用户准备好要调度的资源。准备好之后，它就向用户发送信息，告诉用户在某个时间和频率上接收他的数据。用户收到调度信息之后，需要3毫秒的时间才能解码调度信息，并收到解码后的数据信息，从而完成数据的传输。总的时间计算为7.5ms。

因此双向总延迟为 12.5ms + 7.5ms = 20ms

有关详细的时间延迟组件，请参阅 LTE 上的 3GPP 36.881（5.2.1）

LTE 上行链路时延组件（LTE 上的 3GPP 36.881）

LTE 下行链路时延组件（LTE 上的 3GPP 36.881）

从20毫秒到1毫秒我们要走什么路径呢？

当LTE标准化组织3GPP意识到网络延迟是一个问题，且有很大的改进潜力时，相关工作就开始了。

2015年三月初，中国上海的天气还有些寒冷。在第67届3GPP RAN会议上，一个关于降低LTE网络时延的研究项目（SI）终于启动（RP-New SI: on for LTE）。这个研究项目的目的就是为了降低LTE网络的时延，因为在此之前，LTE网络一直在朝着更快速率的方向发展，但是网络的时延水平却一直没有得到改善。研究发现，改善用户侧网络时延可以改善网络速率瓶颈（由于TCP的慢启动效应，改善TCP握手时延，从而提高网络速率），可以更好地支持更多对时延要求特别高的应用，比如：VR、实时游戏、VoIP、视频会议等。

改善 LTE 无线延迟以支持更多应用程序（:、: 5G - and Low、IEEE）

如果你有改进的意愿，你怎么能改进呢?要解决一个问题，你需要充分了解问题本身。

网络延迟的组成部分

LTE网络空口用户面网络时延主要由以下部分组成：资源调度请求与分配（）、传输时间间隔（时间）、终端和基站数据包及信令处理时间（）、混合重传往返时间（HARQ RTT）。

经过研究发现，终端和基站对数据包的处理时间根据数据包的大小不同而不同，这个时延很难有明显的改善，主要的改善方向放在前两个部分：资源调度请求与分配（）、传输时间间隔（时间）。同时这两部分也是未来5G网络改善时延的方向。

资源调度请求和分配

当终端需要传输上行数据时，需要先向基站发送资源调度请求，然后基站会为终端分配相关资源，终端收到相应的指派信令后，才会在相关资源上发送上行数据。整个过程，从手机有发送数据的意图，到基站真正开始向其传输数据，需要8.5ms，相对于整个上行单向时延12.5ms来说，这是一个相当可观的时间延迟。因此，研究的重点就转移到如何让用户不需要经过上行资源请求的过程，就能直接发送数据？

传输时间间隔

传输时间间隔是网络处理数据和请求的最小时间单位，在LTE中，传输时间间隔等于1毫秒，也就是一个无线子帧，如何缩短传输时间间隔也是改善时延的一个研究重点。

如何改善LTE网络的延迟？

对于资源调度请求与分配，在LTE 14之前，设备厂商普遍采用预调度的方式来改善时延。这种方式的主要思想是基站周期性地为终端用户分配相应的无线资源，当终端有数据需要发送时，可以直接在预先分配的无线资源上发送，而不需要向网络侧请求资源，从而减少了整个资源请求过程的时间。但是这种方式也有一些缺点：

不管终端用户是否使用预先调度的无线资源，这些资源总是会分配给该用户，造成了宝贵的无线资源的浪费。

终端用户在收到无线资源调度后，如果无数据需要发送，则会一直使用分配的无线资源上传填充数据，这样会加大网络的干扰水平，影响网络整体性能，另外手机的电量消耗也会增加。

LTE 预调度（Pre-）

看来探索有了方向。

时光荏苒，一年之后，2016年3月初，在瑞典哥德堡举行的第71届3GPP RAN会议上，真实网络时延降低（RP-L2 for LTE）项目正式启动。这个项目的启动，标志着网络时延降低工作的正式开始，主要针对上行网络时延进行改善。解决问题的思路是采用类似预调度的半静态调度，提前周期性地为终端分配相关无线资源，当用户需要传输上行数据时，直接使用预先分配的资源即可，无需经过资源申请流程。在这个版本中，引入了更短的半静态调度周期，低至一毫秒，可以进一步改善时延。

同时，为了解决预调度时如果分配了无线资源，终端就必须发送数据（造成网络干扰和功耗）的问题，14个标准的改进允许用户即使分配了无线资源，也避免发送填充数据。

此时上行网络传输时延大幅降低，根据仿真结果，LTE空口双向传输时延降低至~8ms

更短的半静态调度周期

无需向上行发送数据

手机的能耗也下降了~10%

降低时延并改善手机功耗（：3GPP R2- L2至）

同时网络延迟的改善也间接提升了终端速度~30%-40%

在降低时延的同时，提高终端速率（：3GPP R2- L2至 , ）

但这真的足够吗？不，沟通者应该力求完美。

以上只是解决问题的一个角度，从另一个角度可以做些什么来改善传输间隔时间？

三个月后，在韩国釜山又召开了一次RAN第72次会议，会上启动了一个旨在改善LTE网络传输间隔时间从而降低网络时延的项目（RP- New Work Item on TTI for LTE），改进方法从LTE的无线帧结构入手。

无线网络的传输介质是时间和频率资源，终端在分配的时间和频率上发送相应的数据。在通信的世界里，时间的单位很短，一个LTE帧是10毫秒，可以分为10个子帧，每个子帧1毫秒，这就是网络可以调度的最小时间单位：1毫秒。

一个子帧可以进一步划分为两个时隙，每个时隙又可以进一步划分为7个符号，至此，划分最终完成。

时间（sTTI）以减少传输延迟

以往LTE各个网络的传输时间间隔都是固定为1子帧=1毫秒。上图中红色部分为控制信道，用于传输无线资源分配等信令，绿色部分为下行数据信道，用于传输数据。本次工作是将传输时间间隔从子帧级别（1ms）降低到符号级别（1/14ms）。最小调度间隔可根据情况选择为3/2符号（3/14ms、2/14ms）、7符号（7/14ms）。具体的子时隙（）细分方法如下图所示。这样就进一步降低了整个LTE无线网络空口的时延。

4G LTE sTTI 上下行可选配置模式（：in for LTE, , ）

在LTE 15中，处理时间（从接收到上行资源到上行传输数据的时间，以及从接收到下行指派到反馈HARQ ACK/NACK指示的时间）也从4ms压缩到3ms。

R15 处理时间从 n+4 毫秒减少到 n+3 毫秒（：Rel-15 Work 的 3GPP TR 21.915）

2018年，LTE 15发布时，所有的招数都会用上，LTE的网络延迟理论上可以降低到双向2.7毫秒（下行0.7毫秒+上行2.0毫秒）。

LTE 用户平面延迟（LTE 为：，，）

至此，LTE对无线网络延迟的改进已经到达了极限。

那么如何才能实现梦寐以求的1毫秒延迟呢？剩下的任务需要由5G来完成。

5G网络延迟

和人一样，一项技术也有自己的命运。LTE从诞生到现在已经有10多年了，如今已经普及。之前在另一个问题中讨论过，从专业角度来说，我们为什么要发展5G，而不是继续完善4G？因为4G LTE从诞生开始就注定有一个时延的下限，而这个下限现在已经被我们触及了。下一步就需要我们转向一个时延更低限的技术，去寻找极限。

5G是站在巨人（4G）的肩膀上诞生的，网络时延的特点从系统设计之初就被考虑到，并成为5G需求的一部分：超低时延、超高可靠通信，以支撑对时延和可靠性要求极高的行业应用，比如智能工厂、远程手术、自动驾驶等。这部分需求在5G第一个版本15中已经得到部分满足。关于超低时延：1ms无线空口双向传输时延是如何一步步实现的？

5G满足极低延迟和极高可靠性服务的要求（：，：5G-and Low，IEEE）

2016年，3GPP启动了5G需求分析研究项目，为了满足ITU提出的极高可靠性和极低时延的要求，5G需求研究项目TR38.913上、下行中的用户面KPI定义了业务用户面时延的要求为上行0.5ms、下行0.5ms，即双向时延恰好为1ms。

需求明确之后，下一步就是研究如何实现技术要求。2016年3月，3GPP TSG RAN第71次会议通过了关于新空口（NR）的TR38.912。该项研究工作致力于提出可行的无线技术，以满足ITU-2020设定的5G要求。从研究项目开始，它就被视为不可或缺的5G要求。

从2016年启动研究项目，到2018年年中发布第一版5G标准（15个NSA&SA），低时延设计贯穿了整个5G无线系统。我们来看看在用户面各层（物理层PHY、媒体访问控制层MAC、无线链路控制层RLC）为了实现1ms的目标做了哪些努力。

物理层

5G中物理层的主要功能有：编码解码，调制/解调，多天线映射等。

虽然这个答案主要讨论的是低时延的系统架构设计，但是低时延是和另一个要求捆绑在一起的：极高的可靠性（99.999%）。如果只考虑低时延，会比低时延和高可靠简单得多，因为要满足极高的可靠性，通常会使用更多的控制信令开销、重传和冗余，而这些措施往往会增加时延的水平。因此，如何在保证可靠性的同时提高时延水平，是物理层设计中极其困难的问题。5G物理层用什么手段来改善时延呢？

5G用户面协议层

封装结构 ()

4G LTE 时延分析中提到的系统处理时间占了时延的很大一部分，而且不容易改善。这部分时延包括接收数据包、获取控制信息、调度信息、解调数据和错误检测。在 4G LTE 中，采用下图左侧的方形数据包结构，传输的信息分为导频信息（）、控制信息（）、数据三部分，这种设计方式被广泛用于对抗信道衰落。但在 5G 中，数据包采用下图右侧的设计方式，将导频信息、控制信息和数据按顺序排列在时域中，这样做的好处是可以串行进行信道估计、控制信道解码和数据获取，从而减少处理时间。

4G LTE 与 5G 数据包结构比较（5G 中的 : 和 Low : ）

手机从收到资源分配()指令到数据发送的时间要求如下，中间部分展示了不同5G子载波间隔()配置下的不同要求：

手机收到资源分配（）指令到数据发送所需的时间（：NR：接下来由，，，）

信道编码

4G LTE 采用和码对数据进行编解码，实现无线传输可靠性。5G 采用 LDPC 和码提高数据和控制信道的编解码效率。经过编码社区的不懈努力，编解码性能和计算复杂度的提升也有助于降低延迟。

更短的传输间隔（可变）

说5G天生就带有更短的时间间隔，一点也不为过。LTE规定的子载波（传输信息的最小频域单位）在时域上是1ms（正常情况下）。5G需要支持的频率范围很广，从低频到中频（FR1）再到高频从24.~52.6GHz（FR2）。高频意味着更高的相位噪声，因此需要设计更宽的子载波间隔来抵抗相位噪声的干扰。更宽的子载波间隔意味着时域上更短的时隙，传输时间间隔也更短。4G LTE时代我们想尽一切办法缩短的传输时间间隔，在5G时代，通过使用更高的频段和更宽的子载波间隔，可以很轻松地缩短。而且，根据不同的频段，可以选择从、到的子载波间隔。可以简单理解为，5G子载波间隔相较于LTE增加几倍时，时域上的传输时间间隔也相应缩小了倍数。