关于5G时延的深度解读，非常详尽！

今天，我们来聊一聊5G的网络时延，也就是5G的网络延迟时间。

▋ 网络延迟时间的定义

单向延迟

单向延迟指的是信息从发送方传到接收方的所花费的时间。

单向时间延迟

双向延迟

双向延迟(Round Trip Time, RTT)，指的是信息从发送方到达接收方，加上接受方发信息给发送方所花费的总时间。双向延迟在工程中更加常见，因为我们可以只在信息发送方或者接收方的其中一方就可以测量到双向延迟(利用ping等工具)。

双向时间延迟

用户面时延

5G网络的1毫秒时间延迟，最初是由ITU IMT-2020 M.2410-0 (4.7.1)关于IMT-2020系统的设计最小需求中提到的。其适用的范围是URLLC(Ultra reliable and low latency communication)超可靠且超低的时延业务，这里的时延是针对用户面时延。用户面时延，是指我们平时使用手机发送数据的时间延迟，区别于控制面时延：手机注册网络或者状态转换经过的信令流程所花费的时间(控制面时延不做讨论)。另外，1毫秒指的是无线网络空中接口(手机和基站之间，不包括核心网，互联网等网络节点)的双向延迟时间。

明确了讨论的范围(无线网络空中接口的双向用户面时间延迟)，接下来真正进入正题：网络空中接口的时间延迟是如何一步步降下来的。

▋ 4G网络延迟

4G网络(注：本文中提到的4G特指LTE网络)是从2004年开始标准化，2009年开始商用网络部署，到现在已经历经了10余年的时间，是最成功的无线网络之一，已经在全球范围内广泛部署。最初的4G网络，主要关注的业务和应用是MBB(Mobile broad band)移动带宽业务。通俗的讲就是提供更大的网络容量，更快的上网速度。从最初的3GPP release8 到 release13一直是沿着这条路走，标准定义的峰值速率从300Mbps到25Gbps(载波聚合，MIMO，高阶调制方式)。当我们在速率更快这条路走得越来越远，才发现无线网络的时延水平也需要改善，时延还会从侧面影响下载的速率，谨慎地评估了LTE无线网络的现状，空中接口的时间延迟是未来标准化组织重点关注的研究对象。而在当时，LTE网络的延迟状况是接近20ms左右的双向时延。(理论延迟时间，实际根据无线环境情况一般会更长)

LTE网络空中接口上下行时延基线

上图描述了LTE空中接口的上行(从终端到基站)和下行(从基站到终端)时延。上行时间延迟上行时间延迟(从手机到基站)：当手机有一个数据包需要发送到网络侧，需要向网络侧发起无线资源请求的申请(Scheduling request, SR)，告诉基站我有数据要发啦!基站接收到请求后，需要3毫秒时间解码用户发送的调度请求，然后准备给用户调度的资源，准备好了之后，给用户发送信息(Grant)，告诉用户在某个时间某个频率上去发送他想要发送的数据。用户收到了调度信息之后，需要3毫秒时间解码调度的信息，并将数据发送给基站。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，完成数据的传送工作。整个时间计算下来是12.5ms。下行时间延迟下行时间延迟(从基站到手机)：当基站有一个数据包需要发送到终端，需要3毫秒时间解码用户发送的调度请求，然后准备给用户调度的资源，准备好了之后，给用户发送信息，告诉用户在某个时间某个频率上去接受他的数据。用户收到了调度信息之后，需要3毫秒时间解码调度的信息并接收解码数据信息，完成数据的传送工作。

整个时间计算下来是7.5ms。所以总共的双向时延是12.5ms+7.5ms = 20ms。详细的时间延迟组成请参考3GPP 36.881 Study on latency reduction techniques for LTE(5.2.1)

从20毫秒开始，到1毫秒要走过怎样的路?当LTE标准化组织3GPP意识到网络的时间延迟是一个问题，而且具有很大的潜在提升的时候，相关的工作拉开了序幕。时间来到了2015年，3月初，中国上海，乍暖还寒，在3GPP RAN 67 次会议上，终于迎来了关于减少LTE网络时间延迟的研究项目(SI)立项(RP-150465 New SI proposal: Study on Latency reduction techniques for LTE)。本次研究项目的立项旨在减小LTE网络的时间延迟，因为在此以前LTE网络一直向着速率更快的方向在发展，但是网络的延迟水平一直没有得到改善，而研究发现用户面网络延迟的改善能够提升网络的速率瓶颈(因为TCP的慢启动效应，改善TCP握手的时延，从而提升网络的速率)，而且能够更好地支持更多对于时延要求特别高的应用，比如：VR，实时游戏，VoIP，视频会议等等。

改善LTE无线时延水平以支持更多的应用 (Source: Ericsson, Joachim Sachs: 5G Ultra-Reliable and Low Latency Communication, IEEE cscn2017)

有了提升的意愿，通过什么方式提升?要解决一个问题，需要全面的了解问题本身。网络延迟的组成LTE网络空中接口的用户面网络延迟主要由以下及部分组成：资源调度请求和指派(Grant acquisition)，传输时间间隔(Transmission time interval)，终端和基站的数据包以及信令处理时间(Processing)，混合重传来回时间(HARQ RTT)。经过研究，终端和基站的数据包的处理时间根据数据包的大小时间不同，这块时延很难大幅度改善，主要的提升方向放在了前两部分：资源调度请求和指派(Grant acquisition)，传输时间间隔(Transmission time interval)，同时这两部分也是未来5G网络延迟改善的方向。资源调度请求和指派终端在需要传送上行数据的时候需要先给基站发送资源调度请求，然后基站才会分配相关的资源给终端，终端收到相应的指派信令后再在相关的资源上去发送上行的数据。整个过程下来，从手机有发送数据的意愿到真正开始向基站传数据，花了8.5ms，相对于整个上行的单向时延12.5ms来说，是相当大的一部分时间延迟。所以研究的重点转向了怎样使用户不用通过上行资源的请求流程，直接就能想发送数据就发送数据?传输时间间隔传输时间间隔，是网络处理数据，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。如何缩小传输的时间间隔也是改善时延的研究重点。如何改善LTE网络的时延?对于资源调度请求和指派这个方向，在LTE release 14以前，设备厂家普遍采用预调度(Pre-scheduling)的方式来改善延迟，这种办法的主要思想在于：基站周期性的给终端用户分配好相应的无线资源，终端在有数据要发送的时候直接就能在预先分配好的无线资源上发送，无需再向网络侧请求资源，所以减少了整个资源请求流程的时间。但是这种办法有一些缺点：不管终端用户是否使用预先调度的无线资源，始终会分配给用户。造成了宝贵无线资源的浪费。终端用户在接收到无线资源调度后，如果没有数据发送，始终会使用已经分配的无线资源上传填充数据(padding data)，这样会造成网络的干扰水平抬升，影响了网络的整体性能。而且手机的耗电量也增加了。