5G NR如何实现超低时延？

donnar

为了满足新一代移动通信业务的需求，5G系统的时延必须比4G小得多。URLLC业务要求DL和UL的时延为0.5ms，而eMBB业务要求DL和UL的时延为4ms。

在4G LTE的1ms子帧的帧结构下，实际的时延达到了几十毫秒，甚至上百毫秒，因此要降低时延，大家的本能反应就是减少子帧的时长。事实上，3GPP的确考虑过为5G设计一种子帧时长非常短的帧结构——明显小于LTE的1ms子帧。如果将子帧减少到0.5ms，加上其它的优化，或许大家就能比较容易地实现1ms左右的时延。

另外，由于下一代移动网络将使用高频频段，特别是毫米波，因此子载波的间隔一定会加大；否则，如果还使用15KHz的子载波间隔，那么多普勒效应等因素一定会造成频偏干扰。由于OFDM的固有属性，子载波间隔加大时，OFDM符号的时长一定会缩小。这样，如果每个子帧中的OFDM符号数量不变的话，子帧的时长也一定会缩小。因此看起来，减少子帧的时长是一件顺理成章的事情。

但是，出人意外的是，5GNR继续使用了1ms的子帧；为此付出的妥协是，不再坚持1个子帧中一定包含14个OFDM符号。当子载波间隔是15KHz时，1个5G NR子帧仍然包含14个OFDM符号，与4G LTE一样（但是1个子帧中只有1个slot，而不是LTE中的2个slot）；当子载波间隔是30KHz时，1个5G NR子帧里有28个OFDM符号（2个slot）；当子载波间隔是60KHz时，1个5G NR子帧里有56个OFDM符号（4个slot）；当子载波间隔是120KHz时，1个5G NR子帧里有112个OFDM符号（8个slot）；当子载波间隔是240KHz时，1个5G NR子帧里有224个OFDM符号（16个slot）。

在这样的帧结构下，尽管子帧的时长仍然为1ms，但是当选择较大的子载波间隔时，时隙（slot）的时长缩短，每个OFDM符号的时长也缩短。这样就能够达成减少时延的目标。

另外，5G NR还引入一种更有效率的机制来实现低时延，即允许一次传输一个时隙的一部分，也就是所谓的“迷你时隙（mini-slot）”传输机制。一个迷你时隙最短只有1个OFDM符号。这种传输机制还能被用于改变数据传输队列的顺序，让“迷你时隙（mini-slot）”传输数据立即插到已经存在的发送给某个终端的常规时隙传输数据的前面，以获得极低的时延。这种不需要拘泥于在每个时隙的开始之处开始数据传输的特性，在使用非授权频段的场景中是特别有用的。在非授权频段，发射机在发送数据前，需要确定无线信道没有被其它传输占用，即使用所谓的LBT（listen-before-talk）策略。显然，一旦发现无线信道有空，就应该立即开始数据传输，而不是等这个时隙结束，下一个时隙开始。等到下一个时隙开始时，无线信道可能又被另一个传输占用了。

“迷你时隙（mini-slot）”在使用毫米波载频的场景中也非常有用。由于毫米波载频的带宽很大，往往几个OFDM符号就足够传输完数据负荷，不需要用到1个时隙的14个OFDM符号。“迷你时隙（mini-slot）”特别适合于模拟式波束赋形一起使用，因为使用模拟式波束赋形时，传输到多个终端设备的不同波束无法在频域实现复用，只能在时域复用。

如下图所示，在5G NRTDD中，DL/UL资源分配是以OFDM符号为单位的。38.211定义了62中TDD格式，在每个slot的符号0和符号13分配DL或者UL资源。

<38.213-Table 11.1.1-1: Slot formats for normal cyclic prefix>

D : Downlink, U : Uplink, F : Flexible

      

5G NR还引入了很多策略减少时延。

5G NR能够将参考信号（RS）和控制信号前置在时隙的前部。由于可以在时隙的前部确定并解码参考信号和下行链路控制信号携带的调度信息，而且不需要在多个OFDM符号之间进行时间域的交织（interleaving），终端能够在接收到数据负荷之后立即开始解码，不需要事先进行缓存，因此减少了解码时延。数据传输是自包含（self-contained）的。一个slot或者一个beam中的数据包都可以靠自己进行解码，不需要依靠别的slot或者别的beam的数据信息。

5G终端和网络处理各个流程的时间被收缩，比如终端必须在一个slot内（甚至时间更短，如果终端有这个能力的话）完成下行链路数据的接收解码，并反馈HARQACK确认。数据发送的在TDD网络中，UE一边接收DL数据，一边就开始着手解码；而在GP时间内，UE能够准备好HARQ ACK；一旦从DL传输切换到UL传输，就能够及时将HARQ ACK发送出去。另外，从网络收到终端发出的上行授权接收确认，到完成上行链路数据的发送，也必须在1个时隙内完成。5G NR的slot之间或者不同传输方向之间避免静态的或者严格的时间同步关系。比如，5G NR使用异步HARQ，以取代4GLTE使用的同步HARQ所需要的预先固定的时间同步。

上层协议，比如MAC层和RLC层，也在设计时考虑到降低系统的整体时延。MAC和RLC的包头结构能够在不知道数据负荷大小的情况下，完成数据处理。这个特点对于处理终端收到上行发送授权时只有几个OFDM符号的数据时，能够快速发起上行链路数据传送的场景特别有用。相反，LTE协议需要MAC层和RLC层在处理数据前，确切地知道数据负荷的大小，这阻止了时延的降低。

另外，5G NR还通过动态TDD、时长可变的数据传输（比如，为URLLC提供小时长的数据传输，而为eMBB提供大时长的数据传输）来降低时延。