為什么5G信號能比4G延遲大大縮短？

5G與4G相比，主要體現(xiàn)在以下方面：

1.增強(qiáng)移動寬帶：5G下載速率理論值將達(dá)到20Gb/s，它的速率足足是4G的20倍。從純粹的理論角度來說，下載同樣大小的文件，5G的下載時間可以減少至4G的1/20左右。

2.超高可靠、超低延時通信：5G的理論延時是1毫秒，是4G延時的幾十分之一，幾乎可以達(dá)到準(zhǔn)實(shí)時的水平。

3.大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)：5G單通信節(jié)點(diǎn)（基站）可連接的終端數(shù)量理論值將達(dá)到百萬級別，是4G的十倍以上。目前，中國聯(lián)通已成立了5G創(chuàng)新中心，在全國16個城市開展5G規(guī)模試點(diǎn)（它們分別為沈陽、天津、青島、南京、上海、杭州、福州、深圳、北京、雄安、鄭州、成都、重慶、武漢、貴陽、廣州。），并于2018年8月啟動了首批5G基站的建設(shè)。

為了滿足新一代移動通信業(yè)務(wù)的需求，5G系統(tǒng)的時延必須比4G小得多。URLLC業(yè)務(wù)要求DL和UL的時延為0.5ms，而eMBB業(yè)務(wù)要求DL和UL的時延為4ms。怎么實(shí)現(xiàn)呢？改變空口物理層的幀結(jié)構(gòu)。 為了降低時延，5G曾經(jīng)考慮過設(shè)計(jì)一種子幀的時長非常短（顯著地小于LTE的1ms子幀）的幀結(jié)構(gòu)。

在4G LTE的1ms子幀的幀結(jié)構(gòu)下，實(shí)際的時延達(dá)到了幾十毫秒，甚至上百毫秒，因此我們的本能反應(yīng)就是減少子幀的時長。如果將子幀減少到0.5ms，或許我們就能比較容易地實(shí)現(xiàn)1ms左右的時延。 減少子幀的時長還有一個理由。由于下一代移動網(wǎng)絡(luò)將使用高頻頻段，特別是毫米波，因此子載波的間隔一定會加大；否則，如果還使用15KHz的子載波間隔，那么多普勒效應(yīng)等因素一定會造成頻偏干擾。由于OFDM的固有屬性，子載波間隔加大時，OFDM符號的時長一定會縮小。這樣，如果每個子幀中的OFDM符號數(shù)量不變的話，子幀的時長也一定會縮小。

但是，和我們之前設(shè)想的不一樣，5G NR繼續(xù)使用了1ms的子幀；為此付出的妥協(xié)是，不再堅(jiān)持1個子幀中一定包含14個OFDM符號。當(dāng)子載波間隔是15KHz時，1個5G NR子幀仍然包含14個OFDM符號，與4G LTE一樣；當(dāng)子載波間隔是30KHz時，1個5G NR子幀里有28個OFDM符號（2個slot）；當(dāng)子載波間隔是60KHz時，1個5G NR子幀里有56個OFDM符號（4個slot）；當(dāng)子載波間隔是120KHz時，1個5G NR子幀里有112個OFDM符號（8個slot）；當(dāng)子載波間隔是240KHz時，1個5G NR子幀里有224個OFDM符號（16個slot）。因此，每個OFDM的時長縮短了，每個slot的時長也縮短了，但子幀的時長不變。

那么，怎么實(shí)現(xiàn)降低時延的目標(biāo)呢？解決方案是以O(shè)FDM符號為單位調(diào)度資源，而不是以子幀為單位調(diào)度資源。 在LTE TDD中，UL/DL的資源分配是以子幀為單位的。如下圖所示，一共有7種配置方案，DL、UL和GP是在子幀0和子幀9之間分配。 5G NR TDD中，DL/UL資源分配是以O(shè)FDM符號為單位的。38.211定義了62中TDD格式，在每個slot的符號0和符號13分配DL或者UL資源。 5G NR的幀結(jié)構(gòu)還能通過快速的HARQ ACK、動態(tài)TDD、以及時長可變的數(shù)據(jù)傳輸（比如，為URLLC提供小時長的數(shù)據(jù)傳輸，而為eMBB提供大時長的數(shù)據(jù)傳輸）來降低時延。5G NR的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循三個基本原則。

基本原則一：數(shù)據(jù)傳輸是自包含（self-contained）的。一個slot或者一個beam中的數(shù)據(jù)包都可以靠自己進(jìn)行解碼，不需要依靠別的slot或者別的beam的數(shù)據(jù)信息。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，控制信號和參考信號都被安置在每個slot（或者slot組）的開始部分。這就大大加快了解碼速度，降低了時延。

基本原則二：數(shù)據(jù)傳輸在時域和頻域都處于集中狀態(tài)。將數(shù)據(jù)消息集中起來，便利于將來引入新型的數(shù)據(jù)傳輸，并與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸類型共存。5G NR的幀結(jié)構(gòu)不會再將控制信道（如PDCCH信道）分散分布于整個系統(tǒng)帶寬上。

基本原則三：slot之間或者不同傳輸方向之間避免靜態(tài)的或者嚴(yán)格的時間同步關(guān)系。比如，5G NR使用異步HARQ，以取代4G LTE使用的同步HARQ所需要的預(yù)先固定的時間同步。

5G NR的幀結(jié)構(gòu)大大加快了HARQ ACK，可以在1個子幀內(nèi)完成DL數(shù)據(jù)下發(fā)，并且收到UE對這個DL數(shù)據(jù)的ACK。因?yàn)樵赥DD網(wǎng)絡(luò)中，UE一邊接收DL數(shù)據(jù)，一邊就開始著手解碼；而在GP時間內(nèi)，UE能夠準(zhǔn)備好HARQ ACK；一旦從DL傳輸切換到UL傳輸，就能夠及時將HARQ ACK發(fā)送出去。