最近迷上了研究历史，一起来看看从4G到5G的网络延迟改善史吧：）
网络延迟时间的定义
单向延迟
单向延迟指的是资讯从传送方传到接收方的所花费的时间。
双向延迟
双向延迟（Round trip time）,指的是资讯从传送方到达接收方，加上接受方发信息给传送方所花费的总时间。双向延迟在工程中更加常见，因为我们可以只在资讯传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）。
使用者面时延
题主提到的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，这里的时延是针对使用者面时延。
使用者面时延是指我们平时使用手机发送资料的时间延迟，区别于控制面时延：手机注册网络所花费的时间（控制面时延不做讨论）。
另外一点需要说明的是1毫秒指的是无线网络空中界面（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（无线网络空中界面的双向使用者面时间延迟），接下来让我们正真进入正题：网络空中界面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，才发现已经远远超越了实际应用中能够达到的速率要求。回头看看LTE是否还有其他的技术方向可以提升，谨慎的评估了LTE的无线网络的现状，发现
而在当时，LTE网络的延迟状况是接近于~20ms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）
上图描述了LTE空中界面的上行（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：当手机有一个数据包需要传送到网络侧，需要向网络侧发起无线资源请求的申请（SR），告诉基站我有资料要发啦，基站接收到请求后，需要3毫秒时间解码使用者传送的排程请求，然后准备给使用者排程的资源，准备好了之后，给使用者传送资讯(Grant)，告诉使用者在某个时间某个频率上去传送他想要传送的资料，使用者收到了排程资讯之后，需要3毫秒时间解码排程的资讯，并将资料传送给基站，基站收到使用者传送的资讯之后需要3毫秒的时间解码资料资讯，完成资料的传送工作，所以整个时间计算下来是12.5ms。
下行时间延迟
上行时间延迟：当基站有一个数据包需要传送到终端，需要3毫秒时间解码使用者传送的排程请求，然后准备给使用者排程的资源，准备好了之后，给使用者传送资讯，告诉使用者在某个时间某个频率上去接受他的资料，使用者收到了排程资讯之后，需要3毫秒时间解码排程的资讯并接收解码资料资讯，完成资料的传送工作，所以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（5.2.1）
从20毫秒开始，是怎样一步步到1毫秒的？
当LTE标准化组织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，那么相关的工作就拉开了序幕。
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专案（SI）立项（RP-150465 New SI proposal: Study on Latency reduction techniques for LTE）。本次研究专案的立项旨在减小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，但是网络的延迟一直没有得到提升，而研究发现使用者面网络延迟的提升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），而且能够更好支援更多对于时延要求特别高的应用，比如：VR，实时游戏，VoIP，视讯会议等等。
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网络空中界面的使用者面网络延迟主要由以下及部分组成：资源排程请求和指派（Grant acquisition），传输时间间隔（Transmission time interval），终端和基站的资料包以及信令处理时间（Processing），混合重传来回时间（HARQ RTT）。
经过研究，终端和基站的资料包的处理时间根据资料包的大小时间不同，这块很难提升，主要的提升方向放在了前两部分：资源排程请求和指派（Grant acquisition），传输时间间隔（Transmission time interval），同时这两部分也是未来5G网络延迟减少的方向。
资源排程请求和指派
终端在需要传送上行资料的时候需要先给基站传送资源排程请求，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传送上行的资料，整个过程下来，从手机有传送资料的意愿到真正开始向基站传资料，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使用者不用通过上行资源的请求流程，直接就能想传送资料就传送资料？
传输时间间隔
传输时间间隔，是网络处理资料，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？
对于资源排程请求和指派这个方向，在LTE release 14以前，装置厂家普遍采用预排程（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使用者分配好相应的无线资源，终端在有资料要传送的时候直接就能在预先分配好的无线资源上传送，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：
不管终端使用者是否使用预先排程的无线资源，始终会分配给使用者。造成了宝贵无线资源的浪费。
终端使用者在接收到无线资源排程后，如果没有资料传送，始终会使用已经分配的无线资源上传空资料（padding data），这样会造成网络的干扰水平抬升，影响了网络的整体效能。而且手机的耗电量增加了。
似乎探索有了方向..
光阴如梭，整整一年后，2016年3月初，瑞典哥德堡，3GPP RAN 71 次会议，关于真正网络延迟减少工作立项了（RP-160667 L2 latency reduction techniques for LTE），此次工作专案的立项标志着网络延迟减少工作的正式开启。所要着手解决的主要集中在改善上行的网络延迟，而解决问题的思想是和预排程类似的半静态排程，提前为终端周期性的分配好相关的无线资源，使用者在需要传送上行资料的时候直接使用已经预先分配好的资源，无需再进行资源请求流程。而在这个版本中引入了更短的半静态排程周期，低至一毫秒，从而能大大减小时间延迟。
同时针对预排程中分配了无线资源终端就得传送资料的问题（造成网络干扰和电量消耗），通过Release 14标准的改善，使使用者即使分配了无线资源，也可以不传送资料。
至此，上行的网络传输延迟大大减少。根据模拟的结果，LTE空中界面双向传输时延降至~12ms
手机的能耗也下降了~10%
同时网络时延的改善也从侧面提升了网络的速率~30%-40%
但是，这样就足够了吗？No，通讯人止于至善
以上只是解决问题的其中一个角度，那么另一个角度改善传输间隔时间我们能做点什么？
3个月后，又又又开会了，韩国釜山，RAN 72次会议，立项了关于从改善LTE网络传输间隔时间从而减少网络时延的工作（RP-161299 New Work Item on shortened TTI and processing time for LTE），改善的方法得从LTE的无线帧结构说起。
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传送相应的资料，在通讯的世界里，时间的单位很短很短，一个LTE帧是10毫秒，可以分为10个子帧，每个子帧1毫秒，这就是网络最小可以排程的时间单位：1毫秒。
1个子帧还可以分为两个时隙，每个时隙还可以分为7个符号，至此，终于分完了！
Release 14以前LTE网络每次的传输时间间隔是一个子帧=1毫秒，上图红色部分是控制通道，用于传输无线资源指派等信令，绿色部分是下行资料通道，用于传输资料。本次工作要做的是将传输时间间隔从子帧级别（1ms)降低至符号级别（1/14 ms），最小的排程间隔根据情况可以选择3/2个符号（3/14ms, 2/14ms），7个符号（7/14ms），具体的子时隙细分方式如下图。从而又进一步降低了整个LTE无线网络空口的时延。
接下来，在LTE release 15，针对网络和终端侧处理时间，以前需要4ms，降至了3ms。
时间到了2018年，到LTE release 15时，所有的大招都用上，LTE的网络延迟理论上可以降至双向2.7毫秒（下行0.7毫秒+上行2.0毫秒）
至此，LTE的无线网络延迟减少差不多到头了。下一步LTE这边标准化转移至了可靠性以及垂直领域的应用支援。
那么梦寐以求的一毫秒时间延迟怎么实现？5G呼之欲出。
和人一样，一项技术也有自己的命运，LTE从应运而生到如今的如日中天已经走过了10多个春秋，正如之前在另一个问题中讨论的从专业角度讲，为什么需要开展 5G 而不是继续提升 4G？ 因为4G LTE从出生伊始已经注定了其时间延迟的下限，而这个下限如今也已经被我们触控到了。下一步需要我们转向一项下限更低的技术去找寻延迟的极限。
5G是站在巨人（4G）的肩膀上诞生的，从系统设计之初就将网络时间延迟的特性考虑了进来，成为5G需求的一部分: URLLC（Ultra reliable and low latency）超低的时延和超可靠的通讯以支援对时延和可靠性要求极高的行业应用，比如智慧工厂，远端手术，自动驾驶等等。这部分的需求在5G的第一个版本Release 15中满足了一部分。关于超低的时延：1ms的无线空中界面双向传输时延是怎么实现的呢？
更短的传输时间间隔（可变的Numerology）
从更短的时间间隔这点说5G是天生丽质一点都不为过，LTE规定的一个子载波(传送资讯的最小频域单位)是15KHz，时间域是1ms （正常情况下）。5G所需要支援的频率范围非常广，中低频从450MHz~6000MHz（FR1），高频从24.25GHz~52.6GHz（FR2）。因为高频意味着更高的相位噪声，所以需要设计更加宽的子载波间隔来抵御相位噪声的干扰。更宽的子载波间隔，意味着时域上更短的时隙，更短的传输时间间隔，我们在4G LTE时代千方百计想要降低的传输时间间隔在5G时代只需要使用更高的频段，更宽的子载波间隔就轻而易举的降低了。而且根据不同的频段可以选择从15KHz, 30KHz 到120KHz的子载波间隔，可以简单的理解为，5G子载波间隔相比于LTE 15KHz增加了多少倍，那么在时域上的传输时间间隔就减少相应的倍数。
微时隙排程（Mini-slot）
微时隙排程继承了LTE中减小传输时间间隔的设计理念，将最小的传输时间间隔由子帧拓展到了符号上。第一优先级最小的排程间隔根据情况可以选择2个符号，4个符号，7个符号。下图是一个下行资料传输的示例，资料包到达了基站，基站经过4个符号的处理以及等待合适的sPDCCH时间，随后通过两个符号的微时隙排程将资料传输给使用者。
上行免排程传输 （Grant free transmission）
和4G LTE一样，5G可以周期性的给使用者分配上行资源（半静态排程）来减少上行的传输时延，而且5G更加进了一步。在4G中半静态排程的资源一般是给每个使用者单独分配的，所以当网络中使用者较多的时候，造成的浪费是非常大的，因为预留的无线资源终端不一定会使用。
在5G中可以将预留资源分配给一组终端使用者，并且设计了当多个使用者同时在相同的无线资源上发生冲撞的解决机制。这样在降低时延的同时使宝贵的无线资源的利用率也得到了保证。
预清空排程（Pre-emptive Scheduling）
预清空排程的意思是为某个高优先级的使用者清空原来已经分配给其他使用者的资源，打个比方，我们去餐馆吃饭，没有位置了，餐馆老板认识我们是高阶VIP，所以把一桌正在吃饭的使用者赶走了，把桌子留给了咱们：）。
通过这样的方式达到了对时间延迟要求高的使用者可以立即传输资料，从而降低了时延。
以上是目前5G主要降低时延的方法，当然还有一些其他的方法如：快速混合重传机制（fast HARQ），短PUCCH等。那么通过以上技术的组合，是怎么一步步使网络时间延迟降低到1毫秒的呢？
通过使用30KHz的子载波间隔，上行免排程，以及两个符号的微时隙，可以达到低于双向时延1ms以下的要求。如果采用5G高频通讯，使用120KHz的子载波间隔，时延可以更低。
至此，1ms梦寐以求的目标终于达成，虽然达到了1ms的目标，但是科技工作者们仍没有停下探索的脚步，目前的研究转向了5G物理层，而新的研究专案也已经成功立项并完成：Study on physical layer enhancements for NR ultra-reliable and low latency case (URLLC), 在下一版本5G release 16中，URLLC将从PDCCH，UCI，PUSCH这些方面获得更多的提升。同时研究还转向了支援对时延和可靠性要求极高的工业互联网应用Study on NR industrial Internet of Things (IoT)。
探索为什么5G能降低网络时间延迟到1ms完结，但是需要引起注意的是，我们这里讨论的延迟是整个网络中的一部分，特指空中界面。但是网络的传输时延绝不是空中界面单一界面就能够保证的，还涉及到端到端的核心网以及互联网。剩下这部分属于TSN（Time sensitive network）的范围，什么是TSN，怎么将无线URLLC和TSN结合起来为工业4.0服务，有待下回分解。
历史的有趣之处就在于：总是在起起伏伏，跌跌撞撞中前行，不断的循环，却又惊人的相似。对比5G中时延减少的思路，很多都和4G类似。而从4G史一路看过来，才不会乱花渐欲迷人眼。从20毫秒到1毫秒，这么短，却又那么长，背后是无数通讯工作者夜以继日，年复一年，默默无闻的贡献自己的力量。
看完如果觉得有用请为背后默默书写通讯史的千千万万科技工作者点个赞 ，让他们的工作被更多的人看见，谢谢：）
参考文献：
ITU-R M.2410-0 Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s)
3GPP 38.913 Study on scenarios and requirements for next generation access technologies
3GPP 36.881 Study on latency reduction techniques for LTE
RP-150465 New SI proposal: Study on Latency reduction techniques for LTE
RP-160667 L2 latency reduction techniques for LTE
RP-161299 New Work Item on shortened TTI and processing time for LTE
R2-153490 L2 enhancements to reduce latency
URLLC Services in 5G Low Latency Enhancements for LTEThomas Fehrenbach∗ , Rohit Datta†
Ultra Reliable Low Latency Communication for 5G New Radio
3GPP TS38.824 Study on physical layer enhancements for NR ultra-reliable and low latency case (URLLC)
3GPP TR38.825 Study on NR industrial Internet of Things (IoT)
