5G空口时延(air interface latency)是指数据从发送端(如手机或终端设备)经过5G网络的空中接口到接收端的延迟。空口时延是5G性能指标中一个非常重要的方面，因为它直接影响到许多应用场景，尤其是需要低时延的实时通信和工业自动化等领域。
一、 5G空口时延的标准
根据3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)标准，5G的目标是显著减少空口时延。与4G LTE相比，5G的空口时延显著降低，能够提供更为流畅的实时体验。
5G的理论最小空口时延：
5G空口时延的理论最小值为1毫秒（ms），这是5G的极限目标时延，通常与超可靠低延迟通信(URLLC，Ultra-Reliable Low Latency Communication)应用相关。该时延是指在理想条件下(例如网络状况良好、信号强、负载低等)时，端到端通信的空口部分的时延。
5G实际空口时延：
实际上，5G网络的空口时延在不同的应用场景、网络负载和环境条件下可能会有所不同。根据不同的网络配置和使用情况，5G的实际空口时延一般在1毫秒到10毫秒之间。这已经比4G的空口时延(大约30-50毫秒)大幅减少，能够满足很多需要低时延的应用需求。
二、 影响5G空口时延的因素
5G空口时延的实际性能可能受到多种因素的影响，以下是一些主要的因素：
网络配置：5G的时延性能会受到网络架构的影响。例如，网络的部署模式(如非独立组网(NSA)或独立组网(SA))和无线接入技术(如Sub-6 GHz与毫米波)都会影响空口时延。
信号质量：5G空口时延和信号质量密切相关。信号强度、干扰、传播环境等因素会影响时延。在信号质量较差或远离基站的情况下，时延可能会较高。
网络负载：在网络负载较高时(例如同时连接大量用户或设备)，时延可能会增加。低时延要求的场景(如自动驾驶、工业自动化等)通常要求网络负载较低，以确保时延达到最低。
设备支持：设备的性能也会影响空口时延。不同终端设备的硬件性能、支持的5G频段等会对时延产生一定影响。
三、 5G空口时延的应用场景
5G的低时延特性为许多新兴应用提供了可能，尤其是对于那些对时延要求极高的行业。以下是一些典型的应用场景：
超可靠低延迟通信（URLLC）：
5G的1毫秒空口时延主要针对超可靠低延迟通信(URLLC)应用，如自动驾驶、远程医疗、工业自动化等。这些应用需要非常低的时延，以确保实时的响应和高可靠性。
增强型移动宽带（eMBB）：
虽然增强型移动宽带(eMBB)应用(如高清视频、增强现实(AR)/虚拟现实(VR)等)对时延要求较低，但5G的低时延特性依然能够提升用户体验，减少卡顿和延迟。
大规模机器类通信（mMTC）：
物联网(IoT)应用中的大规模设备连接要求低时延和高可靠性，尤其是在工业监控和智能家居等领域。
四、5G与其他通信技术的对比
与4G LTE和其他通信技术相比，5G的空口时延有了显著的提升。以下是一些不同技术的空口时延对比：
4G LTE：4G LTE的空口时延通常在30-50毫秒之间，虽然适用于大多数日常应用，但对于一些需要实时交互的场景(如自动驾驶、VR等)来说，时延过高。
5G NR（New Radio）：5G空口时延的最小目标为1毫秒，这一性能相比4G有了极大提升，可以满足更加严格的低时延应用要求。
Wi-Fi 6：Wi-Fi 6的空口时延通常在10毫秒左右，低于4G LTE，但与5G相比，仍然有差距。Wi-Fi 6通常应用于室内环境，而5G则针对大规模的室外覆盖和高密度场景。
Wi-Fi 5（802.11ac）：Wi-Fi 5的时延通常在20-30毫秒之间，适合大多数家庭和办公场景，但也不适用于一些对时延有严格要求的应用。
五、 5G空口时延在不同应用场景下的实际表现如何?
5G空口时延在不同应用场景下的实际表现如下：
自动驾驶：5G的空口时延可以低至1毫秒，相当于4G的几十分之一，远高于人体的应激反应，可以广泛地应用于自动控制领域。
工业自动化：5G空口时延低至1ms(毫秒)，为4G的五分之一，可靠性达99.999%，适用于需要低时延高可靠传输速率的领域，如远程医疗手术、远程驾驶、车联网自动驾驶等。
车联网：在地市通用UPF架构下，空口端到端通信平均时延小于20毫秒;而在创新UPF下沉架构下，空口端到端通信平均时延小于17毫秒。
毫米波技术：5G毫米波的空口时延可以做到1ms，往返时延可以做到4ms，表现极为出色。
工业物联网：由于5G毫米波技术空口的时隙设计可以低至0.125ms，相对于Sub-6GHz的空口时延显著降低，能够满足5G空口时延小于1ms的要求。
六、 如何优化5G网络以实现更低的空口时延?
为了优化5G网络以实现更低的空口时延，可以采取以下几种策略：
超短帧和提高调度效率：通过采用超短帧技术，可以减少空口接入时延，因为这能够缩短终端设备与基站之间建立通信连接的时间。
调度策略优化：调整调度策略，合理分配网络资源，提高网络容量。例如，针对高流量区域实施小区分裂，降低用户密度，从而提高网络容量和减少空口时延。
AI技术应用：利用AI技术从多个层面对现有5G网络中多项设计进行增强，包括无线空口技术，以提升系统运行效率和用户体验。
本地分流、PDCP乱序递交、智能预调度等技术：这些技术可以减少链路及空口的传输时延，同时采用保守MCS、调整目标BLER、HARQ重传增强等技术来保障空口的可靠性。
Mini-Slot调度粒度和资源复用技术：5G新空口设计了基于OFDM符号的mini-slot调度粒度，以及基于高优先级业务“抢占”低优先级业务资源的资源复用技术，为uRLLC业务“随到随传”创造了多种传输条件。
Mini-Slot、上行免授权调度、DCI压缩等URLLC关键技术：通过短时隙和通道优先抢占的机制，为无线空口提供更低的时延保障，在5G定义的超高可靠超低时延的业务场景下，网络性能空口时延理论值可缩短到1ms。
频分双工（FDD）频段重耕为新空口（NR） ：在叠加Mini-Slot帧结构或1 ms单周期DS帧结构后，使空口时延进一步降低。
基站优化调度资源：通过优化调度资源使得在传输数据分组时不产生分包，经外场测试，不分包时，空口双向时延可降低约5 ms。
七、 5G毫米波技术在降低空口时延方面的具体作用和限制是什么?
5G毫米波技术在降低空口时延方面具有显著优势，主要体现在以下几个方面：
短时隙配置：毫米波系统可以采用更短的时隙长度，例如每个时隙仅为0.125毫秒，这是目前主流5G中低频系统的四分之一。这种短时隙配置使得毫米波系统能够支持更低的空口时延，从而满足高可靠低时延(URLLC)业务的需求。
灵活帧结构：毫米波技术可以根据用户业务需求进行灵活的帧结构配置，这进一步降低了空口时延。例如，在3GPP标准框架下，毫米波每SLOT周期为5G低频的1/4.这种灵活配置可以极大降低空口时延。
高频特性：毫米波由于其高频特性，可以集成更多的天线，形成更窄的波束，空间分布能力非常强。这种特性不仅提高了信号的定向传输能力，还减少了信号传播过程中的干扰和衰减，从而降低了空口时延。
然而，毫米波技术在降低空口时延的同时也存在一些限制：
信号传播距离受限：毫米波的超短波长使其信号传播距离受限，通常在几百米范围内。这意味着毫米波技术需要更多的基站来覆盖较大的区域，增加了网络部署的成本和复杂性。
穿透能力差：毫米波信号容易受到建筑物和其他障碍物的影响，穿透能力较差。这要求在城市环境中部署更多的小型基站(Small Cells)以确保信号覆盖和连续性。
设备成本高：毫米波设备的成本相对较高，包括天线、射频模块等。这增加了终端设备和基站的制造成本，可能会影响初期的市场普及率。
八、 在5G网络中，哪些因素最影响空口时延的性能?
在5G网络中，影响空口时延的性能主要因素包括以下几个方面：
设备性能：终端和基站的处理能力直接影响数据处理时间，从而影响空口时延。
传输速率和信道条件：数据传输速率和信道条件(如信号强度、干扰等)会影响数据传输时长，进而影响空口时延。
上下行时隙配比：在TDD制式中，上下行数据必须等待相应的上下行时隙才能发送数据。例如，在5G现网2.5 ms双周期的帧结构下，上行方向最大等待时间为4个Tslot，在下行方向最大等待时间为2个Tslot，因此TDD制式上下行时隙倒换间隔是影响空口时延的关键因素。
资源调度时间：终端发送数据需要经历调度请求、调度授权、数据传输及重传等过程，调度时延和数据重传时延也是影响空口时延的重要因素。
覆盖距离：无线和核心网的时延受空口质量、覆盖距离等因素影响。
子帧长度和子载波间隔：降低子帧长度、增加子载波间隔可以减少数据传输时长，从而降低空口时延。
OFDM符号数量：减少OFDM符号数量可以减少数据处理导致的反馈延时。
数据传输算法优化：优化数据传输算法可以减少数据处理导致的反馈延时。
九、 3GPP最新标准对5G空口时延的要求有哪些更新?
3GPP最新标准对5G空口时延的要求主要体现在R16和R17版本中。在R15阶段，3GPP提出了实现低时延的解决方案，包括支持灵活的帧结构、更小的调度周期、灵活的PDCCH配置、URLLC高优先级传输以及采用边缘计算技术等。这些措施旨在减少业务的传输路径，从而降低时延。
进入R16阶段，3GPP进一步提出了低时延增强要求，包括免授权配置和HARQ反馈增强。免授权配置允许基站预先配置周期性资源，UE无需向基站申请，这有助于减少时延。同时，在R16阶段，允许在一个时隙内部的多个PUCCH信道上反馈HARQ-ACK，这也有助于提高时延性能。
最新的R17版本则继续沿用了这些低时延技术，并且基于R18 SI对全双工技术的研究，开展子带全双工和跨链路干扰管理方案标准制定，使能TDD频段同一时隙上下行双工传输，这将提升上行覆盖并降低无线侧空口时延。
十、 结论
5G空口时延的理论最小值为1毫秒，在理想条件下，5G网络可实现超低时延，适用于超可靠低延迟通信(URLLC)等高时延敏感的应用。
实际空口时延通常在1-10毫秒之间，具体时延受网络配置、设备性能、信号质量和网络负载等因素的影响。
5G的低时延特性为自动驾驶、工业自动化、远程医疗等领域提供了巨大的潜力和应用机会。
随着5G技术的进一步发展和应用，空口时延有望得到进一步优化，并为更广泛的行业应用带来突破性进展。
