5G終端節能技術分析

□ 文 劉曉峰

1、引言

隨著5G技術標準化完成，5G也進入了廣泛部署與發展關鍵階段。電池使用時間是影響手機體驗的關鍵環節，也是用戶選擇5G手機的主要參考指標之一。在相同使用習慣下，如果5G手機耗電顯著高于4G手機，將會嚴重影響用戶體驗，延緩用戶選擇5G手機的進度，從而拖慢5G的發展節奏。發展終端節能技術，從而降低5G終端功耗，延長電池使用時間，成為5G能夠廣泛普及的關鍵因素之一。

ITU把終端的能效也納入了IMT-2020（5G）的關鍵技術指標。根據ITU的規定，終端的能效需要考慮有實際數據傳輸的情況和沒有有效數據傳輸的低功耗模式。在有數據傳輸時主要考慮的是平均頻譜利用率，而在沒有有效數據傳輸時主要通過睡眠狀態比例來估計。

在5G NR（新空口）第一版標準中（3GPP R15），已經支持了一系列基本的功能設計，如基本信道設計、大規模天線設計、調制解調方案設計、HARQ設計、接入過程設計等。相比4G終端，5G的終端可以支持更大的吞吐量、更低的處理時延。在5G NR第一版基礎上，在終端節能方面還有進一步優化的空間。

由于5G NR（新空口）系統可以支持非常高的速率傳輸，實際的數據傳輸都是以非常短的數據突發模式進行。對于5G終端，一種比較有效的節能方式是讓終端基本處于一種節能模式，只有數據傳輸的時候才從節能模式進入到接入網絡狀態。這種節能方式可以是微睡眠狀態或者是一種關閉狀態。對于網絡，可以通過一些信號的設計來快速喚醒終端進入網絡接入狀態，或者由網絡接入狀態快速進入節能狀態。

在快速的喚醒和進入睡眠模式之外，5G終端在處于網絡接入的開啟狀態下的節能也非常關鍵。根據對于4G終端的研究，處于網絡接入模式下終端的功耗占全部功耗的一半以上。因此，在網絡接入模式下針對主要耗電項目的節能方案也很重要。這些方案可能涉及大帶寬的處理，數據發送時的射頻鏈（RF chain）個數和發送接收時間調整，動態節能模式調整。在大部分狀態下，不同業務分布也有很大差異。這使得處于連接態的終端在大部分情況下并沒有數據傳輸，或者很多時候在處理很小的數據包。在這種情況下的終端節能技術也有比較大的應用前景。這些技術可能包括根據業務不同進行載波個數、天線個數、大規模天線方案和帶寬等的動態變換。

終端在進行測量時也會耗費很多能量。特別是在接收數據狀態下，為了跟蹤信道快速變化，需要不斷地進行信道的測量。有些測量是必須的，而有些測量則必要性很低，浪費了很多能量。例如在低速或者靜止狀態下的終端沒有必要像高速移動狀態下的終端一樣進行測量。網絡可以為終端提供一些輔助消息，來減少不必要的測量行為。同時，一些來自終端側的輔助消息也可以提供給網絡，使得網絡可以觸發一些行為輔助終端減少無謂的測量。

綜上所述，5G的第一版標準由于時間所限，并沒有對終端的節能技術進行相關的標準化，這為后續5G標準演進留下了比較大的空間。在5G第二版標準（3GPP R16）中，專門針對終端節能技術進行了立項，對終端節能技術進行了系統的研究，然后對最關鍵的一些技術進行了標準化。

2、5G潛在終端節能技術分析

3GPP為更好地標準化5G終端節能技術，首先展開了研究性的立項，項目持續時間為2018年9月至2019年3月。在6個月的時間內，向各個公司征集了潛在的終端節能技術，并對這些技術進行了仿真研究。這些征集到的方案集中在：根據業務和功耗特性進行匹配的自適應節能技術，觸發5G終端功耗模式調整的節能相關信號/信道/過程，測量相關的功耗減少技術三個方面。

2.1 與業務和功耗特性匹配的自適應節能技術

經過各公司討論，為匹配不同的業務類型，5G NR中可自適應調節的維度包括頻率、時間、天線個數、DRX（非連續接收）、PDCCH（物理下行控制信道）檢測、終端輔助信息等。

（1）頻域自適應技術

5G NR中支持了BWP（帶寬變換）技術，BWP的轉換主要由基站根據業務需要進行控制。在R15版本的BWP技術基礎上，可以考慮更動態的，由終端輔助的BWP動態變換。具體的與終端節能相關的BWP變換增強技術包括：通過參考信號來輔助終端進行信道跟蹤與測量，從而輔助BWP的切換；增強現有的物理層信號，如節能信號或者承載節能信號的DCI（下行控制信息）信息，來觸發BWP的切換；把DRX與BWP轉換結合；終端輔助BWP轉換的其他信息。快速的匹配業務的BWP切換相比相對靜態的固定BWP方式能帶來一定的節能增益。但是R15中已經支持基于DCI的BWP切換，增強方案帶來的節能增益相對有限。

終端還可以通過增強載波聚合（CA）與雙連接（DC）中輔小區（SCell）的快速激活與去激活來適應不同的業務類型，從而達到終端節能的效果。CA/DC中與終端節能相關的技術包括：通過物理層信令或者MACCE信令增強來實現快速的激活和去激活；SCell上PDCCH監測或者搜索空間的自適應調整；跨載波調度；對一組小區的節能模式自適應調度；對多個小區的分組綁定調度；在非激活SCell上CSI/RRM測量和波束管理；終端輔助CA/DC轉換的其他信息；與BWP轉換結合的一些操作。通過SCell的快速激活和去激活，可以減少在SCell上不必要的PDCCH監控，當終端工作在CA/DC模式時能夠帶來比較明確的節能效果。

（2）時域自適應技術

時域的終端節能自適應技術包括跨時隙調度，本時隙調度中在PDCCH調度和PDSCH接收間保證一定的間隔，多時隙調度。對于跨時隙調度和本時隙調度，通過保證PDCCH調度和PDSCH接收間存在一定的間隔，可以使終端在進行PDCCH的接收之后進入短暫的微睡眠狀態，從而達到終端節能的效果。對于多時隙調度，通過PDCCH一次調度多個連續的PDSCH/PUSCH，可以省去連續多個時隙的PDCCH監測。通過增加PDCCH和對應PDSCH之間的時間間隔可以帶來一定的節能增益，但是對于實際數據傳輸的時延和用戶體驗速率帶來一定的損失。同樣，PDCCH一次調度多個時隙，節省了PDCCH開銷，但是會對用戶體驗速率帶來一定損失。

（3）天線數量自適應

5G終端標準配置采用4個接收天線，在一定情況下，通過網絡半靜態或者動態配置來減少終端的接收天線數和MIMO層數，可以在一定程度上達到節能的效果。減少天線數量帶來的節能效果是比較明顯的，但是對于吞吐量的損失比較明顯。在業務很少的情況下，小數據量傳輸時用戶體驗到的損失不明顯，但是對于數據量較大時用戶體驗就會變差。因此對于如何調整天線數目變化匹配業務變化需要仔細設計。

（4）DRX操作相關自適應

DRX技術是終端使用的一種重要節能技術，在R15已經支持。DRX有兩種狀態，分別為開啟和關閉狀態。在開啟狀態下，終端進行PDCCH等下行信號和信道監聽，并進行相應的數據接收；在關閉狀態下，終端關閉收發單元，不進行PDCCH等下行信號和信道監聽來達到節能的目的。針對不同的業務類型和分布情況，DRX可以實現動態的配置，如開啟和關閉的時間占比和周期等參數。

節能增強技術中與DRX操作相關的技術是在DRX開啟前發送節能信號或信道，通過節能信號或信道來指示終端只有有數據發送時才觸發終端醒來操作。而在沒有節能信號或者信道指示時，終端可以選擇至少不進行PDCCH的不醒來的操作。該節能信號或信道又可以被稱為喚醒信號（Wake Up Signal,WUS）。在DRX開啟狀態中，也可以通過進入休眠信號（go-to-sleep）來指示終端進入睡眠狀態，從而進一步進行節能。

（5）減少PDCCH監測

PDCCH的監測在終端的能耗中占據了很大比例。減少無效的PDCCH監測是終端節能的重要方向。減少PDCCH無效監測可以有多種方式。如前所述，喚醒信號和進入休眠信號都有減少PDCCH監測的效果。除此之外，還有其他一些方式也可以減少PDCCH監測：用DCI或者其他物理層信號直接進行多個時隙的PDCCH忽略指示；動態調整CORESET（控制資源集合）或搜索空間的參數；減少SCell的PDCCH監測次數。

減少PDCCH監測對于數據發送比較頻繁和數據量比較大的業務節能增益較小，而且還會引入一些時延和吞吐量性能損失。但是對于數據發送比較小的業務，帶來的節能效果比較明顯。

（6）終端輔助信息

終端可以為基站上報一些有助于終端進行節能操作的推薦信息。這些信息可以是終端偏向的時間處理參數、BWP配置、天線配置、DRX參數和配置、BWP切換配置、SCell激活和去激活參數、PDCCH監測相關參數。這些參數上報給基站后，基站掌握最終的決定權。

2.2 觸發5G終端功耗模式調整的節能相關信號/信道/過程

（1）節能信號或信道

可以用于節能的信號或信道包括R15中已經標準化的信道和信號或者是新定義的信道或者信號。已經標準化的可用于節能的信號或者信道包括PDCCH信道、TRS、CSI-RS、DMRS、SSS、承載MAC CE或RRC信令的PDSCH。新定義的用于節能的信道或者信號最好采用基于序列的方式，以節省終端監測節能信道或信號的功耗。

（2）節能過程

節能涉及的主要過程有DRX過程、PDCCH監測、頻域的轉換、多天線的配置。節能信號或者信道可以與DRX配置一起發送給UE進行從睡眠狀態向醒來狀態的轉換。參考信號資源也可以用來輔助終端進行信道相關的測量和時頻同步與波束跟蹤。節能信號或信道也可以用來跳過一段時間的PDCCH的監測或者進入睡眠狀態。節能信號或信道也可以用來觸發頻域相關的一些BWP切換、SCell激活去激活、參考信號配置。

（3）額外參考信號

在R15已經標準化的參考信號之外，針對終端節能，也可以定義單獨的參考信號。新參考信號可以用來進行更精準的同步、信道和波束追蹤、信道測量。新參考信號設計為保持前向兼容性，還是需要基于R15已有的波形。通過新參考信號設計，可以攜帶一定信息，完成節能信號的功能。

2.3 測量相關的功耗減少技術

測量相關的功耗減少技術主要是自適應調整測量相關的要求。對測量行為的改變涉及RRC_ACTIVE、RRC_IDLE與RRC_INACTIVE多個狀態。與終端節能相關的自適應調整測量要求涉及時域測量、頻域測量和RRM（無線資源管理）測量。

對于時域的測量減少包括在滿足一定條件下（如RSRP滿足一定條件），減少測量時間內采樣次數、減少上報次數、增加測量的周期、限定測量發生在一定的窗口內并加大窗口的周期。另外，與切換相關的一些測量涉及一些閾值的設定，通過改變這些閾值的設定，也可以起到改變測量次數的效果。

頻域測量減少的方式需要考慮頻間（inter-frequency）測量和頻內（intra-frequency）測量兩種場景。對于頻間測量主要是減少相鄰載頻的測量個數。而對于頻內測量，主要是減少需要進行測量的同頻鄰區的測量個數并在單位周期內減少測量的次數。

RRM測量相關的節能技術主要是增加RRM測量時的可用測量資源。這些可用的資源包括現有的參考信號和可能定義的節能信號。在終端進行RRM測量的時間窗內，基站盡可能地把可以用于終端RRM測量的參考信號集中發送，這樣可以提升終端RRM測量精度，達到節能的效果。

綜上所述，在5G R15版本基礎上，還存在很多可以進一步標準化的終端節能技術。這些技術涉及與業務分布相關的物理層設計、高層信令設計、測量及射頻指標放松及相關的流程設計。經過大量的仿真與分析，這些方案還是可以給終端帶來比較明顯的節能效果。但是考慮到節能效果的取得往往會產生一些時延和吞吐量方面的損失，在標準化及后續使用中還需要進一步的設計與優化。

3、5G終端節能技術國際標準化

經過研究，可用于終端節能的候選技術很多，受時間所限，3GPP對最關鍵的一些終端節能技術進行了標準化。這些標準化內容包括：

PDCCH中引入新的DCI格式作為節能指示；

在現有的PDCCH DCI中加入跨時隙調度最小值指示，最小值由高層信令進行配置；

終端自適應調整最大MIMO層數；

終端上報RRC_CONNECTED狀態之外的一些節能相關的終端偏好信息；

在RRC_IDLE/INACTIVE狀態下，降低對鄰區頻內和頻間的RRM測量要求；

PDCCH中引入對SCell的分組指示。

圖1 節能信號發送位置及監測示意圖

在這些標準化內容中，節能信號的設計體現為新的DCI格式設計，是整個終端節能設計的重點。新的節能DCI格式為DCI format 2_6，采用PSR N T I進行加擾。具體的指示內容包括對多個終端的喚醒指示（Wake-up indication）和SCell休眠指示（SCell dormancy indication）。其中每個終端的喚醒指示為1個比特，SCell休眠指示長度由高層配置的休眠相關的SCell分組個數指示（Scell-groups-fordormancy-outside-activetime）決定。在多個被指示終端中，每個終端的被指示位置由高層參數（PSPositionDCI 2-6）進行配置。可見，DCI format 2_6的設計中，由于節能指示只需要1比特，為節省開銷，實現了多個終端共同指示。同時，在節能比特的頻域指示范圍上，也考慮了不同SCell組合，以達到節能效果最大化。

節能信號設計另一個關鍵點在于發送的時域位置和發送頻率。如果節能信號需要頻繁監測，反而給終端帶來額外的負擔。經過各個公司大量的討論，節能信號的發送和監測標準化綜合考慮了PDCCH的配置方式和DRX的配置。具體的，節能信號是PDCCH的DCI格式的一種，可能發送位置和發送周期服從CORESET和PDCCH搜索空間的配置。同時，節能信號與DRX配置需要聯合使用。終端只在DRX ON之前的一段時間內才進行節能信號的監測，這段時間被定義為ps_Offset。通過PDCCH的配置和DRX配置的結合，可以有效的減少不必要的節能信號發送和監測。

圖1給出節能信號發送位置及監測示意圖。基站為攜帶節能信號的PDCCH配置了發送周期T，圖中所示時間內有4個節能信號可能位置。DRX相關配置基站已經通過高層信令通知給終端，終端可以精確獲知DRX ON的開始時間為t2，結束時間為t3，ps_Offset為t1到t2之間。對于圖中的4個節能信號可能位置中，只有位置2位于t1到t2之間。因此，基站只在節能信號可能位置2進行節能信號發送。而在其他三個可能位置并不進行節能信號發送，終端也不需要在其他位置進行節能信號的監測。

當終端被配置了節能信號的相關參數，但是在ps_Offset內沒有監測到節能信號時，需要進一步考慮不同情況。如果終端被配置了參數ps-WakeupOrNot，那么根據該參數指示進行DRX ON時間內的操作。如果沒有收到參數ps-WakeupOrNot，那么終端可以不進行DRX ON相關操作。此外，如果在ps_Offset內，配置了節能信號的PDCCH結束時間與DRX ON的間隔太小，將會造成終端來不及調解節能信號。為保證節能信號搜索空間的正確配置，終端需要對節能信號結束時間和DRX ON之間的最小間隔作為終端的能力進行上報。

根據對節能信號的設計，SCell相關的頻域操作已經融入其中。對于一般的上下行業務調度中，R16也支持了SCell節能相關的操作。當基站配置了參數Scell-groups-for-dormancywit hi n-active-ti me時，PDCCH的DCI format 0_1和DCI format 1_1中對于SCell中BWP的監測要遵從該參數配置。總體來看，5G終端節能信號的設計非常的精巧。它綜合考慮了PDCCH監測與DRX配置，最小化了監測節能信號的功耗，并結合了頻域的節能技術設計，是5G演進中非常優秀的一項設計。

4、5G終端節能技術總結與展望

隨著3GPP R16版本的完成，專門針對5G終端的節能技術也完成第一個版本的標準化。相對于4G，5G在完成基礎設計之后，第一個演進版本就專門針對終端節能進行了立項研究與討論。這充分說明了5G中對于終端節能技術的重視。在研究過程中，各個公司提出了以節能信號的引入為代表的多項終端節能技術。對多項節能技術，3GPP也展開了大量的仿真和研究工作。經過廣泛的討論，對節能信號、跨時隙調度、SCell快速休眠模式、RRM測量放松等多項終端節能技術進行了標準化。隨著這些技術的標準化完成，在未來的5G終端中也將逐步應用相關技術。

在5G的后續持續演進中，5G終端節能技術已經成為了一個重要方向。一方面，受標準化時間限制，R16中多項終端節能技術并未能獲得標準化，未來針對一些技術還需要考慮標準化；另一方面，隨著大量5G終端的應用，會有更多的功耗相關的實際問題顯現，針對這些實際問題，還需要做進一步的研究于標準化工作。在3GPP R17版本中，也將繼續對終端節能做一些標準化工作。這些工作將包括對接入過程的一些節能設計和對已有節能技術設計的增強。■