師 瑜 丁志東 席緒亞 周 晶

中國(guó)聯(lián)通研究院 北京 100176

引言

5G部署初期，終端用戶體驗(yàn)往往會(huì)成為5G產(chǎn)業(yè)能否規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵因素。5G技術(shù)本身帶來(lái)的大帶寬(100M)、多天線(2T4R)、高功率(26dBm)、高速率、ENDC雙連接等特性[1]，及用戶日益增長(zhǎng)的對(duì)高清屏幕、攝像頭、高性能GPU、AI處理能力等其他需求提升，給5G終端的功耗帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，直接影響了5G終端產(chǎn)品和SA網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用推廣。據(jù)權(quán)威媒體報(bào)道，5G終端平均比4G終端功耗高20%，而在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)下，5G終端工作在SA模式下，也比工作在LTE模式下平均功耗高20%以上。解決5G商用初期的終端功耗問(wèn)題，不僅僅需要終端提升自身的芯片制程、硬件設(shè)計(jì)、軟件優(yōu)化，更需要通過(guò)終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化，從業(yè)務(wù)場(chǎng)景、使用量角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)與終端功耗優(yōu)化相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化的管控和配置，從而實(shí)現(xiàn)在典型使用場(chǎng)景下5G終端功耗與4G終端相當(dāng)?shù)乃剑瑸?G的規(guī)模商用提供基礎(chǔ)保障。

5G終端一般有SA和NSA兩種工作模式。NSA模式下，以LTE為錨點(diǎn)，以EPC為核心網(wǎng)，LTE和NR無(wú)線發(fā)射接收端同時(shí)工作，往往會(huì)比SA模式更加耗電。NSA模式下的功耗優(yōu)化，主要策略為在無(wú)業(yè)務(wù)或者小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)的情況下，盡量去激活NR輔載波，即僅工作在LTE模式上，從而達(dá)到省電的目的?？紤]端網(wǎng)目前已經(jīng)有相對(duì)完備的NSA節(jié)電方案，且中國(guó)未來(lái)將以發(fā)展SA網(wǎng)絡(luò)為主流方向，本文將重點(diǎn)聚焦在SA網(wǎng)絡(luò)下的5G終端功耗優(yōu)化特性及方案。

1 5G終端功耗優(yōu)化特性研究

一般來(lái)說(shuō)，一款5G終端中移動(dòng)通信模塊的耗電量約占整機(jī)的20%～40%左右，而其他軟硬件因素，如屏幕、攝像頭、AI算法、GPU處理器等的耗電量占用整機(jī)的60%～80%左右。與通信模塊無(wú)關(guān)的功耗問(wèn)題，需要終端廠商進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)的技術(shù)積累和新工藝的發(fā)展突破，而20%～40%左右的移動(dòng)通信模塊的功耗問(wèn)題，則可以通過(guò)端網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化，立竿見(jiàn)影地獲得顯著的終端節(jié)電效果[2]。

考慮到5G功耗過(guò)大主要來(lái)源是大帶寬、多天線、高速率等特性，5G終端功耗優(yōu)化，主要可從時(shí)域、頻域、空域及端網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化參數(shù)等方面入手。

1.1 頻域降功耗

網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，靈活的調(diào)整終端的工作帶寬，從頻率方面節(jié)省功耗，典型特性為BWP切換。如圖1所示，3GPP R15引入的BWP切換機(jī)制，可以使終端在可有大數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)的時(shí)候，工作在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)BWP上(BWP1，一般設(shè)置為100M)，而在小數(shù)據(jù)包類業(yè)務(wù)的時(shí)候，工作在節(jié)電BWP上(BWP2，一般設(shè)置為20M)，從而靈活的調(diào)度頻譜資源，達(dá)到節(jié)電效果[3]。

1.2 時(shí)域降功耗

時(shí)域降功耗使終端間歇性的進(jìn)入休眠狀態(tài)，可有效降低終端功耗，典型特性為C-DRX(通常搭配智能上行預(yù)調(diào)度共同使用)、跨時(shí)隙調(diào)度(K0＞0)、喚醒信號(hào)(Wake-up Signal)等。

1)C-DRX：如圖2所示，開(kāi)啟C-DRX后，會(huì)使處于連接態(tài)的終端，周期性的暫停偵聽(tīng)PDCCH，進(jìn)入休眠態(tài)[4-5]，適用于周期性連續(xù)小包、時(shí)延不敏感、稀疏小包業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)緩存類業(yè)務(wù)，以達(dá)到省電效果。

圖2 C-DRX節(jié)電機(jī)制

2)智能上行預(yù)調(diào)度：在終端有下行業(yè)務(wù)的時(shí)候，為終端上行預(yù)留調(diào)度資源開(kāi)啟上行智能預(yù)調(diào)度，主要用于平衡CDRX開(kāi)啟后的時(shí)延影響。開(kāi)啟智能上行預(yù)調(diào)度理論上會(huì)增加功耗，但會(huì)有效減少用戶時(shí)延，通過(guò)與C-DRX均衡配置，實(shí)現(xiàn)綜合體驗(yàn)最優(yōu)，原理如圖3所示。

圖3 智能上行預(yù)調(diào)度

3)skipUplinkTxDynamic：如圖4所示，基站開(kāi)啟上行智能預(yù)調(diào)度后，造成UE上行發(fā)送空Padding包占比較高，導(dǎo)致多余的上行功耗浪費(fèi)，skipUplinkTxDynamic開(kāi)啟后UE在發(fā)現(xiàn)MAC PDU為padding包，則跳過(guò)發(fā)送，該方案預(yù)估能夠節(jié)省整機(jī)功耗5%左右。

圖4 skipUplinkTxDynamic功耗節(jié)省原理

4)跨時(shí)隙調(diào)度(k0＞0)：現(xiàn)網(wǎng)中很多場(chǎng)景都僅有PDCCH而沒(méi)有調(diào)度PDSCH，但射頻接收機(jī)部分目前機(jī)制是一直保持打開(kāi)，會(huì)造成額外的功耗浪費(fèi)，原理如圖5所示。跨時(shí)隙調(diào)度可以通過(guò)使終端在沒(méi)有下行緩存需求的時(shí)候，跳過(guò)不必要的下行緩存，顯著節(jié)省PDCCHonly場(chǎng)景下的功耗浪費(fèi)。

圖5 同時(shí)隙調(diào)度與跨時(shí)隙調(diào)度UE信號(hào)緩存

5)喚醒信號(hào)：3GPP R16新引入的功耗節(jié)省特性，作用于C-DRX狀態(tài)，在喚醒信號(hào)的指示下，UE可以監(jiān)聽(tīng)或者不監(jiān)聽(tīng)對(duì)應(yīng)DRX周期的PDCCH，即有了WUS后，UE在下個(gè)on duration周期不進(jìn)行SP L1-RSRP reporting、SP-CSI reporting、SP L1-SINR以及SRS的發(fā)送，從而達(dá)到節(jié)電作用，原理如圖6所示。

圖6 喚醒信號(hào)的示意圖

1.3 空域降功耗

網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端上報(bào)的信息，靈活調(diào)整終端收發(fā)MIMO層數(shù)。典型特性為3GPP R15/R16定義的終端輔助信息上報(bào)和R16定義的最大MIMO層數(shù)自適應(yīng)。

1)終端輔助信息上報(bào)(UAI-UE assistance information)：3GPP在R15定義了終端輔助信息上報(bào)(過(guò)熱)特性，可以允許終端在過(guò)熱的情況下，主動(dòng)上報(bào)期望的MIMO層數(shù)、最大載波數(shù)(一般用于CA載波聚合場(chǎng)景)和最大工作帶寬，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)終端上報(bào)的情況，結(jié)合實(shí)際調(diào)度情況，分別為終端降低MIMO層數(shù)、CA載波數(shù)、帶寬。尤其是降低MIMO層數(shù)，可有效降低終端收發(fā)功耗。根據(jù)3GPP TR 38.840[2]NR模式下的終端功耗節(jié)省研究報(bào)告所述的功耗模型統(tǒng)計(jì)，下行4流降低為2流時(shí)，可降低通信電路的30%功耗；上行2流降為上行1流時(shí)，可降低通信電路的20～40%功耗?；赗16版本的終端輔助信息上報(bào)支持終端上報(bào)更多的參數(shù)需求，如CDRX配置、RRC狀態(tài)、載波參數(shù)等。

2)最大MIMO層數(shù)自適應(yīng)：3GPP R15版本中，所有BWP的最大MIMO層數(shù)相同，不可調(diào)節(jié)，這將導(dǎo)致終端均按照現(xiàn)網(wǎng)配置的最大MIMO層數(shù)去配置相應(yīng)，如在節(jié)電BWP上，終端也需工作在2T4R。為了支持最大MIMO layers的動(dòng)態(tài)調(diào)整，3GPP R16引入了下行BWP級(jí)別的最大MIMO Layer配置，UE可以通過(guò)BWP切換的方式進(jìn)行最大MIMO Layer的自適應(yīng)，從而達(dá)到節(jié)電的目的，原理如圖7所示。

圖7 最大MIMO層數(shù)自適應(yīng)示意圖

1.4 其他端網(wǎng)協(xié)同功耗優(yōu)化特性

1)上行功控優(yōu)化：需要網(wǎng)絡(luò)合理設(shè)置P0值；分開(kāi)調(diào)控SRS和PUSCH功率等。

2)基站小包降功率：中近點(diǎn)時(shí)，當(dāng)需求RB為小包業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)所需的RB數(shù)目控制終端發(fā)射功率。

3)上行波形自適應(yīng)：基站開(kāi)啟UE上行CP-OFDM和DFT-OFDM波形的自適應(yīng)功能后，終端可在小區(qū)邊緣區(qū)域使用DFT-OFDM調(diào)制方式，中近點(diǎn)使用CP-OFDM方式，可有效降低終端發(fā)射功率。

4)RRC不活動(dòng)定時(shí)器：設(shè)置合適的RRC不活動(dòng)定時(shí)器，可以使端無(wú)業(yè)務(wù)的時(shí)候盡快進(jìn)入空閑態(tài)。

2 功耗優(yōu)化端網(wǎng)協(xié)同試驗(yàn)分析

考慮到現(xiàn)階段終端與網(wǎng)絡(luò)對(duì)功耗特性的支持現(xiàn)狀，本文主要針對(duì)現(xiàn)階段較為成熟的CDRX+智能預(yù)調(diào)度及BWP切換兩個(gè)功耗節(jié)省特性，制定了5G SA終端功耗優(yōu)化測(cè)試方案及SA網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化建議，并在現(xiàn)網(wǎng)中選取規(guī)模較大的兩家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商，作為功耗優(yōu)化端網(wǎng)協(xié)同測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，基于終端大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的用戶功耗模型，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)功耗參數(shù)配置下終端的節(jié)電效果進(jìn)行了深入實(shí)網(wǎng)測(cè)試分析。

2.1 功耗優(yōu)化測(cè)試模型

2.1.1 5G終端用戶Top應(yīng)用模型

根據(jù)終端業(yè)務(wù)模式大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，終端處在待機(jī)(滅屏)、微信文字(小包不連續(xù)業(yè)務(wù))、微信語(yǔ)音(小包連續(xù)業(yè)務(wù))、短視頻(小包周期性業(yè)務(wù))、在線高清視頻(緩存類業(yè)務(wù))時(shí)間較長(zhǎng)，因此，本文針對(duì)這5種典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景[6]，逐一驗(yàn)證了不同網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)對(duì)終端5種業(yè)務(wù)的功耗影響，如表1所示。

表1 功耗業(yè)務(wù)模型

2.1.2 CDRX+智能上行預(yù)調(diào)度的測(cè)試模型

CDRX能夠有效降低連接態(tài)下小包不連續(xù)業(yè)務(wù)的功耗，智能上行預(yù)調(diào)度能夠補(bǔ)償CDRX帶來(lái)的時(shí)延損耗。測(cè)試選擇兩種CDRX配置參數(shù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。分別測(cè)試了SA網(wǎng)絡(luò)下(BWP切換關(guān)閉，終端默認(rèn)工作在100M帶寬的BWP上)無(wú)CDRX配置+無(wú)智能上行預(yù)調(diào)度、CDRX配置1+智能上行預(yù)調(diào)度開(kāi)、CDRX 配置1+智能上行預(yù)調(diào)度關(guān)、CDRX配置2+智能上行預(yù)調(diào)度開(kāi)、CDRX配置2+智能上行預(yù)調(diào)度關(guān)共五組NR網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)，5款主流芯片廠家的5G終端分別進(jìn)行待機(jī)(黑屏)、微信文字(小包不連續(xù)業(yè)務(wù))、微信語(yǔ)音(小包連續(xù)業(yè)務(wù))、短視頻(小包周期性業(yè)務(wù))、在線高清視頻(緩存類業(yè)務(wù))5種業(yè)務(wù)模式的功耗優(yōu)化效果。參數(shù)配置如表2～4所示。

表2 C-DRX參數(shù)配置1

2.1.3 BWP測(cè)試模型

根據(jù)終端典型業(yè)務(wù)速率分析，即使是速率要求最高的在線高清視頻，平均速率也僅在下行5～10Mb/s左右，峰值速率可能達(dá)到20Mb/s?？紤]到運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)4G高速移動(dòng)寬帶速率為下行20Mb/s左右，因此小BWP的帶寬設(shè)置，應(yīng)既能保障終端節(jié)能效果，又能保證5G業(yè)務(wù)體驗(yàn)不落后于4G。因此建議設(shè)置大BWP切換小BWP的門(mén)限為＜10Mb/s，小BWP切換大BWP的門(mén)限為＞20Mb/s，10～20Mb/s之間的速率，可由網(wǎng)絡(luò)廠家的調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到小區(qū)負(fù)載均衡、適當(dāng)設(shè)置突發(fā)業(yè)務(wù)流量的緩沖機(jī)制，避免BWP頻繁切換的乒乓效應(yīng)。

表3 C-DRX參數(shù)配置2

表4 上行智能預(yù)調(diào)度配置

因此，BWP切換功能的現(xiàn)網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為：基于DCI的BWP切換，大帶寬BWP1(100MHz)和小帶寬BWP2(20MHz)；BWP1切BWP2門(mén)限為：DL速率＜10Mb/s，且UL速率＜2Mb/s，同時(shí)考慮小區(qū)容量、緩存等因素；BWP2切BWP1門(mén)限為：DL速率＞20Mb/s，或UL速率＞5Mb/s，同時(shí)考慮小區(qū)容量、緩存等因素。

2.1.4 BWP+CDRX(開(kāi)啟智能上行預(yù)調(diào)度)測(cè)試模型

網(wǎng)絡(luò)配置BWP(BWP1為100MHz，BWP2為20MHz)，同時(shí)開(kāi)啟CDRX(打開(kāi)智能上行預(yù)調(diào)度)，驗(yàn)證5款主流芯片的終端產(chǎn)品在5種典型業(yè)務(wù)下的功耗表現(xiàn)。

2.2 功耗優(yōu)化測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 CDRX(開(kāi)啟智能上行預(yù)調(diào)度)測(cè)試結(jié)果分析

CDRX開(kāi)啟后，終端功耗均可獲得明顯收益，如圖8所示。對(duì)微信文字等小包不連續(xù)業(yè)務(wù)，功耗節(jié)省約50%以上；對(duì)于短視頻功耗節(jié)省在20%左右；對(duì)在線視頻功耗節(jié)省約3%左右。

圖8 CDRX開(kāi)啟后SA網(wǎng)絡(luò)下的5G終端功耗對(duì)比

由于CDRX打開(kāi)后會(huì)增加時(shí)延，因此通過(guò)同時(shí)打開(kāi)智能上行預(yù)計(jì)調(diào)度平衡時(shí)延。理論上打開(kāi)智能上行預(yù)調(diào)度會(huì)增加功耗，需綜合分析對(duì)功耗和時(shí)延的影響，如圖9所示，打開(kāi)智能上行預(yù)調(diào)度，功耗較關(guān)閉智能預(yù)調(diào)度增加1～8%。

圖9 上行智能預(yù)調(diào)度開(kāi)啟和關(guān)閉后SA終端功耗對(duì)比

2.2.2 BWP切換測(cè)試結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)BWP1(100M)與BWP2(20M)，終端典型業(yè)務(wù)下的功耗測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10所示。對(duì)于微信語(yǔ)音與文字類業(yè)務(wù)(業(yè)務(wù)基本保持在小BWP上)，功耗降低20%，對(duì)于短視頻與在線視頻類業(yè)務(wù)(業(yè)務(wù)會(huì)有一定比例保持在大BWP上)，功耗降低10%左右。

2.2.3 BWP+CDRX(開(kāi)啟智能上行預(yù)調(diào)度)測(cè)試結(jié)果分析

現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，BWP+CDRX(CDRX2)的參數(shù)配置，終端功耗優(yōu)化效果最好。如圖11所示，BWP+CDRX的配置對(duì)微信文字、微信語(yǔ)音、短視頻、在線視頻均有功耗的降低。其中對(duì)微信文字這種小包不連續(xù)業(yè)務(wù)功耗降低59%；對(duì)微信語(yǔ)音、短視頻和在線視頻業(yè)務(wù)功耗可節(jié)省10～20%。

圖11 BWP切換+CDRX(智能上行預(yù)調(diào)度開(kāi))配置下的SA終端功耗對(duì)比

如圖12所示，CDRX+BWP較單CDRX以及單BWP的配置，CDRX+BWP的配置在微信文字、短視頻、在線高清視頻均能夠獲得最大的功耗收益；但在微信語(yǔ)音業(yè)務(wù)上，功耗收益較單配置CDRX大，較單配置BWP功耗收益小，增加的功耗部分是由于開(kāi)啟上行智能預(yù)調(diào)度帶來(lái)的功耗增加。

圖12 BWP+CDRX和單獨(dú)CDRX及單獨(dú)BWP場(chǎng)景下的SA終端功耗對(duì)比

2.3 測(cè)試結(jié)論

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)算分析結(jié)果如下。

SA模式下，BWP+CDRX參數(shù)2組合配置功耗優(yōu)化效果最優(yōu)；對(duì)于用戶體驗(yàn)敏感的區(qū)域，也可采用BWP+CDRX參數(shù)1配置(時(shí)延略優(yōu))。 BWP+CDRX的配置對(duì)小包不連續(xù)業(yè)務(wù)效果最優(yōu)，SA下可節(jié)電＞50%；對(duì)緩存類和小包連續(xù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，SA下約可節(jié)電10%～22%。

與LTE模式下對(duì)比，BWP+CDRX配置下的SA功耗，Top業(yè)務(wù)功耗可與現(xiàn)網(wǎng)LTE 20M(未配置CDRX)下功耗基本相當(dāng)。對(duì)微信文字、短視頻、在線高清視頻等業(yè)務(wù)，SA下功耗低于LTE下功耗分別為45%、11%、5%；但在微信語(yǔ)音業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，SA功耗仍比LTE下高12%。因此，小包連續(xù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的功耗優(yōu)化將是未來(lái)SA端網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化的重點(diǎn)。

綜上分析，本文提出的BWP+CDRX(開(kāi)啟上行智能預(yù)調(diào)度)參數(shù)配置，對(duì)于SA終端的TOP業(yè)務(wù)場(chǎng)景均能獲得與LTE相當(dāng)?shù)墓摹?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境的功耗優(yōu)化試驗(yàn)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)不同芯片和不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交叉試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：對(duì)于5G終端連接態(tài)功耗，通過(guò)BWP+CDRX的聯(lián)合配置，處于SA模式下的5G終端在現(xiàn)網(wǎng)的微信、短視頻、在線視頻等TOP業(yè)務(wù)中，能夠獲得接近LTE模式下的功耗 ，已經(jīng)大幅改善了用戶5G終端的功耗體驗(yàn)。對(duì)于5G終端空閑態(tài)的功耗，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無(wú)可優(yōu)化參數(shù)，在R16中定義了IDLE態(tài)下的通過(guò)放松RRM測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的功耗節(jié)省方法，還待進(jìn)一步研究。

本文成果已經(jīng)在SA現(xiàn)網(wǎng)推廣，預(yù)估方案實(shí)施后，5G終端小包業(yè)務(wù)狀態(tài)下可節(jié)電60%，其他TOP業(yè)務(wù)場(chǎng)景功耗可與4G功耗基本相當(dāng)，這將極大地緩解用戶的5G終端續(xù)航焦慮，提振終端產(chǎn)業(yè)界對(duì)于中國(guó)5G SA規(guī)?；l(fā)展的信心，為用戶帶來(lái)更優(yōu)的5G服務(wù)體驗(yàn)[7]。

同時(shí)，5G終端功耗優(yōu)化研究需要繼續(xù)深入研究。當(dāng)前5G應(yīng)用尚未大規(guī)模爆發(fā)，產(chǎn)業(yè)各方都在積極挖掘和培育5G新應(yīng)用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、云游戲等被認(rèn)為是極有前景的未來(lái)5G應(yīng)用，這些業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)5G終端功耗提出了更高的挑戰(zhàn)。理論分析表明，現(xiàn)網(wǎng)可配置的功耗優(yōu)化相關(guān)的參數(shù)，如CDRX，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、云游戲業(yè)務(wù)場(chǎng)景幾乎無(wú)效果。R16已經(jīng)提出了一些極具潛力的功耗優(yōu)化新特性，需要推動(dòng)5G產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方盡快支持相關(guān)特性，并開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步提升5G功耗效率，改善5G終端用戶使用體驗(yàn)。