5G终端节能技术分析

□ 文 刘晓峰

1、引言

随着5G技术标准化完成，5G也进入了广泛部署与发展关键阶段。电池使用时间是影响手机体验的关键环节，也是用户选择5G手机的主要参考指标之一。在相同使用习惯下，如果5G手机耗电显著高于4G手机，将会严重影响用户体验，延缓用户选择5G手机的进度，从而拖慢5G的发展节奏。发展终端节能技术，从而降低5G终端功耗，延长电池使用时间，成为5G能够广泛普及的关键因素之一。

ITU把终端的能效也纳入了IMT-2020（5G）的关键技术指标。根据ITU的规定，终端的能效需要考虑有实际数据传输的情况和没有有效数据传输的低功耗模式。在有数据传输时主要考虑的是平均频谱利用率，而在没有有效数据传输时主要通过睡眠状态比例来估计。

在5G NR（新空口）第一版标准中（3GPP R15），已经支持了一系列基本的功能设计，如基本信道设计、大规模天线设计、调制解调方案设计、HARQ设计、接入过程设计等。相比4G终端，5G的终端可以支持更大的吞吐量、更低的处理时延。在5G NR第一版基础上，在终端节能方面还有进一步优化的空间。

由于5G NR（新空口）系统可以支持非常高的速率传输，实际的数据传输都是以非常短的数据突发模式进行。对于5G终端，一种比较有效的节能方式是让终端基本处于一种节能模式，只有数据传输的时候才从节能模式进入到接入网络状态。这种节能方式可以是微睡眠状态或者是一种关闭状态。对于网络，可以通过一些信号的设计来快速唤醒终端进入网络接入状态，或者由网络接入状态快速进入节能状态。

在快速的唤醒和进入睡眠模式之外，5G终端在处于网络接入的开启状态下的节能也非常关键。根据对于4G终端的研究，处于网络接入模式下终端的功耗占全部功耗的一半以上。因此，在网络接入模式下针对主要耗电项目的节能方案也很重要。这些方案可能涉及大带宽的处理，数据发送时的射频链（RF chain）个数和发送接收时间调整，动态节能模式调整。在大部分状态下，不同业务分布也有很大差异。这使得处于连接态的终端在大部分情况下并没有数据传输，或者很多时候在处理很小的数据包。在这种情况下的终端节能技术也有比较大的应用前景。这些技术可能包括根据业务不同进行载波个数、天线个数、大规模天线方案和带宽等的动态变换。

终端在进行测量时也会耗费很多能量。特别是在接收数据状态下，为了跟踪信道快速变化，需要不断地进行信道的测量。有些测量是必须的，而有些测量则必要性很低，浪费了很多能量。例如在低速或者静止状态下的终端没有必要像高速移动状态下的终端一样进行测量。网络可以为终端提供一些辅助消息，来减少不必要的测量行为。同时，一些来自终端侧的辅助消息也可以提供给网络，使得网络可以触发一些行为辅助终端减少无谓的测量。

综上所述，5G的第一版标准由于时间所限，并没有对终端的节能技术进行相关的标准化，这为后续5G标准演进留下了比较大的空间。在5G第二版标准（3GPP R16）中，专门针对终端节能技术进行了立项，对终端节能技术进行了系统的研究，然后对最关键的一些技术进行了标准化。

2、5G潜在终端节能技术分析

3GPP为更好地标准化5G终端节能技术，首先展开了研究性的立项，项目持续时间为2018年9月至2019年3月。在6个月的时间内，向各个公司征集了潜在的终端节能技术，并对这些技术进行了仿真研究。这些征集到的方案集中在：根据业务和功耗特性进行匹配的自适应节能技术，触发5G终端功耗模式调整的节能相关信号/信道/过程，测量相关的功耗减少技术三个方面。

2.1 与业务和功耗特性匹配的自适应节能技术

经过各公司讨论，为匹配不同的业务类型，5G NR中可自适应调节的维度包括频率、时间、天线个数、DRX（非连续接收）、PDCCH（物理下行控制信道）检测、终端辅助信息等。

（1）频域自适应技术

5G NR中支持了BWP（带宽变换）技术，BWP的转换主要由基站根据业务需要进行控制。在R15版本的BWP技术基础上，可以考虑更动态的，由终端辅助的BWP动态变换。具体的与终端节能相关的BWP变换增强技术包括：通过参考信号来辅助终端进行信道跟踪与测量，从而辅助BWP的切换；增强现有的物理层信号，如节能信号或者承载节能信号的DCI（下行控制信息）信息，来触发BWP的切换；把DRX与BWP转换结合；终端辅助BWP转换的其他信息。快速的匹配业务的BWP切换相比相对静态的固定BWP方式能带来一定的节能增益。但是R15中已经支持基于DCI的BWP切换，增强方案带来的节能增益相对有限。

终端还可以通过增强载波聚合（CA）与双连接（DC）中辅小区（SCell）的快速激活与去激活来适应不同的业务类型，从而达到终端节能的效果。CA/DC中与终端节能相关的技术包括：通过物理层信令或者MACCE信令增强来实现快速的激活和去激活；SCell上PDCCH监测或者搜索空间的自适应调整；跨载波调度；对一组小区的节能模式自适应调度；对多个小区的分组绑定调度；在非激活SCell上CSI/RRM测量和波束管理；终端辅助CA/DC转换的其他信息；与BWP转换结合的一些操作。通过SCell的快速激活和去激活，可以减少在SCell上不必要的PDCCH监控，当终端工作在CA/DC模式时能够带来比较明确的节能效果。

（2）时域自适应技术

时域的终端节能自适应技术包括跨时隙调度，本时隙调度中在PDCCH调度和PDSCH接收间保证一定的间隔，多时隙调度。对于跨时隙调度和本时隙调度，通过保证PDCCH调度和PDSCH接收间存在一定的间隔，可以使终端在进行PDCCH的接收之后进入短暂的微睡眠状态，从而达到终端节能的效果。对于多时隙调度，通过PDCCH一次调度多个连续的PDSCH/PUSCH，可以省去连续多个时隙的PDCCH监测。通过增加PDCCH和对应PDSCH之间的时间间隔可以带来一定的节能增益，但是对于实际数据传输的时延和用户体验速率带来一定的损失。同样，PDCCH一次调度多个时隙，节省了PDCCH开销，但是会对用户体验速率带来一定损失。

（3）天线数量自适应

5G终端标准配置采用4个接收天线，在一定情况下，通过网络半静态或者动态配置来减少终端的接收天线数和MIMO层数，可以在一定程度上达到节能的效果。减少天线数量带来的节能效果是比较明显的，但是对于吞吐量的损失比较明显。在业务很少的情况下，小数据量传输时用户体验到的损失不明显，但是对于数据量较大时用户体验就会变差。因此对于如何调整天线数目变化匹配业务变化需要仔细设计。

（4）DRX操作相关自适应

DRX技术是终端使用的一种重要节能技术，在R15已经支持。DRX有两种状态，分别为开启和关闭状态。在开启状态下，终端进行PDCCH等下行信号和信道监听，并进行相应的数据接收；在关闭状态下，终端关闭收发单元，不进行PDCCH等下行信号和信道监听来达到节能的目的。针对不同的业务类型和分布情况，DRX可以实现动态的配置，如开启和关闭的时间占比和周期等参数。

节能增强技术中与DRX操作相关的技术是在DRX开启前发送节能信号或信道，通过节能信号或信道来指示终端只有有数据发送时才触发终端醒来操作。而在没有节能信号或者信道指示时，终端可以选择至少不进行PDCCH的不醒来的操作。该节能信号或信道又可以被称为唤醒信号（Wake Up Signal,WUS）。在DRX开启状态中，也可以通过进入休眠信号（go-to-sleep）来指示终端进入睡眠状态，从而进一步进行节能。

（5）减少PDCCH监测

PDCCH的监测在终端的能耗中占据了很大比例。减少无效的PDCCH监测是终端节能的重要方向。减少PDCCH无效监测可以有多种方式。如前所述，唤醒信号和进入休眠信号都有减少PDCCH监测的效果。除此之外，还有其他一些方式也可以减少PDCCH监测：用DCI或者其他物理层信号直接进行多个时隙的PDCCH忽略指示；动态调整CORESET（控制资源集合）或搜索空间的参数；减少SCell的PDCCH监测次数。

减少PDCCH监测对于数据发送比较频繁和数据量比较大的业务节能增益较小，而且还会引入一些时延和吞吐量性能损失。但是对于数据发送比较小的业务，带来的节能效果比较明显。

（6）终端辅助信息

终端可以为基站上报一些有助于终端进行节能操作的推荐信息。这些信息可以是终端偏向的时间处理参数、BWP配置、天线配置、DRX参数和配置、BWP切换配置、SCell激活和去激活参数、PDCCH监测相关参数。这些参数上报给基站后，基站掌握最终的决定权。

2.2 触发5G终端功耗模式调整的节能相关信号/信道/过程

（1）节能信号或信道

可以用于节能的信号或信道包括R15中已经标准化的信道和信号或者是新定义的信道或者信号。已经标准化的可用于节能的信号或者信道包括PDCCH信道、TRS、CSI-RS、DMRS、SSS、承载MAC CE或RRC信令的PDSCH。新定义的用于节能的信道或者信号最好采用基于序列的方式，以节省终端监测节能信道或信号的功耗。

（2）节能过程

节能涉及的主要过程有DRX过程、PDCCH监测、频域的转换、多天线的配置。节能信号或者信道可以与DRX配置一起发送给UE进行从睡眠状态向醒来状态的转换。参考信号资源也可以用来辅助终端进行信道相关的测量和时频同步与波束跟踪。节能信号或信道也可以用来跳过一段时间的PDCCH的监测或者进入睡眠状态。节能信号或信道也可以用来触发频域相关的一些BWP切换、SCell激活去激活、参考信号配置。

（3）额外参考信号

在R15已经标准化的参考信号之外，针对终端节能，也可以定义单独的参考信号。新参考信号可以用来进行更精准的同步、信道和波束追踪、信道测量。新参考信号设计为保持前向兼容性，还是需要基于R15已有的波形。通过新参考信号设计，可以携带一定信息，完成节能信号的功能。

2.3 测量相关的功耗减少技术

测量相关的功耗减少技术主要是自适应调整测量相关的要求。对测量行为的改变涉及RRC_ACTIVE、RRC_IDLE与RRC_INACTIVE多个状态。与终端节能相关的自适应调整测量要求涉及时域测量、频域测量和RRM（无线资源管理）测量。

对于时域的测量减少包括在满足一定条件下（如RSRP满足一定条件），减少测量时间内采样次数、减少上报次数、增加测量的周期、限定测量发生在一定的窗口内并加大窗口的周期。另外，与切换相关的一些测量涉及一些阈值的设定，通过改变这些阈值的设定，也可以起到改变测量次数的效果。

频域测量减少的方式需要考虑频间（inter-frequency）测量和频内（intra-frequency）测量两种场景。对于频间测量主要是减少相邻载频的测量个数。而对于频内测量，主要是减少需要进行测量的同频邻区的测量个数并在单位周期内减少测量的次数。

RRM测量相关的节能技术主要是增加RRM测量时的可用测量资源。这些可用的资源包括现有的参考信号和可能定义的节能信号。在终端进行RRM测量的时间窗内，基站尽可能地把可以用于终端RRM测量的参考信号集中发送，这样可以提升终端RRM测量精度，达到节能的效果。

综上所述，在5G R15版本基础上，还存在很多可以进一步标准化的终端节能技术。这些技术涉及与业务分布相关的物理层设计、高层信令设计、测量及射频指标放松及相关的流程设计。经过大量的仿真与分析，这些方案还是可以给终端带来比较明显的节能效果。但是考虑到节能效果的取得往往会产生一些时延和吞吐量方面的损失，在标准化及后续使用中还需要进一步的设计与优化。

3、5G终端节能技术国际标准化

经过研究，可用于终端节能的候选技术很多，受时间所限，3GPP对最关键的一些终端节能技术进行了标准化。这些标准化内容包括：

PDCCH中引入新的DCI格式作为节能指示；

在现有的PDCCH DCI中加入跨时隙调度最小值指示，最小值由高层信令进行配置；

终端自适应调整最大MIMO层数；

终端上报RRC_CONNECTED状态之外的一些节能相关的终端偏好信息；

在RRC_IDLE/INACTIVE状态下，降低对邻区频内和频间的RRM测量要求；

PDCCH中引入对SCell的分组指示。

图1 节能信号发送位置及监测示意图

在这些标准化内容中，节能信号的设计体现为新的DCI格式设计，是整个终端节能设计的重点。新的节能DCI格式为DCI format 2_6，采用PSR N T I进行加扰。具体的指示内容包括对多个终端的唤醒指示（Wake-up indication）和SCell休眠指示（SCell dormancy indication）。其中每个终端的唤醒指示为1个比特，SCell休眠指示长度由高层配置的休眠相关的SCell分组个数指示（Scell-groups-fordormancy-outside-activetime）决定。在多个被指示终端中，每个终端的被指示位置由高层参数（PSPositionDCI 2-6）进行配置。可见，DCI format 2_6的设计中，由于节能指示只需要1比特，为节省开销，实现了多个终端共同指示。同时，在节能比特的频域指示范围上，也考虑了不同SCell组合，以达到节能效果最大化。

节能信号设计另一个关键点在于发送的时域位置和发送频率。如果节能信号需要频繁监测，反而给终端带来额外的负担。经过各个公司大量的讨论，节能信号的发送和监测标准化综合考虑了PDCCH的配置方式和DRX的配置。具体的，节能信号是PDCCH的DCI格式的一种，可能发送位置和发送周期服从CORESET和PDCCH搜索空间的配置。同时，节能信号与DRX配置需要联合使用。终端只在DRX ON之前的一段时间内才进行节能信号的监测，这段时间被定义为ps_Offset。通过PDCCH的配置和DRX配置的结合，可以有效的减少不必要的节能信号发送和监测。

图1给出节能信号发送位置及监测示意图。基站为携带节能信号的PDCCH配置了发送周期T，图中所示时间内有4个节能信号可能位置。DRX相关配置基站已经通过高层信令通知给终端，终端可以精确获知DRX ON的开始时间为t2，结束时间为t3，ps_Offset为t1到t2之间。对于图中的4个节能信号可能位置中，只有位置2位于t1到t2之间。因此，基站只在节能信号可能位置2进行节能信号发送。而在其他三个可能位置并不进行节能信号发送，终端也不需要在其他位置进行节能信号的监测。

当终端被配置了节能信号的相关参数，但是在ps_Offset内没有监测到节能信号时，需要进一步考虑不同情况。如果终端被配置了参数ps-WakeupOrNot，那么根据该参数指示进行DRX ON时间内的操作。如果没有收到参数ps-WakeupOrNot，那么终端可以不进行DRX ON相关操作。此外，如果在ps_Offset内，配置了节能信号的PDCCH结束时间与DRX ON的间隔太小，将会造成终端来不及调解节能信号。为保证节能信号搜索空间的正确配置，终端需要对节能信号结束时间和DRX ON之间的最小间隔作为终端的能力进行上报。

根据对节能信号的设计，SCell相关的频域操作已经融入其中。对于一般的上下行业务调度中，R16也支持了SCell节能相关的操作。当基站配置了参数Scell-groups-for-dormancywit hi n-active-ti me时，PDCCH的DCI format 0_1和DCI format 1_1中对于SCell中BWP的监测要遵从该参数配置。总体来看，5G终端节能信号的设计非常的精巧。它综合考虑了PDCCH监测与DRX配置，最小化了监测节能信号的功耗，并结合了频域的节能技术设计，是5G演进中非常优秀的一项设计。

4、5G终端节能技术总结与展望

随着3GPP R16版本的完成，专门针对5G终端的节能技术也完成第一个版本的标准化。相对于4G，5G在完成基础设计之后，第一个演进版本就专门针对终端节能进行了立项研究与讨论。这充分说明了5G中对于终端节能技术的重视。在研究过程中，各个公司提出了以节能信号的引入为代表的多项终端节能技术。对多项节能技术，3GPP也展开了大量的仿真和研究工作。经过广泛的讨论，对节能信号、跨时隙调度、SCell快速休眠模式、RRM测量放松等多项终端节能技术进行了标准化。随着这些技术的标准化完成，在未来的5G终端中也将逐步应用相关技术。

在5G的后续持续演进中，5G终端节能技术已经成为了一个重要方向。一方面，受标准化时间限制，R16中多项终端节能技术并未能获得标准化，未来针对一些技术还需要考虑标准化；另一方面，随着大量5G终端的应用，会有更多的功耗相关的实际问题显现，针对这些实际问题，还需要做进一步的研究于标准化工作。在3GPP R17版本中，也将继续对终端节能做一些标准化工作。这些工作将包括对接入过程的一些节能设计和对已有节能技术设计的增强。■