NSA组网模式下的5G终端耗电问题研究与应用

刘宏嘉，王鑫炎，赵 伟，施 虹（中国联通浙江省分公司，浙江杭州 ）

0 引言

“4G改变生活，5G改变社会。”中国政府高度重视5G发展，把5G作为网络强国建设重点突破的领域。“十三五规划”里明确指出，要积极推进5G发展，5G建网初期，由于产品不完善、策略问题、参数设置等问题影响用户体验，本文从5G终端耗电问题入手，全面分析终端、网络之间的协同配合机制，针对性提出解决方案，降低用户终端耗电，有效地提升用户5G业务使用体验。

2019年6月，中国联通启动了5G友好用户体验，体验过程中用户反馈5G某品牌终端待机时间明显少于4G终端，耗电较大，而终端锁定4G网络后，耗电量正常。

为排除个别终端、个别品牌的本身硬件问题导致终端耗电的情况，采取多个同款终端和多个品牌终端进行验证。所有终端均在凌晨0：00电量充满，在息屏待机的情况下，每小时观察一次记录终端耗电情况（后台业务保持一致）。

a）相同品牌多款终端耗电对比验证。选取3个相同品牌终端进行验证，3款终端均在06：00剩余电量为0%，说明不是由个别终端问题引起的异常耗电。

b）不同品牌多款终端耗电对比验证。选取不同品牌型号的终端进行验证，发现不同品牌终端耗电情况趋势一致，经过6 h待机，剩余电量均小于5%。说明不是由个别品牌终端问题导致耗电异常。

综上所述，5G终端普遍性耗电较大的问题，对后期5G业务商用带来巨大的障碍。

1 终端耗电影响因素分析

1.1 耗电原因分析

NSA组网方式情况下，与终端耗电相关的问题原因主要包括终端原因、技术体制原因、组网方案原因3个方面。

1.1.1终端原因

5G芯片外挂：NSA组网的情况下，各大芯片厂商目前暂未推出内置5G调制解调器的服务运营中心（SoC——Service Operation Center）解决方案。主流的骁龙855、Exynos 9820、麒麟980均没有内置对5G网络的支持功能，均需单独外挂自家的骁龙X50、Exynos 5100、巴龙5000来实现5G功能，大大的增加了手机的功耗。

为支持5G网络的关键技术Massive MIMO，部分终端内置8根天线，每根天线都有自己的功率放大器，这就会产生比较大的功耗，同样加大了终端的耗电量。

1.1.2技术体制原因

5G带宽大：5G支持在Sub 6 GHz频段下最大支持100 MHz带宽，由于目前R15版本还不支持BWP（部分带宽）功能，终端UE则需要对5G NR全带宽进行测量，大大的增加终端耗电。

终端多收多发：NSA组网的情况下，目前支持4×4MIMO，使用过程中，影响终端耗电。

1.1.3组网方案原因

双连接：5G网络重要特点为控制面与用户面分离，在目前NSA组网方式下，控制面由eNB提供，用户面由eNB和gNB提供，因此终端需要双链接，即同时连接4G/5G网络，增加终端耗电。

NR空测：4G/5G网络覆盖不一致，4G锚点站覆盖区域大于5G NR覆盖区域，UE在有锚点站覆盖且无NR覆盖区域，会频繁发起5G NR的建立，影响终端耗电。

锚点站频繁切换：锚点站切换过程中，5G NR会断开重新建立，在4G重叠覆盖区域，终端耗电量相对较大。

实时在线：为在5G NR覆盖区域显示5G网标，通过UE实时连接5G NR网络的方式，大大的增加了终端耗电。

1.2 5G终端节电关键点

根据以上终端耗电的3个方面的原因，从业务流程、建立策略、特性功能等方面提出整改建议。

a）网络结构：NSA组网条件下，4G站点作为锚点站用于控制面数据传输，对锚点站进行合理的优化，包括锚点站的精准规划、锚点站重叠覆盖优化、双连接策略优化。

b）业务建立策略：终端在4G/5G双链接的情况下，比较耗电。合理释放NR连接和设定建立NR连接的条件，可以有效的提高终端待机能力。

c）特性功能：DRX、BWP功能对终端耗电有明显改善效果。

2 5G终端节电方案及验证效果

2.1 业务流程优化

LTE小区配置为锚点小区后，终端接入网络后，eNB下 发RRC Connnection Reconfiguration，将NR相关信息发送给UE，终端对5G NR网络进行搜索。如果搜索不到5G NR网络信号，UE会间隔一定周期重新搜索，该间隔由载波配置间隔定时器控制。搜索NR信号过程中，终端耗电略有增加。该定时器时间过长，NR载波添加慢，影响用户体验；定时器时间过短，终端耗电和网络负荷增加。建议设置为10 s，终端自身耗电问题解决后，可缩短该定时器。

NSA终端占用锚点小区，在满足NR载波添加条件时，会主动测量SSB信号强度，满足门限则添加NR载波，提升感知。若无满足条件的NR载波，NSA终端会周期性测量，耗电增加。而NSA终端占用非锚点小区，不会发起NR载波测量，将终端置于锚点站和非锚点站，后台应用程序一样的情况下，锚点站下的终端耗电量大于非锚点站下终端的耗电量（见表1）。

表1 锚点站与非锚点站下的终端耗电量对比

所以，从耗电角度看，锚点小区配置不宜过多。但是无线信号没有规律性，锚点小区配置过少，NSA终端占用NR载波概率降低，造成感知下降。

为提升用户5G NR使用感知，需保证5G的覆盖。而接入5G网络需4G站作为锚点用于控制面的接入，如果锚点信号过少，导致部分区域有5G信号，无锚点信号，造成5G用户无法享用5G网络，造成网络资源的浪费。同时影响用户感知。

综上所述，4G锚点的规划不宜过多，也不易过少，需要根据5G NR覆盖范围精细规划4G锚点，保障5G NR覆盖的同时兼顾改善终端耗电。

锚点小区规划建议：根据NR站点覆盖仿真图规划锚点小区，有NR信号的区域均规划锚点小区，确保NR终端均能使用5G网络，减少不必要的测量。

2.2 锚点站重叠覆盖优化

NSA网络，eNB-gNB双连接情况下，连接态UE移动过程中会出现3种切换情况。

a）eNB和gNB服务小区均发生变更。

b）eNB服务小区不变，gNB服务小区发生变更。

c）eNB服务小区发生变更，gNB服务小区不变。

eNB服务小区变更后，控制面重新建立，因此提供用户面数据的5G NR网络需“先释放、后再建立”。锚点频繁切换的重叠覆盖区域，终端相对其他区域更耗电。

非频繁切换区域主要分为2种情况。

a）主服务小区电平强，路损低，终端发送功率低，耗电少。

b）主服务小区电平弱，但是无线信号较为纯净，干扰少，重传少。传输相同的数量时间段，耗电少。

频繁切换区域也分为2种情况。

a）主服务小区电平强，频繁切换，覆盖不合理。SINR弱，造成重传高，传输时间变长，耗电增多。

b）主服务小区电平弱，频繁切换，证明无主控小区，需要新增站点。此情况下SINR更差，重传更高，可能造成数据长时间无法发送成功，手机长时间处于连接态，耗电异常快。这种情况是需要避免的。

将终端分别置于2个场景，后台应用程序运行不变，观察3 h终端耗电情况，发现置于频繁切换区域的终端耗电多于非频繁切换区域（见表2）。

2.3 业务态双连接策略优化

NSA组网模式下，空闲态只连接锚点站eNB，空闲态释放5G NR载波后，手机显示4G网标，5G建网初期，为使用户终端侧能够一直显示5G网络，启用终端一直连接5G NR网络（即终端一直处于连接态）的策略。实现方式主要通过将UE不活动定时器设置为0，使其不释放NR载波，达到终端一直显示5G网标，而负面作用是终端耗电较快。

表2 频繁切换区域与非频繁切换的终端耗电情况对比

同款终端在参数修改前后。同位置，通过3 h终端耗电数据统计，发现UE不活动定时器修改为10 s后，终端耗电情况改善明显（见表3）。

表3 连接参数修改前后终端耗电情况对比

优化建议：通过SIB消息携带上层指示开关，终端驻留锚点小区即可显示5G网标，推荐UE不活动定时修改为10。

2.4 业务建立策略优化

NSA组网下，NR终端信令面承载在LTE，业务面同时承载在LTE和5G NR网络。减少终端eNB和gNB双连接，可以有效的降低终端耗电。NR网络建立流程如图1所示。

为减少eNB和gNB双连接时长，可从2个方面进行优化。

a）覆盖优化控制：即弱覆盖区域不建立NR，通过4G侧下发测量控制中的B1门限来控制。建议设置为-105 dBm。

b）流量优化控制：根据目前4G网络能力，完全可以承载部分数据业务能力，NR建立过程中合理设定流量门限，减少eNB和gNB双连接带来的终端耗电影响，建议设置流量门限为50 kbit。

图1 NR网络建立流程

通过对现网的参数设置，通过30 min粒度观察终端耗电情况，后台开启相同的应用，3 h的数据统计显示，终端节电4%（见表4）。

表4 业务建立参数修改前后终端耗电情况对比

2.5 特性功能优化

2.5.1 DRX功能优化

CDRX特性可以使处于连接态的终端周期性地暂停侦听PDCCH（见图2），从而降低终端能耗，尤其是当终端处于以下业务时：周期性连续小包、业务对时延不敏感业务、稀疏小包业务、有数据缓存业务效果更为明显。如针对目前主流的1080P高清视频业务，所需速率为10 Mbit/s，相对5G用户体验速率1 Gbit/s差距较大，下载缓存区数据所需时间短，因此5G网络下DRX对终端耗电效果好于其他制式网络。

图2 CDRX示意图

On Duration：激活期，UE正常工作。

Inactive：休眠期，UE不监听PDCCH，下行数据不调度，不发送周期SRS，CSI测量。

优化建议：各定时器参数建议设置如表5所示。

表5 各定时器参数设置建议

通过对现网4G/5G DRX参数进行设置，选取相同终端进行业务态的耗电测试验证。DRX特性打开/关闭各测试一次。观看腾讯视频（720P），每15 min记录一次电量，共1 h。屏幕亮度50%。4G/5G DRX开关打开/关闭对比，打开观看腾讯视频1 h节电11%，有效地减少了终端耗电，具体验证情况如表6所示。

表6 4G/5G DRX开关打开/关闭终端耗电对比

2.5.2上行预调度功能优化

连接态用户进行数据传送时，需要网络侧进行调度。而传统调度为终端上发请求后，基站开始调度。这种方式造成的结果是E2E的时延较长（约20 s）。为了有效节省业务时延，基站对终端进行上行预调度的策略，时延为10 s，即无论终端是否需要传输上行数据，基站侧一直对终端进行调度。如果终端无数据需要发送，为了防止失步，所以终端会回复空包，造成终端耗电。

优化建议：通过智能预调度和DRX参数来保证用户时延QoS的前提下，达到终端节电的目的（智能预调度：基站收到终端要求发送下行数据包后，启动上行调度。时延为11 s，这种方式既可以省电，也可以降低时延）。

通过上行智能预调度功能的开启与DRX功能配合使用，观看腾讯视频（720P），屏幕亮度50%，对主流APP应用进行耗电验证，主要包括今日头条，每秒刷一次网页；抖音、短视频播放完成播放下一个视频。每10 min记录一次电量，统计1 h终端剩余电量的情况。综合考虑，1 h终端可节电27.8%（见表7）。

表7 上行智能预调度功能开启/关闭终端耗电对比（单位：%）

2.5.3 BWP功能优化

BWP即Bandwidth part，NR标准中提出的新的概念，是网络侧配置给UE的一段连续的带宽资源，可实现网络侧和UE侧灵活传输带宽配置。终端在小包低速业务时，可切换到小带宽，以达到终端省电的目的。

NR支持更大带宽的数据速率（单载波最大400 MHz），这要求射频侧和基带侧的数据处理速率都要高得多。支持更高的采样率、更小的时隙长度、更高的编码器/解码器性能、更高的电压（漏电）、更大的内存、LTE-NR双连接等，需要更大的功耗，特别是对mmWave的支持，需要额外的功率用于波束形成操作和波束管理。

BWP引入的其中一个目的是克服终端功耗的增加，网络可以通过BWP来适应数据的传输/接收需求，网络可以配置窄的BWP来监控PDCCH，或者更宽的BWP来接收大数据，BWP信道带宽的自适应是一种有效的节能技术。但是，UE的BWP大小选择是一个很大的挑战，使用大带宽还是小带宽来支持一定量的数据，可以考虑2种策略。

a）使用大BWP和长深睡眠。

b）使用窄BWP和短浅的睡眠。

如果选择的BWP太大，那么射频器件可能会消耗太多的功率（超过要求），不必要的采样/滤波/ADC。但是，如果选择的BWP比需要的业务量小，那么网络就必须将更多的PDSCH调度到UE上，使UE的业务时间更长，这就要求UE的唤醒/处理时间更长，从而可能增加UE的功耗。

优化建议：业务量需求少时，UE侧灵活配置下行带宽，缩小至20 MHz，降低终端采样率，达到节电目的。由于R15还不支持BWP功能，后续可作为终端节电优化手段之一。

3 效果验证

通过业务流程、NR建立策略的优化，减少NSA组网下终端不必要的测量和在不影响用户感知的情况下减少终端eNB和gNB双连接时终端基带芯片、网络制式原因带来的耗电。同时，针对节电功能DRX、上行预调度功能对耗电带来的影响进行功能开启和优化，整体终端耗电得到很好的优化效果，由原来的6 h耗电68%下降到8%，大大地提升了用户使用感知。

用户习惯不同，节电效果可能略有差别。后续可对BWP进行优化，效果有待验证和评估。

4 总结及建议

5G建网初期由于终端芯片不完善，同时5G网络带宽、关键技术均要求终端需要更大的功耗进行业务，优化过程中，在保障网络覆盖的同时，可考虑用户从业务建立到上下行数据传输各个流程中是否有冗余，网络制式是否可进行策略上的优化，同时配合现有功能进行全面分析，达到最优效果。