NSA組網模式下的5G終端耗電問題研究與應用

劉宏嘉，王鑫炎，趙 偉，施 虹（中國聯(lián)通浙江省分公司，浙江杭州 ）

0 引言

“4G改變生活，5G改變社會。”中國政府高度重視5G發(fā)展，把5G作為網絡強國建設重點突破的領域?！笆逡?guī)劃”里明確指出，要積極推進5G發(fā)展，5G建網初期，由于產品不完善、策略問題、參數(shù)設置等問題影響用戶體驗，本文從5G終端耗電問題入手，全面分析終端、網絡之間的協(xié)同配合機制，針對性提出解決方案，降低用戶終端耗電，有效地提升用戶5G業(yè)務使用體驗。

2019年6月，中國聯(lián)通啟動了5G友好用戶體驗，體驗過程中用戶反饋5G某品牌終端待機時間明顯少于4G終端，耗電較大，而終端鎖定4G網絡后，耗電量正常。

為排除個別終端、個別品牌的本身硬件問題導致終端耗電的情況，采取多個同款終端和多個品牌終端進行驗證。所有終端均在凌晨0：00電量充滿，在息屏待機的情況下，每小時觀察一次記錄終端耗電情況（后臺業(yè)務保持一致）。

a）相同品牌多款終端耗電對比驗證。選取3個相同品牌終端進行驗證，3款終端均在06：00剩余電量為0%，說明不是由個別終端問題引起的異常耗電。

b）不同品牌多款終端耗電對比驗證。選取不同品牌型號的終端進行驗證，發(fā)現(xiàn)不同品牌終端耗電情況趨勢一致，經過6 h待機，剩余電量均小于5%。說明不是由個別品牌終端問題導致耗電異常。

綜上所述，5G終端普遍性耗電較大的問題，對后期5G業(yè)務商用帶來巨大的障礙。

1 終端耗電影響因素分析

1.1 耗電原因分析

NSA組網方式情況下，與終端耗電相關的問題原因主要包括終端原因、技術體制原因、組網方案原因3個方面。

1.1.1終端原因

5G芯片外掛：NSA組網的情況下，各大芯片廠商目前暫未推出內置5G調制解調器的服務運營中心（SoC——Service Operation Center）解決方案。主流的驍龍855、Exynos 9820、麒麟980均沒有內置對5G網絡的支持功能，均需單獨外掛自家的驍龍X50、Exynos 5100、巴龍5000來實現(xiàn)5G功能，大大的增加了手機的功耗。

為支持5G網絡的關鍵技術Massive MIMO，部分終端內置8根天線，每根天線都有自己的功率放大器，這就會產生比較大的功耗，同樣加大了終端的耗電量。

1.1.2技術體制原因

5G帶寬大：5G支持在Sub 6 GHz頻段下最大支持100 MHz帶寬，由于目前R15版本還不支持BWP（部分帶寬）功能，終端UE則需要對5G NR全帶寬進行測量，大大的增加終端耗電。

終端多收多發(fā)：NSA組網的情況下，目前支持4×4MIMO，使用過程中，影響終端耗電。

1.1.3組網方案原因

雙連接：5G網絡重要特點為控制面與用戶面分離，在目前NSA組網方式下，控制面由eNB提供，用戶面由eNB和gNB提供，因此終端需要雙鏈接，即同時連接4G/5G網絡，增加終端耗電。

NR空測：4G/5G網絡覆蓋不一致，4G錨點站覆蓋區(qū)域大于5G NR覆蓋區(qū)域，UE在有錨點站覆蓋且無NR覆蓋區(qū)域，會頻繁發(fā)起5G NR的建立，影響終端耗電。

錨點站頻繁切換：錨點站切換過程中，5G NR會斷開重新建立，在4G重疊覆蓋區(qū)域，終端耗電量相對較大。

實時在線：為在5G NR覆蓋區(qū)域顯示5G網標，通過UE實時連接5G NR網絡的方式，大大的增加了終端耗電。

1.2 5G終端節(jié)電關鍵點

根據(jù)以上終端耗電的3個方面的原因，從業(yè)務流程、建立策略、特性功能等方面提出整改建議。

a）網絡結構：NSA組網條件下，4G站點作為錨點站用于控制面數(shù)據(jù)傳輸，對錨點站進行合理的優(yōu)化，包括錨點站的精準規(guī)劃、錨點站重疊覆蓋優(yōu)化、雙連接策略優(yōu)化。

b）業(yè)務建立策略：終端在4G/5G雙鏈接的情況下，比較耗電。合理釋放NR連接和設定建立NR連接的條件，可以有效的提高終端待機能力。

c）特性功能：DRX、BWP功能對終端耗電有明顯改善效果。

2 5G終端節(jié)電方案及驗證效果

2.1 業(yè)務流程優(yōu)化

LTE小區(qū)配置為錨點小區(qū)后，終端接入網絡后，eNB下 發(fā)RRC Connnection Reconfiguration，將NR相關信息發(fā)送給UE，終端對5G NR網絡進行搜索。如果搜索不到5G NR網絡信號，UE會間隔一定周期重新搜索，該間隔由載波配置間隔定時器控制。搜索NR信號過程中，終端耗電略有增加。該定時器時間過長，NR載波添加慢，影響用戶體驗；定時器時間過短，終端耗電和網絡負荷增加。建議設置為10 s，終端自身耗電問題解決后，可縮短該定時器。

NSA終端占用錨點小區(qū)，在滿足NR載波添加條件時，會主動測量SSB信號強度，滿足門限則添加NR載波，提升感知。若無滿足條件的NR載波，NSA終端會周期性測量，耗電增加。而NSA終端占用非錨點小區(qū)，不會發(fā)起NR載波測量，將終端置于錨點站和非錨點站，后臺應用程序一樣的情況下，錨點站下的終端耗電量大于非錨點站下終端的耗電量（見表1）。

表1 錨點站與非錨點站下的終端耗電量對比

所以，從耗電角度看，錨點小區(qū)配置不宜過多。但是無線信號沒有規(guī)律性，錨點小區(qū)配置過少，NSA終端占用NR載波概率降低，造成感知下降。

為提升用戶5G NR使用感知，需保證5G的覆蓋。而接入5G網絡需4G站作為錨點用于控制面的接入，如果錨點信號過少，導致部分區(qū)域有5G信號，無錨點信號，造成5G用戶無法享用5G網絡，造成網絡資源的浪費。同時影響用戶感知。

綜上所述，4G錨點的規(guī)劃不宜過多，也不易過少，需要根據(jù)5G NR覆蓋范圍精細規(guī)劃4G錨點，保障5G NR覆蓋的同時兼顧改善終端耗電。

錨點小區(qū)規(guī)劃建議：根據(jù)NR站點覆蓋仿真圖規(guī)劃錨點小區(qū)，有NR信號的區(qū)域均規(guī)劃錨點小區(qū)，確保NR終端均能使用5G網絡，減少不必要的測量。

2.2 錨點站重疊覆蓋優(yōu)化

NSA網絡，eNB-gNB雙連接情況下，連接態(tài)UE移動過程中會出現(xiàn)3種切換情況。

a）eNB和gNB服務小區(qū)均發(fā)生變更。

b）eNB服務小區(qū)不變，gNB服務小區(qū)發(fā)生變更。

c）eNB服務小區(qū)發(fā)生變更，gNB服務小區(qū)不變。

eNB服務小區(qū)變更后，控制面重新建立，因此提供用戶面數(shù)據(jù)的5G NR網絡需“先釋放、后再建立”。錨點頻繁切換的重疊覆蓋區(qū)域，終端相對其他區(qū)域更耗電。

非頻繁切換區(qū)域主要分為2種情況。

a）主服務小區(qū)電平強，路損低，終端發(fā)送功率低，耗電少。

b）主服務小區(qū)電平弱，但是無線信號較為純凈，干擾少，重傳少。傳輸相同的數(shù)量時間段，耗電少。

頻繁切換區(qū)域也分為2種情況。

a）主服務小區(qū)電平強，頻繁切換，覆蓋不合理。SINR弱，造成重傳高，傳輸時間變長，耗電增多。

b）主服務小區(qū)電平弱，頻繁切換，證明無主控小區(qū)，需要新增站點。此情況下SINR更差，重傳更高，可能造成數(shù)據(jù)長時間無法發(fā)送成功，手機長時間處于連接態(tài)，耗電異?？?。這種情況是需要避免的。

將終端分別置于2個場景，后臺應用程序運行不變，觀察3 h終端耗電情況，發(fā)現(xiàn)置于頻繁切換區(qū)域的終端耗電多于非頻繁切換區(qū)域（見表2）。

2.3 業(yè)務態(tài)雙連接策略優(yōu)化

NSA組網模式下，空閑態(tài)只連接錨點站eNB，空閑態(tài)釋放5G NR載波后，手機顯示4G網標，5G建網初期，為使用戶終端側能夠一直顯示5G網絡，啟用終端一直連接5G NR網絡（即終端一直處于連接態(tài)）的策略。實現(xiàn)方式主要通過將UE不活動定時器設置為0，使其不釋放NR載波，達到終端一直顯示5G網標，而負面作用是終端耗電較快。

表2 頻繁切換區(qū)域與非頻繁切換的終端耗電情況對比

同款終端在參數(shù)修改前后。同位置，通過3 h終端耗電數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)UE不活動定時器修改為10 s后，終端耗電情況改善明顯（見表3）。

表3 連接參數(shù)修改前后終端耗電情況對比

優(yōu)化建議：通過SIB消息攜帶上層指示開關，終端駐留錨點小區(qū)即可顯示5G網標，推薦UE不活動定時修改為10。

2.4 業(yè)務建立策略優(yōu)化

NSA組網下，NR終端信令面承載在LTE，業(yè)務面同時承載在LTE和5G NR網絡。減少終端eNB和gNB雙連接，可以有效的降低終端耗電。NR網絡建立流程如圖1所示。

為減少eNB和gNB雙連接時長，可從2個方面進行優(yōu)化。

a）覆蓋優(yōu)化控制：即弱覆蓋區(qū)域不建立NR，通過4G側下發(fā)測量控制中的B1門限來控制。建議設置為-105 dBm。

b）流量優(yōu)化控制：根據(jù)目前4G網絡能力，完全可以承載部分數(shù)據(jù)業(yè)務能力，NR建立過程中合理設定流量門限，減少eNB和gNB雙連接帶來的終端耗電影響，建議設置流量門限為50 kbit。

圖1 NR網絡建立流程

通過對現(xiàn)網的參數(shù)設置，通過30 min粒度觀察終端耗電情況，后臺開啟相同的應用，3 h的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，終端節(jié)電4%（見表4）。

表4 業(yè)務建立參數(shù)修改前后終端耗電情況對比

2.5 特性功能優(yōu)化

2.5.1 DRX功能優(yōu)化

CDRX特性可以使處于連接態(tài)的終端周期性地暫停偵聽PDCCH（見圖2），從而降低終端能耗，尤其是當終端處于以下業(yè)務時：周期性連續(xù)小包、業(yè)務對時延不敏感業(yè)務、稀疏小包業(yè)務、有數(shù)據(jù)緩存業(yè)務效果更為明顯。如針對目前主流的1080P高清視頻業(yè)務，所需速率為10 Mbit/s，相對5G用戶體驗速率1 Gbit/s差距較大，下載緩存區(qū)數(shù)據(jù)所需時間短，因此5G網絡下DRX對終端耗電效果好于其他制式網絡。

圖2 CDRX示意圖

On Duration：激活期，UE正常工作。

Inactive：休眠期，UE不監(jiān)聽PDCCH，下行數(shù)據(jù)不調度，不發(fā)送周期SRS，CSI測量。

優(yōu)化建議：各定時器參數(shù)建議設置如表5所示。

表5 各定時器參數(shù)設置建議

通過對現(xiàn)網4G/5G DRX參數(shù)進行設置，選取相同終端進行業(yè)務態(tài)的耗電測試驗證。DRX特性打開/關閉各測試一次。觀看騰訊視頻（720P），每15 min記錄一次電量，共1 h。屏幕亮度50%。4G/5G DRX開關打開/關閉對比，打開觀看騰訊視頻1 h節(jié)電11%，有效地減少了終端耗電，具體驗證情況如表6所示。

表6 4G/5G DRX開關打開/關閉終端耗電對比

2.5.2上行預調度功能優(yōu)化

連接態(tài)用戶進行數(shù)據(jù)傳送時，需要網絡側進行調度。而傳統(tǒng)調度為終端上發(fā)請求后，基站開始調度。這種方式造成的結果是E2E的時延較長（約20 s）。為了有效節(jié)省業(yè)務時延，基站對終端進行上行預調度的策略，時延為10 s，即無論終端是否需要傳輸上行數(shù)據(jù)，基站側一直對終端進行調度。如果終端無數(shù)據(jù)需要發(fā)送，為了防止失步，所以終端會回復空包，造成終端耗電。

優(yōu)化建議：通過智能預調度和DRX參數(shù)來保證用戶時延QoS的前提下，達到終端節(jié)電的目的（智能預調度：基站收到終端要求發(fā)送下行數(shù)據(jù)包后，啟動上行調度。時延為11 s，這種方式既可以省電，也可以降低時延）。

通過上行智能預調度功能的開啟與DRX功能配合使用，觀看騰訊視頻（720P），屏幕亮度50%，對主流APP應用進行耗電驗證，主要包括今日頭條，每秒刷一次網頁；抖音、短視頻播放完成播放下一個視頻。每10 min記錄一次電量，統(tǒng)計1 h終端剩余電量的情況。綜合考慮，1 h終端可節(jié)電27.8%（見表7）。

表7 上行智能預調度功能開啟/關閉終端耗電對比（單位：%）

2.5.3 BWP功能優(yōu)化

BWP即Bandwidth part，NR標準中提出的新的概念，是網絡側配置給UE的一段連續(xù)的帶寬資源，可實現(xiàn)網絡側和UE側靈活傳輸帶寬配置。終端在小包低速業(yè)務時，可切換到小帶寬，以達到終端省電的目的。

NR支持更大帶寬的數(shù)據(jù)速率（單載波最大400 MHz），這要求射頻側和基帶側的數(shù)據(jù)處理速率都要高得多。支持更高的采樣率、更小的時隙長度、更高的編碼器/解碼器性能、更高的電壓（漏電）、更大的內存、LTE-NR雙連接等，需要更大的功耗，特別是對mmWave的支持，需要額外的功率用于波束形成操作和波束管理。

BWP引入的其中一個目的是克服終端功耗的增加，網絡可以通過BWP來適應數(shù)據(jù)的傳輸/接收需求，網絡可以配置窄的BWP來監(jiān)控PDCCH，或者更寬的BWP來接收大數(shù)據(jù)，BWP信道帶寬的自適應是一種有效的節(jié)能技術。但是，UE的BWP大小選擇是一個很大的挑戰(zhàn)，使用大帶寬還是小帶寬來支持一定量的數(shù)據(jù)，可以考慮2種策略。

a）使用大BWP和長深睡眠。

b）使用窄BWP和短淺的睡眠。

如果選擇的BWP太大，那么射頻器件可能會消耗太多的功率（超過要求），不必要的采樣/濾波/ADC。但是，如果選擇的BWP比需要的業(yè)務量小，那么網絡就必須將更多的PDSCH調度到UE上，使UE的業(yè)務時間更長，這就要求UE的喚醒/處理時間更長，從而可能增加UE的功耗。

優(yōu)化建議：業(yè)務量需求少時，UE側靈活配置下行帶寬，縮小至20 MHz，降低終端采樣率，達到節(jié)電目的。由于R15還不支持BWP功能，后續(xù)可作為終端節(jié)電優(yōu)化手段之一。

3 效果驗證

通過業(yè)務流程、NR建立策略的優(yōu)化，減少NSA組網下終端不必要的測量和在不影響用戶感知的情況下減少終端eNB和gNB雙連接時終端基帶芯片、網絡制式原因帶來的耗電。同時，針對節(jié)電功能DRX、上行預調度功能對耗電帶來的影響進行功能開啟和優(yōu)化，整體終端耗電得到很好的優(yōu)化效果，由原來的6 h耗電68%下降到8%，大大地提升了用戶使用感知。

用戶習慣不同，節(jié)電效果可能略有差別。后續(xù)可對BWP進行優(yōu)化，效果有待驗證和評估。

4 總結及建議

5G建網初期由于終端芯片不完善，同時5G網絡帶寬、關鍵技術均要求終端需要更大的功耗進行業(yè)務，優(yōu)化過程中，在保障網絡覆蓋的同時，可考慮用戶從業(yè)務建立到上下行數(shù)據(jù)傳輸各個流程中是否有冗余，網絡制式是否可進行策略上的優(yōu)化，同時配合現(xiàn)有功能進行全面分析，達到最優(yōu)效果。