5G 終端空閑態(tài)節(jié)能方案分析

楊拓，胡麗潔，王飛，劉建軍，胡南，李男，胡臻平

（1. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053；2. 中國移動通信集團有限公司，北京 100032）

1 引言

5G NR 網(wǎng)絡(luò)在為用戶帶來超高速率、超低時延體驗的同時，也為5G 終端能耗帶來更大的挑戰(zhàn)。大帶寬傳輸、更多的收/發(fā)天線數(shù)目會顯著提升5G 終端的射頻前端和收發(fā)鏈路的能耗，同時5G 網(wǎng)絡(luò)支持eMBB、uRLLC 和mMTC 等多種業(yè)務(wù)，嚴(yán)格的時延要求和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求也會顯著提升基帶處理器的計算和處理能耗。在4G網(wǎng)絡(luò)時代，智能終端普遍只有1 天的待機時長，如果5G 終端不進行節(jié)能優(yōu)化，其待機時長將會進一步下降，嚴(yán)重影響5G 終端和5G 網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗。

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化組織從R16 版本開始開展了NR 終端節(jié)能技術(shù)的相關(guān)研究。R16 終端節(jié)能技術(shù)[1]主要針對連接態(tài)下的終端能耗問題進行優(yōu)化，提出了DRX 喚醒信號、動態(tài)跨時隙調(diào)度、MIMO 層數(shù)自適應(yīng)、Scell 2ormant BWP、終端輔助信息上報等節(jié)能技術(shù)，大幅度減少了終端不必要的PDCCH 檢測、PDSCH 緩存的能耗。從R17 版本開始將主要涉及空閑態(tài)下的終端節(jié)能技術(shù)，進一步擴大節(jié)能技術(shù)范疇、降低5G 終端能耗。

2 5G 終端空閑態(tài)能耗問題分析

2.1 空閑態(tài)終端能耗分析

在LTE 和NR 中，空閑態(tài)終端采用非連續(xù)接收（DRX）的方式檢測尋呼，終端在每個DRX 周期檢測一次尋呼機會（PO），如果檢測到尋呼PDCCH 則繼續(xù)接收調(diào)度的尋呼消息。但是由于空閑態(tài)下終端休眠時間較長，終端在每次檢測PO之前需要進行時頻域的跟蹤同步，在確保同步之后再檢測PO 和接收尋呼消息。在LTE 中終端利用每個時隙都傳輸?shù)腃RS 進行尋呼檢測前的時頻域跟蹤同步，而在NR 中，空閑態(tài)終端只能利用周期性發(fā)送的SSB 進行時頻域跟蹤同步。

為了分析空閑態(tài)終端進行時頻域跟蹤同步和檢測尋呼的總能耗，假設(shè)終端需要3 個CRS 或者SSB burst 才能完成時頻域跟蹤同步，一個PO 的尋呼概率為10%，其他系統(tǒng)參數(shù)假設(shè)見表1。

在本節(jié)的空閑態(tài)終端能耗分析中，根據(jù)3GPP R16 終端節(jié)能技術(shù)報告[1]中提出的終端能耗分析模型，參考文獻[1]中僅給出NR 的物理層過程相對能耗、睡眠轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換能耗。本文假設(shè)NR 空閑態(tài)終端的工作在帶寬為20 MHz的初始BWP上，與LTE的系統(tǒng)帶寬相同，因此LTE 的PDCCH 和PDSCH的單位檢測能耗與NR 相同，同時假設(shè)CSR 處理的相對能耗與SSB 處理的相對能耗也相同，LTE 系統(tǒng)下UE 的不同睡眠過程的時間和轉(zhuǎn)換能耗也與NR相同。NR 和LTE 系統(tǒng)下不同的物理層流程的單位相對能耗和時間見表2，NR 和LTE 系統(tǒng)下的睡眠轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換能耗見表3。如果終端在檢測或者處理不同的物理信道或者信號之間的時間間隔大于表3 中某種睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間，終端即可以進入該種睡眠狀態(tài)，終端在該種睡眠狀態(tài)下的能耗見表2。

LTE 空閑態(tài)終端檢測尋呼的物理層流程和能耗狀態(tài)時間分布如圖1（a）所示，假設(shè)終端需要檢測3 個CRS 完成時頻域跟蹤同步，一個PO 的尋呼概率為10%（即90%的PO 終端只需要檢測PDCCH，10%的PO 終端既需要檢測PDCCH，也需要檢測PDSCH）。終端在接收CRS 之前處于深度睡眠狀態(tài)，之后喚醒連續(xù)接收3 個CRS，檢測PO，再重新進入深度睡眠狀態(tài)，根據(jù)表2 和表3的參數(shù)，計算得出在一個DRX 周期內(nèi)，LTE 終端的平均能耗如式（1）：

表1 NR 系統(tǒng)參數(shù)假設(shè)（空閑態(tài)）

NR 空閑態(tài)終端檢測尋呼的物理層流程和能耗狀態(tài)時間分布如圖1（b）所示，假設(shè)終端也需要檢測3 個SSB burst 完成時頻域跟蹤同步。終端在接收SSB 之前處于深度睡眠狀態(tài)，之后喚醒接收3 個SSB burst，檢測PO，兩個SSB burst 的時間間隔為18 ms，SSB和PO之間的時間間隔為8 ms，終端可以進入中度睡眠狀態(tài)，檢測完成PO 之后最后重新進入深度睡眠狀態(tài)，根據(jù)表2 和表3 的參數(shù)，計算得出在一個DRX 周期內(nèi)，NR 終端的平均能耗如式（2）：

表2 空閑態(tài)能耗模型（NR/LTE）

表3 睡眠轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換能耗（NR/LTE）

圖1 LTE/NR 空閑態(tài)終端尋呼檢測流程和能耗狀態(tài)

2.2 空閑態(tài)終端能耗問題原因

NR 終端相比于LTE 終端在空閑態(tài)下的能耗提升大約73%，主要原因就是NR 中終端只能利用20 ms 周期傳輸?shù)腟SB 進行時頻域跟蹤同步，導(dǎo)致終端在檢測尋呼之前需要提前喚醒很長一段時間，終端在提前喚醒的時間內(nèi)只能進入中度睡眠，而在LTE 中這段時間終端處于深度睡眠的狀態(tài)，導(dǎo)致NR 終端空閑態(tài)能耗比LTE 終端提升較多，這是NR 相比于LTE 的不足之處。

而造成尋呼檢測能耗的另一個問題是尋呼設(shè)計本身帶來的錯誤概率問題，無論是LTE 還是NR 為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信令開銷，尋呼消息都是一個PO 內(nèi)的一組終端設(shè)計的，而不是為每個終端單獨設(shè)計。具體的，如果這一個PO 內(nèi)至少有一個終端需要被尋呼，這一組的終端都會檢測到一個由P-RNTI 加擾的尋呼PDCCH，并且讀取PDCCH 調(diào)度的尋呼消息（paging message）。尋呼消息中會指示真正被尋呼的終端ID，如果終端發(fā)現(xiàn)自己的ID 與尋呼消息中指示的ID 相匹配，則該終端是真正被尋呼的，需要進入連接態(tài)接收數(shù)據(jù)，否則終端是沒有被真正尋呼的。正是由于終端必須讀取尋呼消息才能判斷是否真正被尋呼，導(dǎo)致了一個PO 內(nèi)部分沒有被尋呼的終端也需要檢測尋呼 PDCCH 和接收尋呼PDSCH，造成了不必要的能耗開銷。極端情況下，一個PO 內(nèi)只有一個終端需要被尋呼，而其他終端都需要檢測尋呼PDCCH 和PDSCH，也就是造成了所謂的尋呼錯誤檢測概率問題，這個問題是LTE 和NR 都存在的，即使某個終端檢測到了尋呼PDCCH，也有很大的概率不是真正屬于它的尋呼。

3 5G 終端空閑態(tài)節(jié)能技術(shù)

根據(jù)第2 節(jié)的分析，5G 終端空閑態(tài)終端能耗問題主要由于周期性的SSB 傳輸造成時頻域同步過程時間較長，以及尋呼流程的設(shè)計造成終端不必要的尋呼檢測。3GPP 在R17 NR 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中也針對以上兩個問題進行終端節(jié)能技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化[2]，預(yù)計將于2021 年12 月凍結(jié)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)將基于以上兩個問題提出5G 終端在空閑態(tài)的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)。

3.1 時頻域跟蹤同步優(yōu)化

空閑態(tài)終端需要連續(xù)檢測多個周期的SSB，造成了終端在檢測尋呼的PDCCH 之前需要喚醒較長時間，能耗提升。因此，降低終端在時頻域跟蹤同步過程能耗的最簡單的方式是為空閑態(tài)終端提供更多、更密集的參考信號輔助跟蹤同步，而不僅僅是依賴于SSB。

為了提高連接態(tài)終端的時頻域跟蹤同步性能，NR 中引入了TRS（tracking RS）作為時頻域跟蹤同步信號，但是R15/16 NR 標(biāo)準(zhǔn)中，TRS 只能通過RRC 專屬信令為連接態(tài)終端進行配置。對于空閑態(tài)終端，引入額外的TRS 輔助終端進行尋呼檢測之前的時頻跟蹤同步可以有效降低終端的喚醒時間，降低能耗。但是NR 設(shè)計初衷引入周期性間隔傳輸SSB而非每個時隙都傳輸CRS的最主要目的是降低網(wǎng)絡(luò)的參考信號開銷、提高頻譜效率，如果為空閑態(tài)終端提供額外的輔助TRS，需要避免對系統(tǒng)參考信號的開銷造成影響、避免形成類似LTE CRS 一直存在（always-on）的信號。因此，為空閑態(tài)終端配置的額外輔助TRS 應(yīng)該是目前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)已經(jīng)存在的為其他連接態(tài)終端配置的TRS。

那么如何為空閑態(tài)終端提供已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)中的TRS 的配置信息呢？一種簡單的方法是通過系統(tǒng)消息廣播被空閑態(tài)的終端使用的TRS 的配置信息。但是如果該TRS 的配置信息更改，或者使用該TRS 的連接態(tài)終端離開小區(qū)或者進入非連接態(tài)，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)沒有連接態(tài)終端使用該TRS，基站只能通過系統(tǒng)消息更新通知空閑態(tài)終端其他可以使用的TRS 配置信息甚至通知終端停止TRS服務(wù)的信息。由于無法保證連接態(tài)終端一直處于本小區(qū)的服務(wù)下，或者面向連接態(tài)終端的TRS 的配置保持不變，基站可能會頻繁地進行系統(tǒng)消息變更來更新廣播的TRS 的配置信息或者開關(guān)該功能，甚至導(dǎo)致空閑態(tài)終端為了接收TRS 的配置信息造成更多的額外能耗。如果想一直為空閑態(tài)終端提供TRS 服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)可能不得已將TRS 這種按需配置的信號，變成一個需要一直存在的信號，這就與NR 設(shè)計的初衷不符。

為了解決這個問題，另一種高效地為空閑態(tài)終端提供額外的TRS 配置信息的方法是通過高層信令通知處于空閑態(tài)的終端仍然可以使用其在連接態(tài)下已經(jīng)配置過的TRS[3]。配置信息包括：通知終端在空閑態(tài)其在連接態(tài)已經(jīng)配置過的TRS 是否繼續(xù)可用、可以繼續(xù)使用的時間以及可以使用的其他條件。例如，在RRC 連接釋放消息中，如圖2 所示，基站通知終端其在連接態(tài)下哪些TRS的配置信息在空閑態(tài)可用，可用的時間，或者指示終端在空閑態(tài)可以使用的除SSB 以外的參考信號的配置信息，包括參考信號的周期、頻域密度、帶寬、長度、天線端口等。

圖2 RRC 連接釋放信令流程

在這種方式下，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以基于終端的使用特征、地理位置等統(tǒng)計信息，做到有據(jù)可循地配置，而不是泛泛地將其他終端連接態(tài)的配置直接籠統(tǒng)地用于空閑態(tài)終端。例如，對于白天辦公室的智能手機終端，其移動范圍有限，但是由于工作需求，這些終端不定期有電話、微信等業(yè)務(wù)將其從空閑態(tài)尋呼至連接態(tài)。這些終端會在空閑態(tài)和連接態(tài)之間頻繁切換，基站就可以為其提供額外的TRS 服務(wù)，持續(xù)傳輸相同的TRS。但是其他終端例如室外終端，其移動范圍較大，或者業(yè)務(wù)量很低的終端，基站沒有必要為其提供TRS 服務(wù)。基站通過終端的網(wǎng)管數(shù)據(jù)，例如，終端進入RRC連接態(tài)/空閑態(tài)的時間比例，終端的地理位置信息，綜合使用大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過對過往數(shù)據(jù)采集分析，進行是否為某個特定終端提供TRS 服務(wù)、如何配置TRS 的決策。通過這按需的TRS 配置方式，既避免形成一直存在的信號降低系統(tǒng)性能，又可以針對性地對需要頻繁被尋呼喚起的終端提供TRS 服務(wù)，降低其能耗。

在引入TRS 之后，終端檢測尋呼的喚醒過程就會縮短，同時由于TRS 是一個寬帶的參考信號，終端可以使用更少的TRS 完成時頻域跟蹤同步，另外TRS 的周期配置比SSB 的周期（20 ms）更短，終端的同步過程時間可以進一步減少。假設(shè)額外TRS 的周期為10 ms，每個周期內(nèi)發(fā)送連續(xù)兩個時隙的TRS，終端只需要2 個周期的TRS 進行時頻域跟蹤同步，終端檢測TRS 的能耗與SSB 相同，終端的尋呼檢測流程和能耗狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 基于TRS 的終端尋呼檢測流程和能耗狀態(tài)

根據(jù)表2 和表3 的參數(shù)，可以計算利用TRS進行時頻域跟蹤同步下空閑態(tài)終端的一個DRX周期內(nèi)的平均能耗如式（3）：

相比于利用SSB 進行時頻域同步跟蹤，僅基于TRS 的時頻域同步跟蹤就可以節(jié)省大約40%的能耗。在實際系統(tǒng)中，終端可以根據(jù)基站的TRS和SSB 的周期配置，選擇周期更短或者距離PO更近的參考信號進行同步，實現(xiàn)能耗的最優(yōu)化。

3.2 尋呼設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)第2.2 節(jié)的分析，造成終端能耗的另一個問題是尋呼檢測錯誤概率的問題，由于一個PO內(nèi)的一組終端都只能檢測一個相同的尋呼PDCCH，造成了部分終端不必要的尋呼檢測能耗。為了解決這一個問題，一種方法是引入尋呼組指示符（paging group in2icator，PGI），在終端檢測尋呼之前指示終端是否需要檢測本次尋呼，避免不必要的能耗開銷。

在NB-IoT/MTC 技術(shù)中已經(jīng)引入了相關(guān)技術(shù)節(jié)省尋呼能耗，在R15 版本中提出了喚醒信號（wake up signal，WUS），喚醒信號與PO 具有一一對應(yīng)的關(guān)系，一組PO 的終端檢測到喚醒信號才會檢測之后的PO。在R16 的演進技術(shù)中，進一步提出了基于終端分組的喚醒信號（UE-group WUS），即將一個PO 組的終端分成多個小組，每個小組分別對應(yīng)一個喚醒信號。

在NR 尋呼中，也可以采用類似的尋呼組指示的方法，將一個PO 組的終端分成多個子組，利用其他信號或者信道指示哪些子組需要檢測之后的PO。具體的尋呼組指示符的設(shè)計可以采用以下兩種方式。方式一采用基于序列的尋呼組指示符設(shè)計，也即每一個子組對應(yīng)一個尋呼組指示符序列，檢測序列的子組終端才需要檢測尋呼PDCCH，如圖4 所示，終端子組1 和4 檢測到了PGI 序列，則需要檢測當(dāng)前PO。該種設(shè)計方式采取序列設(shè)計，終端的檢測復(fù)雜度低，但是由于每一個終端子組都需要對應(yīng)一個PGI 序列，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信令開銷較大，尤其是終端分組較多的情況。

圖4 基于序列的尋呼組指示符設(shè)計

方式二采用基于PDCCH 的尋呼組指示符設(shè)計，即將PGI 信息承載在一個PDCCH 上，通過PDCCH 攜帶的bitmap 信息指示哪些終端子組需要檢測當(dāng)前PO，如圖5 所示。終端子組1 和4 對應(yīng)的比特為1，因此這兩個終端子組需要檢測當(dāng)前PO。這種方式的好處是網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信令開銷較小，只需要一個PDCCH 即可，并且可以支持更多的終端分組數(shù)量，但是終端檢測PDCCH 的復(fù)雜度和能耗開銷會比序列檢測更大。

圖5 基于PDCCH 的尋呼組指示符設(shè)計

不管是基于序列還是基于PDCCH 的PGI 設(shè)計，終端檢測的復(fù)雜度都會比正常的PDCCH 的復(fù)雜度較低，并且不需要精細(xì)的時頻域跟蹤同步。假設(shè)終端檢測PGI 之前只需要檢測一個SSB 用作時頻域同步跟蹤，檢測PGI 的能耗與SSB 相同，并且PGI 和SSB 在時域上相鄰，在引入PGI 之后，終端的能耗分析如圖6 所示，并與圖1（b）作對比。

其中在有尋呼的情況下，相比于之前的流程，終端增加了PGI 的檢測能耗，一個DRX 周期內(nèi)的平均能耗為式（4）：

圖6 尋呼指示符下的終端尋呼檢測流程和能耗狀態(tài)

在沒有尋呼的情況下終端不需要檢測后續(xù)的SSB 和尋呼，一個DRX 周期內(nèi)的平均能耗為式（5）。

由于對一個PO 的用戶進行了分組，一個子組的尋呼概率會小于一個PO 的尋呼概率[4]，假設(shè)將一個PO 的終端分成了5 個子組，則每個子組的尋呼概率為終端在引入了PGI 之后的平均能耗為2.67 × 2% +1.47 ×98% =1.49，相比于第2.1 節(jié)的能耗降低了大約44%。

4 結(jié)束語

本文首先進行了5G 終端在空閑態(tài)下的能耗分析，并對比了LTE 終端的能耗，其次分析了造成5G 空閑態(tài)終端能耗問題的原因。針對5G 空閑態(tài)終端能耗問題，提出了空閑態(tài)終端可持續(xù)使用連接態(tài)下已配置的TRS 輔助時頻域跟蹤同步，以及引入尋呼組指示符指示避免終端錯誤檢測尋呼的空閑態(tài)終端節(jié)能方案，并進行了能耗分析，分析結(jié)果表明節(jié)能方案可以降低5G 終端的能耗，為后續(xù)5G 商用終端的空閑態(tài)節(jié)能技術(shù)指明了方向。同時3GPP R17 終端節(jié)能項目也正在對相關(guān)問題進行研究，本文的研究結(jié)果也為3GPP 的標(biāo)準(zhǔn)化進程做出貢獻。