基于連接態(tài)節(jié)能信號的5G群體終端功耗控制

李瑤敏，王加慶，廖鐳鳴

(中信科移動通信技術(shù)股份有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著5G萬物互聯(lián)愿景的實(shí)現(xiàn)，以交通智聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為典型應(yīng)用場景的大規(guī)模智能機(jī)器協(xié)同正在迅速滲透進(jìn)人類社會，促使生產(chǎn)生活方式向安全、高效、便捷、綠色演進(jìn)[1]。然而，強(qiáng)大的通信計算能力帶來的能量開銷與5G終端有限能量存儲之間存在鴻溝，將嚴(yán)重制約移動場景下的大規(guī)模智能機(jī)器的協(xié)同質(zhì)量[2]。ITU-R將能效定義為IMT-2020的最低技術(shù)性能要求之一。根據(jù)實(shí)時業(yè)務(wù)需求，調(diào)整終端在大規(guī)模智能機(jī)器協(xié)同過程中的“活躍”和“睡眠”狀態(tài)，能夠有效降低終端功耗。在3GPP Rel-16中，通過基站發(fā)送節(jié)能信號可以指示目標(biāo)終端切換節(jié)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基站編排下的自適應(yīng)節(jié)能。但是，大規(guī)模智能機(jī)器協(xié)同場景下，有限的時頻資源、嚴(yán)重的信號間干擾與復(fù)雜的協(xié)同需求之間存在矛盾，因此設(shè)計面向5G群體的節(jié)能信號極具挑戰(zhàn)[3]。

3GPP在Rel-16階段用戶(User，UE)功耗節(jié)省的討論主要集中在RRC連接態(tài)下[1]。一種有效的UE節(jié)能機(jī)制是將UE接收機(jī)從節(jié)能模式“喚醒”進(jìn)入高功耗的網(wǎng)絡(luò)接入模式，如果UE沒有被喚醒，它將一直不進(jìn)行下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)監(jiān)聽，從而處于節(jié)能模式。另一方面，處于連接態(tài)的UE在沒有業(yè)務(wù)傳輸時，網(wǎng)絡(luò)可以幫助UE從“網(wǎng)絡(luò)接入”模式切換到節(jié)能的“睡眠”狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)通過僅在有業(yè)務(wù)到達(dá)時才喚醒終端，在無業(yè)務(wù)傳輸時通知UE進(jìn)行睡眠，可以顯著降低5G UE功耗[4]。3GPP在Rel-16階段的5G終端節(jié)能信號設(shè)計方面，主要有2種設(shè)計：基于Polar編碼的下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)節(jié)能信號設(shè)計[5-6]，可以攜帶多種信息；基于序列的節(jié)能信號設(shè)計，具有更低的檢測功耗[7-9]。本文基于節(jié)能信號的工作原理，研究大規(guī)模智能機(jī)器協(xié)同場景下多用戶節(jié)能序列聯(lián)合檢測方法及多級序列節(jié)能信號設(shè)計，進(jìn)一步通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證所提方法檢測性能的優(yōu)越性。

1 節(jié)能信號設(shè)計

節(jié)能信號工作原理如圖1所示。

圖1 節(jié)能信號工作原理Fig.1 Operation principle of power saving signal

針對節(jié)能信號如何指示目標(biāo)UE切換節(jié)能狀態(tài)，介紹了2種節(jié)能信號候選設(shè)計方法：基于DCI的節(jié)能信號設(shè)計和基于序列的節(jié)能信號設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，針對5G大規(guī)模智能機(jī)器人協(xié)同場景，進(jìn)一步提出了多UE節(jié)能序列檢測方法以抑制信號間干擾，提出了多級序列節(jié)能信號設(shè)計以利用有限時頻資源支撐大量終端的節(jié)能控制。

1.1 基于DCI的節(jié)能信號設(shè)計

基于DCI的節(jié)能信號的信息域通過串聯(lián)UE的比特指示信息形成DCI指示信息，可以同時指示多個UE進(jìn)入節(jié)能模式。承載DCI指示信息的比特序列經(jīng)過Polar編碼[8]，Polar編譯碼流程如圖2所示，最后調(diào)制生成節(jié)能信號。UE在配置的接收信號位置上通過盲檢來接收該節(jié)能信號，判斷接收到節(jié)能信號后根據(jù)指示進(jìn)入休眠/喚醒狀態(tài)。

圖2 Polar編解碼流程Fig.2 Flow of polar coding/decoding

該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是DCI可以同時指示多UE節(jié)能信息，如圖3所示，攜帶較多的節(jié)能信息，例如可以攜帶激活的帶寬/小區(qū)信息，獲得更多的節(jié)能增益，利于終端多維度節(jié)能；另一個優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能信號是PDCCH的一種，可以重用現(xiàn)有協(xié)議，進(jìn)行鏈路自適應(yīng)，靈活地選擇候選PDCCH位置，利于與其他信號共存。

圖3 DCI指示信息域設(shè)計Fig.3 Design of indication information field of DCI

然而，基于DCI的節(jié)能信號無論攜帶節(jié)能信息是多還是少，為了避免影響NR接收機(jī)，都需要支持24 bit CRC，在DCI長度較小時帶來巨大開銷的同時其檢測的可靠性不能被保證。此外，接收PDCCH時會受到最大盲檢次數(shù)(44次)限制，且每次盲檢都對應(yīng)高復(fù)雜度的連續(xù)消除列表(Successive Cancellation List，SCL)[10-11]譯碼過程，引入額外功耗。

1.2 基于序列的節(jié)能信號設(shè)計

基于序列的節(jié)能信號因其低檢測功耗成為了3GPP的另一種節(jié)能信號備選方法，通過發(fā)送UE特定的節(jié)能序列指示UE進(jìn)入節(jié)能模式，UE通過相關(guān)檢測判斷存在特定序列，進(jìn)入休眠/喚醒狀態(tài)。下面從序列檢測方法和節(jié)能序列方法設(shè)計2個方面具體介紹基于序列的節(jié)能信號設(shè)計方法。

1.2.1 節(jié)能序列的檢測方法

相比于基于DCI的節(jié)能信號的接收端處理方法，序列相關(guān)檢測在復(fù)雜度和功耗上遠(yuǎn)低于SCL譯碼,但其攜帶的信息有限且同時指示多個UE時用戶間的干擾惡化檢測性能。針對這個問題，首先介紹了單用戶節(jié)能序列檢測方法，并針對多用戶干擾問題提出了一種多用戶節(jié)能序列門限計算方法和接收端檢測方法。

(1) 單用戶節(jié)能序列檢測方法

接收端通過固定的節(jié)能信號檢測門限判斷有無節(jié)能信號，當(dāng)相干功率高于檢測門限，判斷接收到節(jié)能信號，信號處理流程如圖4所示。

圖4 節(jié)能序列的信號處理流程Fig.4 Signal processing flow of power saving sequence

當(dāng)發(fā)送信號經(jīng)過無線信道到達(dá)UE側(cè)時，接收端先進(jìn)行OFDM解調(diào)和根據(jù)時頻資源位置解時頻資源映射[12]，然后對頻域序列進(jìn)行循環(huán)相關(guān)，同時求解循環(huán)相關(guān)后的相關(guān)功率序列，接著將相關(guān)功率序列送入檢測模塊，完成噪聲功率估計、峰值功率計算、多天線功率求和功能，最后接收端通過判決門限VT判斷節(jié)能信號的存在性，至此完成基于序列的節(jié)能信號的檢測過程[13-15]。其中，檢測門限VT通過滿足恒定1%的虛警概率(False Alarm Rate，F(xiàn)AR)來確定，接收端檢測變量為：

(1)

(2) 多用戶節(jié)能序列聯(lián)合檢測方法

與單UE序列檢測不同，在多序列聯(lián)合發(fā)送情況下，因?yàn)楦蓴_的存在會導(dǎo)致FAR升高，無法滿足恒定1%的FAR，同時也會惡化信號的檢測性能。本節(jié)研究多UE節(jié)能序列聯(lián)合發(fā)送時，接收端的判決門限選擇以及如何設(shè)計可以抑制信號間干擾的多序列檢測方法。

考慮在高斯白噪信道下，發(fā)送端最多發(fā)送N個用戶信號，假設(shè)發(fā)送UE數(shù)以及干擾UE序列的選取完全等概率，則接收端檢測變量為：

(2)

可以看出，當(dāng)系統(tǒng)下的目標(biāo)UE數(shù)確定時，干擾功率是一個定值。因此，在恒定的1%的FAR下，判決門限可以表示為：

P(Cv(m)>VU)+P(Cv(m)

(3)

進(jìn)一步考慮多UE存在的干擾對傳統(tǒng)匹配濾波器接收端的影響，會造成嚴(yán)重衰減的檢測性能。因此，考慮通過設(shè)計接收端來抑制干擾信號，干擾信號功率抑制的越好，接收端檢測有用信號的漏檢概率越小。目標(biāo)函數(shù)建模為：

(4)

式中，M為接收端處理信號的一個矩陣；b∈C1×K為長度為K的目標(biāo)用戶的序列向量；y∈C1×K為接收端接收的信號。通過設(shè)計維度為K的方陣M∈CK×K，使得yM接近目標(biāo)向量b，進(jìn)而達(dá)到抑制干擾的目的。利用MMSE算法[16-17]，得到接收端處理后的檢測變量表達(dá)式為：

(5)

在接收端通過式(5)的檢測變量與式(3)中得到的上下門限比較，判斷是否存在目標(biāo)信號。

1.2.2 單級序列節(jié)能信號設(shè)計

單級序列節(jié)能信號設(shè)計采用單ZC基序列喚醒與同一尋呼機(jī)會相關(guān)聯(lián)的一組UE，節(jié)能信號又被稱為喚醒信號(Wake Up Signal，WUS)，生成方式如圖5所示。

圖5 單級序列生成示意Fig.5 Schematic diagram of single-stage sequence generation

考慮到以組特定的WUS會引起虛警帶來不必要的功耗，一個直接解決方法是使用多個基序列作為一個組，指示一個組中的不同UE，生成增強(qiáng)的WUS序列?；蛄锌梢酝瑫r作用于多個UE，擾碼序列可以用來區(qū)分不同的小區(qū)。

當(dāng)大量序列復(fù)用同一時頻資源時，誤檢率增加。為了降低序列誤檢率，可利用正交序列(例如哈達(dá)瑪?shù)滦蛄谢騔C序列的循環(huán)移位)作為基本序列。例如，長度為N=256位的Hadamard序列可以支持256個喚醒ID(UEs ID/UE組ID)。不同序列在多路復(fù)用下檢測的性能對比如圖6所示。

圖6 Hardmard序列和Gold序列誤檢性能對比Fig.6 Comparison of detection performance between Hardmard sequence and Gold sequence

采用NR TRS Gold序列作為對比基線。由圖6可以看出，基于正交序列的增強(qiáng)WUS序列檢測性能優(yōu)于基于TRS Gold序列的增強(qiáng)WUS序列，且隨著多路復(fù)用序列個數(shù)增加，正交序列對比Gold序列的檢測性能表現(xiàn)更優(yōu)異，最大增益可達(dá)10 dB。

1.2.3 多級序列節(jié)能信號設(shè)計

由圖6的仿真結(jié)果可以看出，單級序列可以指示的UE數(shù)有限。為了攜帶更多UE的信息，提出了一種可以擴(kuò)展到基于多級序列的節(jié)能信號增強(qiáng)方法，如圖7所示。

圖7 多級序列生成示意Fig.7 Schematic diagram of multi-stage sequence generation

引入多級序列可以利用相同時頻資源喚醒更多的UE，或者攜帶更多的其他信息。多級序列由多個單級序列串聯(lián)得到，多級序列共同對應(yīng)一個節(jié)能信號。多級序列的一個具體例子如下：N個(正交)序列中的M個序列分為G組，其中組序列對應(yīng)wake up area ID，組內(nèi)序號對應(yīng)wake up ID，上述同一分組中的序列構(gòu)成第1級序列；組內(nèi)的序列構(gòu)成第2級序列。例如N=128，M=128，組數(shù)G=19，每組序列個數(shù)為6或者7個。假定當(dāng)前wake area ID對應(yīng)的group index=6，則該組內(nèi)包含7個序列。上述是2級序列的例子，可以根據(jù)需要支持更多級數(shù)。

2 節(jié)能信號設(shè)計性能評估

為了支持終端高效節(jié)能，節(jié)能信號的檢測性能也是設(shè)計原則之一。NR節(jié)能信號工作在連接態(tài)，只有檢測到具有喚醒功能的節(jié)能信號UE才會喚醒接收機(jī)，所以必須保證節(jié)能信號具有優(yōu)異的檢測性能，否則由于節(jié)能信號漏檢會導(dǎo)致UE傳輸延遲整個非連續(xù)接收周期，嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性，對系統(tǒng)的損害遠(yuǎn)大于節(jié)能帶來的好處，所以必須保證節(jié)能信號的檢測性能。

下面對比了不同的節(jié)能信號設(shè)計方法的檢測性能。圖8和圖9展示了TDL-C信道下不同載波間隔(圖(a)15 kHz，圖(b)30 kHz)和不同頻偏(0，0.5 ppm)下基于序列的節(jié)能信號方法和基于DCI的節(jié)能信號設(shè)計方法的檢測性能對比。從圖中可以看出，占用相同的資源數(shù)(288 REs)情況下，seq-based節(jié)能信號比DCI-based節(jié)能信號性能提升至少5 dB，與資源數(shù)4倍(1 152 REs)的DCI性能相似，甚至優(yōu)于資源數(shù)4倍(1 152 REs)的DCI性能2 dB(15 kHz，0.5 ppm)?；谛蛄械墓?jié)能信號設(shè)計方法在設(shè)計復(fù)雜度和檢測性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于基于DCI的節(jié)能信號設(shè)計方法。

(a) 15 kHz

(a) 15 kHz

3 結(jié)束語

大規(guī)模智能機(jī)器協(xié)同使得移動終端的節(jié)能需求更加急迫、節(jié)能信號的設(shè)計和檢測方法更加困難。本文主要提出了一種基于多級序列設(shè)計的多用戶節(jié)能信號聯(lián)合檢測方法和方法設(shè)計，并通過仿真評估與基于DCI的節(jié)能信號方法設(shè)計，證明了所提方法在檢測性能和設(shè)計復(fù)雜度上優(yōu)于基于DCI的節(jié)能信號設(shè)計。后續(xù)進(jìn)一步考慮基站側(cè)能耗，通過基站和終端協(xié)調(diào)配合，在保證系統(tǒng)性能條件下進(jìn)一步減少雙方的能耗，實(shí)現(xiàn)綠色通信。