5G-Advanced低功耗喚醒接收機和喚醒信號技術(shù)

潘學(xué)明，曲鑫

5G-Advanced低功耗喚醒接收機和喚醒信號技術(shù)

潘學(xué)明，曲鑫

（維沃移動通信有限公司，北京 110105）

對于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)終端來說，設(shè)備的功耗至關(guān)重要。低功耗喚醒接收機和喚醒信號技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微瓦級的終端待機功耗，大幅度提升終端設(shè)備的電池壽命，可廣泛適用于智能可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能手機等終端類型。該技術(shù)已經(jīng)被3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織立項研究，有望成為5G-Advanced中終端側(cè)的標(biāo)志性技術(shù)之一。對低功耗喚醒接收機和喚醒信號技術(shù)進(jìn)行了初步探討，包括低功耗喚醒接收機的應(yīng)用場景和需求、電路結(jié)構(gòu)、喚醒信號設(shè)計、移動性和測量、與現(xiàn)有系統(tǒng)共存、干擾抑制等方面。

5G-Advanced；低功耗接收機；喚醒信號；可穿戴設(shè)備

0 引言

2017年12月，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）發(fā)布5G Release 15（Rel-15）第一個非獨立組網(wǎng)（non-standalone，NSA）版本標(biāo)準(zhǔn)，并在2018年6月進(jìn)一步發(fā)布Rel-15獨立組網(wǎng)（standalone，SA）標(biāo)準(zhǔn)[1-4]。2020年6月，3GPP完成了5G第一個增強版本Rel-16的標(biāo)準(zhǔn)化工作[5-8]。5G Rel-15和Rel-16主要完成面向增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）和超可靠低時延通信（ultra-reliable & low-latency communication，URLLC）場景的設(shè)計，較好地完成了對高數(shù)據(jù)速率、高頻譜效率、高速移動速度、低時延和高可靠性等方面的支持。

從2020年開始，3GPP開啟了5G的進(jìn)一步增強版本Rel-17，其中一個重要的方向是優(yōu)化5G系統(tǒng)設(shè)計，更好地支持物聯(lián)網(wǎng)場景的需求。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是其中一個主要的應(yīng)用場景，如工業(yè)傳感器、實時監(jiān)控、工業(yè)控制等。隨著科技的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備等各種形態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)終端受到消費者的青睞，典型設(shè)備/應(yīng)用包括智能手表、智能眼鏡、智能手環(huán)、健康穿戴、體感控制、物品追蹤等。這些設(shè)備應(yīng)用要求終端有較低的成本，因此需要降低終端的復(fù)雜度。此外，還需要滿足可穿戴終端對設(shè)備尺寸、功耗的苛刻限制。

3GPP Rel-17立項了降低能力（reduced capability，RedCap）NR終端項目，項目采用標(biāo)準(zhǔn)化的方式降低了終端的成本和復(fù)雜度，包括降低終端帶寬能力、減少終端接收天線數(shù)、支持頻分雙工（frequency division duplexing，F(xiàn)DD）半雙工操作等。根據(jù)Rel-17 RedCap的研究結(jié)論[9]，終端成本和復(fù)雜度降低技術(shù)手段及可實現(xiàn)的增益見表1。

考慮標(biāo)準(zhǔn)化的工作量，Rel-17最終僅對降低終端帶寬能力（FR1 20 MHz，F(xiàn)R2 100 MHz）、減少終端接收天線數(shù)、支持FDD半雙工操作等技術(shù)完成了標(biāo)準(zhǔn)化。在Rel-18中，將繼續(xù)降低終端帶寬能力到5 MHz、放松終端處理時間、減少混合自動重傳請求（hybrid automatic repeat request，HARQ）進(jìn)程數(shù)量、降低終端發(fā)射功率等級等研究和標(biāo)準(zhǔn)化，更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)場景對終端低成本、低復(fù)雜度、小尺寸的要求[10]。

表1 終端成本和復(fù)雜度降低技術(shù)手段及可實現(xiàn)的增益

注：FR1是指3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)定義的Frequency range 1，頻率范圍為450～6 000 MHz；FR2是指3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)定義的Frequency range 2，頻率范圍為24 250～52 600 MHz。

物聯(lián)網(wǎng)終端的另一個重要挑戰(zhàn)是設(shè)備功耗。從Rel-16以來，3GPP一直在研究5G終端節(jié)能技術(shù)，已標(biāo)準(zhǔn)化的終端節(jié)能特性見表2。已有的終端節(jié)能技術(shù)雖然能大幅度降低5G終端的功耗，但距離物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗需求，如工業(yè)傳感器終端1年以上、可穿戴終端2周以上的待機時長需求，還有較大的差距。

表2 5G Rel-16/Rel-17中的終端節(jié)能特征

表3 5G智能手表的idle態(tài)功耗和待機時長分析（DRX周期為1.28 s）

受限于設(shè)備尺寸，智能手表通常配備小容量（200～600 mAh）電池。智能手表的idle態(tài)功耗和待機時長分析見表3，其中，非連續(xù)接收（discontinuous reception，DRX）周期為1.28 s。不同DRX周期（0.64 s、1.28 s、2.56 s）情況的5G智能手表的待機時長分析如圖1所示。5G智能手表的待機時長相比2周的目標(biāo)，還有較大的差距。需要說明的是，這里假設(shè)終端始終處于idle待機狀態(tài)，沒有上下行業(yè)務(wù)，實際場景中考慮業(yè)務(wù)收/發(fā)的需求，待機時間會更短。因此，有必要在5G-Advanced中繼續(xù)探索能夠成倍提升終端待機時長的技術(shù)方案。面向這一需求，低功耗喚醒接收機和喚醒信號技術(shù)被提出，本文將對5G-Advanced終端的重要技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 現(xiàn)有5G終端節(jié)能技術(shù)

能耗效率是5G系統(tǒng)重要技術(shù)指標(biāo)之一。3GPP自Rel-16開始對5G終端節(jié)能技術(shù)持續(xù)展開研究和標(biāo)準(zhǔn)化，如非連續(xù)性接收、尋呼提前指示、連接態(tài)喚醒信號等。

（1）非連續(xù)接收（DRX）和擴展的非連續(xù)接收（eDRX）

為降低空閑態(tài)或非激活態(tài)終端的功耗，終端周期性監(jiān)聽尋呼消息確定是否有下行數(shù)據(jù)到達(dá)。當(dāng)監(jiān)聽到對該UE的尋呼消息時，UE準(zhǔn)備開始數(shù)據(jù)通信；否則，繼續(xù)停留在休眠狀態(tài)。終端在每個DRX周期監(jiān)聽一次尋呼時刻（paging occasion，PO），即一個周期內(nèi)的小部分時間進(jìn)行監(jiān)聽，在其余時刻處于休眠，實現(xiàn)省電。

圖1 智能5G手表的待機時長分析（不同DRX周期）

為進(jìn)一步省電，3GPP設(shè)計了eDRX機制。eDRX機制如圖2所示，一個eDRX周期包含一個尋呼時間窗（paging time window，PTW），一個PTW包含多個DRX周期，UE在每個DRX周期監(jiān)聽一次PO，PTW外的時間不進(jìn)行監(jiān)聽尋呼信道，從而可以關(guān)閉接收機省電。因此，在eDRX機制中，功耗大小主要取決于配置的eDRX周期。周期越長，則在給定時間段內(nèi)，終端醒來的時間越短，功耗越小，但長周期卻帶來很大的時延，不適宜作為對時延有需求的業(yè)務(wù)終端的節(jié)能技術(shù)方案。當(dāng)把eDRX周期設(shè)置很短，或直接使用DRX周期時，可以實現(xiàn)較小時延，但因終端頻繁醒來，功耗較大，因此能夠有效降低功耗并保持較低時延的節(jié)能技術(shù)將成為后續(xù)研究的關(guān)鍵方向。

圖2 eDRX機制

（2）連接態(tài)DRX喚醒信號

為了進(jìn)一步減少連接態(tài)C-DRX中的終端功耗，在3GPP Rel-16的新空口（new radio，NR）標(biāo)準(zhǔn)中引入了喚醒信號（wake-up signal，WUS）。終端在每個DRX OnDuration（監(jiān)聽時間段）周期之前通過檢測喚醒信號，得知是否需要在DRX OnDuration開啟下行控制信道的監(jiān)聽。終端檢測喚醒信號所需的能耗比開啟一個完整的DRX OnDuration小，因此節(jié)能喚醒信號能有效地節(jié)約終端功耗。目前，WUS采用PDCCH方式發(fā)送，定義了下行控制信息（downlink control information，DCI）格式2_6（DCI format 2_6）?；?GPP的研究評估，不同業(yè)務(wù)下連接態(tài)喚醒信號WUS的節(jié)能增益在30%～50%，是一個較為客觀的增益。對于可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，其連接態(tài)業(yè)務(wù)相對稀疏，idle態(tài)占比大，一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明智能手表的idle態(tài)時長占比可以達(dá)90%以上。因此，連接態(tài)WUS對增加此類idle態(tài)占比大的終端類型待機時長實際增益有限。

（3）尋呼提前指示信號

空閑態(tài)或非激活態(tài)終端在接收尋呼消息之前，需要處理一個或多個同步信號塊（synchronization signal block，SSB）完成下行自動增益控制（automatic gain control，AGC）調(diào)整、下行時頻同步和RRM測量等以滿足paging消息的有效檢測和小區(qū)重選的判斷。這些處理需基于SSB信號，NR中SSB發(fā)送周期為20 ms，因此，終端可能需要在PO之前保持較長時間的接收狀態(tài)完成SSB的處理，使5G終端的待機功耗較高。

為了降低空閑態(tài)或非激活態(tài)終端的功耗，Rel-17引入尋呼提前指示（paging early indication，PEI）特性：即終端在對應(yīng)的PO之前，首先檢測PEI。如果終端檢測到PEI，則繼續(xù)在對應(yīng)PO監(jiān)聽paging消息，否則跳過paging消息的監(jiān)聽。檢測PEI所需的同步精度需求較低，因此終端在檢測PEI前需要處理的SSB個數(shù)少于終端直接檢測paging消息需要處理的SSB個數(shù)，又由于大部分時間段終端并沒有實際被尋呼，因此，PEI的引入可以減少終端的SSB的處理，達(dá)到省電的效果。目前PEI采用PDCCH方式發(fā)送，定義了DCI格式2_7。PEI可以降低終端idle態(tài)功耗10%～30%，但距離數(shù)倍的待機時長提升目標(biāo)，還有較大差距。

除上述特性外，3GPP Rel-16/Rel-17還引入了radio resource management （RRM）測量放松、空閑態(tài)或非激活態(tài)測量信號、無線鏈路故障（radio link failure，RLF）或波束故障檢測（beam failure detection，BFD）測量放松、UE輔助信息、PDCCH監(jiān)聽自適應(yīng)等終端節(jié)能增強方案。這些特性雖然能夠不同程度地減少終端功耗，但現(xiàn)有技術(shù)的功耗水平，相比用戶的預(yù)期，特別是待機時長方面，還有數(shù)倍的差距。因此，需要繼續(xù)探索具有超低能耗、較低時延的終端喚醒方案。

2 現(xiàn)有低功耗喚醒接收機技術(shù)進(jìn)展

為降低現(xiàn)有終端接收機功耗，可以采用較長的休眠周期，使終端周期性地開啟進(jìn)行通信，但由此帶來了較大的通信時延。如果能夠按需喚醒終端，則可以同時兼顧低功耗性能和時延需求。低功耗喚醒接收機可實現(xiàn)按需喚醒功能，在現(xiàn)有終端接收機上增加該輔助喚醒模塊，使得在沒有通信需求時終端接收機處于關(guān)閉或休眠狀態(tài)，僅開啟喚醒接收機，用來監(jiān)聽喚醒信號并及時喚醒終端接收機，低功耗喚醒接收機因其采用簡單的硬件，使功耗降至微瓦量級，得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中，IEEE 802.11ba 于2017年1月開始啟動低功耗喚醒接收機的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作，在2020年12月結(jié)束主要標(biāo)準(zhǔn)工作并輸出技術(shù)規(guī)范[11]，其主要技術(shù)參數(shù)見表4，IEEE 802.11ba技術(shù)規(guī)范支持低功耗喚醒接收機的工作頻點為2.4 GHz和5 GHz，工作帶寬約為4.06 MHz，其中，低功耗喚醒信號采用多載波開關(guān)鍵控（on-off keying，OOK）調(diào)制方式，并復(fù)用正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）信號生成結(jié)構(gòu)生成OOK信號，一個OOK符號長度對應(yīng)載波間隔為312.5 kHz的一個OFDM符號長度或一半，即2 μs或4 μs，并支持高低兩種速率傳輸。且在低速率下靈敏度可達(dá)到?82 dBm，高速率下靈敏度可達(dá)到?77 dBm。IEEE 802.11ba接入點（access point，AP）沿用IEEE 802.11系列的競爭接入機制確定喚醒信號發(fā)送資源，因此天然具有較好的抗干擾性能。

表4 IEEE 802.11ba 低功耗喚醒信號主要技術(shù)參數(shù)

學(xué)術(shù)界對低功耗喚醒接收機展開了廣泛的研究和討論，主要通過低功耗喚醒接收機的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計[12-13]，接收機主要器件及工藝設(shè)計[14-15]、抗干擾技術(shù)設(shè)計[16-19]等實現(xiàn)降低功耗與提升靈敏度和傳輸速率的平衡。文獻(xiàn)[20]匯總了近20年低功耗喚醒接收機的主要工作并按不同性能指標(biāo)進(jìn)行分類與性能對比。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，目前學(xué)術(shù)界的低功耗喚醒接收機研究涉及多種載波頻點：1 GHz以下、1～3 GHz，3～10 GHz、大于10 GHz。已公開的低功耗喚醒信號檢測方法主要包含相干檢測和非相干檢測兩類。其中，相干檢測通過晶振將接收到的喚醒信號變換到中頻或低頻進(jìn)行處理，具有較好的抗干擾性能和較高的靈敏度，但晶振帶來的功耗較大。非相干檢測則通過包絡(luò)檢波直接將喚醒信號變換到低頻處理，可有效降低功耗，因包絡(luò)檢波帶來的靈敏度損失及抗干擾性能較差，需要考慮性能補償方案。從統(tǒng)計結(jié)果來看，采用非相干檢測的低功耗接收機功耗在10 μW以下時，靈敏度范圍主要集中在?60～80 dBm，而當(dāng)功耗提高到10～100 μW時，靈敏度可進(jìn)一步提高到?80～100 dBm。進(jìn)一步地，功耗在10 μW以下時，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到100 kbit/s，而當(dāng)功耗提高到10～100 μW時，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到1 000 kbit/s。值得注意的是，以上描述的統(tǒng)計結(jié)果均為統(tǒng)計文獻(xiàn)中的單個性能指標(biāo)的最好值，并不代表多個性能指標(biāo)可以同時達(dá)到最好值。

3 低功耗喚醒技術(shù)的應(yīng)用場景與需求

3GPP低功耗喚醒接收機/喚醒信號（low-power wake-up receiver/signal，LP WUR/WUS）研究項目[21]主要針對功耗敏感、小尺寸的終端應(yīng)用場景，研究高效可行的節(jié)能技術(shù)方案，主要包含可穿戴設(shè)備場景和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）場景。另外，還可以考慮其他應(yīng)用場景的需求，如XR（extended reality）智能眼鏡、智能手機等。

可穿戴終端包含智能手表、健康狀態(tài)跟蹤終端以及醫(yī)學(xué)監(jiān)測終端等，典型的可穿戴設(shè)備場景如圖3所示。為便于人體穿戴，通常采用較小的可充電電池或紐扣電池，因此，需要在較小電池容量條件下保持較長的待機時間，高效的節(jié)能技術(shù)尤為重要。在文獻(xiàn)[9]中，確定可穿戴終端的電池需要維持1～2周終端使用時間，參照市場上典型智能手表采用的小于500 mAh電池容量，根據(jù)現(xiàn)有的終端節(jié)能技術(shù)和本文第1節(jié)的分析，可以看出已有技術(shù)的功耗性能無法支撐目標(biāo)待機時長，并具有數(shù)倍的差距。

圖3 典型的可穿戴設(shè)備場景

物聯(lián)網(wǎng)場景包含工業(yè)傳感器、控制器、制動器等廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備，因其高危的作業(yè)環(huán)境，通常不便于頻繁充電或更換電池。在文獻(xiàn)[9]中，確定工業(yè)傳感器的電池需要維持?jǐn)?shù)年的使用時間，需要研究更高效的節(jié)能技術(shù)。另一方面，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，還需要保持較低的時延，如在火災(zāi)檢測和報警場景，要求傳感器檢測到火災(zāi)1～2 s后觸發(fā)控制器控制防火簾關(guān)閉和滅火裝置自動噴水開啟?，F(xiàn)有蜂窩節(jié)能技術(shù)（如eDRX），往往采用較長的監(jiān)測周期來實現(xiàn)節(jié)能，帶來很高的時延，無法支持低時延喚醒需求的業(yè)務(wù)，因此需要考慮新的低功耗機制滿足節(jié)能和時延需求。

4 低功耗喚醒技術(shù)挑戰(zhàn)

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及學(xué)術(shù)研究較少涉及5G系統(tǒng)引入低功耗喚醒機制的研究設(shè)計，因此本節(jié)將主要針對5G-Advanced引入低功耗喚醒接收機/喚醒信號帶來的新問題與初步解決思路進(jìn)行探討，主要包含喚醒接收機電路設(shè)計、喚醒信號設(shè)計、喚醒信號覆蓋范圍增強、喚醒信號移動性和測量機制設(shè)計、如何與現(xiàn)有系統(tǒng)共存、干擾抑制設(shè)計、機制設(shè)計以及與現(xiàn)有5G終端節(jié)能機制的有效結(jié)合。

5G移動終端在現(xiàn)有通信單元基礎(chǔ)上，引入低功耗喚醒接收機處理喚醒信號，可在降低功耗的同時保持較低時延。為便于描述，可將終端拆分為主通信單元和喚醒接收機單元，低功耗喚醒機制如圖4所示。在無業(yè)務(wù)需求時，終端關(guān)閉主通信單元，僅開啟喚醒接收機單元；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要與終端通信時，可發(fā)送低功耗喚醒信號，終端側(cè)喚醒接收機單元在成功檢測喚醒信號后，觸發(fā)主通信單元打開，建立與網(wǎng)絡(luò)的通信連接完成業(yè)務(wù)的收發(fā)。

圖4 低功耗喚醒機制

4.1 喚醒接收機電路設(shè)計

引入喚醒接收機后，終端在無業(yè)務(wù)需求時關(guān)閉主通信單元，僅喚醒接收機工作耗電，因此，低復(fù)雜度低功耗的接收機設(shè)計是5G-Advanced LP-WUR/WUS研究階段主要工作目標(biāo)之一。進(jìn)一步地，喚醒信號的傳輸速率與覆蓋范圍要求直接影響了喚醒接收機的設(shè)計及功耗。例如，在給定發(fā)送功率的情況下，當(dāng)要求喚醒信號覆蓋范圍比較大時，對應(yīng)要求喚醒接收機的接收靈敏度較高，從而帶來接收機復(fù)雜度的上升及功耗的增加；另一方面，當(dāng)喚醒信號的傳輸速率較高時，則要求喚醒接收機以較高頻率工作，同樣帶來功耗的增加。

一般而言，能夠?qū)崿F(xiàn)較低功耗的接收機結(jié)構(gòu)包括以下兩類。

● RF前端接收機：此類接收機可以僅包含射頻前端而不包含數(shù)字接收機部分，或直接將射頻信號數(shù)字化而無須下變頻到中頻，與常規(guī)接收機相比，僅損失較小靈敏度，功耗可以降低至原來的1/5～1/3，例如到毫瓦級。

● 包絡(luò)檢波接收機：此類接收機主要通過包絡(luò)檢波檢測接收信號的幅度，有效降低了接收機射頻復(fù)雜度，可以將功耗降低至原來的1/1 000～1/100，例如，降至微瓦級。包絡(luò)檢波接收機的電路示意圖如圖5所示，信號經(jīng)過二極管后輸出電壓值，隨后經(jīng)過整流比較器后確定對應(yīng)的各級幅度值。例如，對于一種最簡單的幅移鍵控調(diào)制（ASK），OOK僅包含0、1兩個幅值，當(dāng)輸出電壓值高于比較器門限時，比較器輸出1；當(dāng)輸出電壓低于比較器門限時，比較器輸出0，從而在接收端得到喚醒信號。另一方面，包絡(luò)檢波在有效降低功耗的同時帶來了接收機靈敏度的損失，因此如何在保持低功耗的同時提升靈敏度成為后續(xù)待研究的方向之一。

因此，在考慮喚醒接收機的硬件電路設(shè)計時，可綜合考慮喚醒信號傳輸速率要求，接收機靈敏度要求及功耗要求，以滿足不同場景的不同技術(shù)指標(biāo)需求。

4.2 喚醒信號設(shè)計

包絡(luò)檢波接收機可將輸入的射頻信號直接變換得到基帶信號，包絡(luò)檢波接收機僅能提取信號的幅值信息，而無法提取信號的頻率和相位信息，因此，喚醒信號更適合采用ASK這種調(diào)制方式，而OOK僅包含0、1兩個幅值是最簡單的一種ASK。采用簡單的幅度調(diào)制使接收機處理喚醒信號復(fù)雜度大幅降低，實現(xiàn)功耗有效降低，但這也導(dǎo)致了喚醒信號覆蓋范圍變小，因此需要有效提升喚醒信號覆蓋范圍，以及設(shè)計抗干擾性強的喚醒信號。傳統(tǒng)的碼分多址（code division multiple access，CDMA）技術(shù)通過擴頻是提高覆蓋范圍的有效手段，對于僅包含0、1兩個幅值的OOK信號，如何設(shè)計有效的擴頻序列需要后續(xù)的研究和驗證。

圖5 包絡(luò)檢波接收機的硬件電路示意圖

表5 多種喚醒信號的設(shè)計和性能比較

為便于對比理解，對Rel-18 低功耗喚醒信號與Rel-15、Rel-16、Rel-17多種喚醒信號的設(shè)計和性能比較見表5。

4.3 喚醒信號覆蓋范圍

低功耗喚醒信號采用OOK調(diào)制，與5G下行信號不同，且喚醒接收機采用簡化的硬件電路設(shè)計，如包絡(luò)檢波方式對喚醒信號進(jìn)行檢測，實現(xiàn)了功耗的大幅降低，但也同時帶來了接收靈敏度的損失，因此喚醒信號的覆蓋范圍要小于5G下行信號的覆蓋范圍，因此需要解決喚醒信號覆蓋范圍不夠的問題，喚醒信號覆蓋如圖6所示，當(dāng)終端在主通信單元關(guān)閉的時間段移出喚醒信號覆蓋范圍時，網(wǎng)絡(luò)將無法喚醒終端?？梢酝ㄟ^合適的喚醒信號設(shè)計提升覆蓋范圍，如采用較長序列或擴頻操作等，還可以通過輔助流程解決這一問題，如當(dāng)終端判斷出已經(jīng)移出喚醒信號覆蓋范圍時，自動開啟主通信單元，通過主通信單元恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)通信。

圖6 喚醒信號覆蓋

4.4 移動性和測量設(shè)計

低功耗喚醒除了適用于終端靜止場景，還應(yīng)用于移動場景，因此終端在僅監(jiān)聽喚醒信號下如何實現(xiàn)測量從而支持移動性將是后續(xù)待解決的又一問題。5G移動終端具有很好的移動性，可以根據(jù)RRM測量進(jìn)行小區(qū)切換。引入低功耗喚醒接收機，當(dāng)主通信單元關(guān)閉時，終端無法執(zhí)行現(xiàn)有的移動性測量，需要考慮引入適用于喚醒接收機的新參考信號用于測量，從而能夠更好地支持低功耗和移動性?？紤]終端通過喚醒接收機進(jìn)行測量時，既不處于現(xiàn)有的終端連接態(tài)，也不處于空閑或非激活態(tài)，因此是否需要定義一個新的終端狀態(tài)可以后續(xù)在研究階段討論。

一般而言，低功耗喚醒信號可以通過兩種方式進(jìn)行部署：帶內(nèi)部署和帶外部署。帶外部署時，需要劃分專用的頻帶資源用于發(fā)送喚醒信號，因此無須考慮與已有通信系統(tǒng)的相互影響，可以對喚醒信號進(jìn)行靈活設(shè)計。然而考慮到專用頻帶資源的利用效率較低和運營商的部署難度大，帶內(nèi)部署更具優(yōu)勢。低功耗喚醒信號與現(xiàn)有系統(tǒng)共存如圖7所示，帶內(nèi)部署允許網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有通信系統(tǒng)所在頻帶發(fā)送低功耗喚醒信號，因此如何實現(xiàn)與現(xiàn)有5G通信信號的共存將是后續(xù)待解決的又一問題。

圖7 低功耗喚醒信號與現(xiàn)有系統(tǒng)共存

首先，為了降低網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送喚醒信號的復(fù)雜度，可以考慮采用現(xiàn)有OFDM信號的生成方法來生成低功耗喚醒信號。例如，復(fù)用OFDM信號生成架構(gòu)產(chǎn)生幅值鍵控調(diào)制信號。其次，如何利用簡化的喚醒接收機硬件電路來消除來自已有的5G通信信號的干擾影響有待后續(xù)研究。

4.5 干擾抑制

喚醒接收機接收目標(biāo)低功耗喚醒信號的同時也接收到干擾，包含共信道干擾和鄰信道干擾。共信道干擾包含來自本小區(qū)或相鄰小區(qū)已有通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸對喚醒信號的干擾，還包含本小區(qū)或相鄰小區(qū)發(fā)送的喚醒信號對本終端喚醒信號的干擾。由于喚醒接收機采用簡化的硬件電路設(shè)計而無法有效地對鄰信道信號進(jìn)行濾除，因此也會受到相鄰信道的干擾影響。干擾的存在將導(dǎo)致低功耗喚醒信號誤檢或漏檢，因此需要設(shè)計有效的干擾抑制方案。目前可用于低功耗喚醒接收機的抗干擾方案包含以下幾類。

（1）射頻/中頻/低頻濾波器

此類方法適用于消除鄰信道干擾，如圖5所示，低功耗喚醒信號經(jīng)天線接收經(jīng)過帶通濾波器，匹配網(wǎng)絡(luò)，可在射頻一定程度上抑制鄰信道干擾，然而受限于器件成本和大小，帶通濾波器與匹配濾波的濾波帶寬通常無法做到太小，從而導(dǎo)致經(jīng)過射頻濾波后，濾波帶寬內(nèi)仍然存在一些鄰信道干擾。一種改進(jìn)方法為級聯(lián)多級帶通濾波器，從而獲得一個較小合并濾波器帶寬。另一種改進(jìn)方法為將收到的喚醒信號和干擾的混合信號變換到中頻或低頻進(jìn)行處理，此時需要晶振產(chǎn)生本地載頻信號，此方法可同時抑制共信道干擾和鄰信道干擾，但此方法需要研究降低晶振功耗的方法以實現(xiàn)微瓦量級的目標(biāo)。

（2）比較器門限調(diào)節(jié)

如圖5所示，低功耗喚醒信號經(jīng)過RC濾波后會經(jīng)過比較器，與比較器門限進(jìn)行比較確定信號幅值水平。一般地，根據(jù)比較器的位數(shù)可以輸出多個不等的幅值水平。例如，1位比較器可以輸出兩個幅值水平，當(dāng)比較器輸入信號幅值高于比較器門限時，輸出幅值水平1；當(dāng)比較器輸入信號幅值高于比較器門限時，輸出幅值水平0。比較器的輸入信號包含喚醒信號、共信道干擾信號，以及未濾除掉的鄰信道干擾信號，經(jīng)過比較器后，僅會得到幅值水平，將無法區(qū)分喚醒信號和干擾，導(dǎo)致無法在基帶繼續(xù)進(jìn)行干擾抑制，因此比較器的門限值設(shè)置尤為重要。例如，比較器門限如圖8所示，喚醒信號采用OOK調(diào)制，OOK符號為1時，假設(shè)其對應(yīng)信號電壓為S，OOK符號為0時，不發(fā)送任何信息，假設(shè)其對應(yīng)信號電壓為0，當(dāng)干擾不存在時，比較器門限值th可以選取為S/2，當(dāng)比較器輸入信號電壓大于S/2時，比較器輸出為1。否則，比較器輸出為0。然后當(dāng)干擾存在時，假設(shè)有一個持續(xù)的干擾，對應(yīng)信號電壓為I，當(dāng)I與S大小相當(dāng)時，若比較器門限仍然設(shè)置為S/2，干擾將導(dǎo)致比較器將實際輸入信號為符號0判斷為符號1。因此比較器門限設(shè)置需考慮干擾的影響以達(dá)到干擾抑制效果。調(diào)整比較器門限的方法包含半靜態(tài)方法和動態(tài)方法，半靜態(tài)方法可以采用多個比較器設(shè)置不同等級的門限值以適應(yīng)不同的干擾水平，并對多路結(jié)果進(jìn)行序列匹配判斷后做邏輯或，動態(tài)方法包含對干擾水平的訓(xùn)練，可以根據(jù)干擾水平動態(tài)調(diào)整比較器的值，但需要一定的訓(xùn)練時間。

圖8 比較器門限

（3）喚醒信號擴頻設(shè)計

擴頻技術(shù)因其可以提升有用信號的能量的同時降低干擾的能量成為干擾抑制的主要技術(shù)之一，對于喚醒信號而言，當(dāng)采用幅度調(diào)制如OOK調(diào)制，僅包含‘0’和‘1’兩個值時，需要研究合適的擴頻序列以實現(xiàn)較好的抗干擾性能。另一方面，與蜂窩系統(tǒng)擴頻設(shè)計不同的是，當(dāng)喚醒接收機電路采用包絡(luò)檢波和比較器結(jié)構(gòu)對喚醒信號檢測時，因僅提取幅值信息，且經(jīng)過比較器后，喚醒信號和干擾將無法分離，因此，采用數(shù)字域的擴頻設(shè)計無法實現(xiàn)有效的干擾抑制，需要考慮模擬域的序列擴頻設(shè)計，且接收機在模擬域進(jìn)行解擴頻操作。

4.6 與現(xiàn)有低功耗技術(shù)結(jié)合

低功耗喚醒機制還可以考慮與現(xiàn)有節(jié)能機制相結(jié)合，如與eDRX結(jié)合使用，低功耗喚醒與eDRX結(jié)合機制如圖9所示，在一個eDRX周期，終端在PTW內(nèi)每個DRX周期監(jiān)聽一次PO，進(jìn)行RRM測量，在PTW以外的位置，關(guān)閉主通信單元，進(jìn)入睡眠狀體，僅開啟喚醒接收機。與現(xiàn)有eDRX機制相比（如圖2所示），主通信單元關(guān)閉時，網(wǎng)絡(luò)可以在任意時間、位置按需發(fā)送低功耗喚醒信號叫醒終端。因此，在保持終端低功耗的基礎(chǔ)上，有效縮短了喚醒時延。另一方面，還可以根據(jù)PTW內(nèi)的RRM測量進(jìn)行移動性管理，適用于低移動性場景。

圖9 低功耗喚醒與eDRX結(jié)合機制

綜上所述，低功耗喚醒機制可以適用于處于空閑態(tài)或非激活態(tài)的終端，使得終端在沒有業(yè)務(wù)需求時可以關(guān)閉主通信單元，且無須周期性地醒來監(jiān)聽尋呼消息。在業(yè)務(wù)到達(dá)時，網(wǎng)絡(luò)可以按需喚醒終端，從而大幅降低終端在空閑態(tài)或非激活態(tài)的功耗，極大延長了經(jīng)常處于空閑態(tài)或非激活態(tài)的終端，如IoT設(shè)備和可穿戴設(shè)備等的待機時間。

圖10 采用低功耗喚醒信號解決XR終端的功耗問題

低功耗喚醒機制還適用處于連接態(tài)的終端，可以進(jìn)一步降低終端功耗，采用低功耗喚醒信號解決XR終端的功耗問題如圖10所示，對于XR業(yè)務(wù)中普遍存在的數(shù)據(jù)抖動問題，即業(yè)務(wù)實際到達(dá)時間與理想到達(dá)時間存在隨機偏差，通過使用低功耗喚醒信號，使得XR終端可以僅監(jiān)聽低功耗喚醒信號，且在終端成功檢測到其對應(yīng)的喚醒信號的情況下，才執(zhí)行PDCCH的監(jiān)聽。低功耗喚醒信號的監(jiān)聽功耗可以降為微瓦級，因此相比已有的基于PDCCH的C-DRX喚醒信號也有明顯的功耗增益。

最后，低功耗喚醒接收機/喚醒信號的引入除了能有效降低NR、LTE的終端功耗外，還可以應(yīng)用于非授權(quán)頻譜，同樣可以降低終端功耗。另外，還可以考慮將其引入直連通信降低直接通信終端的功耗。這些都是后續(xù)待研究的方向。

5 結(jié)束語

隨著新通信業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等新終端形態(tài)受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中設(shè)備的成本、功耗、尺寸以及接入和管理方式成為主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。在3GPP RAN#94全會上，通過了面向可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的多個新技術(shù)研究項目。本文對其中重要的低功耗喚醒接收機和喚醒信號技術(shù)進(jìn)行了介紹，包括背景與需求、現(xiàn)有技術(shù)、待解決的技術(shù)問題和初步思路等。相關(guān)技術(shù)預(yù)計在5G-Advanced（Rel-18/Rel-19）階段完成標(biāo)準(zhǔn)化，為用戶提供更低功耗和更加易用的終端設(shè)備和服務(wù)。

[1] 3GPP. Physical channels and modulation (Release 15): TS 38.211[S]. 2019.

[2] 3GPP. Multiplexing and channel coding (Release 15): TS 38.212[S]. 2019.

[3] 3GPP. Physical layer procedures for control (Release 15): TS 38.213[S]. 2019.

[4] 3GPP. Physical layer procedures for data (Release 15): TS 38.214[S]. 2019.

[5] 3GPP. Physical channels and modulation (Release 16): TS 38.211[S]. 2020.

[6] 3GPP. Multiplexing and channel coding (Release 16): TS 38.212[S]. 2020.

[7] 3GPP. Physical layer procedures for control (Release 16): TS 38.213[S]. 2020.

[8] 3GPP. Physical layer procedures for data (Release 16): TS 38.214[S]. 2020.

[9] 3GPP. Study on support of reduced capability NR devices (Release 17): TR 38.875[S]. 2021.

[10] 3GPP, Ericsson. New SID on study on further NR RedCap UE complexity reduction[Z]. 2021.

[11] Part 11: wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) Specifications[Z]. 2007.

[12] PIYARE R, MURPHY A L, KIRALY C, et al. Ultra low power wake-up radios: a hardware and networking survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017, 19(4): 2117-2157.

[13] PLETCHER N M, GAMBINI S, RABAEY J M. A 2GHz 52 μW wake-up receiver with-72dBm sensitivity using uncertain-IF architecture[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Solid-State Circuits Conference-Digest of Technical Papers. Piscataway: IEEE Press, 2008: 524-633.

[14] EVIDENTE G I, LORENZO MINDORO S, ALVAREZ A, et al. An ultra-low power direct active-RF detection wake-up receiver with noise-cancelling envelope detector in 65 nm CMOS process[J]. TENCON 2018 - 2018 IEEE Region 10 Conference. Piscataway: IEEE Press, 2018: 12-15.

[15] MANGAL V, KINGET P R. An ultra-low-power wake-up receiver with voltage-multiplying self-mixer and interferer-enhanced sensitivity[J]. 2017 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC). Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-4.

[16] YE D W, TU Y T, GONG W J, et al. A two-tone wake-up receiver with an envelope-detector-first architecture using envelope biasing and active inductor load achieving 41/33dB in-band rejection to CW/AM interference[J]. 2021 IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC). Piscataway: IEEE Press, 2021: 1-3.

[17] MANGAL V, KINGET P R. 28.1 A 0.42nW 434MHz-79.1dBm wake-up receiver with a time-domain integrator[C]//Proceedings of 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Piscataway: IEEE Press, 2019: 438-440.

[18] BASSIRIAN P, DUVVURI D, TRUESDELL D S, et al. 30.1 A temperature-robust 27.6 nW –65 dBm wakeup receiver at 9.6 GHz X-band[C]//Proceedings of 2020 IEEE International Solid- State Circuits Conference - (ISSCC). Piscataway: IEEE Press, 2020.

[19] MOODY J, BASSIRIAN P, ROY A, et al. Interference robust detector-first near-zero power wake-up receiver[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2019, 54(8): 2149-2162.

[20] DAVID D. Low power radio survey[Z]. 2020.

[21] vivo. New SID: study on low-power wake-up signal and receiver for NR[Z]. 2021.

Low power wake-up receiver and wake-up signal technology in 5G-Advanced

PAN Xueming, QU Xin

vivo Mobile Communication Co., Ltd., Beijing 110105, China

Power consumption is critical for wearable and IoT (Internet of things) devices. Device standby with micro-watt level power consumption can be enabled by using low-power wake-up receiver/wake-up signal technology, which can increase the device battery life and are widely applicable to smart wearables, Internet of things, smart phones, etc. Study item on low power wake-up receiver and wake-up signal technology has been approved in 3GPP, and was considered as one of the iconic technologies for mobile devices in 5G-Advanced. Preliminary discussion on low power wake-up receiver and wake-up signal technology were provided, including use case and requirements, low power wake-up receiver structure, wake-up signal design, mobility and measurement aspects, co-existence with legacy system, anti-interference design.

5G-Advanced, low-power receiver, wake-up signal, wearable device

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022058

2022?02?01；

2022?03?08

潘學(xué)明（1982? ），男，維沃移動通信有限公司通信研究院高級系統(tǒng)工程師，3GPP RAN標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)責(zé)人，主要研究方向為終端節(jié)能技術(shù)、高性能通信等。

曲鑫（1985? ），女，維沃移動通信有限公司通信研究院標(biāo)準(zhǔn)專家，主要研究方向為低功耗喚醒接收機/喚醒信號和無源物聯(lián)網(wǎng)。