業(yè)務(wù)流量特征對(duì)5G基帶芯片功耗的影響分析

1 引言

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）是5G NR的主要場(chǎng)景之一，由于其工作帶寬和峰值吞吐量增大，導(dǎo)致5G基帶芯片的能耗較4G有所增加，基帶芯片的能耗與工藝制程、網(wǎng)絡(luò)配置和業(yè)務(wù)流量特征三大因素緊密相關(guān)，本文將從業(yè)務(wù)流量特征展開分析，深入透視各類典型業(yè)務(wù)是如何影響基帶芯片的工作能耗，為后續(xù)優(yōu)化5G終端功耗提供依據(jù)。

2 業(yè)務(wù)流量特征與基帶功耗的關(guān)系

在智能手機(jī)里運(yùn)行的各類APP應(yīng)用，只要發(fā)生蜂窩通信，其產(chǎn)生的業(yè)務(wù)上傳、下載流量，以及傳輸期間的短暫或較長(zhǎng)的等待過(guò)程，都會(huì)驅(qū)動(dòng)著手機(jī)基帶芯片工作于不同的狀態(tài)，如：RRC連接態(tài)中的PUSCH、PDSCH、PDCCH-only和C-DRX，或者RRC空閑態(tài)或INACTIVE態(tài)的PDCCH-only和I-DRX。每個(gè)工作狀態(tài)又對(duì)應(yīng)著不同的能耗級(jí)別，由于各個(gè)廠家的基帶芯片能耗表現(xiàn)不一，所以難以用電流或功率等絕對(duì)值來(lái)定義各個(gè)能耗級(jí)別，3GPP標(biāo)準(zhǔn)研究中通常使用相對(duì)單位來(lái)定義，如假設(shè)I-DRX中深度睡眠的能耗為1個(gè)相對(duì)單位，則C-DRX為20個(gè)相對(duì)單位、PDCCH-only為100、PDSCH為300、0 dBm的PUSCH為250、23 dBm的PUSCH為700，大小關(guān)系為：I-DRX 能耗 ＜ C-DRX 能耗 ＜ PDCCH-only能耗 ＜PUSCH/PDSCH能耗。

通過(guò)分析各類業(yè)務(wù)的流量特征，就可獲知基帶芯片各工作狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)比例分布，時(shí)長(zhǎng)乘以各狀態(tài)的相對(duì)能耗單位，就可獲知各工作狀態(tài)的能耗比例，從而知道業(yè)務(wù)過(guò)程中是傳輸數(shù)據(jù)時(shí)最耗電，還是等待無(wú)數(shù)傳時(shí)最耗電，為后續(xù)的功耗優(yōu)化方向提供依據(jù)。

3 典型業(yè)務(wù)流量特征分析

由于5G NR業(yè)務(wù)尚未大規(guī)模廣泛商用，因此可基于現(xiàn)有的LTE業(yè)務(wù)日志記錄，對(duì)各種業(yè)務(wù)類型中基帶芯片每個(gè)狀態(tài)的時(shí)長(zhǎng)和功耗進(jìn)行分解。在以下這些框選的業(yè)務(wù)范圍中，預(yù)估5G NR的總體趨勢(shì)與LTE是一致的，這5類典型業(yè)務(wù)代表著不同類型的流量特征，包括：

（1）流媒體類業(yè)務(wù)（在線視頻）：視頻流媒體的流量有爆發(fā)性，也相當(dāng)有規(guī)律；

（2）交互類業(yè)務(wù)（Web）：混合了多種應(yīng)用流量的特點(diǎn)，文字、圖片和小視頻等；

（3）交互類業(yè)務(wù)（社交）：社交即時(shí)通信的流量是稀疏零星的；

（4）會(huì)話類業(yè)務(wù)（語(yǔ)音通話）：雙向?qū)Φ确€(wěn)定流量，且要求時(shí)延低；

（5）背景類業(yè)務(wù)（后臺(tái)應(yīng)用同步）：該類業(yè)務(wù)在手機(jī)日常使用中時(shí)間占比最大，且RRC_IDLE/RRC_INACTIVE態(tài)是這類業(yè)務(wù)的主要工作狀態(tài)。

3.1 流媒體類業(yè)務(wù)-在線視頻

典型的在線視頻流量模型可分為兩個(gè)階段：初始突發(fā)階段和穩(wěn)定節(jié)流階段，如圖1所示。

圖1 在線視頻流量模型

在初始階段，數(shù)據(jù)以漸進(jìn)方式在幾秒鐘內(nèi)達(dá)到最大下載速度，在用戶側(cè)應(yīng)用的緩沖區(qū)內(nèi)注入大量數(shù)據(jù)，以減少視頻剛開始播放時(shí)帶來(lái)的延遲，從而提高用戶體驗(yàn)。

由于用戶側(cè)應(yīng)用的接收內(nèi)存的限制，用戶側(cè)可能會(huì)在初始突發(fā)數(shù)據(jù)階段之后進(jìn)入穩(wěn)定節(jié)流階段。在穩(wěn)定節(jié)流階段，視頻服務(wù)器根據(jù)節(jié)流因子降低流量生成速率，從而避免在最大帶寬下傳輸數(shù)據(jù)，流量以特定大小的塊生成，數(shù)據(jù)的接收模式是在接收數(shù)據(jù)塊和短周期無(wú)數(shù)據(jù)包之間交替進(jìn)行。節(jié)流階段的特點(diǎn)防止了視頻服務(wù)器和應(yīng)用客戶端之間的擁塞，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸沒(méi)有在網(wǎng)絡(luò)最大可用帶寬下執(zhí)行。

由于視頻流的初始階段更接近于全緩沖流量，因此我們建議只對(duì)視頻流流量的節(jié)流階段建模，分析這個(gè)階段的各工作狀態(tài)的時(shí)間占比和功耗占比。

在線視頻流量模型中有4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。初始突發(fā)流量，時(shí)間短速率高，與C-DRX、帶寬、載波聚合因素相關(guān)；節(jié)流塊大小，時(shí)間短速率低，與C-DRX、帶寬因素相關(guān)；節(jié)流塊到達(dá)時(shí)間，基帶芯片處于PDCCH-only的待機(jī)狀態(tài)或C-DRX，取決于時(shí)間間隔的長(zhǎng)短。

表1 在線視頻流量模型關(guān)鍵參數(shù)

如圖2所示，展示了在線視頻業(yè)務(wù)包含基帶芯片的每個(gè)工作狀態(tài)的時(shí)間占比，以及每個(gè)工作狀態(tài)的功耗占比。

圖2 在線視頻業(yè)務(wù)中基帶芯片各狀態(tài)的時(shí)間和功耗占比示意圖

從圖2中可知，在整個(gè)在線視頻業(yè)務(wù)過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程（PDSCH/PUSCH）消耗了70%的電量，是消耗電量最多的狀態(tài)。

3.2 交互類業(yè)務(wù)-Web

Web類業(yè)務(wù)具體體現(xiàn)為社交公眾號(hào)、新聞閱讀應(yīng)用等，這類業(yè)務(wù)底層主要由HTTP+HTML/HTML5協(xié)議構(gòu)成。

對(duì)Web流量的建模，通常需對(duì)用戶的瀏覽行為進(jìn)行建模，請(qǐng)求一個(gè)Web頁(yè)面認(rèn)為是一個(gè)Web會(huì)話，如圖3所示，當(dāng)用戶正在瀏覽一個(gè)加載完的Web頁(yè)面，至加載下一個(gè)頁(yè)面之前，存在Web會(huì)話到達(dá)間隔。

圖3 Web業(yè)務(wù)流量模型

一個(gè)典型的Web頁(yè)面通常由一個(gè)HTML/HTML5文檔組成，其中包含組成整個(gè)Web頁(yè)面的其他標(biāo)簽對(duì)象及鏈接。Web頁(yè)面由一個(gè)主對(duì)象組成，它定義了頁(yè)面的基本結(jié)構(gòu)，并包含所有內(nèi)聯(lián)對(duì)象及鏈接。內(nèi)聯(lián)對(duì)象可以是圖像、腳本、動(dòng)畫、視音頻等。為了簡(jiǎn)單起見，我們對(duì)主對(duì)象和內(nèi)聯(lián)對(duì)象都使用通用對(duì)象表示。

Web業(yè)務(wù)流量模型中有4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如表2所示。會(huì)話到達(dá)時(shí)間通常較長(zhǎng)，基帶芯片已經(jīng)處于待機(jī)狀態(tài)，因此與PDCCH-only狀態(tài)（即RRC_IDLE/RRC_INACTIVE狀態(tài)）的持續(xù)時(shí)間相關(guān)；對(duì)象到達(dá)時(shí)間通常較短，基帶芯片仍處于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，因此與C-DRX狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間相關(guān)；每個(gè)會(huì)話內(nèi)對(duì)象數(shù)量x對(duì)象大小，體現(xiàn)了速率，與帶寬、載波聚合因素相關(guān)。

表2 Web業(yè)務(wù)流量模型關(guān)鍵參數(shù)

如圖4所示，展示了Web業(yè)務(wù)包含基帶芯片的每個(gè)工作狀態(tài)的時(shí)間占比，以及每個(gè)工作狀態(tài)的功耗占比。

從圖4可知，在整個(gè)Web業(yè)務(wù)過(guò)程中，PDCCH-only狀態(tài)，也即終端的待機(jī)狀態(tài)，消耗了最多的電量，其次是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程（PDSCH/PUSCH）。

3.3 交互類業(yè)務(wù)-社交

社交即時(shí)通信的流量模型，典型建模方法是：多個(gè)即時(shí)消息到達(dá)一個(gè)用戶，并在兩個(gè)消息之間設(shè)置到達(dá)時(shí)間。通常，即時(shí)消息的大小由帕累托分布決定，兩個(gè)消息之間的到達(dá)時(shí)間被建模為對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

為了簡(jiǎn)單起見，到達(dá)時(shí)間也可以建模為固定值，并且，即時(shí)消息流量模型可以被識(shí)別為參數(shù)化的FTP流量模型。FTP流量模型的依據(jù)是FTP模型3（3GPP TS36.814 V9.2.0），是由兩個(gè)FTP文件之間的到達(dá)時(shí)間分隔的文件傳輸序列，下載文件的大小被建模為固定的大小，到達(dá)時(shí)間與泊松過(guò)程匹配，如表3所示。

圖4 Web業(yè)務(wù)中基帶芯片各狀態(tài)的時(shí)間和功耗占比示意圖

表3 即時(shí)通信業(yè)務(wù)流量模型關(guān)鍵參數(shù)

如圖5所示，展示了社交即時(shí)通信業(yè)務(wù)包含基帶芯片的每個(gè)工作狀態(tài)的時(shí)間占比，以及每個(gè)工作狀態(tài)的功耗占比。

圖5 即時(shí)通信業(yè)務(wù)中基帶芯片各狀態(tài)的時(shí)間和功耗占比示意圖

從圖5可知，在整個(gè)社交即時(shí)通信業(yè)務(wù)過(guò)程中，PDCCH-only狀態(tài)，也即終端的待機(jī)狀態(tài)，消耗了最多的電量，其次是C-DRX過(guò)程，即連接態(tài)時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程。

3.4 會(huì)話類業(yè)務(wù)-語(yǔ)音通話

典型的語(yǔ)音通話的流量模型，基本上就是VoIP的模型，這是一種穩(wěn)定流量的模型，該模型可簡(jiǎn)化為兩個(gè)狀態(tài)：狀態(tài)1（Active態(tài)/主動(dòng)語(yǔ)音狀態(tài)）和狀態(tài)0（Inactive態(tài)/不活動(dòng)或無(wú)聲狀態(tài)），如圖6所示，狀態(tài)1切換至狀態(tài)0的概率為a，狀態(tài)0切換至狀態(tài)1的概率為c，狀態(tài)1回到狀態(tài)1的概率為d=1-a，狀態(tài)0回到狀態(tài)0的概率為b=1-c。模型的假設(shè)前提是語(yǔ)音編碼器幀率為R=1/T，其中T是編碼器幀時(shí)長(zhǎng)，通常為20 ms。VoIP模型的詳細(xì)定義見3GPP R1-070674。

圖6 VoIP業(yè)務(wù)狀態(tài)切換模型

如圖7所示，展示了VoIP業(yè)務(wù)包含基帶芯片的每個(gè)工作狀態(tài)的時(shí)間占比，以及每個(gè)工作狀態(tài)的功耗占比。

從圖7可知，在整個(gè)VoIP業(yè)務(wù)過(guò)程中，PDCCH-only狀態(tài)，消耗了最多的電量，該模型中的PDCCH-Only狀態(tài)指連接態(tài)中監(jiān)聽PDCCH信道的狀態(tài)，而非待機(jī)狀態(tài)；次要耗電的是上傳和接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)的狀態(tài)；C-DRX占據(jù)約76%的時(shí)間，但耗電僅占約3%。

圖7 VoIP業(yè)務(wù)中基帶芯片各狀態(tài)的時(shí)間和功耗占比示意圖

3.5 背景類業(yè)務(wù)-后臺(tái)應(yīng)用同步

后臺(tái)應(yīng)用同步流量與社交即時(shí)通信流量模型非常相似，唯一區(qū)別是在后臺(tái)應(yīng)用同步流量模型中，每個(gè)同步之間的到達(dá)時(shí)間可以更長(zhǎng)。

如圖8所示，展示了后臺(tái)應(yīng)用同步業(yè)務(wù)包含基帶芯片的每個(gè)工作狀態(tài)的時(shí)間占比，以及每個(gè)工作狀態(tài)的功耗占比。

圖8 后臺(tái)應(yīng)用同步業(yè)務(wù)中基帶芯片各狀態(tài)的時(shí)間和功耗占比示意圖

后臺(tái)應(yīng)用同步業(yè)務(wù)是一個(gè)用戶不直接參與的業(yè)務(wù)，當(dāng)手機(jī)處于無(wú)人值守狀態(tài)時(shí)發(fā)生，基帶芯片大部分時(shí)間處于空閑模式，但由于應(yīng)用程序需要與服務(wù)器通信，所以會(huì)定期與網(wǎng)絡(luò)建立RRC連接。

I-DRX占用了大部分時(shí)間，但耗電大約只占一半，主要涉及3個(gè)主要的I-DRX操作：

（1）深度睡眠；

（2）喚醒并監(jiān)聽尋呼，消耗約18%電量；

（3）鄰區(qū)搜索和測(cè)量，消耗約12%電量，該數(shù)據(jù)是LTE背景，有2個(gè)同頻小區(qū)和1個(gè)異頻小區(qū)，服務(wù)小區(qū)在同頻小區(qū)內(nèi)。

另一半由活動(dòng)狀態(tài)消耗，即后臺(tái)應(yīng)用程序的同步行為會(huì)導(dǎo)致基帶芯片間歇性地建立RRC連接，以便與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（平均每隔幾分鐘就有一個(gè)連接）。這種間歇性RRC連接中，里面大約有1/4的時(shí)間用在了建立連接的信令消耗，因此如果基帶芯片使用RRC_INACTIVE模式而不是RRC_IDLE模式，則可以減少此信令開銷，當(dāng)然也要綜合考慮基帶芯片當(dāng)時(shí)的移動(dòng)狀態(tài)，否則RRC_INACTIVE會(huì)更耗電。

4 小結(jié)

從上述分析可見，在不同的業(yè)務(wù)類型中，時(shí)間占得最長(zhǎng)的工作狀態(tài)，未必是最耗電的，如在線視頻、Web業(yè)務(wù)、即時(shí)通信和VoIP業(yè)務(wù)中的C-DRX狀態(tài)；而最耗電的工作狀態(tài)未必都是在傳輸數(shù)據(jù)，而只是在監(jiān)聽信道，如Web業(yè)務(wù)、即時(shí)通信、VoIP和后臺(tái)應(yīng)用同步業(yè)務(wù)中的PDCCH-only狀態(tài)。由此可見PDCCH-only是5G NR功耗的重點(diǎn)優(yōu)化方向之一，3GPP R16的研究項(xiàng)目NR UE Power Saving也明確了PDCCH的優(yōu)化方向，并在RAN1和RAN2組展開了深入的技術(shù)探討和方案評(píng)估。基帶芯片某些工作狀態(tài)的功耗，既可以通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置來(lái)優(yōu)化，也可以引入新的節(jié)電技術(shù)來(lái)優(yōu)化，都有利于提升5G手機(jī)終端的整體續(xù)航能力。