基于連接態節能信號的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股份有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著5G萬物互聯愿景的實現，以交通智聯網、工業互聯網為典型應用場景的大規模智能機器協同正在迅速滲透進人類社會，促使生產生活方式向安全、高效、便捷、綠色演進[1]。然而，強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，將嚴重制約移動場景下的大規模智能機器的協同質量[2]。ITU-R將能效定義為IMT-2020的最低技術性能要求之一。根據實時業務需求，調整終端在大規模智能機器協同過程中的“活躍”和“睡眠”狀態，能夠有效降低終端功耗。在3GPP Rel-16中，通過基站發送節能信號可以指示目標終端切換節能狀態，實現基站編排下的自適應節能。但是，大規模智能機器協同場景下，有限的時頻資源、嚴重的信號間干擾與復雜的協同需求之間存在矛盾，因此設計面向5G群體的節能信號極具挑戰[3]。

3GPP在Rel-16階段用戶(User，UE)功耗節省的討論主要集中在RRC連接態下[1]。一種有效的UE節能機制是將UE接收機從節能模式“喚醒”進入高功耗的網絡接入模式，如果UE沒有被喚醒，它將一直不進行下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)監聽，從而處于節能模式。另一方面，處于連接態的UE在沒有業務傳輸時，網絡可以幫助UE從“網絡接入”模式切換到節能的“睡眠”狀態。網絡通過僅在有業務到達時才喚醒終端，在無業務傳輸時通知UE進行睡眠，可以顯著降低5G UE功耗[4]。3GPP在Rel-16階段的5G終端節能信號設計方面，主要有2種設計：基于Polar編碼的下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)節能信號設計[5-6]，可以攜帶多種信息；基于序列的節能信號設計，具有更低的檢測功耗[7-9]。本文基于節能信號的工作原理，研究大規模智能機器協同場景下多用戶節能序列聯合檢測方法及多級序列節能信號設計，進一步通過仿真試驗驗證所提方法檢測性能的優越性。

1 節能信號設計

節能信號工作原理如圖1所示。

圖1 節能信號工作原理Fig.1 Operation principle of power saving signal

針對節能信號如何指示目標UE切換節能狀態，介紹了2種節能信號候選設計方法：基于DCI的節能信號設計和基于序列的節能信號設計。在此基礎上，針對5G大規模智能機器人協同場景，進一步提出了多UE節能序列檢測方法以抑制信號間干擾，提出了多級序列節能信號設計以利用有限時頻資源支撐大量終端的節能控制。

1.1 基于DCI的節能信號設計

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

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

該方法最大的優點是DCI可以同時指示多UE節能信息，如圖3所示，攜帶較多的節能信息，例如可以攜帶激活的帶寬/小區信息，獲得更多的節能增益，利于終端多維度節能；另一個優點是節能信號是PDCCH的一種，可以重用現有協議，進行鏈路自適應，靈活地選擇候選PDCCH位置，利于與其他信號共存。

圖3 DCI指示信息域設計Fig.3 Design of indication information field of DCI

然而，基于DCI的節能信號無論攜帶節能信息是多還是少，為了避免影響NR接收機，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(44次)限制，且每次盲檢都對應高復雜度的連續消除列表(Successive Cancellation List，SCL)[10-11]譯碼過程，引入額外功耗。

1.2 基于序列的節能信號設計

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

1.2.1 節能序列的檢測方法

相比于基于DCI的節能信號的接收端處理方法，序列相關檢測在復雜度和功耗上遠低于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能序列門限計算方法和接收端檢測方法。

(1) 單用戶節能序列檢測方法

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

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

當發送信號經過無線信道到達UE側時，接收端先進行OFDM解調和根據時頻資源位置解時頻資源映射[12]，然后對頻域序列進行循環相關，同時求解循環相關后的相關功率序列，接著將相關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判斷節能信號的存在性，至此完成基于序列的節能信號的檢測過程[13-15]。其中，檢測門限VT通過滿足恒定1%的虛警概率(False Alarm Rate，FAR)來確定，接收端檢測變量為：

(1)

(2) 多用戶節能序列聯合檢測方法

與單UE序列檢測不同，在多序列聯合發送情況下，因為干擾的存在會導致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。本節研究多UE節能序列聯合發送時，接收端的判決門限選擇以及如何設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，發送端最多發送N個用戶信號，假設發送UE數以及干擾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，當系統下的目標UE數確定時，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)

進一步考慮多UE存在的干擾對傳統匹配濾波器接收端的影響，會造成嚴重衰減的檢測性能。因此，考慮通過設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。目標函數建模為：

(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的目標用戶的序列向量；y∈C1×K為接收端接收的信號。通過設計維度為K的方陣M∈CK×K，使得yM接近目標向量b，進而達到抑制干擾的目的。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，判斷是否存在目標信號。

1.2.2 單級序列節能信號設計

單級序列節能信號設計采用單ZC基序列喚醒與同一尋呼機會相關聯的一組UE，節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，生成增強的WUS序列。基序列可以同時作用于多個UE，擾碼序列可以用來區分不同的小區。

當大量序列復用同一時頻資源時，誤檢率增加。為了降低序列誤檢率，可利用正交序列(例如哈達瑪德序列或ZC序列的循環移位)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WUS序列檢測性能優于基于TRS Gold序列的增強WUS序列，且隨著多路復用序列個數增加，正交序列對比Gold序列的檢測性能表現更優異，最大增益可達10 dB。

1.2.3 多級序列節能信號設計

由圖6的仿真結果可以看出，單級序列可以指示的UE數有限。為了攜帶更多UE的信息，提出了一種可以擴展到基于多級序列的節能信號增強方法，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得到，多級序列共同對應一個節能信號。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wake up area ID，組內序號對應wake up ID，上述同一分組中的序列構成第1級序列；組內的序列構成第2級序列。例如N=128，M=128，組數G=19，每組序列個數為6或者7個。假定當前wake area ID對應的group index=6，則該組內包含7個序列。上述是2級序列的例子，可以根據需要支持更多級數。

2 節能信號設計性能評估

為了支持終端高效節能，節能信號的檢測性能也是設計原則之一。NR節能信號工作在連接態，只有檢測到具有喚醒功能的節能信號UE才會喚醒接收機，所以必須保證節能信號具有優異的檢測性能，否則由于節能信號漏檢會導致UE傳輸延遲整個非連續接收周期，嚴重影響系統可靠性，對系統的損害遠大于節能帶來的好處，所以必須保證節能信號的檢測性能。

下面對比了不同的節能信號設計方法的檢測性能。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)下基于序列的節能信號方法和基于DCI的節能信號設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(288 REs)情況下，seq-based節能信號比DCI-based節能信號性能提升至少5 dB，與資源數4倍(1 152 REs)的DCI性能相似，甚至優于資源數4倍(1 152 REs)的DCI性能2 dB(15 kHz，0.5 ppm)。基于序列的節能信號設計方法在設計復雜度和檢測性能方面遠優于基于DCI的節能信號設計方法。

(a) 15 kHz

(a) 15 kHz

3 結束語

大規模智能機器協同使得移動終端的節能需求更加急迫、節能信號的設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計的多用戶節能信號聯合檢測方法和方法設計，并通過仿真評估與基于DCI的節能信號方法設計，證明了所提方法在檢測性能和設計復雜度上優于基于DCI的節能信號設計。后續進一步考慮基站側能耗，通過基站和終端協調配合，在保證系統性能條件下進一步減少雙方的能耗，實現綠色通信。