5G終端功耗優(yōu)化研究及端網(wǎng)實踐

師 瑜 丁志東 席緒亞 周 晶

中國聯(lián)通研究院 北京 100176

引言

5G部署初期，終端用戶體驗往往會成為5G產(chǎn)業(yè)能否規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵因素。5G技術(shù)本身帶來的大帶寬(100M)、多天線(2T4R)、高功率(26dBm)、高速率、ENDC雙連接等特性[1]，及用戶日益增長的對高清屏幕、攝像頭、高性能GPU、AI處理能力等其他需求提升，給5G終端的功耗帶來巨大挑戰(zhàn)，直接影響了5G終端產(chǎn)品和SA網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用推廣。據(jù)權(quán)威媒體報道，5G終端平均比4G終端功耗高20%，而在運營商網(wǎng)下，5G終端工作在SA模式下，也比工作在LTE模式下平均功耗高20%以上。解決5G商用初期的終端功耗問題，不僅僅需要終端提升自身的芯片制程、硬件設(shè)計、軟件優(yōu)化，更需要通過終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化，從業(yè)務(wù)場景、使用量角度出發(fā)，對現(xiàn)網(wǎng)與終端功耗優(yōu)化相關(guān)的參數(shù)進行精細(xì)化的管控和配置，從而實現(xiàn)在典型使用場景下5G終端功耗與4G終端相當(dāng)?shù)乃剑瑸?G的規(guī)模商用提供基礎(chǔ)保障。

5G終端一般有SA和NSA兩種工作模式。NSA模式下，以LTE為錨點，以EPC為核心網(wǎng)，LTE和NR無線發(fā)射接收端同時工作，往往會比SA模式更加耗電。NSA模式下的功耗優(yōu)化，主要策略為在無業(yè)務(wù)或者小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)的情況下，盡量去激活NR輔載波，即僅工作在LTE模式上，從而達(dá)到省電的目的。考慮端網(wǎng)目前已經(jīng)有相對完備的NSA節(jié)電方案，且中國未來將以發(fā)展SA網(wǎng)絡(luò)為主流方向，本文將重點聚焦在SA網(wǎng)絡(luò)下的5G終端功耗優(yōu)化特性及方案。

1 5G終端功耗優(yōu)化特性研究

一般來說，一款5G終端中移動通信模塊的耗電量約占整機的20%～40%左右，而其他軟硬件因素，如屏幕、攝像頭、AI算法、GPU處理器等的耗電量占用整機的60%～80%左右。與通信模塊無關(guān)的功耗問題，需要終端廠商進行長期持續(xù)的技術(shù)積累和新工藝的發(fā)展突破，而20%～40%左右的移動通信模塊的功耗問題，則可以通過端網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化，立竿見影地獲得顯著的終端節(jié)電效果[2]。

考慮到5G功耗過大主要來源是大帶寬、多天線、高速率等特性，5G終端功耗優(yōu)化，主要可從時域、頻域、空域及端網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化參數(shù)等方面入手。

1.1 頻域降功耗

網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同業(yè)務(wù)場景，靈活的調(diào)整終端的工作帶寬，從頻率方面節(jié)省功耗，典型特性為BWP切換。如圖1所示，3GPP R15引入的BWP切換機制，可以使終端在可有大數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)的時候，工作在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)BWP上(BWP1，一般設(shè)置為100M)，而在小數(shù)據(jù)包類業(yè)務(wù)的時候，工作在節(jié)電BWP上(BWP2，一般設(shè)置為20M)，從而靈活的調(diào)度頻譜資源，達(dá)到節(jié)電效果[3]。

1.2 時域降功耗

時域降功耗使終端間歇性的進入休眠狀態(tài)，可有效降低終端功耗，典型特性為C-DRX(通常搭配智能上行預(yù)調(diào)度共同使用)、跨時隙調(diào)度(K0＞0)、喚醒信號(Wake-up Signal)等。

1)C-DRX：如圖2所示，開啟C-DRX后，會使處于連接態(tài)的終端，周期性的暫停偵聽PDCCH，進入休眠態(tài)[4-5]，適用于周期性連續(xù)小包、時延不敏感、稀疏小包業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)緩存類業(yè)務(wù)，以達(dá)到省電效果。

圖2 C-DRX節(jié)電機制

2)智能上行預(yù)調(diào)度：在終端有下行業(yè)務(wù)的時候，為終端上行預(yù)留調(diào)度資源開啟上行智能預(yù)調(diào)度，主要用于平衡CDRX開啟后的時延影響。開啟智能上行預(yù)調(diào)度理論上會增加功耗，但會有效減少用戶時延，通過與C-DRX均衡配置，實現(xiàn)綜合體驗最優(yōu)，原理如圖3所示。

圖3 智能上行預(yù)調(diào)度

3)skipUplinkTxDynamic：如圖4所示，基站開啟上行智能預(yù)調(diào)度后，造成UE上行發(fā)送空Padding包占比較高，導(dǎo)致多余的上行功耗浪費，skipUplinkTxDynamic開啟后UE在發(fā)現(xiàn)MAC PDU為padding包，則跳過發(fā)送，該方案預(yù)估能夠節(jié)省整機功耗5%左右。

圖4 skipUplinkTxDynamic功耗節(jié)省原理

4)跨時隙調(diào)度(k0＞0)：現(xiàn)網(wǎng)中很多場景都僅有PDCCH而沒有調(diào)度PDSCH，但射頻接收機部分目前機制是一直保持打開，會造成額外的功耗浪費，原理如圖5所示。跨時隙調(diào)度可以通過使終端在沒有下行緩存需求的時候，跳過不必要的下行緩存，顯著節(jié)省PDCCHonly場景下的功耗浪費。

圖5 同時隙調(diào)度與跨時隙調(diào)度UE信號緩存

5)喚醒信號：3GPP R16新引入的功耗節(jié)省特性，作用于C-DRX狀態(tài)，在喚醒信號的指示下，UE可以監(jiān)聽或者不監(jiān)聽對應(yīng)DRX周期的PDCCH，即有了WUS后，UE在下個on duration周期不進行SP L1-RSRP reporting、SP-CSI reporting、SP L1-SINR以及SRS的發(fā)送，從而達(dá)到節(jié)電作用，原理如圖6所示。

圖6 喚醒信號的示意圖

1.3 空域降功耗

網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端上報的信息，靈活調(diào)整終端收發(fā)MIMO層數(shù)。典型特性為3GPP R15/R16定義的終端輔助信息上報和R16定義的最大MIMO層數(shù)自適應(yīng)。

1)終端輔助信息上報(UAI-UE assistance information)：3GPP在R15定義了終端輔助信息上報(過熱)特性，可以允許終端在過熱的情況下，主動上報期望的MIMO層數(shù)、最大載波數(shù)(一般用于CA載波聚合場景)和最大工作帶寬，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)終端上報的情況，結(jié)合實際調(diào)度情況，分別為終端降低MIMO層數(shù)、CA載波數(shù)、帶寬。尤其是降低MIMO層數(shù)，可有效降低終端收發(fā)功耗。根據(jù)3GPP TR 38.840[2]NR模式下的終端功耗節(jié)省研究報告所述的功耗模型統(tǒng)計，下行4流降低為2流時，可降低通信電路的30%功耗；上行2流降為上行1流時，可降低通信電路的20～40%功耗。基于R16版本的終端輔助信息上報支持終端上報更多的參數(shù)需求，如CDRX配置、RRC狀態(tài)、載波參數(shù)等。

2)最大MIMO層數(shù)自適應(yīng)：3GPP R15版本中，所有BWP的最大MIMO層數(shù)相同，不可調(diào)節(jié)，這將導(dǎo)致終端均按照現(xiàn)網(wǎng)配置的最大MIMO層數(shù)去配置相應(yīng)，如在節(jié)電BWP上，終端也需工作在2T4R。為了支持最大MIMO layers的動態(tài)調(diào)整，3GPP R16引入了下行BWP級別的最大MIMO Layer配置，UE可以通過BWP切換的方式進行最大MIMO Layer的自適應(yīng)，從而達(dá)到節(jié)電的目的，原理如圖7所示。

圖7 最大MIMO層數(shù)自適應(yīng)示意圖

1.4 其他端網(wǎng)協(xié)同功耗優(yōu)化特性

1)上行功控優(yōu)化：需要網(wǎng)絡(luò)合理設(shè)置P0值；分開調(diào)控SRS和PUSCH功率等。

2)基站小包降功率：中近點時，當(dāng)需求RB為小包業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)所需的RB數(shù)目控制終端發(fā)射功率。

3)上行波形自適應(yīng)：基站開啟UE上行CP-OFDM和DFT-OFDM波形的自適應(yīng)功能后，終端可在小區(qū)邊緣區(qū)域使用DFT-OFDM調(diào)制方式，中近點使用CP-OFDM方式，可有效降低終端發(fā)射功率。

4)RRC不活動定時器：設(shè)置合適的RRC不活動定時器，可以使端無業(yè)務(wù)的時候盡快進入空閑態(tài)。

2 功耗優(yōu)化端網(wǎng)協(xié)同試驗分析

考慮到現(xiàn)階段終端與網(wǎng)絡(luò)對功耗特性的支持現(xiàn)狀，本文主要針對現(xiàn)階段較為成熟的CDRX+智能預(yù)調(diào)度及BWP切換兩個功耗節(jié)省特性，制定了5G SA終端功耗優(yōu)化測試方案及SA網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化建議，并在現(xiàn)網(wǎng)中選取規(guī)模較大的兩家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商，作為功耗優(yōu)化端網(wǎng)協(xié)同測試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，基于終端大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的用戶功耗模型，對不同網(wǎng)絡(luò)功耗參數(shù)配置下終端的節(jié)電效果進行了深入實網(wǎng)測試分析。

2.1 功耗優(yōu)化測試模型

2.1.1 5G終端用戶Top應(yīng)用模型

根據(jù)終端業(yè)務(wù)模式大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，終端處在待機(滅屏)、微信文字(小包不連續(xù)業(yè)務(wù))、微信語音(小包連續(xù)業(yè)務(wù))、短視頻(小包周期性業(yè)務(wù))、在線高清視頻(緩存類業(yè)務(wù))時間較長，因此，本文針對這5種典型業(yè)務(wù)場景[6]，逐一驗證了不同網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)對終端5種業(yè)務(wù)的功耗影響，如表1所示。

表1 功耗業(yè)務(wù)模型

2.1.2 CDRX+智能上行預(yù)調(diào)度的測試模型

CDRX能夠有效降低連接態(tài)下小包不連續(xù)業(yè)務(wù)的功耗，智能上行預(yù)調(diào)度能夠補償CDRX帶來的時延損耗。測試選擇兩種CDRX配置參數(shù)進行對比測試。分別測試了SA網(wǎng)絡(luò)下(BWP切換關(guān)閉，終端默認(rèn)工作在100M帶寬的BWP上)無CDRX配置+無智能上行預(yù)調(diào)度、CDRX配置1+智能上行預(yù)調(diào)度開、CDRX 配置1+智能上行預(yù)調(diào)度關(guān)、CDRX配置2+智能上行預(yù)調(diào)度開、CDRX配置2+智能上行預(yù)調(diào)度關(guān)共五組NR網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)，5款主流芯片廠家的5G終端分別進行待機(黑屏)、微信文字(小包不連續(xù)業(yè)務(wù))、微信語音(小包連續(xù)業(yè)務(wù))、短視頻(小包周期性業(yè)務(wù))、在線高清視頻(緩存類業(yè)務(wù))5種業(yè)務(wù)模式的功耗優(yōu)化效果。參數(shù)配置如表2～4所示。

表2 C-DRX參數(shù)配置1

2.1.3 BWP測試模型

根據(jù)終端典型業(yè)務(wù)速率分析，即使是速率要求最高的在線高清視頻，平均速率也僅在下行5～10Mb/s左右，峰值速率可能達(dá)到20Mb/s。考慮到運營商現(xiàn)網(wǎng)4G高速移動寬帶速率為下行20Mb/s左右，因此小BWP的帶寬設(shè)置，應(yīng)既能保障終端節(jié)能效果，又能保證5G業(yè)務(wù)體驗不落后于4G。因此建議設(shè)置大BWP切換小BWP的門限為＜10Mb/s，小BWP切換大BWP的門限為＞20Mb/s，10～20Mb/s之間的速率，可由網(wǎng)絡(luò)廠家的調(diào)度算法實現(xiàn)，從而達(dá)到小區(qū)負(fù)載均衡、適當(dāng)設(shè)置突發(fā)業(yè)務(wù)流量的緩沖機制，避免BWP頻繁切換的乒乓效應(yīng)。

表3 C-DRX參數(shù)配置2

表4 上行智能預(yù)調(diào)度配置

因此，BWP切換功能的現(xiàn)網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為：基于DCI的BWP切換，大帶寬BWP1(100MHz)和小帶寬BWP2(20MHz)；BWP1切BWP2門限為：DL速率＜10Mb/s，且UL速率＜2Mb/s，同時考慮小區(qū)容量、緩存等因素；BWP2切BWP1門限為：DL速率＞20Mb/s，或UL速率＞5Mb/s，同時考慮小區(qū)容量、緩存等因素。

2.1.4 BWP+CDRX(開啟智能上行預(yù)調(diào)度)測試模型

網(wǎng)絡(luò)配置BWP(BWP1為100MHz，BWP2為20MHz)，同時開啟CDRX(打開智能上行預(yù)調(diào)度)，驗證5款主流芯片的終端產(chǎn)品在5種典型業(yè)務(wù)下的功耗表現(xiàn)。

2.2 功耗優(yōu)化測試結(jié)果分析

2.2.1 CDRX(開啟智能上行預(yù)調(diào)度)測試結(jié)果分析

CDRX開啟后，終端功耗均可獲得明顯收益，如圖8所示。對微信文字等小包不連續(xù)業(yè)務(wù)，功耗節(jié)省約50%以上；對于短視頻功耗節(jié)省在20%左右；對在線視頻功耗節(jié)省約3%左右。

圖8 CDRX開啟后SA網(wǎng)絡(luò)下的5G終端功耗對比

由于CDRX打開后會增加時延，因此通過同時打開智能上行預(yù)計調(diào)度平衡時延。理論上打開智能上行預(yù)調(diào)度會增加功耗，需綜合分析對功耗和時延的影響，如圖9所示，打開智能上行預(yù)調(diào)度，功耗較關(guān)閉智能預(yù)調(diào)度增加1～8%。

圖9 上行智能預(yù)調(diào)度開啟和關(guān)閉后SA終端功耗對比

2.2.2 BWP切換測試結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)BWP1(100M)與BWP2(20M)，終端典型業(yè)務(wù)下的功耗測試數(shù)據(jù)如圖10所示。對于微信語音與文字類業(yè)務(wù)(業(yè)務(wù)基本保持在小BWP上)，功耗降低20%，對于短視頻與在線視頻類業(yè)務(wù)(業(yè)務(wù)會有一定比例保持在大BWP上)，功耗降低10%左右。

2.2.3 BWP+CDRX(開啟智能上行預(yù)調(diào)度)測試結(jié)果分析

現(xiàn)網(wǎng)實測發(fā)現(xiàn)，BWP+CDRX(CDRX2)的參數(shù)配置，終端功耗優(yōu)化效果最好。如圖11所示，BWP+CDRX的配置對微信文字、微信語音、短視頻、在線視頻均有功耗的降低。其中對微信文字這種小包不連續(xù)業(yè)務(wù)功耗降低59%；對微信語音、短視頻和在線視頻業(yè)務(wù)功耗可節(jié)省10～20%。

圖11 BWP切換+CDRX(智能上行預(yù)調(diào)度開)配置下的SA終端功耗對比

如圖12所示，CDRX+BWP較單CDRX以及單BWP的配置，CDRX+BWP的配置在微信文字、短視頻、在線高清視頻均能夠獲得最大的功耗收益；但在微信語音業(yè)務(wù)上，功耗收益較單配置CDRX大，較單配置BWP功耗收益小，增加的功耗部分是由于開啟上行智能預(yù)調(diào)度帶來的功耗增加。

圖12 BWP+CDRX和單獨CDRX及單獨BWP場景下的SA終端功耗對比

2.3 測試結(jié)論

根據(jù)測試數(shù)據(jù)測算分析結(jié)果如下。

SA模式下，BWP+CDRX參數(shù)2組合配置功耗優(yōu)化效果最優(yōu)；對于用戶體驗敏感的區(qū)域，也可采用BWP+CDRX參數(shù)1配置(時延略優(yōu))。 BWP+CDRX的配置對小包不連續(xù)業(yè)務(wù)效果最優(yōu)，SA下可節(jié)電＞50%；對緩存類和小包連續(xù)業(yè)務(wù)場景，SA下約可節(jié)電10%～22%。

與LTE模式下對比，BWP+CDRX配置下的SA功耗，Top業(yè)務(wù)功耗可與現(xiàn)網(wǎng)LTE 20M(未配置CDRX)下功耗基本相當(dāng)。對微信文字、短視頻、在線高清視頻等業(yè)務(wù)，SA下功耗低于LTE下功耗分別為45%、11%、5%；但在微信語音業(yè)務(wù)場景下，SA功耗仍比LTE下高12%。因此，小包連續(xù)業(yè)務(wù)場景下的功耗優(yōu)化將是未來SA端網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化的重點。

綜上分析，本文提出的BWP+CDRX(開啟上行智能預(yù)調(diào)度)參數(shù)配置，對于SA終端的TOP業(yè)務(wù)場景均能獲得與LTE相當(dāng)?shù)墓摹?/p>

3 結(jié)語

本文介紹了現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境的功耗優(yōu)化試驗理論分析和試驗驗證，通過不同芯片和不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交叉試驗數(shù)據(jù)表明：對于5G終端連接態(tài)功耗，通過BWP+CDRX的聯(lián)合配置，處于SA模式下的5G終端在現(xiàn)網(wǎng)的微信、短視頻、在線視頻等TOP業(yè)務(wù)中，能夠獲得接近LTE模式下的功耗 ，已經(jīng)大幅改善了用戶5G終端的功耗體驗。對于5G終端空閑態(tài)的功耗，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無可優(yōu)化參數(shù)，在R16中定義了IDLE態(tài)下的通過放松RRM測量來實現(xiàn)節(jié)能的功耗節(jié)省方法，還待進一步研究。

本文成果已經(jīng)在SA現(xiàn)網(wǎng)推廣，預(yù)估方案實施后，5G終端小包業(yè)務(wù)狀態(tài)下可節(jié)電60%，其他TOP業(yè)務(wù)場景功耗可與4G功耗基本相當(dāng)，這將極大地緩解用戶的5G終端續(xù)航焦慮，提振終端產(chǎn)業(yè)界對于中國5G SA規(guī)模化發(fā)展的信心，為用戶帶來更優(yōu)的5G服務(wù)體驗[7]。

同時，5G終端功耗優(yōu)化研究需要繼續(xù)深入研究。當(dāng)前5G應(yīng)用尚未大規(guī)模爆發(fā)，產(chǎn)業(yè)各方都在積極挖掘和培育5G新應(yīng)用。增強現(xiàn)實(AR)、虛擬現(xiàn)實(VR)、云游戲等被認(rèn)為是極有前景的未來5G應(yīng)用，這些業(yè)務(wù)場景對5G終端功耗提出了更高的挑戰(zhàn)。理論分析表明，現(xiàn)網(wǎng)可配置的功耗優(yōu)化相關(guān)的參數(shù)，如CDRX，對增強現(xiàn)實(AR)、虛擬現(xiàn)實(VR)、云游戲業(yè)務(wù)場景幾乎無效果。R16已經(jīng)提出了一些極具潛力的功耗優(yōu)化新特性，需要推動5G產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方盡快支持相關(guān)特性，并開展試驗驗證，進一步提升5G功耗效率，改善5G終端用戶使用體驗。