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5G终端节能促5G快速成熟

移动互联王家庆│文

5G节能是现今大家共同关注的话题,终端节能技术将有效节约能耗,从而降低成本,并加快5G产业链的快速成熟。

5G终端节能

第五代移动通信系统(5G)的目标不仅是提供更大的系统容量和更高的数据速率,而且是确保更好的用户体验和能源效率。与LTE相比5G移动通信支持更大的带宽,更多的TX/RX链路,更高的数据传输速率,更多的业务类型,这对终端功耗提出严峻挑战。电池寿命将严重影响5G的户体验。因此确保5G终端节能效率优于LTE,延长电池寿命、提高用户体验,对5G网络顺利部署且得到广泛应用至关重要。

ITU-R将能效定义为IMT-2020的最低技术性能要求之一。根据ITU-R报告,设备能效需要考虑支持负载情况下的高效数据传输与没有数据时的低能耗。统计结果表明,LTE中超过一半的功耗发生在接入模式下,因此降低RRC连接态下UE的功耗对实际应用来说非常重要。所以3GPP在Rel-16阶段的UE功耗节省的讨论主要集中RRC连接态下。一种有效的UE节能机制,是将UE接收机从节能模式“唤醒”进入高功耗的网络接入模式,如果UE没有被唤醒, UE将一直保持处于节能模式。另一方面,处于连接态的UE在没有业务传输时,网络可以帮助UE从“网络接入”模式切换到节能的 “睡眠”状态。网络通过仅在有业务到达时才唤醒终端,在无业务传输时通知UE进行睡眠,可以显著降低NR UE功耗。

NR终端节能主要研究了能对数据到达动态自适应的节能方案,即时域、频域、天线域等多个维度的终端节能方案。

UE还消耗大量的电能用于RRM(Radio Resource Management)测量,特别UE需要在DRX ON周期之前上电,进行信道跟踪,准备RRM测量,耗费大量转换功率。事实上,有些RRM测量是不必要的,例如,低速移动的UE不必像高速移动的UE那样频繁执行RMM测量。所以NR UE节能方案也从RRM测量角度研究降低UE功耗。

NR 终端节能方案

5G终端节能技术,可以通过基站发送的节能信号大大降低终端监听控制信道的功耗,进一步结合时/频/天线域随业务变化自适应调整技术,使得终端能耗显著降低。

PDCCH 监听降低节能方案

与LTE类似,NR也采用了非连续接收DRX(Discontinuous Reception)机制以降低UE功耗,即UE会在DRX ON之前自动唤醒接收机,在DRX激活期内UE持续监听C-RNTI加扰的PDCCH, UE在DRX 非激活期内则进入睡眠状态,即关闭接收机某些模块,不再监听调度数据的PDCCH。然而,统计结果表明,LTE网络中,多达90%的PDCCH监听机会中都检测不到PDCCH/PDSCH。所以为了降低NR终端能耗,基站可以在DRX ON之前发送一个节能信号,如果UE没有检测到唤醒信号,则在即将到来的激活周期内进入睡眠状态,否则,UE将唤醒接收机并在DRX 激活期内执行PDCCH监听和PDSCH解码,如图1所示。

图1:节能信号自适应唤醒UE接收机

节能信号除了可以触发UE在DRX OFF内自适应唤醒接收机,还可以指示终端在DRX ON内执行睡眠操作。统计结果表明,DRX边界到数据burst到达时刻或者两个连续调度DL burst间往往存在多个时隙没有PDCCH/PDSCH传输,因此可以利用节能信号触发终端跳过某些PDCCH检测机会,或者停止在后续整个DRX 周期内进行PDCCH监听,如图2所示。

图2:节能信号触发UE进入睡眠状态

评估结果表明,节能信号辅助的PDCCH 监听降低节能方案与不采用节能信号基准相比,可以获得高达63.8%功耗节省增益。

时域自适应节能方案

移动通信中,基站往往采用本时隙调度,即PDCCH与PDSCH复用同一个时隙。采用本时隙调度的终端,即使当前时隙没有PDCCH/PDSCH传输,终端必须需要快速解码PDCCH,同时缓存整个slot的数据。与之对应的是跨时隙调度方案,如果终端预先知道当前采用跨时隙调度,终端可以降低处理速度,更长的处理时间会耗费更少的电量;另一方面,UE知道当前时隙属于跨时隙调度也不需要在当前时隙进行数据存储,从而获得更多的睡眠节电机会。

为了支持跨时隙调度,需要设置K0(即PDCCH与PDSCH的距离至少大于0个 slot);同时,为了避免UE快速解码PDCCH带来功耗增加,K2即PDCCH与PUSCH的距离也至少要大于0个 slot,非周期CSI-RS传输与PDCCH间距离则需要大于某预设值。

3GPP 节能增益评估结果表明,采用跨时隙调度,当最小k0=1时节电增益为13%-28%,UPT性能损失0.3%-5%。

频域自适应节能方案

在射频和基带处理中,UE功耗与工作带宽成比例。在Rel-15中,RRC信令为每个载波配置多个BWP(Bandwidth Part),支持快速的动态BWP切换,允许UE对系统带宽进行自适应,从而达到节电目的。动态BWP切换让用户在没有数据或小数据的情况下驻留在小的BWP上,在大数据到达时切换到大的BWP。但是UE切换到大的BWP上后,并没有该BWP的信道状态信息,需要经过长时间的CSI测量与上报,该BWP才能高效的用于数据传输。

类似于BWP切换,NR Rel-15中网络利用RRC信令为终端配置多个SCell,然后通过MAC CE信令激活/去激活。由于被激活SCell上需要先进行CSI测量/上报, beam管理,时频跟踪才能用于数据传输,所以SCell激活的时间很长,延迟较大,不利于UE快速进行睡眠。

NR考虑利用节能信号动态指示BWP的切换或CA/DC中载波的激活/去激活;并且利用节能信号触发在DRX OFF内发送非周期CSI-RS,用于信道测量与上报,从而基站可以快速获得及时、准确的信道信息用于数据调度,如图3所示。

图3:节能信号触发ON demand RS传输与上报

随着接收天线数的增多,终端的功耗也会相应增加。在一些场景下,比如覆盖好、小数据包时,终端不需要使用全部天线进行收发数据。为了节约功耗,基站可以指示终端调整MIMO层/面板/天线的数目,将不需要使用的天线面板暂时关闭,降低接收数据天线数目,节约终端功耗。

终端可以向基站报告其倾向的MIMO参数,如期望的最大MIMO层数或接收天线数,供基站参考。基站可以直接利用节能信号动态指示终端调整接收天线数。3GPP节能项目对自适应调整 MIMO天线数的功耗进行了评估。当采用物理层信令动态调整天线数时,评估结果显示可以获得3%-30%节能增益。

上述节能方案都基于节能信号,基于节能信号需要携带多种节能信息,目前标准已经决定Rel-16阶段,节能信号重用PDCCH的传输结构。

RRM测量节能方案

RRM测量是一种非常耗电的操作。在实际系统中,UE主要基于SSB或CSI-RS进行RRM测量。为了保证RRM测量值不受信道的瞬时衰落的影响,UE通常会对多个层1测量值进行平滑。当DRX ON周期与SMTC(SSB based RRM measurement timing configuration)测量窗口没有对齐时,UE需要在非激活期间醒来进行RRM测量。在某些情况下,频繁的RRM测量对于UE来说就是一种不必要的耗电。

RRM测量放宽可以从时域或频域维度进行放宽,此外还可以引入额外的参考信号,来辅助RRM测量,实现节电的效果。

从时域角度,在特定的条件下,如低移动速度场景且满足Rel-15的RRM测量准确性要求,可通过某段时间内减少测量采样点数、增大RRM测量周期等方式减少不必要的RRM测量。对于同频或异频的小区测量都可以进行RRM测量放宽。此外,在时域上的RRM测量放宽,可以是网络侧控制,也可以是UE根据网络侧配置进行自适应放宽。

在频域上,某些特定情况下,如服务小区的信号足够好时,主要通过减少需要同频测量的邻小区数,或减少异频测量的频点数的方式,在不影响小区选择或移动性的情况下,放宽RRM测量。

此外,还可以引入额外的参考信号辅助RRC连接/空闲/非激活状态的RRM测量,尽量避免UE在非激活时刻醒来进行RRM测量。

标准化进程

大唐移动在终端节能方向有着深厚的技术积累与研究经验,率先在3GPP提出利用基站发送低功耗的节能信号触发5G终端进行高效节电操作,并得到众多终端与基站厂家的广泛支持,并于2018年6月在美国拉荷亚召开3GPP RAN Meetings #80上成功立项“New SID: Study on UE Power Saving in NR”, 大唐移动成为该项目的报告人,领导了后续3GPP NR R16 终端节能项目的研究。3GPP首先开展了物理层在节能项目上的研究工作,并从2018年8月到2019年3月RAN1召开了四次会议完成SI阶段的研究与评估工作。2019年3月,大唐移动在深圳召开的3GPP RAN #83会议上成功推动该项目SI阶段的结题,并一致通过了由大唐移动提出的题为“New WID: UE Power Saving in NR”的WI立项,开始了NR UE power saving标准化的进程,预计2019年底完成标准的初始版本。

在当今世界,能源的发展,能源和环境,是全世界、全人类共同关心的问题。5G终端的节能,不仅能够降低运营成本,更能够节约有限的宝贵资源。节约能源,就是爱护我们的家园,就是爱护我们自己。