期刊论文 | 5G终端功耗优化研究及端网实践

【作者姓名】师 瑜 丁志东 席绪亚 周 晶

【作者单位】中国联通研究院

【择要】自5G商用以来，5G终端功耗过大的问题已经成为5G用户体验的一大痛点，用户每每会由于5G耗电过大而选择关闭SA网络，直接影响5G整体的业务推广及市场口碑。
文章先容R15和R16中5G终端能耗节省干系的功能特性事理，从时域、频域、空域剖析端网协同配置的5G终端节电方案。
同时在现网支配环境中，选取两家主流网络设备，组织海内Top5芯片厂家和终端厂家进行大规模SA终端功耗端网协同优化技能试验。
根据实测数据，提出并验证R15阶段针对5G SA现网节电特性参数配置的优化建议。
文章研究成果已广泛运用于运营商网络，有效降落SA终端功耗，极大地提振终端家当界对付中国5G SA规模化发展的信心。

【关键词】5G终端；功耗优化；SA；BWP切换

弁言

5G支配初期，终端用户体验每每会成为5G家当能否规模化发展的关键成分。
5G技能本身带来的大带宽(100M)、多天线(2T4R)、高功率(26dBm)、高速率、ENDC双连接等特性[1]，及用户日益增长的对高清屏幕、摄像头、高性能GPU、AI处理能力等其他需求提升，给5G终真个功耗带来巨大寻衅，直接影响了5G终端产品和SA网络大规模商用推广。
据威信媒体宣布，5G终端均匀比4G终端功耗高20%，而在运营商网下，5G终端事情在SA模式下，也比事情在LTE模式下均匀功耗高20%以上。
办理5G商用初期的终端功耗问题，不仅仅须要终端提升自身的芯片制程、硬件设计、软件优化，更须要通过终端和网络协同优化，从业务场景、利用量角度出发，对现网与终端功耗优化干系的参数进行风雅化的管控和配置，从而实现在范例利用场景下5G终端功耗与4G终审察当的水平，为5G的规模商用供应根本保障。

5G终端一样平常有SA和NSA两种事情模式。
NSA模式下，以LTE为锚点，以EPC为核心网，LTE和NR无线发射吸收端同时事情，每每会比SA模式更加耗电。
NSA模式下的功耗优化，紧张策略为在无业务或者小数据包业务的情形下，只管即便去激活NR辅载波，即仅事情在LTE模式上，从而达到省电的目的。
考虑端网目前已经有相对完备的NSA节电方案，且中国未来将以发展SA网络为主流方向，本文将重点聚焦在SA网络下的5G终端功耗优化特性及方案。

1 5G终端功耗优化特性研究

一样平常来说，一款5G终端中移动通信模块的耗电量约占整机的20%~40%旁边，而其他软硬件成分，如屏幕、摄像头、AI算法、GPU处理器等的耗电量占用整机的60%~80%旁边。
与通信模块无关的功耗问题，须要终端厂商进行长期持续的技能积累和新工艺的发展打破，而20%~40%旁边的移动通信模块的功耗问题，则可以通过端网协同优化，吹糠见米地得到显著的终端节电效果[2]。

考虑到5G功耗过大紧张来源是大带宽、多天线、高速率等特性，5G终端功耗优化，紧张可从时域、频域、空域及端网协同优化参数等方面入手。

1.1 频域降功耗

网络根据不同业务场景，灵巧的调度终真个事情带宽，从频率方面节省功耗，范例特性为BWP切换。
如图1所示，3GPP R15引入的BWP切换机制，可以使终端在可有大数据包业务的时候，事情在数据业务BWP上(BWP1，一样平常设置为100M)，而在小数据包类业务的时候，事情在节电BWP上(BWP2，一样平常设置为20M)，从而灵巧的调度频谱资源，达到节电效果[3]。

1.2 时域降功耗

时域降功耗使终端间歇性的进入休眠状态，可有效降落终端功耗，范例特性为C-DRX(常日搭配智能上行预调度共同利用)、跨时隙调度(K0>0)、唤醒旗子暗记(Wake-up Signal)等。

1)C-DRX：如图2所示，开启C-DRX后，会使处于连接态的终端，周期性的停息侦听PDCCH，进入休眠态[4-5]，适用于周期性连续小包、时延不敏感、稀疏小包业务、数据缓存类业务，以达到省电效果。

2)智能上行预调度：在终端有下行业务的时候，为终端上行预留调度资源开启上行智能预调度，紧张用于平衡CDRX开启后的时延影响。
开启智能上行预调度理论上会增加功耗，但会有效减少用户时延，通过与C-DRX均衡配置，实现综合体验最优，事理如图3所示。

3)skipUplinkTxDynamic：如图4所示，基站开启上行智能预调度后 ， 造成UE上行发送空Padding包占比较高，导致多余的上行功耗摧残浪费蹂躏，skipUplinkTxDynamic开启后UE在创造MAC PDU为padding包，则跳过发送，该方案预估能够节省整机功耗5%旁边。

4)跨时隙调度(k0>0)：现网中很多场景都仅有PDCCH而没有调度PDSCH，但射频吸收机部分目前机制是一贯保持打开，会造成额外的功耗摧残浪费蹂躏，事理如图5所示。
跨时隙调度可以通过使终端在没有下行缓存需求的时候，跳过不必要的下行缓存，显著节省PDCCH only场景下的功耗摧残浪费蹂躏。

5)唤醒旗子暗记：3GPP R16新引入的功耗节省特性，浸染于C-DRX状态，在唤醒旗子暗记的指示下，UE可以监听或者不监听对应DRX周期的PDCCH，即有了WUS后，UE不才个on duration周期不进行SP L1-RSRP reporting、SP-CSI reporting、SP L1-SINR以及SRS的发送，从而达到节电浸染，事理如图6所示。

1.3 空域降功耗

网络根据终端上报的信息，灵巧调度终端收发MIMO层数。
范例特性为3GPP R15/R16定义的终端赞助信息上报和R16定义的最大MIMO层数自适应。

1 ) 终 端 辅 助 信 息 上 报 ( U A I - U E a s s i s t a n c e information)：3GPP在R15定义了终端赞助信息上报(过热)特性，可以许可终端在过热的情形下，主动上报期望的MIMO层数、最大载波数(一样平常用于CA载波聚合场景)和最大事情带宽，网络可以根据终端上报的情形，结合实际调度情形，分别为终端降落MIMO层数、CA载波数、带宽。
尤其是降落MIMO层数，可有效降落终端收发功耗。
根据3GPP TR 38.840[2]NR模式下的终端功耗节省研究报告所述的功耗模型统计，下行4流降落为2流时，可降落通信电路的30%功耗；上行2流降为上行1流时，可降落通信电路的20~40%功耗。
基于R16版本的终端赞助信息上报支持终端上报更多的参数需求，如CDRX配置、RRC状态、载波参数等。

2)最大MIMO层数自适应：3GPP R15版本中，所有BWP的最大MIMO层数相同，不可调节，这将导致终端均按照现网配置的最大MIMO层数去配置相应，如在节电BWP上，终端也需事情在2T4R。
为了支持最大MIMO layers的动态调度，3GPP R16引入了下行BWP级别的最大MIMO Layer配置，UE可以通过BWP切换的办法进行最大MIMO Layer的自适应，从而达到节电的目的，事理如图7所示。

1.4 其他端网协同功耗优化特性

1)上行功控优化：须要网络合理设置P0值；分开调控SRS和PUSCH功率等。

2)基站小包降功率：中近点时，当需求RB为小包业务，网络根据所需的RB数目掌握终端发射功率。

3)上行波形自适应：基站开启UE上行CP-OFDM和DFT-OFDM波形的自适应功能后，终端可在小区边缘区域利用DFT-OFDM调制办法，中近点利用CP-OFDM办法，可有效降落终端发射功率。

4)RRC不活动定时器：设置得当的RRC不活动定时器，可以使端无业务的时候尽快进入空闲态。

2 功耗优化端网协同试验剖析

考虑到现阶段终端与网络对功耗特性的支持现状，本文紧张针对现阶段较为成熟的CDRX+智能预调度及BWP切换两个功耗节省特性，制订了5G SA终端功耗优化测试方案及SA网络参数优化建议，并在现网中选取规模较大的两家网络设备厂商，作为功耗优化端网协同测试的网络环境，基于终端大数据统计的用户功耗模型，对不同网络功耗参数配置下终真个节电效果进行了深入实网测试剖析。

2.1 功耗优化测试模型

2.1.1 5G终端用户Top运用模型

根据终端业务模式大数据统计，终端处在待机(灭屏)、微信笔墨(小包不连续业务)、微信语音(小包连续业务)、短视频(小包周期性业务)、在线高清视频(缓存类业务)韶光较长，因此，本文针对这5种范例业务场景[6]，逐一验证了不同网络配置参数对终端5种业务的功耗影响，如表1所示。

2.1.2 CDRX+智能上行预调度的测试模型

CDRX能够有效降落连接态下小包不连续业务的功耗，智能上行预调度能够补偿CDRX带来的时延损耗。
测试选择两种CDRX配置参数进行比拟测试。
分别测试了SA网络下(BWP切换关闭，终端默认事情在100M带宽的BWP上)无CDRX配置+无智能上行预调度、CDRX配置1+智能上行预调度开、CDRX 配置1+智能上行预调度关、CDRX配置2+智能上行预调度开、CDRX配置2+智能上行预调度关共五组NR网络配置参数，5款主流芯片厂家的5G终端分别进行待机(黑屏)、微信笔墨(小包不连续业务)、微信语音(小包连续业务)、短视频(小包周期性业务)、在线高清视频(缓存类业务)5种业务模式的功耗优化效果。
参数配置如表2~4所示。

2.1.3 BWP测试模型

根据终端范例业务速率剖析，纵然是速率哀求最高的在线高清视频，均匀速率也仅不才行5~10Mb/s旁边，峰值速率可能达到20Mb/s。
考虑到运营商现网4G高速移动宽带速率为下行20Mb/s旁边，因此小BWP的带宽设置，应既能保障终端节能效果，又能担保5G业务体验不掉队于4G。
因此建议设置大BWP切换小BWP的门限为<10Mb/s，小BWP切换大BWP的门限为>20Mb/s，10~20Mb/s之间的速率，可由网络厂家的调度算法实现，从而达到小区负载均衡、适当设置突发业务流量的缓冲机制，避免BWP频繁切换的乒乓效应。

因此，BWP切换功能的现网参数设置为：基于DCI的BWP切换，大带宽BWP1(100MHz)和小带宽BWP2(20MHz)；BWP1切BWP2门限为：DL速率<10Mb/s，且UL速率<2Mb/s，同时考虑小区容量、缓存等成分；BWP2切BWP1门限为：DL速率>20Mb/s，或UL速率>5Mb/s，同时考虑小区容量、缓存等成分。

2.1.4 BWP+CDRX(开启智能上行预调度)测试模型

网络配置BWP(BWP1为100MHz，BWP2为20MHz)，同时开启CDRX(打开智能上行预调度)，验证5款主流芯片的终端产品在5种范例业务下的功耗表现。

2.2 功耗优化测试结果剖析

2.2.1 CDRX(开启智能上行预调度)测试结果剖析

CDRX开启后，终端功耗均可得到明显收益，如图8所示。
对微信笔墨等小包不连续业务，功耗节省约50%以上；对付短视频功耗节省在20%旁边；对在线视频功耗节省约3%旁边。

由于CDRX打开后会增加时延，因此通过同时打开智能上行估量调度平衡时延。
理论上打开智能上行预调度会增加功耗，需综合剖析对功耗和时延的影响，如图9所示，打开智能上行预调度，功耗较关闭智能预调度增加1~8%。

2.2.2 BWP切换测试结果剖析

网络BWP1(100M)与BWP2(20M)，终端范例业务下的功耗测试数据如图10所示。
对付微信语音与笔墨类业务(业务基本保持在小BWP上)，功耗降落20%，对付短视频与在线视频类业务(业务会有一定比例保持在大BWP上)，功耗降落10%旁边。

2.2.3 BWP+CDRX(开启智能上行预调度)测试结果剖析

现网实测创造 ，BWP+CDRX(CDRX2)的参数配置，终端功耗优化效果最好。
如图11所示，BWP+CDRX的配置对微信笔墨、微信语音、短视频、在线视频均有功耗的降落。
个中对微信笔墨这种小包不连续业务功耗降落59%；对微信语音、短视频和在线视频业务功耗可节省10~20%。

如图12所示，CDRX+BWP较单CDRX以及单BWP的配置，CDRX+BWP的配置在微信笔墨、短视频、在线高清视频均能够得到最大的功耗收益；但在微信语音业务上，功耗收益较单配置CDRX大，较单配置BWP功耗收益小，增加的功耗部分是由于开启上行智能预调度带来的功耗增加。

2.3 测试结论

根据测试数据测算剖析结果如下。

SA模式下，BWP+CDRX参数2组合配置功耗优化效果最优；对付用户体验敏感的区域，也可采取BWP+CDRX参数1配置(时延略优)。
BWP+CDRX的配置对小包不连续业务效果最优，SA下可节电>50%；对缓存类和小包连续业务场景，SA下约可节电10%~22%。

与LTE模式下比拟 ，BWP+CDRX配置下的SA功耗，Top业务功耗可与现网LTE 20M(未配置CDRX)下功耗基本相称。
对微信笔墨、短视频、在线高清视频等业务，SA下功耗低于LTE下功耗分别为45%、11%、5%；但在微信语音业务场景下，SA功耗仍比LTE下高12%。
因此，小包连续业务场景下的功耗优化将是未来SA端网协同优化的重点。

综上剖析 ， 本文提出的BWP+CDRX(开启上行智能预调度)参数配置，对付SA终真个TOP业务场景均能得到与LTE相称的功耗。

3 结语

本文先容了现网环境的功耗优化试验理论剖析和试验验证，通过不同芯片和不同网络设备的交叉试验数据表明：对付5G终端连接态功耗，通过BWP+CDRX的联合配置，处于SA模式下的5G终端在现网的微信、短视频、在线视频等TOP业务中，能够得到靠近LTE模式下的功耗 ，已经大幅改进了用户5G终真个功耗体验。
对付5G终端空闲态的功耗，当前网络无可优化参数，在R16中定义了IDLE态下的通过放松RRM丈量来实现节能的功耗节省方法，还待进一步研究。

本文成果已经在SA现网推广，预估量划履行后，5G终端小包业务状态下可节电60%，其他TOP业务场景功耗可与4G功耗基本相称，这将极大地缓解用户的5G终端续航焦虑，提振终端家当界对付中国5GSA规模化发展的信心，为用户带来更优的5G做事体验[7]。

同时，5G终端功耗优化研究须要连续深入研究。
当前5G运用尚未大规模爆发，家当各方都在积极挖掘和造就5G新运用。
增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、云游戏等被认为是极有前景的未来5G运用，这些业务场景对5G终端功耗提出了更高的寻衅。
理论剖析表明，现网可配置的功耗优化干系的参数，如CDRX，对增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、云游戏业务场景险些无效果。
R16已经提出了一些极具潜力的功耗优化新特性，须要推动5G家当链干系方尽快支持干系特性，并开展试验验证，进一步提升5G功耗效率，改进5G终端用户利用体验。

参考文献

[1] 王桂英,阮航,宋丹.5G终端节电特性测试与研究[C]. 5G网络创新研讨会(2020)论文集. 2020

[2] 3GPP TR38.840 NR; Study on User Equipment (UE) power saving in NR[S].2019

[3] 3GPP TR38.211 NR; Physical channels and modulation[S].2019

[4] 3GPP TR38.331 NR; Radio Resource Control(RRC) protocol specification[S].2019

[5] 3GPP TR38.321 NR; Medium Access Control(MAC) protocol specification[S]. 2019

[6] 黄哲,李思杨,赵连义,等.基于智好手机的5G功耗模型研究[J].当代信息科技,2020,4(11):63-65

[7] GTI.5G device power consumption Whitepaperv2.0[R]. 2020

【作者简介】

师 瑜：硕士，工程师，长期从事与4G、5G前沿移动通信技能领域，紧张卖力终端方向的国际、行业及企业标准制订及干系新技能研究。

丁志东：硕士，工程师，紧张研究方向为终端技能和发展策略、终端行业标准。

席绪亚：硕士，工程师，紧张从事5G终审察干新技能课题研究，端网同等性验证等事情。

周 晶：硕士，高等工程师，联通研究院专家人才，紧张从事5G技能标准、终端核心技能攻关及家当生态干系事情。
近年共荣获省部级、集团及院级奖16项，领域核心专利30余个，在国际、行业标准完成立项20余项。

编辑：王丹瑛

校审：王钐杉