业务流量特征对5G基带芯片功耗的影响分析

1 引言

增强型移动宽带（eMBB）是5G NR的主要场景之一，由于其工作带宽和峰值吞吐量增大，导致5G基带芯片的能耗较4G有所增加，基带芯片的能耗与工艺制程、网络配置和业务流量特征三大因素紧密相关，本文将从业务流量特征展开分析，深入透视各类典型业务是如何影响基带芯片的工作能耗，为后续优化5G终端功耗提供依据。

2 业务流量特征与基带功耗的关系

在智能手机里运行的各类APP应用，只要发生蜂窝通信，其产生的业务上传、下载流量，以及传输期间的短暂或较长的等待过程，都会驱动着手机基带芯片工作于不同的状态，如：RRC连接态中的PUSCH、PDSCH、PDCCH-only和C-DRX，或者RRC空闲态或INACTIVE态的PDCCH-only和I-DRX。每个工作状态又对应着不同的能耗级别，由于各个厂家的基带芯片能耗表现不一，所以难以用电流或功率等绝对值来定义各个能耗级别，3GPP标准研究中通常使用相对单位来定义，如假设I-DRX中深度睡眠的能耗为1个相对单位，则C-DRX为20个相对单位、PDCCH-only为100、PDSCH为300、0 dBm的PUSCH为250、23 dBm的PUSCH为700，大小关系为：I-DRX 能耗 ＜ C-DRX 能耗 ＜ PDCCH-only能耗 ＜PUSCH/PDSCH能耗。

通过分析各类业务的流量特征，就可获知基带芯片各工作状态的运行时长比例分布，时长乘以各状态的相对能耗单位，就可获知各工作状态的能耗比例，从而知道业务过程中是传输数据时最耗电，还是等待无数传时最耗电，为后续的功耗优化方向提供依据。

3 典型业务流量特征分析

由于5G NR业务尚未大规模广泛商用，因此可基于现有的LTE业务日志记录，对各种业务类型中基带芯片每个状态的时长和功耗进行分解。在以下这些框选的业务范围中，预估5G NR的总体趋势与LTE是一致的，这5类典型业务代表着不同类型的流量特征，包括：

（1）流媒体类业务（在线视频）：视频流媒体的流量有爆发性，也相当有规律；

（2）交互类业务（Web）：混合了多种应用流量的特点，文字、图片和小视频等；

（3）交互类业务（社交）：社交即时通信的流量是稀疏零星的；

（4）会话类业务（语音通话）：双向对等稳定流量，且要求时延低；

（5）背景类业务（后台应用同步）：该类业务在手机日常使用中时间占比最大，且RRC_IDLE/RRC_INACTIVE态是这类业务的主要工作状态。

3.1 流媒体类业务-在线视频

典型的在线视频流量模型可分为两个阶段：初始突发阶段和稳定节流阶段，如图1所示。

图1 在线视频流量模型

在初始阶段，数据以渐进方式在几秒钟内达到最大下载速度，在用户侧应用的缓冲区内注入大量数据，以减少视频刚开始播放时带来的延迟，从而提高用户体验。

由于用户侧应用的接收内存的限制，用户侧可能会在初始突发数据阶段之后进入稳定节流阶段。在稳定节流阶段，视频服务器根据节流因子降低流量生成速率，从而避免在最大带宽下传输数据，流量以特定大小的块生成，数据的接收模式是在接收数据块和短周期无数据包之间交替进行。节流阶段的特点防止了视频服务器和应用客户端之间的拥塞，因为数据传输没有在网络最大可用带宽下执行。

由于视频流的初始阶段更接近于全缓冲流量，因此我们建议只对视频流流量的节流阶段建模，分析这个阶段的各工作状态的时间占比和功耗占比。

在线视频流量模型中有4个关键参数，如表1所示。初始突发流量，时间短速率高，与C-DRX、带宽、载波聚合因素相关；节流块大小，时间短速率低，与C-DRX、带宽因素相关；节流块到达时间，基带芯片处于PDCCH-only的待机状态或C-DRX，取决于时间间隔的长短。

表1 在线视频流量模型关键参数

如图2所示，展示了在线视频业务包含基带芯片的每个工作状态的时间占比，以及每个工作状态的功耗占比。

图2 在线视频业务中基带芯片各状态的时间和功耗占比示意图

从图2中可知，在整个在线视频业务过程中，数据传输过程（PDSCH/PUSCH）消耗了70%的电量，是消耗电量最多的状态。

3.2 交互类业务-Web

Web类业务具体体现为社交公众号、新闻阅读应用等，这类业务底层主要由HTTP+HTML/HTML5协议构成。

对Web流量的建模，通常需对用户的浏览行为进行建模，请求一个Web页面认为是一个Web会话，如图3所示，当用户正在浏览一个加载完的Web页面，至加载下一个页面之前，存在Web会话到达间隔。

图3 Web业务流量模型

一个典型的Web页面通常由一个HTML/HTML5文档组成，其中包含组成整个Web页面的其他标签对象及链接。Web页面由一个主对象组成，它定义了页面的基本结构，并包含所有内联对象及链接。内联对象可以是图像、脚本、动画、视音频等。为了简单起见，我们对主对象和内联对象都使用通用对象表示。

Web业务流量模型中有4个关键参数，如表2所示。会话到达时间通常较长，基带芯片已经处于待机状态，因此与PDCCH-only状态（即RRC_IDLE/RRC_INACTIVE状态）的持续时间相关；对象到达时间通常较短，基带芯片仍处于数据传输过程，因此与C-DRX状态的持续时间相关；每个会话内对象数量x对象大小，体现了速率，与带宽、载波聚合因素相关。

表2 Web业务流量模型关键参数

如图4所示，展示了Web业务包含基带芯片的每个工作状态的时间占比，以及每个工作状态的功耗占比。

从图4可知，在整个Web业务过程中，PDCCH-only状态，也即终端的待机状态，消耗了最多的电量，其次是数据传输过程（PDSCH/PUSCH）。

3.3 交互类业务-社交

社交即时通信的流量模型，典型建模方法是：多个即时消息到达一个用户，并在两个消息之间设置到达时间。通常，即时消息的大小由帕累托分布决定，两个消息之间的到达时间被建模为对数正态分布。

为了简单起见，到达时间也可以建模为固定值，并且，即时消息流量模型可以被识别为参数化的FTP流量模型。FTP流量模型的依据是FTP模型3（3GPP TS36.814 V9.2.0），是由两个FTP文件之间的到达时间分隔的文件传输序列，下载文件的大小被建模为固定的大小，到达时间与泊松过程匹配，如表3所示。

图4 Web业务中基带芯片各状态的时间和功耗占比示意图

表3 即时通信业务流量模型关键参数

如图5所示，展示了社交即时通信业务包含基带芯片的每个工作状态的时间占比，以及每个工作状态的功耗占比。

图5 即时通信业务中基带芯片各状态的时间和功耗占比示意图

从图5可知，在整个社交即时通信业务过程中，PDCCH-only状态，也即终端的待机状态，消耗了最多的电量，其次是C-DRX过程，即连接态时没有数据传输的过程。

3.4 会话类业务-语音通话

典型的语音通话的流量模型，基本上就是VoIP的模型，这是一种稳定流量的模型，该模型可简化为两个状态：状态1（Active态/主动语音状态）和状态0（Inactive态/不活动或无声状态），如图6所示，状态1切换至状态0的概率为a，状态0切换至状态1的概率为c，状态1回到状态1的概率为d=1-a，状态0回到状态0的概率为b=1-c。模型的假设前提是语音编码器帧率为R=1/T，其中T是编码器帧时长，通常为20 ms。VoIP模型的详细定义见3GPP R1-070674。

图6 VoIP业务状态切换模型

如图7所示，展示了VoIP业务包含基带芯片的每个工作状态的时间占比，以及每个工作状态的功耗占比。

从图7可知，在整个VoIP业务过程中，PDCCH-only状态，消耗了最多的电量，该模型中的PDCCH-Only状态指连接态中监听PDCCH信道的状态，而非待机状态；次要耗电的是上传和接收语音数据的状态；C-DRX占据约76%的时间，但耗电仅占约3%。

图7 VoIP业务中基带芯片各状态的时间和功耗占比示意图

3.5 背景类业务-后台应用同步

后台应用同步流量与社交即时通信流量模型非常相似，唯一区别是在后台应用同步流量模型中，每个同步之间的到达时间可以更长。

如图8所示，展示了后台应用同步业务包含基带芯片的每个工作状态的时间占比，以及每个工作状态的功耗占比。

图8 后台应用同步业务中基带芯片各状态的时间和功耗占比示意图

后台应用同步业务是一个用户不直接参与的业务，当手机处于无人值守状态时发生，基带芯片大部分时间处于空闲模式，但由于应用程序需要与服务器通信，所以会定期与网络建立RRC连接。

I-DRX占用了大部分时间，但耗电大约只占一半，主要涉及3个主要的I-DRX操作：

（1）深度睡眠；

（2）唤醒并监听寻呼，消耗约18%电量；

（3）邻区搜索和测量，消耗约12%电量，该数据是LTE背景，有2个同频小区和1个异频小区，服务小区在同频小区内。

另一半由活动状态消耗，即后台应用程序的同步行为会导致基带芯片间歇性地建立RRC连接，以便与服务器进行数据交换（平均每隔几分钟就有一个连接）。这种间歇性RRC连接中，里面大约有1/4的时间用在了建立连接的信令消耗，因此如果基带芯片使用RRC_INACTIVE模式而不是RRC_IDLE模式，则可以减少此信令开销，当然也要综合考虑基带芯片当时的移动状态，否则RRC_INACTIVE会更耗电。

4 小结

从上述分析可见，在不同的业务类型中，时间占得最长的工作状态，未必是最耗电的，如在线视频、Web业务、即时通信和VoIP业务中的C-DRX状态；而最耗电的工作状态未必都是在传输数据，而只是在监听信道，如Web业务、即时通信、VoIP和后台应用同步业务中的PDCCH-only状态。由此可见PDCCH-only是5G NR功耗的重点优化方向之一，3GPP R16的研究项目NR UE Power Saving也明确了PDCCH的优化方向，并在RAN1和RAN2组展开了深入的技术探讨和方案评估。基带芯片某些工作状态的功耗，既可以通过优化网络配置来优化，也可以引入新的节电技术来优化，都有利于提升5G手机终端的整体续航能力。