基于连接态节能信号的5G群体终端功耗控制

李瑶敏，王加庆，廖镭鸣

(中信科移动通信技术股份有限公司，北京 100000)

0 引言

随着5G万物互联愿景的实现，以交通智联网、工业互联网为典型应用场景的大规模智能机器协同正在迅速渗透进人类社会，促使生产生活方式向安全、高效、便捷、绿色演进[1]。然而，强大的通信计算能力带来的能量开销与5G终端有限能量存储之间存在鸿沟，将严重制约移动场景下的大规模智能机器的协同质量[2]。ITU-R将能效定义为IMT-2020的最低技术性能要求之一。根据实时业务需求，调整终端在大规模智能机器协同过程中的“活跃”和“睡眠”状态，能够有效降低终端功耗。在3GPP Rel-16中，通过基站发送节能信号可以指示目标终端切换节能状态，实现基站编排下的自适应节能。但是，大规模智能机器协同场景下，有限的时频资源、严重的信号间干扰与复杂的协同需求之间存在矛盾，因此设计面向5G群体的节能信号极具挑战[3]。

3GPP在Rel-16阶段用户(User，UE)功耗节省的讨论主要集中在RRC连接态下[1]。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，它将一直不进行下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)监听，从而处于节能模式。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5G UE功耗[4]。3GPP在Rel-16阶段的5G终端节能信号设计方面，主要有2种设计：基于Polar编码的下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)节能信号设计[5-6]，可以携带多种信息；基于序列的节能信号设计，具有更低的检测功耗[7-9]。本文基于节能信号的工作原理，研究大规模智能机器协同场景下多用户节能序列联合检测方法及多级序列节能信号设计，进一步通过仿真试验验证所提方法检测性能的优越性。

1 节能信号设计

节能信号工作原理如图1所示。

图1 节能信号工作原理Fig.1 Operation principle of power saving signal

针对节能信号如何指示目标UE切换节能状态，介绍了2种节能信号候选设计方法：基于DCI的节能信号设计和基于序列的节能信号设计。在此基础上，针对5G大规模智能机器人协同场景，进一步提出了多UE节能序列检测方法以抑制信号间干扰，提出了多级序列节能信号设计以利用有限时频资源支撑大量终端的节能控制。

1.1 基于DCI的节能信号设计

基于DCI的节能信号的信息域通过串联UE的比特指示信息形成DCI指示信息，可以同时指示多个UE进入节能模式。承载DCI指示信息的比特序列经过Polar编码[8]，Polar编译码流程如图2所示，最后调制生成节能信号。UE在配置的接收信号位置上通过盲检来接收该节能信号，判断接收到节能信号后根据指示进入休眠/唤醒状态。

图2 Polar编解码流程Fig.2 Flow of polar coding/decoding

该方法最大的优点是DCI可以同时指示多UE节能信息，如图3所示，携带较多的节能信息，例如可以携带激活的带宽/小区信息，获得更多的节能增益，利于终端多维度节能；另一个优点是节能信号是PDCCH的一种，可以重用现有协议，进行链路自适应，灵活地选择候选PDCCH位置，利于与其他信号共存。

图3 DCI指示信息域设计Fig.3 Design of indication information field of DCI

然而，基于DCI的节能信号无论携带节能信息是多还是少，为了避免影响NR接收机，都需要支持24 bit CRC，在DCI长度较小时带来巨大开销的同时其检测的可靠性不能被保证。此外，接收PDCCH时会受到最大盲检次数(44次)限制，且每次盲检都对应高复杂度的连续消除列表(Successive Cancellation List，SCL)[10-11]译码过程，引入额外功耗。

1.2 基于序列的节能信号设计

基于序列的节能信号因其低检测功耗成为了3GPP的另一种节能信号备选方法，通过发送UE特定的节能序列指示UE进入节能模式，UE通过相关检测判断存在特定序列，进入休眠/唤醒状态。下面从序列检测方法和节能序列方法设计2个方面具体介绍基于序列的节能信号设计方法。

1.2.1 节能序列的检测方法

相比于基于DCI的节能信号的接收端处理方法，序列相关检测在复杂度和功耗上远低于SCL译码,但其携带的信息有限且同时指示多个UE时用户间的干扰恶化检测性能。针对这个问题，首先介绍了单用户节能序列检测方法，并针对多用户干扰问题提出了一种多用户节能序列门限计算方法和接收端检测方法。

(1) 单用户节能序列检测方法

接收端通过固定的节能信号检测门限判断有无节能信号，当相干功率高于检测门限，判断接收到节能信号，信号处理流程如图4所示。

图4 节能序列的信号处理流程Fig.4 Signal processing flow of power saving sequence

当发送信号经过无线信道到达UE侧时，接收端先进行OFDM解调和根据时频资源位置解时频资源映射[12]，然后对频域序列进行循环相关，同时求解循环相关后的相关功率序列，接着将相关功率序列送入检测模块，完成噪声功率估计、峰值功率计算、多天线功率求和功能，最后接收端通过判决门限VT判断节能信号的存在性，至此完成基于序列的节能信号的检测过程[13-15]。其中，检测门限VT通过满足恒定1%的虚警概率(False Alarm Rate，FAR)来确定，接收端检测变量为：

(1)

(2) 多用户节能序列联合检测方法

与单UE序列检测不同，在多序列联合发送情况下，因为干扰的存在会导致FAR升高，无法满足恒定1%的FAR，同时也会恶化信号的检测性能。本节研究多UE节能序列联合发送时，接收端的判决门限选择以及如何设计可以抑制信号间干扰的多序列检测方法。

考虑在高斯白噪信道下，发送端最多发送N个用户信号，假设发送UE数以及干扰UE序列的选取完全等概率，则接收端检测变量为：

(2)

可以看出，当系统下的目标UE数确定时，干扰功率是一个定值。因此，在恒定的1%的FAR下，判决门限可以表示为：

P(Cv(m)>VU)+P(Cv(m)

(3)

进一步考虑多UE存在的干扰对传统匹配滤波器接收端的影响，会造成严重衰减的检测性能。因此，考虑通过设计接收端来抑制干扰信号，干扰信号功率抑制的越好，接收端检测有用信号的漏检概率越小。目标函数建模为：

(4)

式中，M为接收端处理信号的一个矩阵；b∈C1×K为长度为K的目标用户的序列向量；y∈C1×K为接收端接收的信号。通过设计维度为K的方阵M∈CK×K，使得yM接近目标向量b，进而达到抑制干扰的目的。利用MMSE算法[16-17]，得到接收端处理后的检测变量表达式为：

(5)

在接收端通过式(5)的检测变量与式(3)中得到的上下门限比较，判断是否存在目标信号。

1.2.2 单级序列节能信号设计

单级序列节能信号设计采用单ZC基序列唤醒与同一寻呼机会相关联的一组UE，节能信号又被称为唤醒信号(Wake Up Signal，WUS)，生成方式如图5所示。

图5 单级序列生成示意Fig.5 Schematic diagram of single-stage sequence generation

考虑到以组特定的WUS会引起虚警带来不必要的功耗，一个直接解决方法是使用多个基序列作为一个组，指示一个组中的不同UE，生成增强的WUS序列。基序列可以同时作用于多个UE，扰码序列可以用来区分不同的小区。

当大量序列复用同一时频资源时，误检率增加。为了降低序列误检率，可利用正交序列(例如哈达玛德序列或ZC序列的循环移位)作为基本序列。例如，长度为N=256位的Hadamard序列可以支持256个唤醒ID(UEs ID/UE组ID)。不同序列在多路复用下检测的性能对比如图6所示。

图6 Hardmard序列和Gold序列误检性能对比Fig.6 Comparison of detection performance between Hardmard sequence and Gold sequence

采用NR TRS Gold序列作为对比基线。由图6可以看出，基于正交序列的增强WUS序列检测性能优于基于TRS Gold序列的增强WUS序列，且随着多路复用序列个数增加，正交序列对比Gold序列的检测性能表现更优异，最大增益可达10 dB。

1.2.3 多级序列节能信号设计

由图6的仿真结果可以看出，单级序列可以指示的UE数有限。为了携带更多UE的信息，提出了一种可以扩展到基于多级序列的节能信号增强方法，如图7所示。

图7 多级序列生成示意Fig.7 Schematic diagram of multi-stage sequence generation

引入多级序列可以利用相同时频资源唤醒更多的UE，或者携带更多的其他信息。多级序列由多个单级序列串联得到，多级序列共同对应一个节能信号。多级序列的一个具体例子如下：N个(正交)序列中的M个序列分为G组，其中组序列对应wake up area ID，组内序号对应wake up ID，上述同一分组中的序列构成第1级序列；组内的序列构成第2级序列。例如N=128，M=128，组数G=19，每组序列个数为6或者7个。假定当前wake area ID对应的group index=6，则该组内包含7个序列。上述是2级序列的例子，可以根据需要支持更多级数。

2 节能信号设计性能评估

为了支持终端高效节能，节能信号的检测性能也是设计原则之一。NR节能信号工作在连接态，只有检测到具有唤醒功能的节能信号UE才会唤醒接收机，所以必须保证节能信号具有优异的检测性能，否则由于节能信号漏检会导致UE传输延迟整个非连续接收周期，严重影响系统可靠性，对系统的损害远大于节能带来的好处，所以必须保证节能信号的检测性能。

下面对比了不同的节能信号设计方法的检测性能。图8和图9展示了TDL-C信道下不同载波间隔(图(a)15 kHz，图(b)30 kHz)和不同频偏(0，0.5 ppm)下基于序列的节能信号方法和基于DCI的节能信号设计方法的检测性能对比。从图中可以看出，占用相同的资源数(288 REs)情况下，seq-based节能信号比DCI-based节能信号性能提升至少5 dB，与资源数4倍(1 152 REs)的DCI性能相似，甚至优于资源数4倍(1 152 REs)的DCI性能2 dB(15 kHz，0.5 ppm)。基于序列的节能信号设计方法在设计复杂度和检测性能方面远优于基于DCI的节能信号设计方法。

(a) 15 kHz

(a) 15 kHz

3 结束语

大规模智能机器协同使得移动终端的节能需求更加急迫、节能信号的设计和检测方法更加困难。本文主要提出了一种基于多级序列设计的多用户节能信号联合检测方法和方法设计，并通过仿真评估与基于DCI的节能信号方法设计，证明了所提方法在检测性能和设计复杂度上优于基于DCI的节能信号设计。后续进一步考虑基站侧能耗，通过基站和终端协调配合，在保证系统性能条件下进一步减少双方的能耗，实现绿色通信。