5G终端功耗优化研究及端网实践

师 瑜 丁志东 席绪亚 周 晶

中国联通研究院 北京 100176

引言

5G部署初期，终端用户体验往往会成为5G产业能否规模化发展的关键因素。5G技术本身带来的大带宽(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终端的功耗带来巨大挑战，直接影响了5G终端产品和SA网络大规模商用推广。据权威媒体报道，5G终端平均比4G终端功耗高20%，而在运营商网下，5G终端工作在SA模式下，也比工作在LTE模式下平均功耗高20%以上。解决5G商用初期的终端功耗问题，不仅仅需要终端提升自身的芯片制程、硬件设计、软件优化，更需要通过终端和网络协同优化，从业务场景、使用量角度出发，对现网与终端功耗优化相关的参数进行精细化的管控和配置，从而实现在典型使用场景下5G终端功耗与4G终端相当的水平，为5G的规模商用提供基础保障。

5G终端一般有SA和NSA两种工作模式。NSA模式下，以LTE为锚点，以EPC为核心网，LTE和NR无线发射接收端同时工作，往往会比SA模式更加耗电。NSA模式下的功耗优化，主要策略为在无业务或者小数据包业务的情况下，尽量去激活NR辅载波，即仅工作在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

一般来说，一款5G终端中移动通信模块的耗电量约占整机的20%～40%左右，而其他软硬件因素，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%左右。与通信模块无关的功耗问题，需要终端厂商进行长期持续的技术积累和新工艺的发展突破，而20%～40%左右的移动通信模块的功耗问题，则可以通过端网协同优化，立竿见影地获得显著的终端节电效果[2]。

考虑到5G功耗过大主要来源是大带宽、多天线、高速率等特性，5G终端功耗优化，主要可从时域、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，灵活的调整终端的工作带宽，从频率方面节省功耗，典型特性为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，工作在数据业务BWP上(BWP1，一般设置为100M)，而在小数据包类业务的时候，工作在节电BWP上(BWP2，一般设置为20M)，从而灵活的调度频谱资源，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，可有效降低终端功耗，典型特性为C-DRX(通常搭配智能上行预调度共同使用)、跨时隙调度(K0＞0)、唤醒信号(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，周期性的暂停侦听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。

图2 C-DRX节电机制

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，主要用于平衡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，原理如图3所示。

图3 智能上行预调度

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浪费，skipUplinkTxDynamic开启后UE在发现MAC PDU为padding包，则跳过发送，该方案预估能够节省整机功耗5%左右。

图4 skipUplinkTxDynamic功耗节省原理

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，但射频接收机部分目前机制是一直保持打开，会造成额外的功耗浪费，原理如图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PDCCHonly场景下的功耗浪费。

图5 同时隙调度与跨时隙调度UE信号缓存

5)唤醒信号：3GPP R16新引入的功耗节省特性，作用于C-DRX状态，在唤醒信号的指示下，UE可以监听或者不监听对应DRX周期的PDCCH，即有了WUS后，UE在下个on duration周期不进行SP L1-RSRP reporting、SP-CSI reporting、SP L1-SINR以及SRS的发送，从而达到节电作用，原理如图6所示。

图6 唤醒信号的示意图

1.3 空域降功耗

网络根据终端上报的信息，灵活调整终端收发MIMO层数。典型特性为3GPP R15/R16定义的终端辅助信息上报和R16定义的最大MIMO层数自适应。

1)终端辅助信息上报(UAI-UE assistance information)：3GPP在R15定义了终端辅助信息上报(过热)特性，可以允许终端在过热的情况下，主动上报期望的MIMO层数、最大载波数(一般用于CA载波聚合场景)和最大工作带宽，网络可以根据终端上报的情况，结合实际调度情况，分别为终端降低MIMO层数、CA载波数、带宽。尤其是降低MIMO层数，可有效降低终端收发功耗。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流降低为2流时，可降低通信电路的30%功耗；上行2流降为上行1流时，可降低通信电路的20～40%功耗。基于R16版本的终端辅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，终端也需工作在2T4R。为了支持最大MIMO layers的动态调整，3GPP R16引入了下行BWP级别的最大MIMO Layer配置，UE可以通过BWP切换的方式进行最大MIMO Layer的自适应，从而达到节电的目的，原理如图7所示。

图7 最大MIMO层数自适应示意图

1.4 其他端网协同功耗优化特性

1)上行功控优化：需要网络合理设置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数目控制终端发射功率。

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使用DFT-OFDM调制方式，中近点使用CP-OFDM方式，可有效降低终端发射功率。

4)RRC不活动定时器：设置合适的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分析

考虑到现阶段终端与网络对功耗特性的支持现状，本文主要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，制定了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端的节电效果进行了深入实网测试分析。

2.1 功耗优化测试模型

2.1.1 5G终端用户Top应用模型

根据终端业务模式大数据统计，终端处在待机(灭屏)、微信文字(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)时间较长，因此，本文针对这5种典型业务场景[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。

表1 功耗业务模型

2.1.2 CDRX+智能上行预调度的测试模型

CDRX能够有效降低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配置参数进行对比测试。分别测试了SA网络下(BWP切换关闭，终端默认工作在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)、微信文字(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。

表2 C-DRX参数配置1

2.1.3 BWP测试模型

根据终端典型业务速率分析，即使是速率要求最高的在线高清视频，平均速率也仅在下行5～10Mb/s左右，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左右，因此小BWP的带宽设置，应既能保障终端节能效果，又能保证5G业务体验不落后于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。

表3 C-DRX参数配置2

表4 上行智能预调度配置

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、缓存等因素；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、缓存等因素。

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种典型业务下的功耗表现。

2.2 功耗优化测试结果分析

2.2.1 CDRX(开启智能上行预调度)测试结果分析

CDRX开启后，终端功耗均可获得明显收益，如图8所示。对微信文字等小包不连续业务，功耗节省约50%以上；对于短视频功耗节省在20%左右；对在线视频功耗节省约3%左右。

图8 CDRX开启后SA网络下的5G终端功耗对比

由于CDRX打开后会增加时延，因此通过同时打开智能上行预计调度平衡时延。理论上打开智能上行预调度会增加功耗，需综合分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%。

图9 上行智能预调度开启和关闭后SA终端功耗对比

2.2.2 BWP切换测试结果分析

网络BWP1(100M)与BWP2(20M)，终端典型业务下的功耗测试数据如图10所示。对于微信语音与文字类业务(业务基本保持在小BWP上)，功耗降低20%，对于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)，功耗降低10%左右。

2.2.3 BWP+CDRX(开启智能上行预调度)测试结果分析

现网实测发现，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的配置对微信文字、微信语音、短视频、在线视频均有功耗的降低。其中对微信文字这种小包不连续业务功耗降低59%；对微信语音、短视频和在线视频业务功耗可节省10～20%。

图11 BWP切换+CDRX(智能上行预调度开)配置下的SA终端功耗对比

如图12所示，CDRX+BWP较单CDRX以及单BWP的配置，CDRX+BWP的配置在微信文字、短视频、在线高清视频均能够获得最大的功耗收益；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。

图12 BWP+CDRX和单独CDRX及单独BWP场景下的SA终端功耗对比

2.3 测试结论

根据测试数据测算分析结果如下。

SA模式下，BWP+CDRX参数2组合配置功耗优化效果最优；对于用户体验敏感的区域，也可采用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模式下对比，BWP+CDRX配置下的SA功耗，Top业务功耗可与现网LTE 20M(未配置CDRX)下功耗基本相当。对微信文字、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。

综上分析，本文提出的BWP+CDRX(开启上行智能预调度)参数配置，对于SA终端的TOP业务场景均能获得与LTE相当的功耗。

3 结语

本文介绍了现网环境的功耗优化试验理论分析和试验验证，通过不同芯片和不同网络设备的交叉试验数据表明：对于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，能够获得接近LTE模式下的功耗 ，已经大幅改善了用户5G终端的功耗体验。对于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测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，预估方案实施后，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功耗基本相当，这将极大地缓解用户的5G终端续航焦虑，提振终端产业界对于中国5G SA规模化发展的信心，为用户带来更优的5G服务体验[7]。

同时，5G终端功耗优化研究需要继续深入研究。当前5G应用尚未大规模爆发，产业各方都在积极挖掘和培育5G新应用。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应用，这些业务场景对5G终端功耗提出了更高的挑战。理论分析表明，现网可配置的功耗优化相关的参数，如CDRX，对增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、云游戏业务场景几乎无效果。R16已经提出了一些极具潜力的功耗优化新特性，需要推动5G产业链相关方尽快支持相关特性，并开展试验验证，进一步提升5G功耗效率，改善5G终端用户使用体验。