隨著5G技術(shù)的迅速發(fā)展，5G RedCap（Reduced Capability，5G輕量化）技術(shù)被認(rèn)為是用于下一代物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)的廣闊天地中，降低功耗始終是一個(gè)核心而持久的挑戰(zhàn)，尤其是隨著5G技術(shù)的深入應(yīng)用，終端設(shè)備對(duì)于節(jié)能降耗的需求愈發(fā)迫切。這一趨勢不僅關(guān)乎終端的續(xù)航能力，更直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率與成本控制。從工業(yè)無線傳感器到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，再到日益普及的可穿戴設(shè)備，這些應(yīng)用場景中的終端位置往往相對(duì)固定或變化不大。因此，采用有效的省電技術(shù)以實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，不僅能簡化運(yùn)維流程，還能顯著提升用戶體驗(yàn)，特別是對(duì)于依賴電池供電的可穿戴設(shè)備而言，延長電池續(xù)航時(shí)間更是至關(guān)重要。

作為5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范制定組織，3GPP一直在不遺余力地引入多種幫助5G終端省電的技術(shù)，主要從以下幾個(gè)角度出發(fā)：頻域資源、時(shí)域資源、空間資源、計(jì)算能力資源等。接下來我們簡要介紹3GPP針對(duì)5G RedCap物聯(lián)網(wǎng)終端的主要省電技術(shù)，小伙伴們可以看看是不是也逃不出這些套路呢？

DRX/eDRX/WUS

在實(shí)際應(yīng)用中，終端與網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互通常是間歇性或突發(fā)性的：在一段時(shí)間內(nèi)有數(shù)據(jù)傳輸，在接下來一段時(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸。那么，讓終端時(shí)不時(shí)“打盹”一下，不要時(shí)刻都處于“高度專注”的工作狀態(tài)，是否可行呢？本著這個(gè)想法，3GPP 設(shè)計(jì)了非連續(xù)接收的特性。

DRX（Discontinuous Reception，非連續(xù)接收）：給終端劃分 DRX 周期，一個(gè)周期內(nèi)設(shè)有喚醒期和休眠期。喚醒期到來時(shí)，終端醒來，時(shí)刻查看有沒有自己的任務(wù)；喚醒期結(jié)束時(shí)，如果沒接收到新的數(shù)據(jù)傳輸指令，則進(jìn)入休眠。因?yàn)榻K端不再一直處于喚醒狀態(tài)，就減少了耗電。

圖1 DRX周期示意圖

在DRX的基礎(chǔ)上，3GPP針對(duì)處于RRC_IDLE和RRC_INACTIVE狀態(tài)的終端引入了eDRX機(jī)制，而對(duì)處于RRC_CONNECTED狀態(tài)的終端增加了WUS功能。

eDRX(Extended DRX，擴(kuò)展不連續(xù)接收)，從名字就能看出來，就是擴(kuò)展的DRX機(jī)制。在5G NR中，RRC_IDLE和RRC_INACTIVE狀態(tài)的普通DRX周期最大為2.56秒。eDRX將RRC_IDLE狀態(tài)下的DRX周期擴(kuò)展到長達(dá)10485.76秒（即大約3小時(shí)），將RRC_INACTIVE狀態(tài)下的DRX周期擴(kuò)展到10.24秒，終端“睡覺”的時(shí)間更長了，肯定更加省電了，電池壽命也能大大延長。

圖2 eDRX“擴(kuò)展“的DRX周期示意圖

WUS(Wake Up Signal，喚醒信號(hào))，對(duì)于處于RRC連接態(tài)的終端，即使開啟了C-DRX（Connected DRX，連接態(tài)非連續(xù)接收）特性，在每個(gè)C-DRX 周期內(nèi)，On Duration 期間終端一直處于偵聽狀態(tài)，即使沒有數(shù)據(jù)也需要一直監(jiān)聽 PDCCH，這也太浪費(fèi)了。支持 WUS 功能后，網(wǎng)絡(luò)可以在每個(gè)DRX周期前向終端發(fā)送WUS信號(hào)，指示終端是否需在下一個(gè)DRX周期醒來監(jiān)聽數(shù)據(jù)調(diào)度信息。若網(wǎng)絡(luò)判斷一段時(shí)間內(nèi)終端無數(shù)據(jù)傳輸，則可指示終端維持休眠狀態(tài)，無需監(jiān)聽后續(xù)數(shù)據(jù)調(diào)度信息，達(dá)到“有活干就通知我，不通知我的話，我就一直睡”的有效溝通，終端的功耗可以進(jìn)一步降低了。

圖3 WUS示意圖

值得一提的是，使用上述幾種DRX機(jī)制時(shí)，需在終端功耗與時(shí)延之間權(quán)衡，即DRX周期越長，下行時(shí)延可能就越大。由于RedCap主要用于物聯(lián)網(wǎng)的使用場景，在時(shí)延和可靠性上沒有eMBB（Enhance Mobile Broadband，高帶寬高速率）/uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，高可靠低延時(shí)）用例要求嚴(yán)苛，這為RedCap終端采用eDRX和WUS機(jī)制提供了可能。

Cross-Slot Scheduling

（跨時(shí)隙調(diào)度）

5G NR 的PDCCH控制信道及其所調(diào)度的 PDSCH/PUSCH業(yè)務(wù)信道之間間隔的時(shí)隙（slot），是網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過DCI（Downlink Control lnformation，下行控制信息）中所攜帶的 K0 和 K2 兩個(gè)值來指示的，其中，K0 表示PDCCH 與其所調(diào)度的PDSCH之間的時(shí)隙間隔，K2 表示 PDCCH 與其所調(diào)度的PUSCH 之間的時(shí)隙間隔。

當(dāng) UE 接收到 PDCCH 后，需要一定時(shí)間進(jìn)行解碼，以得到 PDCCH 所傳輸?shù)?DCI 內(nèi)容，其中包括 RB(Resource Block，資源塊) 的分配信息等，在此之前，對(duì)于所有UE來說，并不知道整個(gè)帶寬或 BWP(Bandwidth Part，部分帶寬) 的 PDSCH/PUSCH信息是不是給它的，只能都緩存下來，等到解碼DCI后再丟棄那些不是發(fā)給它的PDSCH/PUSCH信息，這么操作下來，每個(gè)終端都是緩存了“弱水三千”但是最終都“只取一瓢”，累不累？

因此3GPP在 5G R16提出了Cross-slot scheduling 的概念，即 PDCCH 和所調(diào)度的 PDSCH/PUSCH 可以間隔 N(N>0)個(gè)時(shí)隙。

如果配置了Cross-slot scheduling，UE 接收 PDCCH后，就有足夠時(shí)間進(jìn)行解碼以得到PDCCH 傳輸?shù)腄CI內(nèi)容， 之后在相應(yīng)的 RB 上接收對(duì)應(yīng)的 PDSCH/PUSCH即可，再也不用去接收和緩存那些與自己無關(guān)的PDSCH/PUSCH數(shù)據(jù)了；另外，在接收到PDCCH之后，如果UE發(fā)現(xiàn)離PDSCH/PUSCH數(shù)據(jù)還有挺久， UE 還可以選擇進(jìn)入micro-sleep“小睡”模式。Cross-slot scheduling帶來的雙重省電效果，特別適用于對(duì)時(shí)延要求不高的RedCap物聯(lián)網(wǎng)終端。

圖4 使用跨時(shí)隙調(diào)度機(jī)制與不使用跨時(shí)隙調(diào)度機(jī)制對(duì)比圖

UAI

（UE Assistance Information，終端輔助信息）

在5G RedCap網(wǎng)絡(luò)中，終端與基站交互的大部分行為受網(wǎng)側(cè)的控制。然而，3GPP規(guī)范賦予了終端一定的'建議權(quán)'，允許其在特定情況下（比如業(yè)務(wù)量較小或終端電量受限）主動(dòng)發(fā)送UAI，之后基站可能會(huì)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，以協(xié)助終端實(shí)現(xiàn)能耗降低。這種主動(dòng)的節(jié)能策略不僅延長了終端的使用時(shí)間，也有助于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效和用戶體驗(yàn)。UAI中可能包含如下信息：DRX配置、最大帶寬、最大MIMO層數(shù)、最小跨時(shí)隙調(diào)度間隔、RRC狀態(tài)等等。

圖5 終端使用UAI與網(wǎng)側(cè)交互的流程圖

RRM Measurement Relaxation

（RRM測量放松）

終端在RRC-IDLE和RRC_INACTIVE狀態(tài)下，會(huì)頻繁執(zhí)行RRM（無線資源管理）測量，以確保終端駐留在最佳的可用小區(qū)。RRM測量主要測量服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度RSRP和信號(hào)質(zhì)量RSRQ。RRM測量盡管可以確保終端能獲得最佳的連接質(zhì)量，但會(huì)導(dǎo)致即使終端與網(wǎng)絡(luò)之間沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也會(huì)耗費(fèi)電池電量。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)終端而言，這部分的能耗大部分情況下是沒必要消耗的，因?yàn)榇蟛糠治锫?lián)網(wǎng)終端是處于低速運(yùn)動(dòng)甚至是壓根就不移動(dòng)的。

對(duì)此，3GPP在R16版本中，針對(duì)低速移動(dòng)和非小區(qū)邊緣場景定義了RRM測量放松機(jī)制：當(dāng)終端滿足低速率條件一定時(shí)間，或同時(shí)滿足低速率和非小區(qū)邊緣兩個(gè)條件時(shí)，允許終端放寬鄰區(qū)測量，比如通過加大RRM測量周期來降低鄰區(qū)測量次數(shù)和測量的鄰小區(qū)個(gè)數(shù)，從而減少終端耗電。而在R17版本中，針對(duì)RedCap終端進(jìn)一步延長了放寬時(shí)間；另外，針對(duì)處于RRC_CONNECTED狀態(tài)的終端，終端的RLM（Radio link monitoring，無線鏈路監(jiān)控）以及BFD（Beam Failure Detection，波束失效檢測）也會(huì)耗費(fèi)電量，3GPP對(duì)此也引入了RRM測量放松的機(jī)制。

PEI

（paging early indication，極早尋呼指示）

終端在RRC-IDLE和RRC_INACTIVE狀態(tài)，需要監(jiān)聽接收尋呼消息Paging。在此之前，需要處理一個(gè)或多個(gè)SSB（synchronization signal block ， 同步信號(hào)塊 ）完成下行自動(dòng)增益控制調(diào)整、下行時(shí)頻同步和RRM 測量等以滿足paging消息的有效檢測和小區(qū)重選的判斷。這些處理基于SSB 信號(hào)，NR中SSB發(fā)送周期為20 ms，因此，終端可能需要在PO（Paging Occasion，尋呼時(shí)機(jī)）之前保持較長時(shí)間的接收狀態(tài)完成SSB的處理，使5G終端的待機(jī)功耗較高。

為了降低RRC-IDLE和RRC_INACTIVE狀態(tài)終端的功耗，3GPP在R17引入了PEI特性：通過對(duì)UE進(jìn)行分組，然后網(wǎng)絡(luò)側(cè)將PEI occasion和PO關(guān)聯(lián)，只有UE收到所屬子組的PEI顯示有paging需要接收時(shí)，UE才會(huì)關(guān)聯(lián)PO去監(jiān)聽paging，否則就可以跳過paging消息的監(jiān)聽，繼續(xù)休眠。PEI-O的搜索空間比PO的搜索空間小，檢測PEI所需的同步精度需求較低，因此終端在檢測PEI前需要處理的SSB 個(gè)數(shù)少于終端直接檢測paging消息需要處理的SSB個(gè)數(shù)，又由于大部分時(shí)間段終端并沒有實(shí)際被尋呼，因此，PEI 的引入可以減少終端對(duì)SSB的處理，達(dá)到省電的效果。根據(jù)目前的研究結(jié)果，PEI可以降低終端在IDLE態(tài)的功耗高達(dá)10%～30%！細(xì)心的小伙伴是不是發(fā)現(xiàn)了，PEI與前文提到的WUS是不是很像？

圖6 PEI（極早尋呼指示）示意圖

PDCCH Skipping

很多物聯(lián)網(wǎng)終端與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互非常少，有的終端比如水表電表可能1個(gè)月只需要發(fā)送一次數(shù)據(jù)就可以了。這類數(shù)據(jù)量少且有規(guī)律的終端頻繁醒來去監(jiān)聽PDCCH，既浪費(fèi)有限的網(wǎng)絡(luò)資源，又造成終端電量的消耗。因此3GPP R17定義了PDCCH Skipping功能：網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以提前預(yù)知終端在將來多長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，然后通知終端，在這段時(shí)間內(nèi)可以休個(gè)假，不進(jìn)行 PDCCH 監(jiān)聽，待有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，再進(jìn)行 PDCCH 監(jiān)聽。終端經(jīng)常能休個(gè)長假，肯定比時(shí)不時(shí)起來工作并且做的還是無用功更省電啊。

圖7 PDCCH Skipping示意圖

羅德與施瓦茨RedCap終端功耗高效測試方案

隨著5G RedCap 技術(shù)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界也隨之邁向了快速成熟的階段。截至目前，市面上已涌現(xiàn)出近百款商用 RedCap 終端，各大制造商紛紛在產(chǎn)品中整合了多種省電技術(shù)。面對(duì)琳瑯滿目的RedCap終端產(chǎn)品，您在做選擇的時(shí)候是不是會(huì)有如下疑問？

每款終端部署了哪些省電技能？

這些技能的部署究竟帶來了怎樣的省電效果？

羅德與施瓦茨的終端功耗測試方案，可以對(duì)RedCap終端省電技術(shù)的部署效果進(jìn)行定性和定量的評(píng)估。

圖8 R&S 終端功耗測試方案

從圖8可以看出，該方案由R&S CMX500綜測儀與R&S NGM/NGU直流電源組成。

R&S CMX500是羅德與施瓦茨公司推出的最新一代無線通信測試儀，除了繼承業(yè)界廣為應(yīng)用的CMW系列綜測儀平臺(tái)所有的優(yōu)點(diǎn)外，儀表的硬件軟件性能都進(jìn)行了極大的升級(jí)，以提升測試性能及測試效率，支持5G NR（FR1, FR2, NSA, SA, RedCap, NR NTN等）， LTE以及支持全系Wi-Fi包括Wi-Fi7。

R&S NGM/NGU 是羅德與施瓦茨公司推出的高性能直流電源，專為滿足實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)和開發(fā)領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">高精度、可靠直流電源的需求。NGM/NGU均提供多種電壓和電流配置，適用于廣泛的應(yīng)用場景，包括5G、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備、通信模塊、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、智能城市、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

在我們的評(píng)估系統(tǒng)中，CMX500模擬基站扮演著核心角色，為被測RedCap終端提供模擬的網(wǎng)絡(luò)信令連接。此外，CMX500還能夠精細(xì)模擬配置終端支持的各類省電技能，從而定性地確認(rèn)終端對(duì)這些省電技術(shù)的支持情況。同時(shí)，NGM/NGU直流電源給被測終端供電，實(shí)時(shí)測量并記錄終端在不同模擬配置情況下的功耗變化情況，定量地評(píng)估每個(gè)省電功能帶來的省電效果。

關(guān)于5G RedCap終端省電技術(shù)及高效測試方案的話題就聊到到這兒，對(duì)方案感興趣的小伙伴歡迎訂閱轉(zhuǎn)發(fā)， 好的東西記得分享哦！

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。