5G-A赋能绿色通信：节能标准进展，挑战与展望

中移智库 5G-A赋能绿色通信：节能标准进展，挑战与展望 中国移动研究院无线与终端技术研究所 2024年11月 摘要 中移智库 随着5G技术在世界范围内和垂直行业的普及，通信设备（包括网络设备与终端设备）的能耗问题也日益凸显。一方面，为满足新型业务的通信需求，5G设备的天线/通道数更多、传输带宽更大且部署更为密集，从而使得网络及终端的功耗随之提升。另一方面，随着全球对环境保护和可持续发展的重视，能耗逐渐成为了通信行业发展的重要指标之一。对此，国际标准组织3GPP在5G-A标准研究中针对网络节能以及终端节能进行了探索与研究。通过标准 技术赋能端到端节能，为实现绿色通信做出了积极贡献。 一、5G-A节能标准进展 （一）5G-A网络节能标准进展 3GPP在Release18中首次启动了关于网络节能的标准化工作项目。具体地，3GPP从时域、频域、空域、功率域 等多个维度开展了研究与标准化工作。主要的技术点如下： 1、时域节能技术：即通过减少网络设备发送/接收信号的时间，减少网络设备的功耗。具体地，3GPP标准化了 下列技术来使能时域节能： 中移智库 ·小区级非连续发送/非连续接收（DiscontinuousTransmission/DiscontinuousReception，DTX/DRX）：针对连接态终端，3GPP引入了小区级DTX/DRX机制。该机制可使能小区在不存在流量或预期流量处于非活动时段期间灵活地进入休眠状态，关闭部分或全部数据业务以及部分周期性参考信号的传输和接收，从而节省能耗。同时，网络可以灵活激活/去激活该机制，从而在实现网络节能的同时较好地 匹配业务量的变化。 图1：小区级DTX/DRX机制示例 中移智库 ·公共信号自适应传输：对于公共信号（即常开信号，例如SSB/PRACH/Paging），3GPP引入了公共信号自适应传输机制。该机制可使能网络可以在负载较轻/服务用户数较少时将公共信号动态调整至稀疏的传输方式，从而节省发送/接收该公共信号带来的功耗。 图2：公共信号自适应机制示例 2、频域节能技术：即通过辅助信息，使能网络在一些小 区上不发送公共信号，从而减少网络设备的功耗。具体地，3GPP标准化了下列技术来使能频域节能： ·辅小区SSB-less：在载波聚合场景下，辅小区 （SCell）通常也需要发送SSB，导致设备功耗的开销较大。针对此问题，中国移动主导提出辅小区SSB- 中移智库 less技术，在辅小区与锚点小区间满足接收时间差、功率差等条件要求的情况下，辅小区可以不发送SSB，从而降低网络设备能耗。终端通过网络设备的关联配置基于锚点小区的SSB获取辅小区的定时与同步。 图3：辅小区SSB-less机制示例 ·辅小区SSB按需触发：由于条件限制，辅小区SSB-less技术在一些场景下不适用。为此，3GPP引入了辅小区SSB按需触发的节能机制。该机制下，辅小区的SSB默认不发送或者以较长的周期发送，从而节省网络设备的传输功耗。当终端设备有需求时（例如，辅载波激活或数据传输），网络设备可以快速触发辅小区SSB的发送，从而使能定时、同步、自动增益控制 （AutomaticGainControl，AGC）等需求。 图4：辅小区SSB按需触发机制示例 中移智库 ·SIB1按需触发：SIB1是NR中最为重要的系统信息。在NR系统中，其通常保持20ms的周期性广播，开销也较为显著。对此，3GPP引入了按需触发SIB1的机制。该机制下，节能小区的SIB1默认不发送，从而节省网络功耗。用于唤醒节能小区发送SIB1的上行唤醒信号配置由另外一个小区广播。终端基于该小区获取上行唤醒信号配置，待有需求时可向节能小区发送上行唤醒信号以获取SIB1。 图5：SIB1按需触发机制示例 中移智库 3、空域及功率域节能技术：即根据负载及信道状态信息 （ChannelStateInformation,CSI）关断部分通道（及天线）及回退部分发送功率，从而降低传输功耗。具体地，3GPP标准化了下列技术来使能频域及功率域的节 能： ·基于多CSI的自适应通道关断：在负载较低的情况下，网络设备使用全部的通道/天线传输会造成较高的功耗开销。对此，3GPP引入了基于多CSI的自适应通道关断机制。具体地，网络设备配置多套对应不同通道关断配置的信道状态信息参考信号（CSIreference 中移智库 signal，CSI-RS），终端设备测量各套CSI-RS并上报对应的CSI。在有业务传输时，网络设备可以根据负载及CSI关断部分通道/天线进行传输，在保证业务体验不受影响的情况下降低传输能耗。同时，多套CSI-RS可以共享相同的传输资源，使得网络设备传输参考 信号的开销进一步降低。 ·基于多CSI的自适应功率回退：同通道关断类似，低负载场景下网络设备使用较高的发射功率传输也会造成较高的功耗开销。对此，3GPP引入了基于多CSI的自适应功率回退机制。具体地，网络设备配置多套对应不同功率回退配置的CSI-RS，终端设备测量各套CSI-RS并上报对应的CSI。在有业务传输时，网络设备可以根据负载及CSI回退部分发射功率进行传输。类似的，多套CSI-RS可以共享相同的传输资源，使得 网络设备传输参考信号的开销进一步降低。 中移智库 图6：基于多CSI的自适应通道关断/功率回退示例上述网络节能技术分别适用于不同的场景，同时亦有 各自的优势与缺点。具体地： 1、网络空载或低载场景下，网络中常开信号的传输是功 耗的主要来源。因此，针对公共信号的节能机制更适用于此类场景。其中： ·针对时域的节能技术（即公共信号自适应）可以在单小区场景独立工作，适用场景更为广泛。同时，稀疏 的传输图样也会一定程度上影响终端的传输效率； ·针对频域的节能技术（即按需触发辅小区SSB/SIB1，辅小区SSB-less）对终端传输效率及性能影响相对更 小。同时，由于其依赖于其他小区上的辅助信息，适 用场景也相对有限； 2、网络轻载或中载场景下，网络中的数据传输是功耗的 主要来源。因此，针对数据传输的节能机制更适用于此类场景。其中： 中移智库 ·针对时域的节能技术（即小区级DTX/DRX）实现相对简单，终端侧额外开销较小。同时，其半静态的设计也会对用户体验（如UPT，吞吐等指标）造成一定 影响； ·针对空域及功率域的节能技术（即基于多CSI的自适应通道关断/功率回退）可以在性能无损的前提下实现网络节能。同时，由于网络侧需要获取各种关断通道/回退功率情况下的CSI，终端侧对于CSI计算及上报开销也相应增加； （二）5G-A终端节能标准进展 中移智库 自Release15以来，终端节能一直是3GPP各个版本中的重要特性。在Release18及19中，则首次针对低功耗接收机（Low-PowerWakeUpReceiver，LP-WUR）及低功耗唤醒信号（Low-PowerWakeUpSignal，LP-WUS）进行了研究与标准化工作。具体地，支持LP-WUR/LP-WUS的终 端将支持以下两种接收机： 1、主接收机：该接收机用于接收NR已有的下行信号。 具体地，其接收性能强，可达到的传输速率高；但同时，其接收机复杂度较高，同时产生的功耗较高； 2、低功耗唤醒接收机：该接收机用于接收低功耗信号。具体地，低功耗信号包括LP-WUS以及低功耗同步信号（Low-PowerSynchronizationsignal，LP-SS）。其接收性能相对较弱，传输速率相对有限；但同时接收 机实现简单，复杂度低，因此功耗远低于主接收机； 对应的图示如下，网络设备可以发送两种类型的信号， 终端设备可以基于不同的接收机接收对应的传输信号。 中移智库 图7：包含LP-WUR的终端传输示例 对于上述两种低功耗信号，其主要特征和功能如下： 1、LP-SS和LP-WUS均为开-关键控（On-OffKeying，OOK）信号，或者，为叠加时域序列的OOK信号。对应地，接收机只需进行基础的包络检测或时域相关检测即可解调信号。因此，接收机整体的功耗 极低； 2、LP-SS一般周期性（例如，320ms）发送，主要用于基础定时与同步； 3、LP-WUS主要用于指示终端是否开启主接收机，并检 测相关的控制信号。具体地： 中移智库 ·对于空闲态终端，LP-WUS主要用于指示终端是否检测寻呼指示。具体地，网络在每个寻呼周期（Pagingcycle）内终端对应的寻呼时机（PagingOccasion，PO）之前配置LP-WUS的检测时机（LP-WUSmonitoroccasion，又称作LO）。终端在每个寻呼周期内基于低功耗接收机检测LO，当检测到LP-WUS信息且指示终端唤醒时，终端基于主接收机开始 检测寻呼指示； 图8：空闲态终端检测LP-WUS示例 ·对于连接态终端，LP-WUS主要用于指示终端是否检 测PDCCH。具体地： 中移智库 1）一种方式下，网络设备在每个C-DRX周期之前配置LO。终端在每个C-DRX周期前基于低功耗接收机检测LO，当检测到LP-WUS信息且指示终端不唤醒时，终端在下个C-DRX周期不启动on- duration定时器（即活动时间定时器）； 2）另一种方式下，网络设备（在C-DRX周期的非活动时间）配置周期性的LO。对应地，终端周期性地在LO上检测LP-WUS，当检测到LP-WUS信息且指示终端唤醒时，终端基于主接收机开始检测PDCCH； 图9、连接态终端检测LP-WUS示例 中移智库 相较于已有的终端节能技术，LP-WUR/LP-WUS从接收机/波形设计这一新的维度研究并设计，同时也存在与之 对应的优势与缺点。具体地： 1、一方面，由于引入了新型低功耗接收机，主接收机可以在无寻呼信息/PDCCH传输时关闭全部或大部分模块，终端仅基于极低功耗的LP-WUR检测LP-WUS信 号，从而实现更为深度的节能； 2、另一方面，主接收机模块的开启需要较长的时间（例如，在极深休眠态下需要400/800ms，深度休眠态下需要20ms），一定程度上会影响传输的及时性与用户体 验；同时，终端设备需要额外支持低功耗接收机，也 会引入额外的硬件开销； 二、节能标准及产业应用面临的挑战 5G-A针对网络节能及终端节能已经进行了相当的研究与标准化工作。然而，当前的标准与产业应用中仍面临一 中移智库 系列挑战： 1、前向兼容制约节能收益：由于现网中存在仅支持旧有协议的终端，为了前向兼容，当前节能机制能够应用的信号较为有限。例如，对于公共信号自适应/按需触发辅小区SSB机制，其仅适用于非CD-SSB类型的SSB信号，从而避免对旧有终端初始小区选择的影响；同时，CD-SSB仍需要保持20ms的周期性发送以支持初始小区选择功能。这使得网络设备仍需频繁开启传 输，难以进入深度休眠： 2、使用场景限定：如前述介绍，一些节能技术（例如， 网络节能中的频域节能技术）需要其他小区辅助。因此，针对频域的节能技术只能应用在锚点小区同覆盖 （即锚点小区的覆盖区域包含节能小区的覆盖区域） 场景，使用场景相对有限； 中移智库 3、各节能机制间相互独立，相互间影响设计复杂：标准化工作中，各个节能机制均独立研究并标准化，需要考虑不同机制之间的相互影响。往往设计一种新的节能机制，需要分析其对于所有已有技术的影响。例如，在设计小区级CellDTX/DRX机制时，由于其作用于PDCCH，UCI等信号，其对已有的C-DRX，HARQ码本生成，UCI复用等机制均存在冲突并设计对应解决方案。因此，整体的标准化流程及产品实现也相对复 杂； 4、一侧的节能机制会增加另一侧的开销：网络节能技术 中移智库 通常需要终端侧接收/发送额外信号；反之，终端节能技术也通常需要网络设备额外发送新的信号。以前述介绍的节能机制为例，网络节能机制一般需要终端检测额外的指示信息，或者进行CSI测量及上报，造成终端侧开销的增加；而LP-WUR/LP-WUS机制则需要网络侧额外发送LP-SS和LP-WUS信号，造成网络设备开销的增加。因此，无论标准讨论还是实际产