5G终端与网络协同的参数研究

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本文来自与非网
 
终端能耗是 5G 终端面临的重要难题,提升终端待机时长是提升移动网用户感知的重要因素。介绍了移动网与 5G 终端能耗相关的各类参数原理,分析了各类参数与移动网络性能和 5G 终端耗电的关系,同时结合中国联通移动网络现状,协同设备厂家、终端厂家从端网协同优化的角度,研究总结出目前网络侧与 5G 终端节电强相关的各类参数的优化建议,以华为终端为例进行了待机时长提升效果验证,并将研究成果应用到中国联通全网。
 
01 概述
 
5G 终端商用在即,根据前期测试及部分 5G 友好用户反馈,“5G 终端功耗大,待机差”问题特别突出。根据 5G 技术特性,导致 5G 终端相比 4G 功耗大很多的原因有如下 4 个方面。一是 5G 带宽是 4G 的 5 倍,通信功耗增加 50%。二是 NSA 网络下,终端需同时保持 LTE 和 NR 2 套通信链路。三是 5G 的下行默认支持 4*4 MIMO,天线数增加,通信功耗增加 50%。四是 5G 的上行支持 2T,相比 1T, PA 功耗增加 50%~100%。可见 5G 基础功耗相比 4G 有比较大的增幅,对网络参数更敏感,亟需网络参数配合降低功耗,提升 5G 终端续航体验。 
 
02 与 5G 终端能耗相关的网络参数
 
2.1  UE 不活动定时器
 
在 5G 当前 NSA 网络架构下,该参数设置于 4G 锚点基站和 5G NR 基站设备中,其作用是用于基站对 UE 是否发送和接收数据进行检测,如果 UE 一直都没有接收和发送数据,并且持续时间超过该定时器时长,则释放该 UE 的信令链接。当不活动定时器为 0 时,用户一直驻留 5G 网络。 
 
2.2  SCG 添加控制参数
 
在 5G 当前 NSA 架构即 LTE-NR 双链接(DC)下,LTE eNB(4G 基站)为主站,gNB(5G 基站)为从站,SCG(Secondary Cell group)即为 5G 基站的辅小区组。5G 终端添加 SCG 的动作会导致终端耗电增多。
 
SCG 添加在 4G 锚点基站侧的控制参数主要有 3 个:载波配置间隔定时器、时延门限、流量门限。
 
载波配置间隔定时器的作用是在载波建立不成功时启动该定时器,定时器超时后再次添加 5G 载波。该参数配置越小,配置 SCG 频率越高;该参数配置越大,配置 SCG 频率越低。
 
时延门限(业务缓存时延激活门限 ScgAdditionBufferDelayThld)表示业务量缓存时延门限。只有当 NSA DC UE 在基站上的缓存时延大于该门限时才允许添加 5G 载波。该参数配置越小,越容易满足 SCG 添加条件,即 UE 在 4G 锚点小区无 5G 覆盖的区域,会反复添加 5G 网络;该参数配置越大,越不容易满足 SCG 添加条件,即用户进入 5G 覆盖区域后长时间不能使用 5G 网络。
 
流量门限(业务缓存长度激活门限 ScgAdditionBufferLenThld)的作用是当 UE 在基站缓存业务量大于该门限才允许添加 5G 载波。该参数配置越小,越容易满足 SCG 添加条件;该参数配置越大,越不容易满足 SCG 添加条件。当流量门限为 0 时,用户发起任何业务都会添加 5G 载波。
 
图 1 和图 2 分别给出了 UE 在 4G 锚点小区&5G 小区覆盖区域和 UE 在 4G 锚点小区&非 5G 小区覆盖区域的 SCG 添加过程。
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图 1  UE 在 4G 锚点小区&5G 小区覆盖区域的 SCG 添加过程
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图 2  UE 在 4G 锚点小区&非 5G 小区覆盖区域的 SCG 添加过程
 
在 5G 初期,为了最大化体现 5G 网络和业务性能,网络上大部分基站的“不活动定时器参数设置为 0, 5G 连接 SCG 的添加门限设置为 0” , 这 2 个参数导致终端息屏状态 5G 连接不会释放, 很小的心跳业务也建立 5G 连接。
 
由于 4G 网络仍然作为主力覆盖网络,初期的 5G 网络建设规模较小, 主要用于热点流量吸纳。因此当前阶段,可以通过优化 UE 不活动定时器和 NR 载波添加门限等参数合理控制 5G 载波添加,延长手机待机时长。即便是在有 5G 网络覆盖的区域,空闲态时使 UE 能够释放 5G 载波,节省电量。业务态时,小业务量直接承载在 LTE,给终端省电;对于大业务量,添加 5G,享受高速服务(见图 3)。
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图 3  连接示意图 
 
2.3  CDRX
 
CDRX 特性可以使处于连接态的终端周期性地暂停侦听 PDCCH,从而降低终端能耗,尤其是当终端进行周期性连续小包、对时延不敏感、稀疏小包等业务时(见图 4)。
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图 4  C-DRX 原理(NR/LTE 相同)
 
CDRX 的最终生效需要移动网基站与终端协同工作。对于节能不敏感的应用场景,终端可以上报不支持 DRX 或基站侧直接关闭 CDRX 功能。
 
终端是否支持 CDRX,在终端通过信令上报基站的 UE capability 字段有能力指示标记。
 
CDRX 参数配置于移动网基站,基站通过 RRC 信令将各项参数发送给终端,指示终端按照基站配置的 CDRX 模式工作,从而达到省电效果。 
 
03 参数优化研究
 
为尽快解决 5G 终端功耗大、5G 待机差的问题,本文从上面 3 类网络参数设置入手,在现网进行了测试和优化验证,并以华为 5G 终端为例,对网络参数调优前后的终端电量消耗及待机时长效果进行了详细验证。
 
UE 不活动定时器参数,设置过长,会增加终端在线时间;设置过短,会增加 NR 建立次数,增加信令开销,两者都会增加终端能耗。考虑到中国联通 4G 网络的 UE 不活动定时器全网基本设置为 10 s,目前 4G 锚点基站的该参数与 4G 独立基站的设置是一致的,为了保持 5G 终端在中国联通 5G 网络和 4G 网络的一致性,本次对 5G NR 基站的 UE 不活动定时器参数优化与 4G 网络保持一致,设置为 10s。
 
SCG 添加控制参数,设置过大,终端进入 5G 覆盖区域不能第一时间使用 5G 网络,影响用户 5G 网络使用感知;但设置过小,在 4G 锚点基站下,即便没有 5G 覆盖,终端也会反复尝试添加 5G 网络,增加信令开销,增加终端能耗。综合用户的 5G 网络使用感知和 3 个参数的相互制约机制,本次优化对 SCG 添加控制参数配置如下:载波配置间隔定时器 5 s、业务缓存长度激活门限 10 ms、业务缓存时延激活门限 50KB。
 
采用华为 5G 终端(mate20,版本:9.1.1.126),在 4G 锚点基站和 NR 基站的 NSA 网络环境下,对以上网络参数设置下的实测结果:节电 90%左右,具体见表 1。
 
表 1  节能参数优化效果对比 
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CDRX 参数的设置, 包括短 DRX 环循环、长 DRX 环循环等模式,以确保 RRC 连接状态下的省电。理论上分析,由于 4G 和 5G 网络中的 DRX 引入了休眠期,在节约 UE 耗电量的同时对该终端正在进行的业务可能会增加时延。与时延相关的业务会受到影响,目前中国联通现网对时延敏感的典型业务为王者荣耀类游戏。综合考虑了 5G 网络业务感知和 5G 终端节电,本次优化按如表 2 所示 CDRX 参数配置进行效果验证。
 
表 2  验证的 NR CDRX 参数 
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采用华为 5G 终端(mate20,版本:9.1.1.126,定点模式观看腾讯视频(720P),屏幕亮度 50%),在 4G 锚点基站和 NR 基站的 NSA 网络环境下,实测结果:节电 50%左右,具体见表 3。
 
表 3  NR CDRX 参数开启节能验证效果 
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根据当前网络时延对王者荣耀游戏用户体验的关系:100 ms 以下,流畅;100~200 ms,般;l 200~460 ms,体验不好;460 ms 以上,服务器视为丢包,不处理。在 5G 网络下,增加约 15 ms 的时延,不会带来对王者荣耀用户体验的影响。 
 
04 结论
本文从 5G 终端与网络协同的角度研究终端节能以提升待机时长,通过对网络参数的机制研究,结合中国联通移动网络现状,在不影响网络性能、不降低用户业务感知的前提下,通过试点验证提出符合中国联通情况的网络参数设置,并以华为终端为例进行了效果验证,中国联通 5G 网络下的华为 5G 终端待机时长整体提升约 90%,已将研究成果应用到中国联通全网,大大提升了中国联通网络上的 5G 终端整体待机时长。
 
后续将针对 5G 终端在 4G 网络上待机时长劣于 4G 终端的情况,持续开展 5G 终端在 4G 网络上的节能研究和优化。
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