隨著5G技術在世界范圍內和垂直行業的普及，通信設備（包括網絡設備與終端設備）的能耗問題也日益凸顯。一方面，為滿足新型業務的通信需求，5G設備的天線/通道數更多、傳輸帶寬更大且部署更為密集，從而使得網絡及終端的功耗隨之提升。另一方面，隨著全球對環境保護和可持續發展的重視，能耗逐漸成為了通信行業發展的重要指標之一。對此，國際標準組織3GPP在5G-A標準研究中針對網絡節能以及終端節能進行了探索與研究。通過標準技術賦能端到端節能，為實現綠色通信做出了積極貢獻。
5G-A節能標準進展
一、5G-A網絡節能標準進展
3GPP在Release 18中首次啟動了關于網絡節能的標準化工作項目。具體地，3GPP從時域、頻域、空域、功率域等多個維度開展了研究與標準化工作。主要的技術點如下：
時域節能技術：即通過減少網絡設備發送/接收信號的時間，減少網絡設備的功耗。具體地，3GPP標準化了下列技術來使能時域節能：
1）小區級非連續發送/非連續接收（Discontinuous Transmission/Discontinuous Reception， DTX/DRX）：針對連接態終端，3GPP引入了小區級DTX/DRX機制。該機制可使能小區在不存在流量或預期流量處于非活動時段期間靈活地進入休眠狀態，關閉部分或全部數據業務以及部分周期性參考信號的傳輸和接收，從而節省能耗。同時，網絡可以靈活激活/去激活該機制，從而在實現網絡節能的同時較好地匹配業務量的變化。
圖1：小區級DTX/DRX機制示例
2）公共信號自適應傳輸：對于公共信號（即常開信號，例如SSB/PRACH/Paging），3GPP引入了公共信號自適應傳輸機制。該機制可使能網絡可以在負載較輕/服務用戶數較少時將公共信號動態調整至稀疏的傳輸方式，從而節省發送/接收該公共信號帶來的功耗。
圖2：公共信號自適應機制示例
頻域節能技術：即通過輔助信息，使能網絡在一些小區上不發送公共信號，從而減少網絡設備的功耗。具體地，3GPP標準化了下列技術來使能頻域節能：
1）輔小區SSB-less：在載波聚合場景下，輔小區（SCell）通常也需要發送SSB，導致設備功耗的開銷較大。針對此問題，中國移動主導提出輔小區SSB-less技術，在輔小區與錨點小區間滿足接收時間差、功率差等條件要求的情況下，輔小區可以不發送SSB，從而降低網絡設備能耗。終端通過網絡設備的關聯配置基于錨點小區的SSB獲取輔小區的定時與同步。
圖3：輔小區SSB-less機制示例
2）輔小區SSB按需觸發：由于條件限制，輔小區SSB-less技術在一些場景下不適用。為此，3GPP引入了輔小區SSB按需觸發的節能機制。該機制下，輔小區的SSB默認不發送或者以較長的周期發送，從而節省網絡設備的傳輸功耗。當終端設備有需求時（例如，輔載波激活或數據傳輸），網絡設備可以快速觸發輔小區SSB的發送，從而使能定時、同步、自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）等需求。
圖4：輔小區SSB按需觸發機制示例
3）SIB1按需觸發：SIB1是NR中最為重要的系統信息。在NR系統中，其通常保持20ms的周期性廣播，開銷也較為顯著。對此，3GPP引入了按需觸發SIB1的機制。該機制下，節能小區的SIB1默認不發送，從而節省網絡功耗。用于喚醒節能小區發送SIB1的上行喚醒信號配置由另外一個小區廣播。終端基于該小區獲取上行喚醒信號配置，待有需求時可向節能小區發送上行喚醒信號以獲取SIB1。
圖5：SIB1按需觸發機制示例
空域及功率域節能技術：即根據負載及信道狀態信息（Channel State Information, CSI）關斷部分通道（及天線）及回退部分發送功率，從而降低傳輸功耗。具體地，3GPP標準化了下列技術來使能頻域及功率域的節能：
1）基于多CSI的自適應通道關斷：在負載較低的情況下，網絡設備使用全部的通道/天線傳輸會造成較高的功耗開銷。對此，3GPP引入了基于多CSI的自適應通道關斷機制。具體地，網絡設備配置多套對應不同通道關斷配置的信道狀態信息參考信號（CSI reference signal，CSI-RS），終端設備測量各套CSI-RS并上報對應的CSI。在有業務傳輸時，網絡設備可以根據負載及CSI關斷部分通道/天線進行傳輸，在保證業務體驗不受影響的情況下降低傳輸能耗。同時，多套CSI-RS可以共享相同的傳輸資源，使得網絡設備傳輸參考信號的開銷進一步降低。
2）基于多CSI的自適應功率回退：同通道關斷類似，低負載場景下網絡設備使用較高的發射功率傳輸也會造成較高的功耗開銷。對此，3GPP引入了基于多CSI的自適應功率回退機制。具體地，網絡設備配置多套對應不同功率回退配置的CSI-RS，終端設備測量各套CSI-RS并上報對應的CSI。在有業務傳輸時，網絡設備可以根據負載及CSI回退部分發射功率進行傳輸。類似的，多套CSI-RS可以共享相同的傳輸資源，使得網絡設備傳輸參考信號的開銷進一步降低。
圖6：基于多CSI的自適應通道關斷/功率回退示例
上述網絡節能技術分別適用于不同的場景，同時亦有各自的優勢與缺點。具體地：
網絡空載或低載場景下，網絡中常開信號的傳輸是功耗的主要來源。因此，針對公共信號的節能機制更適用于此類場景。其中：
1）針對時域的節能技術（即公共信號自適應）可以在單小區場景獨立工作，適用場景更為廣泛。同時，稀疏的傳輸圖樣也會一定程度上影響終端的傳輸效率；
2）針對頻域的節能技術（即按需觸發輔小區SSB/SIB1，輔小區SSB-less）對終端傳輸效率及性能影響相對更小。同時，由于其依賴于其他小區上的輔助信息，適用場景也相對有限。
網絡輕載或中載場景下，網絡中的數據傳輸是功耗的主要來源。因此，針對數據傳輸的節能機制更適用于此類場景。其中：
1）針對時域的節能技術（即小區級DTX/DRX）實現相對簡單，終端側額外開銷較小。同時，其半靜態的設計也會對用戶體驗（如UPT，吞吐等指標）造成一定影響；
2）針對空域及功率域的節能技術（即基于多CSI的自適應通道關斷/功率回退）可以在性能無損的前提下實現網絡節能。同時，由于網絡側需要獲取各種關斷通道/回退功率情況下的CSI，終端側對于CSI計算及上報開銷也相應增加。
二、5G-A終端節能標準進展
自Release 15以來，終端節能一直是3GPP各個版本中的重要特性。在Release 18及19中，則首次針對低功耗接收機（Low-Power Wake Up Receiver，LP-WUR）及低功耗喚醒信號（Low-Power Wake Up Signal，LP-WUS）進行了研究與標準化工作。具體地，支持LP-WUR/LP-WUS的終端將支持以下兩種接收機：
主接收機：該接收機用于接收NR已有的下行信號。具體地，其接收性能強，可達到的傳輸速率高；但同時，其接收機復雜度較高，同時產生的功耗較高；
低功耗喚醒接收機：該接收機用于接收低功耗信號。具體地，低功耗信號包括LP-WUS以及低功耗同步信號（Low-Power Synchronization signal，LP-SS）。其接收性能相對較弱，傳輸速率相對有限；但同時接收機實現簡單，復雜度低，因此功耗遠低于主接收機。
對應的圖示如下，網絡設備可以發送兩種類型的信號，終端設備可以基于不同的接收機接收對應的傳輸信號。
圖7：包含LP-WUR的終端傳輸示例
對于上述兩種低功耗信號，其主要特征和功能如下：
一是LP-SS和LP-WUS均為開-關鍵控（On-Off Keying，OOK）信號，或者，為疊加時域序列的OOK信號。對應地，接收機只需進行基礎的包絡檢測或時域相關檢測即可解調信號。因此，接收機整體的功耗極低。
二是LP-SS一般周期性（例如，320ms）發送，主要用于基礎定時與同步。
三是LP-WUS主要用于指示終端是否開啟主接收機，并檢測相關的控制信號。具體表現為：1）對于空閑態終端，LP-WUS主要用于指示終端是否檢測尋呼指示。具體地，網絡在每個尋呼周期（Paging cycle）內終端對應的尋呼時機（Paging Occasion，PO）之前配置LP-WUS的檢測時機（LP-WUS monitor occasion，又稱作LO）。終端在每個尋呼周期內基于低功耗接收機檢測LO，當檢測到LP-WUS信息且指示終端喚醒時，終端基于主接收機開始檢測尋呼指示；
圖8：空閑態終端檢測LP-WUS示例
2）對于連接態終端，LP-WUS主要用于指示終端是否檢測PDCCH。具體地：一種方式下，網絡設備在每個C-DRX周期之前配置LO。終端在每個C-DRX周期前基于低功耗接收機檢測LO，當檢測到LP-WUS信息且指示終端不喚醒時，終端在下個C-DRX周期不啟動on-duration定時器（即活動時間定時器）；另一種方式下，網絡設備（在C-DRX周期的非活動時間）配置周期性的LO。對應地，終端周期性地在LO上檢測LP-WUS，當檢測到LP-WUS信息且指示終端喚醒時，終端基于主接收機開始檢測PDCCH。
圖9、連接態終端檢測LP-WUS示例
相較于已有的終端節能技術，LP-WUR/LP-WUS從接收機/波形設計這一新的維度研究并設計，同時也存在與之對應的優勢與缺點。具體地：一方面，由于引入了新型低功耗接收機，主接收機可以在無尋呼信息/PDCCH傳輸時關閉全部或大部分模塊，終端僅基于極低功耗的LP-WUR檢測LP-WUS信號，從而實現更為深度的節能；另一方面，主接收機模塊的開啟需要較長的時間（例如，在極深休眠態下需要400/800ms，深度休眠態下需要20ms），一定程度上會影響傳輸的及時性與用戶體驗；同時，終端設備需要額外支持低功耗接收機，也會引入額外的硬件開銷。
節能標準及產業應用面臨的挑戰
5G-A針對網絡節能及終端節能已經進行了相當的研究與標準化工作。然而，當前的標準與產業應用中仍面臨一系列挑戰。
一是前向兼容制約節能收益：由于現網中存在僅支持舊有協議的終端，為了前向兼容，當前節能機制能夠應用的信號較為有限。例如，對于公共信號自適應/按需觸發輔小區SSB機制，其僅適用于非CD-SSB類型的SSB信號，從而避免對舊有終端初始小區選擇的影響；同時，CD-SSB仍需要保持20ms的周期性發送以支持初始小區選擇功能。這使得網絡設備仍需頻繁開啟傳輸，難以進入深度休眠。
二是使用場景限定：如前述介紹，一些節能技術（例如，網絡節能中的頻域節能技術）需要其他小區輔助。因此，針對頻域的節能技術只能應用在錨點小區同覆蓋（即錨點小區的覆蓋區域包含節能小區的覆蓋區域）場景，使用場景相對有限。
三是各節能機制間相互獨立，相互間影響設計復雜：標準化工作中，各個節能機制均獨立研究并標準化，需要考慮不同機制之間的相互影響。往往設計一種新的節能機制，需要分析其對于所有已有技術的影響。例如，在設計小區級Cell DTX/DRX機制時，由于其作用于PDCCH，UCI等信號，其對已有的C-DRX，HARQ碼本生成，UCI復用等機制均存在沖突并設計對應解決方案。因此，整體的標準化流程及產品實現也相對復雜。
四是一側的節能機制會增加另一側的開銷：網絡節能技術通常需要終端側接收/發送額外信號；反之，終端節能技術也通常需要網絡設備額外發送新的信號。以前述介紹的節能機制為例，網絡節能機制一般需要終端檢測額外的指示信息，或者進行CSI測量及上報，造成終端側開銷的增加；而LP-WUR/LP-WUS機制則需要網絡側額外發送LP-SS和LP-WUS信號，造成網絡設備開銷的增加。因此，無論標準討論還是實際產業應用中，一項節能技術往往較難得到網絡廠商和終端廠商的同時支持。
總結與展望
5G-A針對網絡節能及終端節能進行了諸多探索與研究，從標準層面規范與設計了豐富的節能機制，取得了顯著的節能效果，為實現綠色通信邁出了堅實的一步。同時，當前的節能標準及產業應用仍存在一系列挑戰與相當的增益空間，需要業界持續的跟進與挖掘。
隨著通信產業的發展，未來網絡潛在的服務頻段更高（例如，6GHz+）、服務帶寬更大（例如，400MHz）、天線和通道數更多，隨之而來的設備功耗也更高。因此，能耗的降低與能效的提升無疑是未來通信行業最為重要的一環。業界在設計通信網絡及通信標準時，應將網絡及終端能耗作為首要前提，同時更為深入的考慮如何設計普適、統一且能平衡網絡與終端需求的節能機制。
[參考文獻]
[1] 3GPP TR 38.864, Study on network energy savings for NR.
[2] 3GPP TR 38.869, Study on low-power wake up signal and receiver for NR.
[3] 無線網節能技術白皮書 (2024), 中國移動, 2024
