5G RedCap物联网终端的主要省电技术及高效测试方案

随着5G技术的迅速发展，5G RedCap（Reduced Capability，5G轻量化）技术被认为是用于下一代物联网的关键技术。在物联网的广阔天地中，降低功耗始终是一个核心而持久的挑战，尤其是随着5G技术的深入应用，终端设备对于节能降耗的需求愈发迫切。这一趋势不仅关乎终端的续航能力，更直接影响到整个网络的运行效率与成本控制。从工业无线传感器到视频监控系统，再到日益普及的可穿戴设备，这些应用场景中的终端位置往往相对固定或变化不大。因此，采用有效的省电技术以实现低功耗运行，不仅能简化运维流程，还能显著提升用户体验，特别是对于依赖电池供电的可穿戴设备而言，延长电池续航时间更是至关重要。

作为5G技术标准的规范制定组织，3GPP一直在不遗余力地引入多种帮助5G终端省电的技术，主要从以下几个角度出发：频域资源、时域资源、空间资源、计算能力资源等。接下来我们简要介绍3GPP针对5G RedCap物联网终端的主要省电技术，小伙伴们可以看看是不是也逃不出这些套路呢？

DRX/eDRX/WUS

在实际应用中，终端与网络之间的数据交互通常是间歇性或突发性的：在一段时间内有数据传输，在接下来一段时间内没有数据传输。那么，让终端时不时“打盹”一下，不要时刻都处于“高度专注”的工作状态，是否可行呢？本着这个想法，3GPP 设计了非连续接收的特性。

DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）：给终端划分 DRX 周期，一个周期内设有唤醒期和休眠期。唤醒期到来时，终端醒来，时刻查看有没有自己的任务；唤醒期结束时，如果没接收到新的数据传输指令，则进入休眠。因为终端不再一直处于唤醒状态，就减少了耗电。

图1 DRX周期示意图

在DRX的基础上，3GPP针对处于RRC_IDLE和RRC_INACTIVE状态的终端引入了eDRX机制，而对处于RRC_CONNECTED状态的终端增加了WUS功能。

eDRX(Extended DRX，扩展不连续接收)，从名字就能看出来，就是扩展的DRX机制。在5G NR中，RRC_IDLE和RRC_INACTIVE状态的普通DRX周期最大为2.56秒。eDRX将RRC_IDLE状态下的DRX周期扩展到长达10485.76秒（即大约3小时），将RRC_INACTIVE状态下的DRX周期扩展到10.24秒，终端“睡觉”的时间更长了，肯定更加省电了，电池寿命也能大大延长。

图2 eDRX“扩展“的DRX周期示意图

WUS(Wake Up Signal，唤醒信号)，对于处于RRC连接态的终端，即使开启了C-DRX（Connected DRX，连接态非连续接收）特性，在每个C-DRX 周期内，On Duration 期间终端一直处于侦听状态，即使没有数据也需要一直监听 PDCCH，这也太浪费了。支持 WUS 功能后，网络可以在每个DRX周期前向终端发送WUS信号，指示终端是否需在下一个DRX周期醒来监听数据调度信息。若网络判断一段时间内终端无数据传输，则可指示终端维持休眠状态，无需监听后续数据调度信息，达到“有活干就通知我，不通知我的话，我就一直睡”的有效沟通，终端的功耗可以进一步降低了。

图3 WUS示意图

值得一提的是，使用上述几种DRX机制时，需在终端功耗与时延之间权衡，即DRX周期越长，下行时延可能就越大。由于RedCap主要用于物联网的使用场景，在时延和可靠性上没有eMBB（Enhance Mobile Broadband，高带宽高速率）/uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，高可靠低延时）用例要求严苛，这为RedCap终端采用eDRX和WUS机制提供了可能。

Cross-Slot Scheduling

（跨时隙调度）

5G NR 的PDCCH控制信道及其所调度的 PDSCH/PUSCH业务信道之间间隔的时隙（slot），是网络侧通过DCI（Downlink Control lnformation，下行控制信息）中所携带的 K0 和 K2 两个值来指示的，其中，K0 表示PDCCH 与其所调度的PDSCH之间的时隙间隔，K2 表示 PDCCH 与其所调度的PUSCH 之间的时隙间隔。

当 UE 接收到 PDCCH 后，需要一定时间进行解码，以得到 PDCCH 所传输的 DCI 内容，其中包括 RB(Resource Block，资源块) 的分配信息等，在此之前，对于所有UE来说，并不知道整个带宽或 BWP(Bandwidth Part，部分带宽) 的 PDSCH/PUSCH信息是不是给它的，只能都缓存下来，等到解码DCI后再丢弃那些不是发给它的PDSCH/PUSCH信息，这么操作下来，每个终端都是缓存了“弱水三千”但是最终都“只取一瓢”，累不累？

因此3GPP在 5G R16提出了Cross-slot scheduling 的概念，即 PDCCH 和所调度的 PDSCH/PUSCH 可以间隔 N(N>0)个时隙。

如果配置了Cross-slot scheduling，UE 接收 PDCCH后，就有足够时间进行解码以得到PDCCH 传输的DCI内容， 之后在相应的 RB 上接收对应的 PDSCH/PUSCH即可，再也不用去接收和缓存那些与自己无关的PDSCH/PUSCH数据了；另外，在接收到PDCCH之后，如果UE发现离PDSCH/PUSCH数据还有挺久， UE 还可以选择进入micro-sleep“小睡”模式。Cross-slot scheduling带来的双重省电效果，特别适用于对时延要求不高的RedCap物联网终端。

图4 使用跨时隙调度机制与不使用跨时隙调度机制对比图

UAI

（UE Assistance Information，终端辅助信息）

在5G RedCap网络中，终端与基站交互的大部分行为受网侧的控制。然而，3GPP规范赋予了终端一定的'建议权'，允许其在特定情况下（比如业务量较小或终端电量受限）主动发送UAI，之后基站可能会进行针对性的调整，以协助终端实现能耗降低。这种主动的节能策略不仅延长了终端的使用时间，也有助于提高整个网络的能效和用户体验。UAI中可能包含如下信息：DRX配置、最大带宽、最大MIMO层数、最小跨时隙调度间隔、RRC状态等等。

图5 终端使用UAI与网侧交互的流程图

RRM Measurement Relaxation

（RRM测量放松）

终端在RRC-IDLE和RRC_INACTIVE状态下，会频繁执行RRM（无线资源管理）测量，以确保终端驻留在最佳的可用小区。RRM测量主要测量服务小区和相邻小区的信号强度RSRP和信号质量RSRQ。RRM测量尽管可以确保终端能获得最佳的连接质量，但会导致即使终端与网络之间没有数据传输时也会耗费电池电量。对于物联网终端而言，这部分的能耗大部分情况下是没必要消耗的，因为大部分物联网终端是处于低速运动甚至是压根就不移动的。

对此，3GPP在R16版本中，针对低速移动和非小区边缘场景定义了RRM测量放松机制：当终端满足低速率条件一定时间，或同时满足低速率和非小区边缘两个条件时，允许终端放宽邻区测量，比如通过加大RRM测量周期来降低邻区测量次数和测量的邻小区个数，从而减少终端耗电。而在R17版本中，针对RedCap终端进一步延长了放宽时间；另外，针对处于RRC_CONNECTED状态的终端，终端的RLM（Radio link monitoring，无线链路监控）以及BFD（Beam Failure Detection，波束失效检测）也会耗费电量，3GPP对此也引入了RRM测量放松的机制。

PEI

（paging early indication，极早寻呼指示）

终端在RRC-IDLE和RRC_INACTIVE状态，需要监听接收寻呼消息Paging。在此之前，需要处理一个或多个SSB（synchronization signal block ， 同步信号块 ）完成下行自动增益控制调整、下行时频同步和RRM 测量等以满足paging消息的有效检测和小区重选的判断。这些处理基于SSB 信号，NR中SSB发送周期为20 ms，因此，终端可能需要在PO（Paging Occasion，寻呼时机）之前保持较长时间的接收状态完成SSB的处理，使5G终端的待机功耗较高。

为了降低RRC-IDLE和RRC_INACTIVE状态终端的功耗，3GPP在R17引入了PEI特性：通过对UE进行分组，然后网络侧将PEI occasion和PO关联，只有UE收到所属子组的PEI显示有paging需要接收时，UE才会关联PO去监听paging，否则就可以跳过paging消息的监听，继续休眠。PEI-O的搜索空间比PO的搜索空间小，检测PEI所需的同步精度需求较低，因此终端在检测PEI前需要处理的SSB 个数少于终端直接检测paging消息需要处理的SSB个数，又由于大部分时间段终端并没有实际被寻呼，因此，PEI 的引入可以减少终端对SSB的处理，达到省电的效果。根据目前的研究结果，PEI可以降低终端在IDLE态的功耗高达10%～30%！细心的小伙伴是不是发现了，PEI与前文提到的WUS是不是很像？

图6 PEI（极早寻呼指示）示意图

PDCCH Skipping

很多物联网终端与网络的数据交互非常少，有的终端比如水表电表可能1个月只需要发送一次数据就可以了。这类数据量少且有规律的终端频繁醒来去监听PDCCH，既浪费有限的网络资源，又造成终端电量的消耗。因此3GPP R17定义了PDCCH Skipping功能：网络侧可以提前预知终端在将来多长时间没有数据发送，然后通知终端，在这段时间内可以休个假，不进行 PDCCH 监听，待有数据发送时，再进行 PDCCH 监听。终端经常能休个长假，肯定比时不时起来工作并且做的还是无用功更省电啊。

图7 PDCCH Skipping示意图

罗德与施瓦茨RedCap终端功耗高效测试方案

随着5G RedCap 技术的蓬勃发展，产业界也随之迈向了快速成熟的阶段。截至目前，市面上已涌现出近百款商用 RedCap 终端，各大制造商纷纷在产品中整合了多种省电技术。面对琳琅满目的RedCap终端产品，您在做选择的时候是不是会有如下疑问？

每款终端部署了哪些省电技能？

这些技能的部署究竟带来了怎样的省电效果？

罗德与施瓦茨的终端功耗测试方案，可以对RedCap终端省电技术的部署效果进行定性和定量的评估。

图8 R&S 终端功耗测试方案

从图8可以看出，该方案由R&S CMX500综测仪与R&S NGM/NGU直流电源组成。

R&S CMX500是罗德与施瓦茨公司推出的最新一代无线通信测试仪，除了继承业界广为应用的CMW系列综测仪平台所有的优点外，仪表的硬件软件性能都进行了极大的升级，以提升测试性能及测试效率，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 是罗德与施瓦茨公司推出的高性能直流电源，专为满足实验室、生产和开发领域对高精度、可靠直流电源的需求。NGM/NGU均提供多种电压和电流配置，适用于广泛的应用场景，包括5G、物联网（IoT）设备、通信模块、嵌入式系统、工业自动化、智能城市、车联网等领域。

在我们的评估系统中，CMX500模拟基站扮演着核心角色，为被测RedCap终端提供模拟的网络信令连接。此外，CMX500还能够精细模拟配置终端支持的各类省电技能，从而定性地确认终端对这些省电技术的支持情况。同时，NGM/NGU直流电源给被测终端供电，实时测量并记录终端在不同模拟配置情况下的功耗变化情况，定量地评估每个省电功能带来的省电效果。

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