隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的蓬勃發(fā)展，對低功耗、低成本終端設(shè)備的需求日益增長。RedCap（Reduced Capability）作為5G NR（New Radio）面向中低速物聯(lián)網(wǎng)場景推出的輕量化5G終端技術(shù)，在滿足一定性能要求的前提下，通過降低終端復(fù)雜度來降低成本和功耗。然而，在追求更低功耗的道路上，RedCap終端仍面臨諸多挑戰(zhàn)。輕量化協(xié)議棧與不連續(xù)接收（DRX，Discontinuous Reception）參數(shù)協(xié)同優(yōu)化成為提升RedCap終端節(jié)能效果的關(guān)鍵策略，對于推動RedCap技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

RedCap終端節(jié)能需求與挑戰(zhàn)

節(jié)能需求

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備往往部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)或依靠電池供電，續(xù)航能力是其關(guān)鍵指標(biāo)。RedCap終端作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的重要組成部分，需要在保證通信質(zhì)量的前提下，盡可能降低功耗，延長設(shè)備的使用壽命，減少維護(hù)成本。例如，智能抄表、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用場景，設(shè)備可能長時間處于待機(jī)狀態(tài)，只有在特定時間才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此對節(jié)能要求極高。

面臨挑戰(zhàn)

RedCap終端在節(jié)能方面面臨多方面挑戰(zhàn)。一方面，5G NR協(xié)議棧較為復(fù)雜，包含大量的控制信令和數(shù)據(jù)處理流程，這會增加終端的功耗。另一方面，DRX機(jī)制雖然能夠有效降低終端在空閑狀態(tài)下的功耗，但參數(shù)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲增加或功耗降低效果不明顯。此外，RedCap終端在硬件資源上相對受限，如何在有限的資源下實現(xiàn)高效的節(jié)能設(shè)計也是一個難題。

輕量化協(xié)議棧設(shè)計

協(xié)議棧功能裁剪

為了降低RedCap終端的功耗，可以對5G NR協(xié)議棧進(jìn)行功能裁剪。去除一些不必要的協(xié)議層或功能模塊，例如，對于一些對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的應(yīng)用，可以簡化物理層和MAC層的部分復(fù)雜算法，減少計算量。同時，對高層協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，減少控制信令的開銷。例如，在RRC（Radio Resource Control）層，可以精簡連接建立、釋放等過程的信令交互，只保留必要的核心功能。

協(xié)議棧架構(gòu)優(yōu)化

采用更加高效的協(xié)議棧架構(gòu)也是輕量化的重要手段。例如，采用模塊化設(shè)計，將協(xié)議棧的各個功能模塊進(jìn)行獨(dú)立封裝，便于根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行靈活配置和裁剪。此外，引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的思想，將協(xié)議棧的部分功能進(jìn)行虛擬化處理，提高資源的利用率和靈活性。

DRX參數(shù)優(yōu)化

DRX基本原理

DRX機(jī)制允許終端在空閑狀態(tài)下周期性地關(guān)閉接收機(jī)，只在特定的時間窗口內(nèi)監(jiān)聽尋呼消息，從而降低功耗。DRX參數(shù)主要包括DRX周期、監(jiān)聽窗口長度、非激活定時器等。合理設(shè)置這些參數(shù)可以在功耗和延遲之間取得平衡。

參數(shù)優(yōu)化策略

針對RedCap終端的特點，可以采用動態(tài)DRX參數(shù)優(yōu)化策略。根據(jù)終端的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)傳輸頻率和網(wǎng)絡(luò)狀況等因素，實時調(diào)整DRX參數(shù)。例如，對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較大、傳輸頻率較高的終端，可以適當(dāng)縮短DRX周期，增加監(jiān)聽窗口長度，以保證數(shù)據(jù)的及時傳輸；而對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較小、傳輸頻率較低的終端，則可以延長DRX周期，減少監(jiān)聽窗口長度，進(jìn)一步降低功耗。

輕量化協(xié)議棧與DRX參數(shù)協(xié)同優(yōu)化

協(xié)同優(yōu)化機(jī)制

輕量化協(xié)議棧與DRX參數(shù)協(xié)同優(yōu)化需要建立一個統(tǒng)一的優(yōu)化框架。在該框架下，協(xié)議棧的狀態(tài)變化（如連接建立、釋放）可以觸發(fā)DRX參數(shù)的調(diào)整。例如，當(dāng)終端從連接狀態(tài)進(jìn)入空閑狀態(tài)時，協(xié)議?？梢酝ㄖ狣RX模塊根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)情況重新設(shè)置DRX參數(shù)。同時，DRX參數(shù)的調(diào)整也會影響協(xié)議棧的運(yùn)行，例如，較長的DRX周期可能導(dǎo)致協(xié)議棧在數(shù)據(jù)傳輸時需要更長的等待時間，因此協(xié)議棧需要相應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)緩存和重傳機(jī)制。

性能提升效果

通過輕量化協(xié)議棧與DRX參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，RedCap終端可以在功耗和性能之間取得更好的平衡。實驗結(jié)果表明，協(xié)同優(yōu)化后的RedCap終端在保持一定數(shù)據(jù)傳輸性能的前提下，功耗可以顯著降低。例如，在智能物流跟蹤應(yīng)用中，協(xié)同優(yōu)化后的終端電池續(xù)航時間可以延長30%以上，同時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準(zhǔn)確性也能得到保障。

結(jié)論與展望

輕量化協(xié)議棧與DRX參數(shù)協(xié)同優(yōu)化是提升RedCap終端節(jié)能效果的有效途徑。通過功能裁剪和架構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)協(xié)議棧的輕量化，結(jié)合動態(tài)DRX參數(shù)優(yōu)化策略，可以在功耗和性能之間取得良好的平衡。未來，隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷拓展，RedCap終端節(jié)能設(shè)計將面臨更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。需要進(jìn)一步研究更加智能、高效的協(xié)同優(yōu)化算法，結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)RedCap終端節(jié)能的自動化和智能化，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供更強(qiáng)大的支持。