TD-LTE系統(tǒng)DRX機(jī)制的分析與設(shè)計(jì)*

李小文，徐志文，張 崢

（重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

TD-LTE系統(tǒng)DRX機(jī)制的分析與設(shè)計(jì)*

李小文，徐志文，張 崢

（重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

為了降低移動(dòng)終端的功率消耗，并且進(jìn)一步支持多種業(yè)務(wù)和大量數(shù)據(jù)的傳輸，在長(zhǎng)期演進(jìn)（TD-LTE）系統(tǒng)中引入了非連續(xù)接收省電機(jī)制（DRX）。通過(guò)各種定時(shí)器的操作詳盡分析了DRX機(jī)制的基本原理，設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)DRX機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)方案。仿真結(jié)果表明，此機(jī)制在減少功率消耗方面有很大的改進(jìn)，同時(shí)保證用戶(hù)的良好體驗(yàn)。

時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)；非連續(xù)接收機(jī)制；功率消耗；用戶(hù)體驗(yàn)

隨著節(jié)能減排意識(shí)的不斷深入人心，移動(dòng)通信系統(tǒng)在提供更高的頻譜利用率、更高速率、更豐富多媒體業(yè)務(wù)的同時(shí)，終端電能功耗將直接影響用戶(hù)的服務(wù)滿(mǎn)意度。為了最大程度地支持終端移動(dòng)性，保證優(yōu)良的用戶(hù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)，需要在保證用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下，盡可能延長(zhǎng)用戶(hù)終端的續(xù)航時(shí)間。非連續(xù)接收機(jī)制(DRX)作為從無(wú)線通信系統(tǒng)鏈路層優(yōu)化能量效率的一項(xiàng)重要方法被大多數(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)所采納，其基本思想是允許終端在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)刻關(guān)閉無(wú)線收發(fā)單元，進(jìn)入睡眠模式，以降低額外能量開(kāi)銷(xiāo)。DRX周期的參數(shù)涉及省電和時(shí)延之間的折中。長(zhǎng)的DRX周期對(duì)省電有利，短的DRX周期對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的快速反應(yīng)更加有利，為了滿(mǎn)足這些沖突的需求，本文詳盡分析了DRX機(jī)制的各種定時(shí)器并設(shè)計(jì)了一種可適應(yīng)的DRX調(diào)度算法。

1 DRX機(jī)制原理分析

為了達(dá)到節(jié)省用戶(hù)設(shè)備UE(User Eguipment)功耗的目的，UE會(huì)在某些時(shí)候采取非連續(xù)接收（DRX）的方式監(jiān)聽(tīng)PDCCH。下面分析連接態(tài)下的DRX。

對(duì)于RRC連接態(tài)下的DRX，RRC通過(guò)配置幾個(gè)定時(shí)器和DRX周期相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)DRX的功能。定時(shí)器有 OnDurationTimer、Drx-InactiveTimer、DrxShortCycle-Timer、HARQ-RTT-Timer和 Drx-RetransmissionTimer等，只要理解這些定時(shí)器的使用，連接態(tài)下的DRX機(jī)制基本上也就清楚了。下面簡(jiǎn)要介紹這幾個(gè)定時(shí)器。

On Duration Timer：指定在一個(gè)DRX周期開(kāi)始的連續(xù) PDCCHsubframe 的個(gè)數(shù)（1、2、3、4、5、6、8、10、20、30、40、50、60、80、100、200）。

Drx-InactiveTimer：指定成功解碼一個(gè)指示初始UL/DL用戶(hù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH后連續(xù)PDCCH subframe的個(gè)數(shù)，其值可為（1、2、3、4、5、6、810、20、30、40、50、60、80、100、200、300、500、750、1 280、1 920、2 560）。

Drx-RetransmissionTimer：UE預(yù) 期 接 收 DL Retransmission的時(shí)間的最大PDCCH subframe的個(gè)數(shù)其值可為1、2、4、6、8、16、24、33。

DrxShortCycleTimer：指定短DRX周期的個(gè)數(shù)。

HARQ-RTT-timer：在 DL HARQ重傳之前最少的子幀個(gè)數(shù)，也就是UE預(yù)期DL Retransmission到達(dá)的最少間隔時(shí)間。

下面用一個(gè)圖例，詳細(xì)說(shuō)明DRX中幾個(gè)定時(shí)器的操作過(guò)程。

如圖1所示，不論是短DRX周期還是長(zhǎng)DRX周期，都要啟動(dòng)On Duration Timer定時(shí)器，在這個(gè)定時(shí)器內(nèi)，終端都會(huì)不停地監(jiān)聽(tīng)是否有數(shù)據(jù)傳輸。在時(shí)刻1時(shí)，監(jiān)聽(tīng)到有指示上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH，此時(shí)將開(kāi)啟非激活定時(shí)器Drx-InactiveTimer，在這個(gè)定時(shí)器超時(shí)前，在時(shí)刻2又監(jiān)聽(tīng)到了一個(gè)指示下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH，此時(shí)重啟非激活定時(shí)器Drx-InactiveTimer。不論此時(shí)PDCCH指示的下行數(shù)據(jù)是重傳數(shù)據(jù)還是新數(shù)據(jù)，都啟動(dòng)定時(shí)器HARQ RTT Timer，等待著下一次數(shù)據(jù)的重傳。而在時(shí)刻3又監(jiān)聽(tīng)到了指示上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH，然后再次重啟非激活定時(shí)器Drx-InactiveTimer，直到這個(gè)定時(shí)器超時(shí)，然后在時(shí)刻4進(jìn)入休眠期。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在時(shí)刻5進(jìn)入到下一個(gè)短DRX周期內(nèi)，又一次啟動(dòng)定時(shí)器OnDuration Timer。在時(shí)刻 6定時(shí)器 HARQ-RTT-Timer超時(shí)，然后啟動(dòng)定時(shí)器 HARQ Retransmission Timer，在這個(gè)定時(shí)器期間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的重傳，這一次數(shù)據(jù)解碼正確，在時(shí)刻7又檢測(cè)到新的上行數(shù)據(jù)的傳輸，此時(shí)啟動(dòng)非激活定時(shí)器Drx-InactiveTimer，在其超時(shí)后在時(shí)刻8再次進(jìn)入到休眠期。在等待一段時(shí)間后，此時(shí)定時(shí)器DrxShortCycleTimer超時(shí)，這個(gè)定時(shí)器超時(shí)意味著所有短DRX周期的結(jié)束，然后在時(shí)刻9進(jìn)入到長(zhǎng)DRX周期內(nèi)，其的目的是更加節(jié)省終端的功耗。一般情況下，若配置了短DRX周期，都將先進(jìn)入短DRX周期內(nèi)，這樣就不會(huì)因?yàn)樾菝咂谶^(guò)長(zhǎng)而監(jiān)聽(tīng)不到數(shù)據(jù)的傳輸，給用戶(hù)帶來(lái)很不好的體驗(yàn)。在經(jīng)歷若干個(gè)短DRX周期之后，就會(huì)進(jìn)入到長(zhǎng)DRX周期內(nèi)，長(zhǎng)短DRX周期的結(jié)合能更好地提高DRX的效果。

2 DRX機(jī)制算法設(shè)計(jì)

2.1 連接下的DRX算法設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)DRX算法的研究，考慮兩種不同的方法：(1)靜態(tài)DRX。在這種模式中，只保存了一些基本的參數(shù)如DRX周期、On Duration Timer，非激活定時(shí)器被廢棄。其優(yōu)勢(shì)是不用更新配置信令，在省電方面能滿(mǎn)足要求。但是不能根據(jù)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù),導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。(2)自適應(yīng)DRX。此DRX機(jī)制主要是通過(guò)動(dòng)態(tài)地配置 DRX周期、On-Duration Timer、Drx-InactivityTimer等實(shí)現(xiàn)的。關(guān)于DRX周期的配置，一般有兩種考慮：(1)節(jié)省能量，它需要配置短的On Duration Timer、短的Drx-InactivityTimer、長(zhǎng)的 DRX cycle。(2)資源利用和信號(hào)的質(zhì)量。為此，需要配置長(zhǎng)的On Duration Timer、長(zhǎng)的Drx-InactivityTimer、短的 DRX cycle，但是如果網(wǎng)絡(luò)配置UE的DRX周期過(guò)長(zhǎng)，用戶(hù)體驗(yàn)會(huì)有很大的下降?；谶@種情況，一種自適應(yīng)DRX調(diào)度的機(jī)制被提出，此機(jī)制能夠最大化能量效率并滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。自適應(yīng)DRX算法具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 自適應(yīng)DRX機(jī)制算法優(yōu)勢(shì)

非連續(xù)接收機(jī)制在 LTE系統(tǒng)中有 Active、Save兩種不同的模式。Active相當(dāng)于正常模式，Save相當(dāng)于節(jié)省模式。主要通過(guò)是否在接收數(shù)據(jù)來(lái)區(qū)別Active模式中的狀態(tài)，通過(guò)是否監(jiān)聽(tīng)控制信道來(lái)區(qū)別Save模式的狀態(tài)。為了闡明DRX算法的優(yōu)勢(shì)，假設(shè)兩種模式出現(xiàn)各種狀態(tài)的概率為0.5，通過(guò)計(jì)算得單位幀內(nèi)功率比Esleep：Eawake=1：68，其中深睡功耗為 0 mW/TTI，淺睡功耗為 11 mW/TTI，激活狀態(tài)下有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗為500 mW/TTI，無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗為255.5 mW/TTI。UE在可適應(yīng)的DRX調(diào)度機(jī)制下的功率節(jié)省公式如下：

假設(shè)在DRX模式有M幀，在正常模式有N幀，功率節(jié)省百分比如圖3所示，此結(jié)果表明DRX周期越長(zhǎng)或單個(gè)周期內(nèi)激活的時(shí)間越短節(jié)省的功率越多。

如果網(wǎng)絡(luò)配置UE的DRX周期過(guò)長(zhǎng)，則用戶(hù)體驗(yàn)會(huì)有很大的下降，所以在滿(mǎn)足功率節(jié)省的同時(shí)，必須要考慮另外一個(gè)重要的性能指標(biāo)是時(shí)延，其公式如下：

其中，tmin為最小睡眠間隔（最小周期）；tmax為最大睡眠間隔（最大間隔）；pk為在返回工作模式前經(jīng)歷K個(gè)睡眠周期的概率；tl為監(jiān)聽(tīng)周期；K為返回到工作模式前經(jīng)歷的睡眠周期個(gè)數(shù)；λ為數(shù)據(jù)到達(dá)系統(tǒng)的速率；μ為基站和移動(dòng)臺(tái)之間的服務(wù)速率；w為不同周期的個(gè)數(shù)。

假設(shè) tmax：tl=4：1，K 的取值為 2、4、6。 圖 4 描述了不同周期的時(shí)延，結(jié)果顯示，DRX周期和時(shí)延越長(zhǎng)，用戶(hù)體驗(yàn)就越差、且返回工作模式前睡眠周期的個(gè)數(shù)越少、時(shí)延越短。為了解決時(shí)延和功率的矛盾，在用戶(hù)可接受的情況下，通過(guò)圖3和圖4，此機(jī)制能夠確定出最佳周期長(zhǎng)度的值。所以本文研究的自適應(yīng)調(diào)度算法在LTE系統(tǒng)中有一定的參考價(jià)值。

[1]3GPP TS 36.321 V9.1.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Medium Access Control(MAC)protocol specification[S].2010(3).

[2]3GPP TS 36.331 V9.1.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Radio Resource Control(RRC)[S].2010(3).

[3]KOLDING T E，WIGARD J，DALSGAARD L.Balancing power saving and single user experience with discontinuous reception in LTE[C].ISWCS’08，Reykajvik，2008.

[4]BONTU C，ILLIDGE E.DRX mechanism for power saving in LTE[J]，J.IEEE CommunicationMagazine,2009,47(6)：48-55.

[5]WIGARD J.On the user performance of LTE UE power savings schemes with discontinuous reception in LTE[C].ICC Dresden,2009.

[6]張春業(yè)，寧祥峰，李仁波.一種基于 LTE系統(tǒng) DRX裝置及其控制方法：中國(guó)，201010178840.9[P].2010-05-21.

Analysis and design of DRX mechanism in TD-LTE systems

Li Xiaowen，Xu Zhiwen，Zhang Zheng
(Chongqing Key Lab of Mobile Communications,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065，China)

In order to reduce the power consumption of the user equipment,and further support the transmission of a wide range of business and the large amount of data.The Long Term Evolution(TD-LTE)system adopts discontinuous reception(DRX)mechanisms.This article through various timer operation which analyze in detail the basic principles of DRX mechanism and design a specific realization scheme for adaptive DRX mechanism.The simulation results show that this mechanism in the reduction of power consumption is greatly improved,at the same time,it ensure the good experience of the user.

TD-LTE；DRX；power consumption；good experience

TN929.5

A

0258-7998(2012)03-0044-03

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng),TD-LTE無(wú)線綜合測(cè)試儀表開(kāi)發(fā)（2009ZX3002-009）

2011-10-10)

李小文，男，1955年生，教授，主要研究方向：TDSCDMA，TD-LTE協(xié)議棧。

徐志文，男，1988年生，在讀研究生，主要研究方向：LTE高層協(xié)議棧。