LTE業(yè)務(wù)的不連續(xù)接收節(jié)能省電機(jī)制＊

劉濤

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信安全研究所，重慶 400065）

1 引言

DRX作為無(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。其基本思想是終端沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉收發(fā)單元以達(dá)到降低終端功耗。在3GPP的LTE項(xiàng)目中，對(duì)LTE系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格的時(shí)延要求，一方面要求顯著降低控制平面時(shí)延，具體為移動(dòng)終端從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)移到激活狀態(tài)時(shí)延要求為100 ms，從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)移到激活狀態(tài)的時(shí)延要求為50 ms；另一方面要求降低用戶(hù)平面時(shí)延，數(shù)據(jù)分組從移動(dòng)終端或RAN邊緣節(jié)點(diǎn)IP層傳輸至RAN邊緣節(jié)點(diǎn)或UEIP層的單向傳輸時(shí)間要求為5 ms[1]。為了滿(mǎn)足這些時(shí)延要求，LTE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作過(guò)程中，提供了長(zhǎng)短DRX兩種周期，一定程度上滿(mǎn)足了不同業(yè)務(wù)的QoS時(shí)延要求。

2 DRX功能描述

DRX（非連續(xù)接收，Discontinuous Reception）即用戶(hù)設(shè)備在一段時(shí)間里停止監(jiān)聽(tīng)PDCCH信道，DRX分兩種。Idle DRX，顧名思義，也就是當(dāng)用戶(hù)設(shè)備處于Idle狀態(tài)下的非連續(xù)性接收，由于處于Idle狀態(tài)時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有RRC連接以及用戶(hù)的專(zhuān)有資源，因此這個(gè)主要是監(jiān)聽(tīng)呼叫信道與廣播信道，只要定義好固定的周期，就可以達(dá)到非連續(xù)接收的目的。但是用戶(hù)設(shè)備要監(jiān)聽(tīng)用戶(hù)數(shù)據(jù)信道，則必須從Idle狀態(tài)先進(jìn)入連接狀態(tài)。DRX作為無(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[2]。其基本思想是終端沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉收發(fā)單元以達(dá)到降低終端功耗。

一個(gè)DRX周期包括兩個(gè)時(shí)間段。第一個(gè)是on Duration Time，在這時(shí)間段里UE醒來(lái)監(jiān)聽(tīng)PDCCH,看eNode B是否有下行數(shù)據(jù)發(fā)送；第二個(gè)是睡眠時(shí)間段，在此時(shí)間段里，UE關(guān)閉收發(fā)單元，不監(jiān)聽(tīng)PDCCH,來(lái)達(dá)到節(jié)電目的。長(zhǎng)短DRX周期和連續(xù)接收之間的轉(zhuǎn)換由eNode B中的定時(shí)器（周期配置算法）或命令來(lái)控制。UE進(jìn)入DRX模式后，檢查當(dāng)前子幀是否滿(mǎn)足下面公式：

[(SFN×10)+ subframe number]modulo(current DRX)= DRX Start Offset

當(dāng)滿(mǎn)足上面公式時(shí)，那么就啟動(dòng)定時(shí)器on Duration Timer，此時(shí)UE就要開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)PDCCH信道了。

如果收到DRX MAC控制信息單元，也就意味著eNode B要 求UE進(jìn)入睡眠狀態(tài)，那么這時(shí)就會(huì)停止兩個(gè)定時(shí)器on Duration Timer和DRX-Inactivity Timer，但是并不會(huì)停止跟重傳相關(guān)的定時(shí)器。

如果DRX-Inactivity Timer超時(shí)或者收到DRX MAC控制信息單元，而且配置了短DRX周期，那么啟動(dòng)或者重啟DRX Short Cycle Timer，使用短DRX周期。否則使用長(zhǎng)DRX周期。如果DRX Short Cycle Timer超時(shí)，那么使用長(zhǎng)DRX周期。由于在短周期里面沒(méi)有收到PDCCH，則就認(rèn)為確實(shí)沒(méi)什么數(shù)據(jù)發(fā)送接收，那么短周期的監(jiān)聽(tīng)似乎沒(méi)有必要，因此把監(jiān)聽(tīng)的周期變長(zhǎng)一點(diǎn)，這樣長(zhǎng)短周期配合能夠達(dá)到更好的DRX效果。

3 DRX機(jī)制

3.1 空閑模式下的DRX功能機(jī)制

目前LTE中空閑模式下對(duì)PDCCH的監(jiān)視功能采用DRX方式，從而降低了功耗，空閑模式下的DRX工作機(jī)制固定，采用固定的周期，并在尋呼時(shí)刻（PO）到來(lái)時(shí)啟動(dòng)監(jiān)視PDCCH的功能，進(jìn)入空閑模式下的激活期（on Duration Timer），在激活期需要全面監(jiān)視PDCCH，在DRX激活期過(guò)去之后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)，PF（Paging Frame）表示含有一個(gè)或者多個(gè)PO的無(wú)線幀；若使用DRX，那么UE僅監(jiān)控每個(gè)DRX周期的PO。

在UE開(kāi)機(jī)后將會(huì)按照默認(rèn)的DRX周期配置進(jìn)行周期循環(huán)[3]。在尋呼時(shí)刻到來(lái)時(shí)將用P-RNTI對(duì)PDCCH進(jìn)行擾碼以便解出上面的數(shù)據(jù)。

3.2 RRC連接狀態(tài)下的DRX工作機(jī)制

在RRC連接狀態(tài)下的DRX工作機(jī)制，采用的是定時(shí)器與DRX環(huán)結(jié)合的工作方式，且eNone B也會(huì)保持與UE保持相同的DRX工作方式，并實(shí)時(shí)了解UE是處于激活期還是睡眠期，因此保證在激活期傳遞數(shù)據(jù)，而在睡眠期不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在RRC連接狀態(tài)下所涉及的省電方式可以歸為3種：第一種是短DRX環(huán)循環(huán)。如果在UE自身配置中包含有短DRX環(huán)及短DRX環(huán)定時(shí)器，則按照短DRX環(huán)進(jìn)行運(yùn)行，在短DRX環(huán)定時(shí)器超時(shí)后將會(huì)進(jìn)入長(zhǎng)DRX周期運(yùn)行狀態(tài)。第二種是長(zhǎng)DRX環(huán)循環(huán)。在激活期之后或短DRX環(huán)定時(shí)器超時(shí)后進(jìn)入長(zhǎng)DRX環(huán)運(yùn)行階段。第三種是收到DRX命令之后將會(huì)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，進(jìn)行DRX環(huán)的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。

RRC連接模式下的DRX工作原理：

進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)解決定時(shí)器后需要全面監(jiān)視PDCCH，在獲取上行數(shù)據(jù)之后立即開(kāi)啟DRX靜止定時(shí)器，在DRX靜止定時(shí)器超時(shí)后進(jìn)入DRX短環(huán)定時(shí)器運(yùn)行階段。

一個(gè)DRX周期包括兩個(gè)時(shí)間段。第一個(gè)是on Duration Time，在這時(shí)間段里UE醒來(lái)監(jiān)聽(tīng)PDCCH,看eNode B是否有下行數(shù)據(jù)發(fā)送；第二個(gè)是睡眠時(shí)間段，在此時(shí)間段里，UE關(guān)閉收發(fā)單元，不監(jiān)聽(tīng)PDCCH,來(lái)達(dá)到節(jié)電目的[4]。長(zhǎng)短DRX周期和連續(xù)接受之間的轉(zhuǎn)換由eNode B中的定時(shí)器（周期配置算法）或命令來(lái)控制。UE進(jìn)入DRX模式后，檢查當(dāng)前子幀是否滿(mǎn)足下面公式：

當(dāng)滿(mǎn)足上面公式時(shí)，那么就啟動(dòng)定時(shí)器on Duration Timer，此時(shí)UE就要開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)PDCCH信道了，進(jìn)入激活期。

在DRX環(huán)進(jìn)入on Duration Timer激活期之后將會(huì)監(jiān)視PDCCH，此時(shí)如果收到下行新數(shù)據(jù)或上行新授權(quán)將會(huì)開(kāi)啟DRX靜止定時(shí)器，并在此期間監(jiān)視所有的下行子幀。如果收到的是下行數(shù)據(jù)則將會(huì)開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的HARQ進(jìn)程的HARQ RTT定時(shí)器，這個(gè)定時(shí)器的作用是保證在其運(yùn)行期間，此HARQ進(jìn)程將不會(huì)接收其他數(shù)據(jù)，從而不再監(jiān)視其他PDCCH，降低功耗。

在收到新的數(shù)據(jù)塊后立即進(jìn)行解碼，并開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的HARQ進(jìn)程的HARQ RTT定時(shí)器，由于數(shù)據(jù)塊解碼失敗，因此在HARQ RTT超時(shí)之后需要開(kāi)啟DRX重傳定時(shí)器進(jìn)行監(jiān)視PDCCH。此外在收到數(shù)據(jù)塊之后需要判斷是否是新數(shù)據(jù)，在判斷是新數(shù)據(jù)且檢出的MAC PDU中沒(méi)有包含DRX命令控制元后，立即開(kāi)啟DRX靜止定時(shí)器，此定時(shí)器屬于全局定時(shí)器，在此定時(shí)器運(yùn)行期間將會(huì)連續(xù)監(jiān)視下行子幀。

在發(fā)送完畢上行數(shù)據(jù)之后將會(huì)根據(jù)固定的K值關(guān)系接收上行反饋在LTE中發(fā)送上行數(shù)據(jù)的子幀位置與接收此上行數(shù)據(jù)反饋的下行子幀的時(shí)隙關(guān)系是固定的，用KPHICH表示發(fā)送上行數(shù)據(jù)的子幀與接收對(duì)應(yīng)該上行子幀的反饋的下行子幀之間的差值。發(fā)送上行數(shù)據(jù)的子幀號(hào)為N在不同的TDD配置下，接收上行反饋的位置為N＋KPHICH。

在on Duration Timer中收到上行授權(quán)之后將會(huì)進(jìn)入Inactivity Timer運(yùn)行的階段，在DRX Inactivity Timer超時(shí)之后進(jìn)入短DRX環(huán)運(yùn)行時(shí)期，在應(yīng)該接收上行反饋的下行子幀處強(qiáng)制醒來(lái)，但并不影響短DRX環(huán)的運(yùn)行。收到DRX命令控制元后的操作。

4 DRX運(yùn)行機(jī)制總結(jié)

在LTE中各種定時(shí)器是由RRC層配置的，在發(fā)起RRC連接建立或重建之后將會(huì)通過(guò)MAC主配置將MAC層需要的各種參數(shù)配置下來(lái)，然后立即進(jìn)入短DRX環(huán)或長(zhǎng)DRX環(huán)運(yùn)行階段。在進(jìn)行激活期的定時(shí)器的計(jì)時(shí)中需要注意的是HARQ重傳定時(shí)器，DRX Inactivity Timer，on Duration Timer，只能計(jì)算下行子幀的時(shí)隙，上行子幀的時(shí)隙則不會(huì)包含在內(nèi)。在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候?qū)⑺械南滦凶訋臉?biāo)識(shí)位置為1，在進(jìn)行定時(shí)器運(yùn)行時(shí)需要此子幀標(biāo)志位是1還是0。此外如果沒(méi)有配置短DRX環(huán)定時(shí)器則在DRX Inactivity Timer超時(shí)后直接進(jìn)入長(zhǎng)DRX環(huán)運(yùn)行階段。

5 DRX的不同應(yīng)用

5.1 VoIP網(wǎng)絡(luò)電話

因?yàn)閂oIP是雙向連接的，所以DRX只能在用戶(hù)不需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組時(shí)使用。如果我們認(rèn)為VoIP采用眾所周知的開(kāi)／關(guān)模式，那么似乎就沒(méi)有機(jī)會(huì)去開(kāi)啟DRX機(jī)制，因此也不能達(dá)到省電的目的。但是，LTE允許采用其它方式去開(kāi)啟DRX。VoIP存在一個(gè)特點(diǎn)，即為在整個(gè)會(huì)話期間內(nèi)，周期的到達(dá)固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)分組。同樣存在一種啟動(dòng)DRX的方式就是利用這一特征。在發(fā)送完數(shù)據(jù)分組之后，eNode B指導(dǎo)UE進(jìn)入DRX模式。當(dāng)UE醒來(lái)去讀取下行鏈路上關(guān)于PDCCH的消息，DRX周期應(yīng)該根據(jù)下一個(gè)已定義數(shù)據(jù)分組而設(shè)置。假定VoIP數(shù)據(jù)分組用20 ms可以到達(dá)并且功率節(jié)省近似60%～70%（忽略重傳等）。

5.2 視頻數(shù)據(jù)流

視頻數(shù)據(jù)流以固定的視頻幀率（例如，10 frame/s）和在幀內(nèi)有固定數(shù)量但大小不同的數(shù)據(jù)組為特征?；诓煌曨l編碼器時(shí)延差異的存在，收發(fā)數(shù)據(jù)分組的時(shí)延將發(fā)生變化。接收到的緩沖數(shù)據(jù)分組將繼續(xù)傳送至接收端的譯碼器。電量節(jié)約是通過(guò)多個(gè)視頻流會(huì)話和標(biāo)會(huì)95%的數(shù)據(jù)分組時(shí)延測(cè)量的。DRX長(zhǎng)循環(huán)周期固定在100 ms，DRX短循環(huán)周期在12,25和50子幀里變化取值。對(duì)于視頻通信有保證的數(shù)據(jù)分組速率會(huì)影響數(shù)據(jù)分組時(shí)延。如果數(shù)據(jù)速度太低，DRX時(shí)間將有所減少。對(duì)于較快數(shù)據(jù)速率，DRX短循環(huán)周期不能影響數(shù)據(jù)分組時(shí)延的表現(xiàn)，這是因?yàn)榘l(fā)送速度太快從而增加了DRX機(jī)會(huì)。DRX短循環(huán)周期可以有效的作為一種工具去刻畫(huà)數(shù)據(jù)分組時(shí)延分布。增強(qiáng)DRX表現(xiàn)的一種有效方法是從DRX短循環(huán)周期以指數(shù)的方式增長(zhǎng)到DRX長(zhǎng)循環(huán)周期。

6 DRX應(yīng)用在VoIP業(yè)務(wù)中的仿真結(jié)果

圖1 對(duì)于不同持續(xù)時(shí)間的上行鏈路的VoIP容量

圖1展示了上行鏈路的VoIP容量。上行鏈路容量的衰退比同樣的下行鏈路會(huì)相對(duì)的更高。這是因?yàn)樯闲墟溌啡萘渴艿搅松闲墟溌穾至训挠绊?。如果無(wú)線條件不是很好，VoIP幀將會(huì)分裂，有時(shí)候分成兩個(gè)，有時(shí)候會(huì)分成更多部分。

因?yàn)镾R定時(shí)器可以讓用戶(hù)喚醒，所以用戶(hù)通常可以接收第一次授權(quán)。在接收到第一部分后，SR定時(shí)器將被關(guān)閉，并且開(kāi)啟不活動(dòng)定時(shí)器。對(duì)于終端可以接收的授權(quán)的剩余部分，它們必須在不活動(dòng)定時(shí)器定義的時(shí)窗之內(nèi)完成發(fā)送，即2 ms的時(shí)間長(zhǎng)度。一旦不活動(dòng)定時(shí)器中止，用戶(hù)便會(huì)回到睡眠狀態(tài)，并且在用戶(hù)再次喚醒之前將不會(huì)接收任何上行授權(quán)。這將增加數(shù)據(jù)延遲并且影響VoIP的整體性能。

圖2將不同持續(xù)時(shí)間的下行鏈路數(shù)據(jù)分組延遲進(jìn)行了對(duì)比。隨著增加持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)分組延遲將會(huì)減少。以50%CDF處的仿真特性為例，下行鏈路的數(shù)據(jù)分組延遲從低至高依次可排序?yàn)椋翰皇褂肈RX機(jī)制的終端、使用了4 ms持續(xù)時(shí)間的DRX機(jī)制的終端、使用了2 ms持續(xù)時(shí)間的DRX機(jī)制的終端以及使用了1 ms持續(xù)時(shí)間的DRX機(jī)制的終端。

圖2 對(duì)于不同持續(xù)時(shí)間的下行數(shù)據(jù)延遲

圖3 對(duì)于不同長(zhǎng)DRX周期的上行鏈路的VoIP容量

由圖3可知，在用戶(hù)量較少的情況下，no-DRX、不同on Duration Timer取值時(shí)，用戶(hù)滿(mǎn)意度沒(méi)有明顯的變化。一旦用數(shù)量增大到一定數(shù)量，比如圖中每小區(qū)用戶(hù)量達(dá)到70時(shí)，用戶(hù)滿(mǎn)意度反而不如no-DRX，這是由于在上行鏈路on Duration Timer的作用相比Inactive Timer不夠明顯。

7 結(jié)束語(yǔ)

LTE技術(shù)是當(dāng)前移動(dòng)通信非常重要的研究工作之一，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)速率，獲得更高的頻譜利用率，更優(yōu)化的信令流程和更短的信令時(shí)延，基于IP承載的更簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更強(qiáng)大的QoS管理機(jī)制等。目前LTE標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本穩(wěn)定。LTE中的DRX功能對(duì)于降低UE端的功耗，增加UE能源利用率有著重要意義，是移動(dòng)通信系統(tǒng)中省電方式的重點(diǎn)。

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