移動互聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)能的研究

余翔，宋瑤

（重慶郵電大學(xué), 重慶 400065）

移動互聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)能的研究

余翔，宋瑤

（重慶郵電大學(xué), 重慶 400065）

本文首先介紹了新興應(yīng)用的流量特征，然后分析了影響終端能耗的因素和傳統(tǒng)的節(jié)電方案非連續(xù)接收（DRX）機(jī)制，最后綜述了目前最新研究的兩種優(yōu)化的DRX節(jié)能機(jī)制。

新興應(yīng)用；移動互聯(lián)網(wǎng)終端；DRX；節(jié)能

近幾年智能終端與豐富的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的密切結(jié)合是移動互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的強(qiáng)大推動力，而移動產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了能耗的加劇。據(jù)統(tǒng)計，信息與通信技術(shù)（Information and Communication Technologic，ICT）消耗了世界總能量的2%，ICT消耗的總能量中，54%是由于固定的和移動的通信造成的[1]。

在3GPP-LTE系統(tǒng)中引入OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)和多天線MIMO（Multi-Input，Multi-Output）等傳輸技術(shù)，這些技術(shù)不僅顯著增加了頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率，也增加了移動終端的電路設(shè)計的復(fù)雜性，另外，例如QQ、微信、飛信等新興應(yīng)用在智能手機(jī)上的廣泛使用，導(dǎo)致移動終端的電池能耗加劇。移動互聯(lián)網(wǎng)終端通常是由電池供電的，由于電池的容量非常有限，大大滯后于終端的能耗增加速度。同時隨著LTE等移動多模智能終端的逐步推廣應(yīng)用以及新興業(yè)務(wù)的開展，這一矛盾日趨嚴(yán)峻。

因此，移動互聯(lián)網(wǎng)終端的節(jié)能研究已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)問題之一。本文就是從移動互聯(lián)網(wǎng)終端的能耗方面來考慮節(jié)能問題。從新興業(yè)務(wù)的角度出發(fā)，分析了新興業(yè)務(wù)導(dǎo)致終端能耗加劇的原因，針對這一原因，總結(jié)了兩種有效的優(yōu)化的DRX節(jié)能方法。

1 新型應(yīng)用的流量特征

在智能手機(jī)、電子閱讀器之類的智能移動設(shè)備引入之前，在移動終端上廣泛使用的是一些傳統(tǒng)的應(yīng)用，如HTTP Web瀏覽器和FTP等。本文引用了ETSI（European Telecommunications Standards Institute）數(shù)據(jù)模型，用來表示數(shù)據(jù)流量[2]。傳統(tǒng)應(yīng)用通常是由活躍和不活躍的會話組成，如圖1所示，通常只在活躍期，即連接狀態(tài)時有流量產(chǎn)生，一旦用戶會話期結(jié)束，用戶設(shè)備就進(jìn)入非活躍期，即空閑狀態(tài)，流量終止。

圖1 ETSI數(shù)據(jù)模型

目前，智能終端快速普及，越來越多的業(yè)務(wù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，固定網(wǎng)絡(luò)與移動互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)終端與計算機(jī)之間的界限已經(jīng)越來越模糊。傳統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)不能滿足用戶的需求，因此，越來越多的用戶開始使用諸如SNS社交服務(wù)、LBS位置服務(wù)、IM即時通信、微博、微信等新興的移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這些應(yīng)用使得用戶行為變得越來越復(fù)雜。這些新興的應(yīng)用的流量特征不同于之前的傳統(tǒng)應(yīng)用，會導(dǎo)致終端有小數(shù)據(jù)分組的傳輸，如圖2所示，用戶設(shè)備在活躍期有流量產(chǎn)生，然而在非活躍期即空閑狀態(tài)也會有一些小的數(shù)據(jù)爆發(fā)，如狀態(tài)更新和持續(xù)連接等信息被發(fā)送，從而使活躍期和非活躍期之間的界限變得很模糊。因此，用戶設(shè)備在持續(xù)的非活躍期間無法處于靜止?fàn)顟B(tài)，頻繁的在連接和非連接之間切換。

圖2 新興應(yīng)用的流量特征

總之，這些新興應(yīng)用在智能終端上的廣泛使用導(dǎo)致終端具有高數(shù)據(jù)量、永久在線、頻繁的信令連接釋放、頻繁的小數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。終端在連接狀態(tài)的時間增加，導(dǎo)致了更多的設(shè)備功耗。同時，用戶使用終端與移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸和信令交互，會導(dǎo)致大量的信令開銷，電量消耗很大，直接影響了用戶體驗(yàn)[3]。目前，由于新興應(yīng)用導(dǎo)致移動設(shè)備電池壽命減少的問題，吸引了大量的研究團(tuán)體的關(guān)注。

2 在LTE系統(tǒng)中終端耗電的主要因素及節(jié)電的方案

2.1 LTE系統(tǒng)中終端耗電的主要因素

在移動互聯(lián)網(wǎng)終端中，消耗能量的有硬件設(shè)備和軟件，其中直接消耗能量的是硬件設(shè)備。移動互聯(lián)網(wǎng)終端的軟件能耗主要體現(xiàn)在編譯器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序上。移動互聯(lián)網(wǎng)終端硬件主要包括以下幾個單元，射頻單元、模擬中頻單元、基帶處理單元、其它電路等。終端的主要任務(wù)主要集中在外圍設(shè)備、基帶處理單元和射頻單元。對應(yīng)的硬件功耗也主要在這三個模塊產(chǎn)生。

在LTE系統(tǒng)中終端的耗電因素主要是受到無線環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)配置、協(xié)議?？刂埔约敖K端軟硬件方案、電源管理、芯片本身的低功耗設(shè)計以及工藝特性等。較高的頻譜利用率和數(shù)據(jù)速率，更豐富多彩的業(yè)務(wù)以及終端復(fù)雜的基帶數(shù)據(jù)處理和功放線性引入的低功率電源效率等，都使得LTE移動互聯(lián)網(wǎng)終端功耗問題變得跟嚴(yán)峻。針對這一問題，起決定性的作用的解決方案還是終端本身的省電技術(shù)。由最近的3GPP版本可知，在LTE系統(tǒng)中，采用非連續(xù)接收機(jī)制（DRX）作為移動互聯(lián)網(wǎng)終端的省電技術(shù)[4，5]。DRX機(jī)制主要是影響射頻部分的功耗。

2.2 節(jié)電方案——DRX機(jī)制

DRX機(jī)制的基本思想是允許UE在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送/接收時關(guān)閉其無線收發(fā)電路進(jìn)入休眠模式，避免不必要的功率開銷。LTE系統(tǒng)無線資源控制層將終端分為空閑（RRC-idle）和連接（RRC-connected）2個狀態(tài)。在LTE電源管理模式中，用戶設(shè)備在活躍期（會話期）處于RRC（Radio Resource Control）連接狀態(tài)，在非活躍期（會話間隔期）處于RRC閑置狀態(tài)。LTE系統(tǒng)中引入的非連續(xù)接收（DRX，Discontinuous Reception）方案就在RRC-idle和RRC-connected兩種狀態(tài)中[6]。LTE系統(tǒng)中的DRX分為以下兩種：一是空閑狀態(tài)下的DRX機(jī)制（IDLE-DRX）；二是連接狀態(tài)下的DRX機(jī)制（Connected-DRX）。在LTE系統(tǒng)中，DRX的休眠期定義了長DRX循環(huán)和短DRX循環(huán)。在RRC-connected中UE處于3個模式：連續(xù)接收、長DRX和短DRX。在RRC-idle中UE只處于DRX模式，如圖3所示[7]。DRX不同參數(shù)的配置要權(quán)衡UE的節(jié)能、時延和信令負(fù)載。

圖3 LTE系統(tǒng)中RRC狀態(tài)轉(zhuǎn)換

2.2.1 空閑模式下的DRX

空閑模式下的DRX周期分為激活期和睡眠期。在激活期，UE全面監(jiān)聽物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel， PDCCH），并在DRX激活期結(jié)束之后進(jìn)入睡眠期。在睡眠期，UE關(guān)閉接收機(jī)電源，停止接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)，主要通過監(jiān)聽尋呼信道和廣播信道，并在尋呼時刻到來時啟動監(jiān)視PDCCH。這個過程按照DRX周期配置進(jìn)行循環(huán)。

2.2.2 連接模式下的DRX

在連接模式DRX中UE有兩個狀態(tài)，連續(xù)接收和DRX狀態(tài)。連續(xù)接收屬于活動期，包括開啟持續(xù)時間和去激活期。DRX狀態(tài)為休眠期，由short DRX cycle 和long DRX cycle交替組成。在此模式下，DRX工作的方式為：通過RRC配置的幾個DRX定時器與DRX周期結(jié)合，協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)DRX節(jié)能的作用，如圖4所示。定時器有：

Active Time：UE從DRX睡眠周期醒來后保持激活的時間，包含on Duration Timer(Ton)和DRX Inactivity Timer(T1)。

on Duration Timer(Ton)：在每個DRX周期開始UE需要監(jiān)聽PDCCH這段時間，稱為開啟持續(xù)時間。

DRX Inactivity Timer(T1)：UE在成功檢測到一個指示上行或下行初始傳輸?shù)腜DCCH后，需要繼續(xù)連續(xù)檢測的PDCCH子幀數(shù)，這段時間稱為去激活時間。

DRX Short Cycle Timer：指定短DRX周期的個數(shù)。

DRX Long Cycle Timer： 指定長DRX周期的個數(shù)。

DRX周期：一個DRX周期包括兩個時間段。一個是開啟持續(xù)時間（Ton），在這段時間UE監(jiān)聽PDCCH，等待或者接收演進(jìn)型基站下行數(shù)據(jù)發(fā)送；另一個是睡眠狀態(tài)（Toff），UE關(guān)閉收發(fā)單元，不監(jiān)聽PDCCH。長短DRX周期的Ton大小一樣，Toff不同。

連續(xù)接收和長短DRX之間的轉(zhuǎn)換由eNB中的定時器（周期配置方法）或命令來控制。如果T1超時或者收到eNB控制信息單元，就會停止監(jiān)聽。此時立即啟動DRX Short Cycle Timer，使用DRX短周期（Tsdc）；如果DRX Short Cycle Timer超時，那么啟動DRX Long Cycle Timer，執(zhí)行DRX長周期（Tldc）。

圖4 RRC-Connected狀態(tài)下的DRX機(jī)制

3 優(yōu)化的DRX節(jié)能機(jī)制

LTE系統(tǒng)中針對終端節(jié)能采用的非連續(xù)接收（DRX）機(jī)制，能有效的節(jié)省終端電池的電量。傳統(tǒng)的DRX節(jié)能機(jī)制是以增加系統(tǒng)的時延為代價，來獲得更高的功率節(jié)省增益。DRX機(jī)制的應(yīng)用及其定時器參數(shù)的配置需要考慮節(jié)能和時延的權(quán)衡問題。目前針對更加豐富的移動互聯(lián)網(wǎng)新興應(yīng)用，以及更高的用戶需求，對傳統(tǒng)的DRX節(jié)能機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，使其在最小化的影響用戶體驗(yàn)的前提下獲得最大的節(jié)能。本文詳細(xì)介紹了兩種優(yōu)化的DRX機(jī)制，以適應(yīng)于LTE系統(tǒng)中的移動互聯(lián)網(wǎng)新興應(yīng)用。

3.1 權(quán)衡時延-節(jié)能的DRX機(jī)制

由新興應(yīng)用的流量特征可知，終端處于RRC連接狀態(tài)時間長，能耗增多。若優(yōu)化連接狀態(tài)下的DRX機(jī)制，通過合適的參數(shù)配置，就可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。

對于在DRX中的Toff到達(dá)的數(shù)據(jù)分組，數(shù)據(jù)分組會被存在臨時的DRX緩沖區(qū)中，直到DRX睡眠期結(jié)束，即當(dāng)前的DRX周期結(jié)束，進(jìn)入下一個DRX周期時才被發(fā)送。這就導(dǎo)致了時延的問題。對于時延敏感的業(yè)務(wù)如在線游戲，優(yōu)化的DRX機(jī)制在最小時延的情況下，使UE得到最大的節(jié)能；對于時延要求不敏感的業(yè)務(wù)如社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，優(yōu)化的DRX機(jī)制可在一定的時延范圍內(nèi)，使UE獲得最大的節(jié)能。

優(yōu)化的DRX參數(shù)選擇：固定Ton的值，改變T1和Tldc的值。Ton值確定之后，節(jié)能和時延主要取決于T1和Tldc的值。數(shù)據(jù)緩沖時延是在DRX Toff期間產(chǎn)生的。增加T1的值會使UE處于活躍期的時間增長，減少了DRX周期的個數(shù)，因此，可以減少時延，但是會增加能耗。增加Tldc的值，由于Ton不變，即增大Toff，會導(dǎo)致時延增加，但是能耗減少。綜上可知，DRX周期變長或者頻率變大即增加Tldc或者減少T1的值，可以獲得較大的節(jié)能；反之，DRX周期變短或者頻率變小即減小Tldc或者增加T1的值，可以減少時延。

因此，可根據(jù)業(yè)務(wù)的類型進(jìn)行DRX參數(shù)的配置，對于時延敏感的業(yè)務(wù)可選擇較小的Tldc和較大的T1；對于時延不敏感的業(yè)務(wù)可以配置較大的Tldc和較小的T1。這種優(yōu)化的DRX節(jié)能機(jī)制有效的權(quán)衡了時延和節(jié)能之間的關(guān)系[8]。

3.2 權(quán)衡空閑-連接狀態(tài)的DRX機(jī)制

UE的能耗主要是在連接狀態(tài)產(chǎn)生，處于連接狀態(tài)會導(dǎo)致能耗增多，而處于空閑狀態(tài)，新興業(yè)務(wù)的流量特征導(dǎo)致UE頻繁的在連接和空閑狀態(tài)切換，進(jìn)而增加信令負(fù)荷和能耗。這個優(yōu)化的DRX節(jié)能機(jī)制有效的權(quán)衡了空閑狀態(tài)和連接狀態(tài)，達(dá)到了節(jié)能和減少信令負(fù)荷的效果。此方案是利用DRX節(jié)能機(jī)制和RRC釋放定時器（RT）、數(shù)據(jù)分組之間的時間間隔（Inter Arrival Time，IAT）、UE的移動速率配合作用，并根據(jù)業(yè)務(wù)的流量特征，選擇合適的參數(shù)值，達(dá)到節(jié)能的目的[9]。

RRC建立和連接發(fā)生在閑置連接模式信令過程，其中RRC連接發(fā)生在UE從空閑狀態(tài)到連接狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，RRC釋放發(fā)生在UE從連接到空閑狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程?；就ㄟ^使用一個RT和RRC釋放過程來控制UE的狀態(tài)。如果在RRC釋放定時器期間沒有上行鏈路或者下行鏈路信息到達(dá)，基站向UE發(fā)送RRC釋放信息指示UE進(jìn)入空閑狀態(tài)。IAT是指新興業(yè)務(wù)的流量中數(shù)據(jù)分組之間的時間間隔，且服從幾何分布。

據(jù)研究結(jié)果表明，信令負(fù)載取決于UE的移動速率和流量模型。根據(jù)業(yè)務(wù)的流量特征，當(dāng)IAT值較小時，若UE的移動速率低，可選用較大的RT值，使得UE處于連接狀態(tài)時間長，同時采用DRX節(jié)能機(jī)制，從而可以達(dá)到很好的節(jié)能和減少信令負(fù)荷的效果。反之，當(dāng)IAT值較大時，若UE的移動速率值也較高，可選用較小的RT值，使得UE處于空閑狀態(tài)時間長，同時采用DRX節(jié)能機(jī)制，從而可以獲得較好的節(jié)能和減少信令負(fù)荷的效果。

總之，此優(yōu)化的DRX節(jié)能機(jī)制，在考慮業(yè)務(wù)流量特征和UE的移動速率前提下，通過使用RRC釋放定時器和DRX機(jī)制，可以獲得比傳統(tǒng)DRX機(jī)制更好的省電性能。

4 總結(jié)

移動互聯(lián)網(wǎng)終端功能的不斷強(qiáng)大，對于終端的節(jié)能省電技術(shù)的研究也將會得到業(yè)界的更加重視。本文是從新興業(yè)務(wù)導(dǎo)致移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端能耗的角度出發(fā)，綜述了解決這一問題的最新研究成果。未來針對DRX節(jié)能機(jī)制，還可以從改變DRX的其它參數(shù)如持續(xù)時間定時器，或者DRX機(jī)制與終端相關(guān)的其它參數(shù)配合使用，對終端能耗、時延、信令負(fù)荷的影響等方面進(jìn)一步研究。根據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，適時的優(yōu)化DRX機(jī)制，是一種有效的終端節(jié)能方法。在節(jié)能的方法中，共同點(diǎn)就是達(dá)到節(jié)能的同時還要保證業(yè)務(wù)性能的要求。未來的移動通信互聯(lián)網(wǎng)終端的趨勢，將會以用戶滿意度和體驗(yàn)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。終端節(jié)能的發(fā)展，無論是對于制造商還是運(yùn)營商而言，這都將會是一個新的挑戰(zhàn)。

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Mobile internet terminal energy conservation research

YU Xiang, SONG Yao
(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

In this paper, frstly , the traffc characteristics of emerging applications is explored, then a analysis of the factors which infuence terminal’s energy consumption and traditional energy saving scheme DRX mechanism is presented. Finally, the latest research of two kind of optimization DRX energy saving mechanism is summarized.

emerging applications; mobile internet terminal; DRX; energy saving

TN86

A

1008-5599（2014）01-0064-05

2013-11-18

國家科技重大專項(xiàng)“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”（2012ZX03006002003）。