NB-Io T中的擴(kuò)展型非連續(xù)接收技術(shù)(eDRX)

1 eDRX與PTW工作原理

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT）是一種強(qiáng)覆蓋、低功率、低成本、大連接的接入技術(shù)。為了滿足低功率的技術(shù)要求，最直接的方法是降低終端的活動(dòng)時(shí)間，eDRX就是在傳統(tǒng)的非連續(xù)接收技術(shù)（DRX）基礎(chǔ)上，為了滿足NB-IoT終端超低功耗要求提出的一種增強(qiáng)型技術(shù)。3GPP工作組在R13版本引入了eDRX功能，比起傳統(tǒng)的DRX技術(shù)，eDRX支持更長(zhǎng)周期的尋呼監(jiān)聽(tīng)，提高空閑時(shí)間占比達(dá)到降低功耗的目的。一個(gè)完整的eDRX周期包含尋呼時(shí)間窗口期和空閑期，在尋呼時(shí)間窗口期內(nèi)，NB-IoT終端使用DRX技術(shù)進(jìn)行尋呼監(jiān)聽(tīng)。

NB-IoT的非連續(xù)接收技術(shù)（DRX）原理與LTE相似，但工作信道有所不同。在空閑狀態(tài)下，NB-IoTUE工作在非連續(xù)接收的狀態(tài)，這時(shí)UE只在尋呼可能出現(xiàn)的時(shí)刻，周期性地檢查尋呼指示消息，其余時(shí)間處于休息狀態(tài)，以達(dá)到省電目的。尋呼指示在NB-IoT下行控制信道NPDCCH中攜帶，當(dāng)UE檢測(cè)NPDCCH中帶有P-RNTI標(biāo)記，則對(duì)該NPDCCH中的DCI解析，DCI指示UE尋呼消息在共享信道NPDSCH的位置，UE再?gòu)腄CI所指向的NPDSCH讀取尋呼消息（Paging Message）的內(nèi)容。攜帶尋呼消息的NPDCCH是周期性出現(xiàn)的，出現(xiàn)該消息所在的幀稱作尋呼幀（Paging Frame，PF），尋呼消息NPDCCH所在的子幀稱作尋呼時(shí)刻（Paging Occasion，PO）。一個(gè)尋呼幀PF可以帶有一個(gè)或多個(gè)尋呼時(shí)刻PO，可以達(dá)到一個(gè)尋呼周期對(duì)多個(gè)UE進(jìn)行尋呼的目的。而對(duì)于某一個(gè)UE，它的PF和PO的位置是固定的，UE可以預(yù)先通過(guò)公式推算得出，其計(jì)算方法與LTEFDD一致（僅周期長(zhǎng)度時(shí)間有所不同），本文不再贅述。在一個(gè)DRX周期內(nèi)，UE只監(jiān)聽(tīng)一個(gè)PO。NB-IoT的尋呼幀周期在廣播消息SIB2消息中配置，最大周期為1024個(gè)系統(tǒng)幀（即10.24s）。這就是空閑狀態(tài)下的NB-IoT尋呼工作機(jī)制，除了工作信道的差異以及周期時(shí)間有所延長(zhǎng)，基本上與LTE保持一致。

對(duì)于多數(shù)NB-IoT應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要終端長(zhǎng)時(shí)間工作在靜默狀態(tài)，這期間并沒(méi)有數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)交換，非連續(xù)接收技術(shù)（DRX）的最大周期10.24s就顯得過(guò)短了，如果每終端每隔10.24s就監(jiān)聽(tīng)一次尋呼信道，終端的總體功耗水平難以達(dá)到NB-IoT“低功耗”的要求。為此，3GPP在R13版本中提出了一種擴(kuò)展型非連續(xù)接收技術(shù)（extended DRX）。eDRX的尋呼周期比起普通DRX要大很多，它的尋呼周期以超幀（Hyper SF）為單位，1個(gè)超幀包含1024個(gè)系統(tǒng)幀（SF），一個(gè)超幀長(zhǎng)度為10.24s，超幀的周期以1024為循環(huán)。因此，eDRX可以支持的最大尋呼周期是10.24×1024=10485.76s=2.91h。一個(gè)完整的eDRX周期包括兩個(gè)階段：一個(gè)是尋呼時(shí)間窗口期；另一個(gè)是空閑期。在eDRX空閑期內(nèi)，UE處于休息狀態(tài)，只有在尋呼時(shí)間窗口（PTW）期UE才被喚醒監(jiān)聽(tīng)尋呼消息。3GPP定義了尋呼窗口（Paging TimeWindow，PTW）的概念，PTW的起止時(shí)間由PTW_start與PTW_end表示。在PTW窗口期間，UE使用前文所述的空閑態(tài)DRX工作方式進(jìn)行尋呼監(jiān)聽(tīng)，搜索PF和PO。PTW窗口之外的eDRX周期內(nèi)，UE處于空閑期，UE啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，在定時(shí)器超時(shí)前不接收任何數(shù)據(jù)。PTW和eDRX周期的關(guān)系如圖1所示。

PTW窗口大小是2.56s的整數(shù)倍（1，2，…16），最大長(zhǎng)度為2.56×16=40.96s。PTW支持3種不同模式，包括lu模式、WB-S1模式以及NB-S1模式。確定PTW窗口關(guān)鍵是要算出PTW_start和PTW_end的位置，可通過(guò)表1中的公式進(jìn)行計(jì)算。

圖1 PTW和eDRX周期的關(guān)系

表1 公式和步驟

2 eDRX的相關(guān)信令過(guò)程

NB-IoT終端若要工作在eDRX模式，首先需要與網(wǎng)絡(luò)取得eDRX同步，也就是獲得eDRX所在的超幀。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在廣播消息M IB和SIB1中告知UE超幀號(hào)（Hyper SFN）信息，UE在監(jiān)聽(tīng)SIB1消息后獲得完整網(wǎng)絡(luò)超幀號(hào)，實(shí)現(xiàn)UE與網(wǎng)絡(luò)的eDRX定時(shí)對(duì)齊。SIB1消息如圖2所示。

當(dāng)UE支持eDRX功能，UE在附著到NB-IoT小區(qū)時(shí)，在Attach Request消息中會(huì)攜帶extended DRX參數(shù)的信元請(qǐng)求打開(kāi)eDRX功能。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)根據(jù)自身情況，可以選擇在AttachAccept消息中下發(fā)帶有eDRX參數(shù)或者不帶eDRX參數(shù)。如果UE收到帶有eDRX參數(shù)的Attach Accept，則使能eDRX功能，并在eDRX參數(shù)中的PTW時(shí)間窗口內(nèi)監(jiān)聽(tīng)PF與PO。如果Attach Accept消息不帶eDRX參數(shù)，UE則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不使用eDRX功能，UE采用傳統(tǒng)DRX方式進(jìn)行尋呼監(jiān)聽(tīng)。UE附著網(wǎng)絡(luò)激活eDRX功能的流程如圖3所示。

圖2 SIBI消息

圖3 UE附著網(wǎng)絡(luò)激活eDRX功能的流程

在UEattach Request消息中，攜帶終端的eDRX參數(shù)參見(jiàn)圖4。

如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)在AttachAccept中對(duì)UE配置eDRX參數(shù)。

在這個(gè)例子中，UE請(qǐng)求的eDRX周期長(zhǎng)度為20.48s，而網(wǎng)絡(luò)配置的eDRX周期長(zhǎng)度為40.96s，協(xié)商的結(jié)果是最終使用40.96s作為eDRX周期。在eDRX參數(shù)中，PTW周期為2.56s，則UE的空閑期等于40.96-2.56=38.4s（本文例子的消息內(nèi)容來(lái)源于3GPP協(xié)議一致性測(cè)試用例22.5.18，由于是以測(cè)試為目的，eDRX周期參數(shù)設(shè)置比較短，而在實(shí)際應(yīng)用中eDRX的周期通常會(huì)比例子中的數(shù)值大得多）。

當(dāng)UE進(jìn)行小區(qū)重選或者小區(qū)切換，而且目標(biāo)小區(qū)與源小區(qū)不在同一個(gè)TAI，這時(shí)UE需要發(fā)起TAU（Tracking Area Update）過(guò)程。若UE支持eDRX功能，UE會(huì)在TAURequest消息中攜帶eDRX參數(shù)字段，具體參見(jiàn)圖6。

網(wǎng)絡(luò)在收到帶有eDRX參數(shù)的TAURequest消息，可根據(jù)自身情況選擇在TAUAccept消息中攜帶eDRX參數(shù)或者不攜帶eDRX參數(shù)。如果攜帶eDRX參數(shù)，則終端收到該消息后，會(huì)使能eDRX功能，并發(fā)送TAU Complete消息；如果TAUAccept中不攜帶eDRX參數(shù)，則表示UE請(qǐng)求eDRX功能被網(wǎng)絡(luò)拒絕，手機(jī)發(fā)送TAU Complete消息，并且使用DRX方式進(jìn)行尋呼監(jiān)聽(tīng)（見(jiàn)圖7）。

3 省電模式PSM與eDRX的結(jié)合使用

圖4 在UEAttach Request消息中攜帶終端的eDRX參數(shù)

圖5 網(wǎng)絡(luò)在Attach Accept中對(duì)UE配置eDRX參數(shù)字段

圖6 UE支持eDRX功能，UE會(huì)在TAU Request消息中攜帶eDRX參數(shù)

圖7 根據(jù)自身情況選擇在TAU Request消息中攜帶eDRX參數(shù)或者不攜帶eDRX參數(shù)字段

省電模式PSM是3GPPR12引入的功能，它的作用是減少UE的活動(dòng)時(shí)間，增加睡眠時(shí)間占比，大大提高電池的使用壽命。PSM狀態(tài)是在傳統(tǒng)LTE的空閑態(tài)、連接態(tài)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)“省電態(tài)”（見(jiàn)圖8）。

當(dāng)UE進(jìn)入PSM休眠狀態(tài)，UE不再監(jiān)聽(tīng)尋呼消息，停止一切接入層的接收活動(dòng)，關(guān)閉射頻模塊硬件進(jìn)入深度睡眠。若網(wǎng)絡(luò)接受終端請(qǐng)求進(jìn)入休眠狀態(tài)，核心網(wǎng)會(huì)保存UE上下文信息，在休眠期間不會(huì)下發(fā)Paging消息。UE進(jìn)入休眠態(tài)之后，由兩個(gè)條件退出休眠狀態(tài)，一是UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，二是周期TAU定時(shí)器超時(shí)。這兩種情況都會(huì)觸發(fā)UE退出PSM狀態(tài)，PSM技術(shù)有兩個(gè)相關(guān)的定時(shí)器，一個(gè)是活動(dòng)定時(shí)器T3324，另一個(gè)是TAU周期定時(shí)器T3412extended，它們之間的關(guān)系如圖9所示。

在活動(dòng)定時(shí)器的時(shí)間內(nèi)，UE工作在DRX或者eDRX模式監(jiān)聽(tīng)尋呼信道。T3324超時(shí)后，UE進(jìn)入PSM狀態(tài)關(guān)閉一切接收功能，直到周期性TAU定時(shí)器T3412 extended超時(shí)觸發(fā)TAU過(guò)程。PSM的活動(dòng)定時(shí)器T3324周期可以以2s、1m in、6min為單位，最大支持時(shí)長(zhǎng)為6×32=192min。T3412 extended定時(shí)器通常會(huì)設(shè)置一個(gè)很大的值，根據(jù)3GPP TS 24.008定義，T3412 extended最大周期是320×31=9920h。

UE在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)商PSM功能，UE在發(fā)送Attach Request時(shí)，該消息同時(shí)攜帶eDRX與T3324定時(shí)器參數(shù)（攜帶T3324表示UE請(qǐng)求激活PSM功能），具體參見(jiàn)圖10。

圖9 PSM兩個(gè)相關(guān)定時(shí)器之間的關(guān)系

在這個(gè)例子中，UE請(qǐng)求同時(shí)打開(kāi)eDRX和PSM功能，其中PSM的活動(dòng)定時(shí)器T3324周期是1×2=2min，T3412extended定時(shí)器設(shè)置為10×5=50h。

圖10 同時(shí)攜帶eDRXgn T3324定時(shí)器參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)在收到Attach Request后，可根據(jù)自身情況，選擇使能eDRX或者PSM功能，可以同時(shí)打開(kāi)，也可以同時(shí)關(guān)閉，還可以各選其一。如果網(wǎng)絡(luò)要同時(shí)打開(kāi)這兩個(gè)功能，則在AttachAccept消息中攜帶eDRX參數(shù)以及T3324定時(shí)器參數(shù)。當(dāng)UE收到帶有這兩個(gè)參數(shù)的AttachAccept消息，則同時(shí)使能eDRX與PSM功能，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送Attach Complete消息。Attach Accept所帶參數(shù)如圖11所示。

圖11 Attach Accept所帶參數(shù)

當(dāng)UE進(jìn)行小區(qū)重選或者小區(qū)切換，而且目標(biāo)小區(qū)與源小區(qū)不在同一個(gè)TAI，這時(shí)UE需要發(fā)起TAU（TrackingAreaUpdate）過(guò)程，此外如果UE進(jìn)入PSM狀態(tài)，在Active Timer T3244超時(shí)后，也會(huì)觸發(fā)TAU過(guò)程。若UE同時(shí)支持eDRX和PSM功能，UE會(huì)在TAU Request消息中攜帶eDRX參數(shù)、T3244定時(shí)器以及T3412extended定時(shí)器參數(shù)，具體參見(jiàn)圖12。

網(wǎng)絡(luò)根據(jù)自身情況，選擇使能eDRX或者PSM功能，可以同時(shí)打開(kāi)，也可以同時(shí)關(guān)閉，還可以各選其一，在TAUAccept消息中發(fā)下去給UE。圖13是網(wǎng)絡(luò)打開(kāi)了PSM功能而沒(méi)有打開(kāi)eDRX功能（UE使用DRX方式監(jiān)聽(tīng)Paging）。

4 羅德與施瓦茨NB-IoT測(cè)試方案

羅德與施瓦茨公司為物聯(lián)網(wǎng)提供全面的測(cè)試方案，R&S協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)CMWPCT是GCF認(rèn)證級(jí)測(cè)試平臺(tái)（GCF TP92），全面支持3GPP R13 NB-IoT一致性測(cè)試要求，能實(shí)現(xiàn) eDRX、PSM模式的功能驗(yàn)證（見(jiàn)圖14）。此外，CMW-PCT還可以擴(kuò)展支持NB-IoT 3GPPR14的新特性（eNB-IoT），包括定位功能、組播功能、移動(dòng)性增強(qiáng)等，是目前業(yè)界研究與測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT的理想測(cè)試平臺(tái)。

圖12 若UE同時(shí)支持eDRX和PSM功能會(huì)在TAU Request消息中攜帶的參數(shù)

圖13 網(wǎng)絡(luò)打開(kāi)了PSM功能而沒(méi)有打開(kāi)eDRX功能

圖14 R&S協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)CMW-PCT

R&S的物聯(lián)網(wǎng)功耗測(cè)試系統(tǒng)，是羅德施瓦茨公司推出的一體化測(cè)試方案，包括無(wú)線綜測(cè)儀CMW 500（CMW 500 callbox）、功率探頭RT-ZVC、圖形化測(cè)試軟件CMW run等全套軟硬件設(shè)備，支持物聯(lián)網(wǎng)eDRX和PSM工作模式，具有高精度功率測(cè)量，電流測(cè)量精度達(dá)到納安級(jí)別（見(jiàn)圖15）。在這個(gè)系統(tǒng)上，羅德與施瓦茨公司分別與中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信合作開(kāi)發(fā)了運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)功耗測(cè)試用例，支持中國(guó)移動(dòng)與中國(guó)電信的物聯(lián)網(wǎng)功耗入庫(kù)測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

“低功耗”是NB-IoT終端的一個(gè)最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)3GPPTR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在eDRX與PSM模式都打開(kāi)的情況下，若終端每天發(fā)送200byte數(shù)據(jù)，一個(gè)5Wh電池的使用壽命可以達(dá)到12.8年。可以說(shuō)，要達(dá)到這樣超低功耗的要求，終端在應(yīng)用中必須采用eDRX與PSM技術(shù)。本文著重介紹了物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT中的eDRX與PSM技術(shù)的基本工作原理和協(xié)議交互過(guò)程，并通過(guò)NB-IoT協(xié)議一致性測(cè)試的實(shí)例說(shuō)明如何將eDRX和PSM這兩種技術(shù)結(jié)合使用。

圖15 R&S物聯(lián)網(wǎng)功耗測(cè)試系統(tǒng)