基于非連續(xù)接收的TD-SCDMA終端省電方案

李方偉，李 晗

（重慶郵電大學(xué) 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

0 引言

隨著TD-SCDMA終端處理能力的迅速增強和提供功能的迅速增多，用戶關(guān)心的終端功耗問題已經(jīng)成為TD-SCDMA發(fā)展的瓶頸，這嚴(yán)重影響了TD-SCDMA的商用化進(jìn)程，也因此得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。

TD-SCDMA終端的功耗受到無線環(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)計及其工藝特性等諸多因素的影響[2]。本文研究了非連續(xù)接收技術(shù)及其在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的非連續(xù)接收方案，指出了方案中的缺陷，并提出了改進(jìn)方案，有效地延長了終端的工作時間，這對于推動TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大的技術(shù)意義和現(xiàn)實意義。

1 非連續(xù)接收機制

1.1 技術(shù)簡介

非連續(xù)接收（Discontinuous Reception），以下簡稱DRX，其基本思想是移動終端在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r期，允許終端關(guān)閉無線收發(fā)單元，進(jìn)入休眠模式，從而降低功耗[3]。任何通信系統(tǒng)都想以最少的功耗工作最長的時間?，F(xiàn)階段，DRX方式已經(jīng)成為無線通信系統(tǒng)鏈路層功耗優(yōu)化的一種有效方法。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，用戶終端在空閑模式下可以使用DRX來接收尋呼信息[4-5]。在DRX模式下，用戶終端只需要在每一個DRX周期內(nèi)的尋呼時刻監(jiān)聽尋呼塊，其他時間段不需要監(jiān)聽，即在每一個DRX周期內(nèi)的尋呼時刻監(jiān)聽一個尋呼指示因子即可。

1.2 3GPP標(biāo)準(zhǔn)中DRX機制的研究

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，UE在空閑模式下，終端側(cè)的RRC層主要完成小區(qū)選擇、小區(qū)重選、位置登記、監(jiān)聽尋呼信道等任務(wù)[6]。而這些任務(wù)都不是連續(xù)發(fā)生的，而是周期性的，其中監(jiān)聽尋呼信道最為頻繁。當(dāng)小區(qū)注冊成功且終端處于空閑模式下時，可以使用DRX機制來接收尋呼信息。如圖1所示，DRX周期包含激活期和休眠期。這種DRX機制比較簡單，使用單一的DRX環(huán)進(jìn)行運轉(zhuǎn)，只有在激活期才接收下行數(shù)據(jù)。

在空閑模式下，UE只進(jìn)行尋呼信道的監(jiān)聽，UE只在每一個DRX周期內(nèi)的尋呼時刻監(jiān)聽尋呼塊，其他時間段不需要監(jiān)聽，即在每一個DRX周期內(nèi)的尋呼時刻監(jiān)聽一個尋呼指示因子即可。在DRX激活期結(jié)束后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。UE想要在空閑狀態(tài)下使用DRX周期，只需監(jiān)控每個DRX周期的尋呼時刻，就能進(jìn)行DRX周期的監(jiān)控。DRX的周期長度[4]為

式中：k取自系統(tǒng)信息，其取值范圍為6～9；PBP為尋呼指示信道（PICH）的重復(fù)周期，其值取自系統(tǒng)信息。屬于UE的尋呼塊出現(xiàn)的時刻為

式中：IMSI為國際移動用戶識別；K為承載尋呼信道（PCH）的輔公共控制物理信道（SCCPCH）的數(shù)目；n為重復(fù)周期數(shù)，取值為0,1,2,…；Frame_Offset為PICH偏移量，由系統(tǒng)信息給出；div表示整除；mod表示取模；max表示取較大值。

在尋呼塊出現(xiàn)時刻，UE應(yīng)該監(jiān)視的尋呼指示因子為

其中，NP為每一尋呼塊中尋呼指示因子的個數(shù)，由系統(tǒng)信息給出；(IMSI div 8 192)為DRX索引（DRX_Index）。一個尋呼指示因子可以由4 bit，8 bit，16 bit構(gòu)成。如果UE尋呼分組對應(yīng)的尋呼指示因子PI中的比特為全1，則說明此次廣播的尋呼信息中包含有本UE尋呼分組的尋呼信息，則UE被要求接收緊隨其后的同一個尋呼塊內(nèi)的尋呼消息。反之，則UE不必接收其后的PCH數(shù)據(jù)塊。尋呼消息的到達(dá)時刻為

式中：NPICH為PICH持續(xù)的幀數(shù)，由系統(tǒng)信息廣播；NGAP為PICH的最后一幀與承載尋呼消息的第一幀之間間隔的幀數(shù)，也由系統(tǒng)信息廣播。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，PBP通常設(shè)置為128，而在這128幀當(dāng)中，只有2幀的信息是屬于本用戶的[7]。也就是說，在空閑狀態(tài)下采用DRX方案，其耗電量相當(dāng)于持續(xù)接收方案的，有效地降低了終端的耗電量，從而有效地延長了終端的待機時長。如果將PBP設(shè)置為256或者是512，采用DRX機制的省電效果將更佳。

1.3 缺陷分析

由1.2節(jié)可以看出，3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的DRX機制確實能夠降低終端空閑狀態(tài)下的耗電量，從而延長待機時間，但是仍然存在以下缺陷：

1）工作狀態(tài)

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，UE只有空閑模式才可以使用DRX的方式來接收尋呼消息，而在連接模式下，是沒有使用DRX機制的。也就是說，在TD-SCDMA系統(tǒng)中，終端在連接模式下的耗電量沒有得到有效改善。

2）DRX周期

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，DRX的周期長度為max(2k,PBP)，其中，k，PBP都是由系統(tǒng)信息給出，且在每個小區(qū)內(nèi)是固定不變的，也就是說DRX的周期是固定不變的。而DRX的周期越長，省電效果更佳。

綜上所述，現(xiàn)有TD-SCDMA系統(tǒng)中的DRX機制不能達(dá)到最大程度的省電。

2 改進(jìn)方案

基于第1節(jié)中關(guān)于3GPP標(biāo)準(zhǔn)中DRX機制的研究與缺陷分析，筆者給出了一種改進(jìn)的DRX省電方案。

目前，在TD-SCDMA系統(tǒng)中，連接模式下是沒有使用DRX機制的。筆者給出了一種基于DRX機制的省電方案，既能工作在空閑模式下，也能工作在連接模式下。這樣一來，TD-SCDMA系統(tǒng)中的DRX機制有兩種情形：IDLE_DRX（空閑狀態(tài)下的DRX機制）與ACTIVI_DRX（連接狀態(tài)下的DRX機制）。

UE在選擇好合適的小區(qū)后，就進(jìn)入到正常的駐留狀態(tài)，在沒有收到尋呼或者高層發(fā)起的呼叫之前，UE一直處于空閑狀態(tài)。在這種情形下，UE不與任何的物理信道相連，無通信，無需數(shù)據(jù)傳輸，此時UE的主要任務(wù)是監(jiān)聽尋呼信道。在這種情況下，只要設(shè)置了UE不連續(xù)接收尋呼的周期，不僅能夠準(zhǔn)時接收到網(wǎng)絡(luò)端的尋呼，而且能夠達(dá)到省電的要求，這就是IDLE_DRX，可以參考1.2節(jié)3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的DRX機制介紹。

在連接模式下，UE需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，故連接模式下的DRX工作機制與空閑模式下的DRX工作機制是有差異的。NodeB也會保持與UE相同的DRX工作機制，通過尋呼消息時刻了解UE是處于激活期還是休眠期，這樣能夠保證在激活期同UE傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)UE需要數(shù)據(jù)傳輸，必須處于連接模式下。在連接模式下進(jìn)行DRX，并不要求UE回到空閑狀態(tài)，而直接在該狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化資源配置，同樣達(dá)到省電的目的。ACTIVI_DRX是引入定時器并采用定時器與DRX周期相結(jié)合的方式達(dá)到省電的要求。

在現(xiàn)有的TD-SCDMA系統(tǒng)中，連接模式下沒有使用DRX機制，也沒有定時器。在給出的連接模式下DRX機制中，引入了2個定時器：持續(xù)時間計時器T0和去激活計時器TI。只要處于激活期，持續(xù)時間計時器T0就一直保持開啟狀態(tài)。當(dāng)有下行數(shù)據(jù)到達(dá)時，開啟去激活計時器TI；當(dāng)下行數(shù)據(jù)接收完畢，關(guān)閉去激活計時器TI。ACTI?VI_DRX可以分為3種情況：

1）在沒有數(shù)據(jù)到達(dá)的時候，只使用持續(xù)時間計時器T0，周期性的睡眠—喚醒，如圖2所示。UE每隔一個固定的周期醒來一次，打開無線收發(fā)單元以監(jiān)聽下行信道的信息，周期為TDRX，其中包括激活期與休眠期。這種情況類似于空閑模式下的DRX機制，只是二者的周期長度不同。

2）當(dāng)處于睡眠期內(nèi)時，此時有下行數(shù)據(jù)到達(dá)，這時調(diào)度不了，需要等待下一個激活期的到來，如圖3所示。其中，在激活期內(nèi)，持續(xù)時間計時器T0保持開啟狀態(tài)。

3）當(dāng)處于喚醒期內(nèi)時，此時有下行數(shù)據(jù)到達(dá)，這時開啟去激活計時器TI。當(dāng)下行數(shù)據(jù)接收完畢，關(guān)閉去激活計時器TI，恢復(fù)到情況1），進(jìn)行周期性的睡眠—喚醒狀態(tài)。如圖4所示。在這個過程中，當(dāng)持續(xù)時間計時器T0溢出，則自動關(guān)閉。

通過以上分析可以看出，去激活計時器TI的開啟象征著此時有下行數(shù)據(jù)要處理，當(dāng)下行數(shù)據(jù)接收完畢，就恢復(fù)到只有持續(xù)時間計時器T0的狀態(tài)，即周期性的睡眠—喚醒狀態(tài)。通常情況下，T0的長度要大于TI。給出的TD-SCDMA系統(tǒng)中，連接狀態(tài)下的DRX機制采用定時器與DRX周期相結(jié)合的方式，每隔一段時間監(jiān)聽尋呼信道、處理下行數(shù)據(jù)，有效降低了功耗，也減少了資源浪費。

在實際應(yīng)用中，TD-SCDMA系統(tǒng)DRX參數(shù)的設(shè)置過程中會存在著一些需要權(quán)衡的因素。從節(jié)能的角度考慮，則需要配置長的DRX周期。而從調(diào)度靈活性和業(yè)務(wù)QoS需求的角度考慮，則需要配置短的DRX周期。下面給出了一種動態(tài)配置DRX周期的方法。

步驟1：初始化。RRC為終端配置DRX周期。

步驟2：每隔一段時間，統(tǒng)計一次終端數(shù)據(jù)包延遲。

步驟3：將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)包延遲與業(yè)務(wù)時延的期望值進(jìn)行對比，此時有3種可能情況。情況N，表示數(shù)據(jù)包延遲過大，不能滿足業(yè)務(wù)需要；情況M，表示數(shù)據(jù)包延遲能夠滿足業(yè)務(wù)需求；情況Y，數(shù)據(jù)包延遲過小，完全滿足業(yè)務(wù)需求。

步驟4：根據(jù)步驟3的對比情況動態(tài)配置DRX的周期。當(dāng)數(shù)據(jù)包延遲過大時，配置較短的DRX周期；當(dāng)數(shù)據(jù)包延遲能夠滿足業(yè)務(wù)需求時，保持當(dāng)前的DRX周期長度不變；當(dāng)數(shù)據(jù)包延遲過小時，配置較長的DRX周期。

步驟5：每次統(tǒng)計結(jié)束清除原有的統(tǒng)計信息，以免影響后期的統(tǒng)計結(jié)果。

如圖5所示，DRX周期的配置過程可以用一個馬爾可夫鏈表示，假設(shè)有8個狀態(tài)，狀態(tài)i(i=1,2,3,4,5,6,7,8)表示終端當(dāng)前時刻的DRX周期為64i。處于狀態(tài)i的終端，符合情況N，則進(jìn)入狀態(tài)i-1；符合情況Y，則進(jìn)入狀態(tài)i+1；符合情況M，則保持原狀態(tài)不變。其中，處于狀態(tài)1的終端符合情況N時，保持原狀態(tài)不變；處于狀態(tài)8的終端符合情況Y時，保持原狀態(tài)不變。

3 仿真結(jié)果與分析

下面分別對空閑模式下和連接模式下使用DRX機制后的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

由圖6可以看出，TD-SCDMA終端在空閑模式下，是否使用DRX機制對終端功耗有很大的影響。DRX的周期越長，終端的功耗就越小。如圖7所示，在空閑模式下使用DRX機制對用戶滿意度的影響很小。DRX的周期越長，用戶的滿意度就會相對降低，但是用戶滿意度的值都保證在87%以上。因此，在TD-SCDMA系統(tǒng)的空閑模式下使用DRX機制可以有效降低功耗，延長終端的待機時間。

由圖8可以看出，TD-SCDMA終端在連接模式下，使用DRX機制可以有效降低功耗，從而延長待機時間。隨著DRX周期長度的增加，功耗值越來越小。當(dāng)然，DRX周期長度的增加也會對用戶滿意度產(chǎn)生影響。如圖9所示。DRX的周期越長，用戶的滿意度就會相對降低，但是用戶滿意度的值都保證在80%以上。

分析可見，在配置了DRX機制后，用戶數(shù)量的增加會對業(yè)務(wù)時延帶來進(jìn)一步的影響。如圖10所示，隨著用戶數(shù)量的增大，業(yè)務(wù)的平均時延也會越來越大。而縮短用戶的DRX周期可以降低平均時延。因此，對用戶的DRX周期的配置不能僅僅只考慮業(yè)務(wù)的時延需求，還應(yīng)該考慮網(wǎng)絡(luò)的實時狀況。

綜上所述，與3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的非連續(xù)接收方案相比，本文給出的TD-SCDMA終端基于非連續(xù)接收機制的省電方案不僅有效改善了連接模式下終端的耗電量問題，而且能夠有效保證用戶滿意度的問題。

4 小結(jié)

本文提出了一種基于非連續(xù)接收的TD-SCDMA終端省電方案。仿真結(jié)果表明，與3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的非連續(xù)接收方案相比，該方案不僅改善了連接模式下終端的耗電量問題，而且能夠根據(jù)實時狀況對非連續(xù)接收的周期進(jìn)行動態(tài)配置，有效降低了耗電量，延長了待機時間。

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