下一代移動網絡中非連續接收機制對移動互聯網業務性能影響分析

羅 俊，劉 琛，邵 震

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

移動互聯網的迅猛發展催生了大量諸如高帶寬業務、多媒體業務、社交業務、即時通信業務等豐富的應用。為了滿足這些應用的體驗，下一代移動網絡對傳輸速率、傳輸延時和系統容量等承載能力方面提出了更高的要求，3GPP長期演進 （long term evolution，LTE）項目將 OFDM（orthogonal frequency-division multiplexing）和MIMO（multiple-input multiple-output）技術作為無線網絡演進的標準，同時使用了高階調制編碼技術如64QAM（quadrature amplitude modulation）等，顯著提高了用戶吞吐量和扇區容量，降低用戶時延，有效提升了用戶的通信體驗[1]。

移動互聯網業務的不斷豐富，對終端的電池續航能力也提出了新的挑戰。因此，下一代網絡除了提供更高的頻譜效率、更低的時延外，還應考慮如何節省終端功耗問題。2G、3G、4G移動通信系統均對節能機制進行了考慮和標準化工作，如 UMTS[2]和 LTE[3,4]系統采用了非連續接收（discontinuous reception，DRX）機制，允許終端在沒有數據傳輸的時刻關閉無線收發單元進入休眠模式，以減少不必要的能量開銷。但對移動互聯網業務特別是高頻次業務而言，如在線游戲業務、即時通信（instant message,IM）業務、微博業務、社交網絡業務等，存在實時在線聊天和信息瀏覽刷新等高頻次信息交互的需求，大約每隔幾秒就可能產生應用層的突發性數據包，需要終端和網絡間進行頻繁的數據和信令交互。如果終端在沒有數據收發時，立刻關閉收發機進入空口連接休眠狀態（RRC_IDLE）并釋放空口資源，那么待后續產生數據收發需求時，終端需要重新和網絡進行空口連接并產生信令交互。這在數據收發頻繁的時候，將大大增加網絡信令開銷的負荷，對網絡而言是非常不利的。因此，LTE網絡引入了Active DRX機制，允許終端在空口連接激活狀態（RRC_CONNECTED）下，周期性地關閉收發機以節省能量，并在醒來的時候監聽下行控制信道（PDCCH）。這樣在下一次有數據收發時，終端無需重新發起空口連接，直接轉入工作狀態進行數據收發即可。因此Active DRX機制對移動互聯網業務而言，能在節省終端能量的同時，避免頻繁休眠給網絡帶來過大信令開銷的問題。

對不同的業務，Active DRX機制的參數配置需要進行優化，才能到達更好的系統性能[5～7]。其主要原因有兩點：一方面，終端在Active DRX機制下，無數據收發的時候可關閉收發機以節省能耗，但相應會帶來數據包延時的增加，即在能耗和延時之間存在性能折衷。不同業務對延時的要求不同，需要優化配置Active DRX參數以實現能耗和延時性能兼顧，特別是對于延時敏感的業務尤為重要，如在線游戲類、IM類等；另一方面，由于不同用戶的業務使用習慣不同，如某些用戶通常使用E-mail和網頁瀏覽，而其他用戶經常使用即時通信或社交類業務，不同業務呈現的特性不一樣，包括業務包間隔、包長度分布等，不能使用相同的Active DRX機制，需要針對不同的業務特性優化Active DRX機制的配置參數，以更好地改善終端能耗和信令開銷等性能。

本文首先介紹了LTE系統的DRX機制，然后針對不同的移動互聯網業務特性，從終端能量消耗、數據包延時和信令開銷等性能角度出發，對Active DRX機制下的網絡性能進行了分析，并對Active DRX機制的參數與網絡性能之間的關系進行了研究。

2 LTE系統的DRX機制

LTE系統中，DRX機制分為兩種[3,8]。一種是Idle DRX，即UE處于RRC-IDLE狀態下的非連續接收，此時UE斷開空口連接，并周期性地在尋呼時刻 （paging occasion，PO）對PDCCH信道進行尋呼消息的監聽。若有數據收發需求，則UE需要向eNB發起RRC請求。另一種則是Active DRX，即UE處于RRC-CONNECTED狀態下的非連續接收，當無數據收發時可關閉收發機，但仍然存在RRC，當下一次數據收發時，能迅速轉換到工作狀態而無需重新進行空口連接，既節省了能量消耗，也減小了信令開銷。因此，本文后續的分析和討論主要針對Active DRX機制進行。

在LTE系統中，Active DRX機制下的終端在工作時期被劃分為 3部分，即去激活期 （inactivity period）、短DRX周期 （short DRX cycle）和長 DRX周期 （long DRX cycle），如圖1所示。當終端成功完成數據包的發送或接收后，立刻啟動一個去激活定時器（inactivity timer），表示在多少個連續子幀（subframe）里終端無數據收發。在此期間，終端保持收發機開啟狀態以繼續監聽PDCCH信道，一旦有新的數據產生，則重啟該去激活定時器。

當定時器超時后，終端關閉收發機并將進入短DRX周期。短DRX周期長度通常取值為2n(n=1,…,9)和 5×2n(n=1,…,6)個子幀長度（即毫秒）。在一個短DRX周期里，終端在某個設定的期間打開收發機進入喚醒階段（on duration）。喚醒階段長度通常為 1、2、3、4、5、6、8、10、20、30、40、50、60、80、100 和 200 個子幀長度。在喚醒階段終端監聽PDCCH信道，如果有數據產生，終端立刻退出DRX階段進入開啟狀態直接進行數據收發，而無需發起RRC的信令。若在喚醒階段無數據收發，終端則進入下一個短DRX周期以節省能耗。短DRX周期的持續時間由短DRX周期定時器（short DRX cycle timer）給出，短 DRX周期定時器指定了短DRX周期的個數。

當短DRX周期結束后，終端進入長DRX周期。長DRX周期長度通常取值為2n(n=5,…,11)和 5×2n(n=1,…,9)個子幀長度。在長DRX周期里，終端依然是在某個設定的喚醒階段醒來以監聽PDCCH信道有無數據收發。

圖1 LTE系統中Active DRX機制的3個工作期

3 Active DRX機制對高頻次業務的性能影響

如前所述，Active DRX機制能有效節省終端能耗，同時節省信令開銷，但同時犧牲了數據的延時性能。進一步，針對不同特性的業務，Active DRX需要對參數進行優化配置，以更好適應業務對性能指標的要求。本節首先給出了針對Active DRX機制的業務性能指標定義；接下來針對典型移動互聯網業務，分析業務性能指標（包括終端功耗、數據包延時和信令開銷等）與Active DRX機制的配置參數之間的關系。

3.1 Active DRX機制下業務性能指標

（1）終端能耗節省因子ηE

采用Active DRX機制后，終端在無數據收發時會周期性關閉收發機，以節省終端能耗。為了更好地評價引入Active DRX機制后帶來的能耗節省程度，定義終端能耗節省因子為一次數據業務中采用Active DRX產生的睡眠時間與整個業務時間之比，用式（1）表示：

其中Tidle表示采用Active DRX后一次業務數據的睡眠時間，T表示整個業務時間。

（2）數據包延時增量D

采用Active DRX機制后，當終端在DRX周期內的休眠時間時，當有終端的下行數據產生時，eNB不會在此期間對終端進行資源調度，直到喚醒階段。此時，數據包就會產生一定的延時，當DRX周期越長，數據包的延時越大。定義數據包延時增量D為一次數據業務中的數據包在Active DRX機制下相比未使用Active DRX產生的延時增量的平均值。

（3）信令開銷節省因子ηSO

采用Active DRX機制，終端在喚醒階段有數據收發產生時，無需發起RRC連接信令開銷，相對于Idle DRX機制能節省信令開銷。定義信令開銷節省因子ηSO為一次數據業務中采用Active DRX機制產生的RRC連接信令次數與僅采用Idle DRX機制產生的RRC連接信令的次數之比，用式（2）表示：

其中NActiveDRX表示Active DRX機制中一次數據業務產生的RRC連接信令次數，NIdleDRX表示Idle DRX機制中一次數據業務產生的RRC連接信令次數。

3.2 Active DRX機制的參數對業務性能影響

LTE系統下的Active DRX機制主要參數包括去激活定時器、喚醒定時器長度、短DRX周期長度、短DRX周期定時器、長DRX周期長度等。不同參數會對Active DRX機制的業務性能有不同的影響，如DRX周期長度越長，終端節能效果越好，但會加大數據包延時；去激活定時器越小，終端進入Active DRX機制的機會越大，能耗節省機會越大，數據延時增加的可能性也越大。本節將針對不同特性的移動互聯網業務，分析Active DRX參數對業務性能的影響。為了保持和Idle DRX采用相同的性能對比參數，本文將喚醒階段長度設為1 ms，短DRX周期長度設為10 ms，長DRX周期長度設為1280 ms，而去激活定時器、短DRX周期定時器參數則可動態調整，以觀察對終端能耗因子、數據包延時增量和信令開銷節省因子等業務性能的影響。

（1）網頁瀏覽業務

網頁瀏覽類業務主要協議是HTTP。典型的業務數據包間隔模型[9]服從均值為30 s的指數分布，其分布函數為 f(x)=λe-λx,x≥0,λ=0.033。圖 2 給出了終端能耗因子、數據包延時增量和信令開銷節省因子等業務性能隨著去激活定時器和短DRX周期定時器參數增大的變化情況。

從圖2中可以看出，隨著去激活定時器的增加，終端能耗節省因子和數據包延時增量均呈下降趨勢，這是因為網頁瀏覽業務包間隔較大，設置較小的激活定時器和短DRX周期定時器，盡量讓終端進入長DRX周期，能更好地節省能量，但由于在終端節能和延時中存在著性能折衷，數據包延時會隨之惡化。信令開銷隨著去激活定時器的增加沒有太大變化，這說明對網頁瀏覽型業務而言，由于數據包間隔較大造成終端進入RRC_IDLE狀態的可能性較大，采用Active DRX機制相比Idle DRX機制沒有太大性能提升。進一步還可以看出，短DRX周期定時器的增加對終端能耗節省因子、數據包延時增量、信令開銷節省因子等性能指標沒有太大影響。這些因素說明，對網頁瀏覽類業務而言，Active DRX機制和Idle DRX機制的性能接近，去激活定時器對性能有一定影響，可將其在兼顧能耗和延時的基礎上設置為500 ms左右，而短DRX周期定時器則沒有太大影響。

圖2 網頁瀏覽業務性能隨著去激活定時器和短DRX周期定時器參數增大的變化曲線

圖3 即時通信類業務性能隨著去激活定時器和短DRX周期定時器參數增大的變化曲線

（2）即時通信類業務

即時通信類業務的特點是用戶與網絡之間的信息交互比較頻繁，如QQ和MSN聊天等。參加文獻[10]和[11]給出了IM應用的數據包間隔模型服從標準韋泊爾分布（Weibull distribution），其分布函數為f(x)=γxγ-1exp(-xγ)，其中γ=0.4553。圖3給出了終端能耗因子、數據包延時增量和信令開銷節省因子等業務性能隨著去激活定時器和短DRX周期定時器參數增大的變化情況。

從圖3中可以看出，隨著去激活定時器和短DRX周期定時器的增加，終端能耗節省因子和數據包延時增量均呈下降趨勢，這是因為設置較小的激活定時器和短DRX周期定時器，可讓終端盡量進入長DRX周期，以更好地節省能量，但由于在終端節能和延時中存在著性能折衷，數據包延時會隨之惡化。進一步還可以看出，隨著短DRX周期定時器的增加，終端在Active DRX階段停留時間越長，終端進入RRC_IDLE狀態的可能性越小，因而信令開銷節省更多。隨著去激活定時器的增加，信令開銷節省反而呈現下降趨勢，這是因為去激活定時器的增加導致了終端進入RRC_IDLE狀態的機會降低，帶來了信令開銷節省因子的下降。因此對即時通信類業務而言，可將去激活定時器設置在200 ms左右，短DRX周期定時器設為12～16，以兼顧節能、延時和信令開銷等方面的性能。

（3）在線游戲類業務

在線游戲業務是對延時敏感的業務，參考文獻[12]給出了某典型在線游戲的數據包間隔模型服從極值分布，其分布函數為f(x)=,a=50 ms,b=4.5 ms。圖4給出了終端能耗因子、數據包延時增量和信令開銷節省因子等業務性能隨著去激活定時器和短DRX周期定時器參數增大的變化情況。

從圖4可以看出，終端節能性能隨著去激活定時器的增長快速下降，當去激活定時器大于100 ms后，基本沒有產生節能效果，這是因為對在線游戲類業務而言，數據包間隔比較短，去激活定時器設置過大將導致終端無法進入DRX機制。同時可以發現，短DRX周期定時器超過6 ms以后能耗和延時等性能趨于收斂。對在線游戲這類時延敏感型業務在選擇參數時需重點考慮對時延的影響，因此可設置去激活定時器為10 ms左右，短DRX周期定時器設置為6 ms左右。

圖4 在線游戲業務性能隨著去激活定時器和短DRX周期定時器參數增大的變化曲線

進一步通過比較圖2～4可以發現，對不同類型的業務而言，終端能耗因子、數據包延時增量和信令開銷節省因子對業務性能的影響有所不同。隨著業務數據包頻次的增加，終端節能指標有所下降，這是因為數據頻繁發生導致進入DRX周期的次數減少。信令開銷節省方面隨著業務特性的不同也有可能出現不同的趨勢。因此在DRX參數優化過程中，需要考慮不同的業務特性帶來的影響，以提升Active DRX機制對業務性能的優化。例如，在DRX機制參數的配置過程中，可考慮引入業務流的分布函數和參數，對網頁瀏覽業務，考慮指數分布函數模擬數據包間隔作為配置參數的輸入，以優化配置DRX機制的去激活定時器（500 ms左右）等關鍵參數；對即時通信業務，考慮標準韋泊爾分布函數模擬數據包間隔作為配置參數的輸入，以優化配置DRX機制的去激活定時器（200 ms左右）等關鍵參數；而對實時在線游戲等業務，則考慮采用極值分布函數模擬數據包間隔，以優化配置DRX機制的去激活定時器（10 ms）等參數。另一方面，由于移動互聯網業務流具有時變特性，即在不同的時間段（閑時和忙時）里，業務流呈現出不同的參數特性（高峰和低谷），在DRX機制的參數配置中可考慮對業務時變特性進行動態跟蹤的方式，根據業務流的長時統計分布情況和相關性預測下一個數據包的時間間隔，并根據每個數據包包間隔的預測值來動態調整DRX機制的去激活定時器、DRX周期定時器等參數，以更好地滿足DRX機制對系統性能指標優化的要求。

4 結束語

針對移動互聯網業務出現的終端與網絡間進行頻繁的數據和信令交互，導致終端能量和無線信令資源消耗過大的問題，本文結合下一代移動網絡中非連續接收（discontinuous reception，DRX）機制，從終端能耗、數據包延時、空口資源開銷等角度出發，分析了Active DRX機制對網頁瀏覽、即時通信、在線游戲等移動互聯網業務的網絡性能影響。通過分析結果發現，Active DRX機制對終端能耗和信令開銷的節省是以犧牲延時性能為代價的，因此在對Active DRX機制的參數進行優化時，應綜合考慮功耗、延時、信令開銷等性能。同時可發現，Active DRX機制對不同特性的業務呈現出不同的性能影響，應結合業務特性對DRX參數進行優化。

下一步可針對延時敏感型業務進行DRX機制的研究，在保障業務端到端延時要求的條件下，對終端能耗和信令開銷等性能指標進行改善。同時，DRX機制在節省能耗、信令開銷與延時等方面的性能如何進行權衡，以達到更好的系統性能，還需要今后進一步研究。

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