基于非連續接收的TD-SCDMA終端省電方案

李方偉，李 晗

（重慶郵電大學 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，用戶關心的終端功耗問題已經成為TD-SCDMA發展的瓶頸，這嚴重影響了TD-SCDMA的商用化進程，也因此得到了業界的廣泛關注[1]。

TD-SCDMA終端的功耗受到無線環境、網絡配置、協議?？刂埔约敖K端軟硬件方案、電源管理、芯片本身的低功耗設計及其工藝特性等諸多因素的影響[2]。本文研究了非連續接收技術及其在TD-SCDMA系統中的應用，分析了3GPP標準中的非連續接收方案，指出了方案中的缺陷，并提出了改進方案，有效地延長了終端的工作時間，這對于推動TD-SCDMA產業的發展有著重大的技術意義和現實意義。

1 非連續接收機制

1.1 技術簡介

非連續接收（Discontinuous Reception），以下簡稱DRX，其基本思想是移動終端在沒有數據傳輸的時期，允許終端關閉無線收發單元，進入休眠模式，從而降低功耗[3]。任何通信系統都想以最少的功耗工作最長的時間?，F階段，DRX方式已經成為無線通信系統鏈路層功耗優化的一種有效方法。

在TD-SCDMA系統中，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周期內的尋呼時刻監聽尋呼塊，其他時間段不需要監聽，即在每一個DRX周期內的尋呼時刻監聽一個尋呼指示因子即可。

1.2 3GPP標準中DRX機制的研究

在TD-SCDMA系統中，UE在空閑模式下，終端側的RRC層主要完成小區選擇、小區重選、位置登記、監聽尋呼信道等任務[6]。而這些任務都不是連續發生的，而是周期性的，其中監聽尋呼信道最為頻繁。當小區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環進行運轉，只有在激活期才接收下行數據。

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

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

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）的數目；n為重復周期數，取值為0,1,2,…；Frame_Offset為PICH偏移量，由系統信息給出；div表示整除；mod表示取模；max表示取較大值。

在尋呼塊出現時刻，UE應該監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，由系統信息給出；(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構成。如果UE尋呼分組對應的尋呼指示因子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的尋呼消息。反之，則UE不必接收其后的PCH數據塊。尋呼消息的到達時刻為

式中：NPICH為PICH持續的幀數，由系統信息廣播；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，也由系統信息廣播。

在TD-SCDMA系統中，PBP通常設置為128，而在這128幀當中，只有2幀的信息是屬于本用戶的[7]。也就是說，在空閑狀態下采用DRX方案，其耗電量相當于持續接收方案的，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節可以看出，3GPP標準中的DRX機制確實能夠降低終端空閑狀態下的耗電量，從而延長待機時間，但是仍然存在以下缺陷：

1）工作狀態

在TD-SCDMA系統中，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系統中，DRX的周期長度為max(2k,PBP)，其中，k，PBP都是由系統信息給出，且在每個小區內是固定不變的，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，現有TD-SCDMA系統中的DRX機制不能達到最大程度的省電。

2 改進方案

基于第1節中關于3GPP標準中DRX機制的研究與缺陷分析，筆者給出了一種改進的DRX省電方案。

目前，在TD-SCDMA系統中，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系統中的DRX機制有兩種情形：IDLE_DRX（空閑狀態下的DRX機制）與ACTIVI_DRX（連接狀態下的DRX機制）。

UE在選擇好合適的小區后，就進入到正常的駐留狀態，在沒有收到尋呼或者高層發起的呼叫之前，UE一直處于空閑狀態。在這種情形下，UE不與任何的物理信道相連，無通信，無需數據傳輸，此時UE的主要任務是監聽尋呼信道。在這種情況下，只要設置了UE不連續接收尋呼的周期，不僅能夠準時接收到網絡端的尋呼，而且能夠達到省電的要求，這就是IDLE_DRX，可以參考1.2節3GPP標準中的DRX機制介紹。

在連接模式下，UE需要進行數據通信，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傳輸數據。當UE需要數據傳輸，必須處于連接模式下。在連接模式下進行DRX，并不要求UE回到空閑狀態，而直接在該狀態下進行優化資源配置，同樣達到省電的目的。ACTIVI_DRX是引入定時器并采用定時器與DRX周期相結合的方式達到省電的要求。

在現有的TD-SCDMA系統中，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：持續時間計時器T0和去激活計時器TI。只要處于激活期，持續時間計時器T0就一直保持開啟狀態。當有下行數據到達時，開啟去激活計時器TI；當下行數據接收完畢，關閉去激活計時器TI。ACTI?VI_DRX可以分為3種情況：

1）在沒有數據到達的時候，只使用持續時間計時器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，打開無線收發單元以監聽下行信道的信息，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）當處于睡眠期內時，此時有下行數據到達，這時調度不了，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，持續時間計時器T0保持開啟狀態。

3）當處于喚醒期內時，此時有下行數據到達，這時開啟去激活計時器TI。當下行數據接收完畢，關閉去激活計時器TI，恢復到情況1），進行周期性的睡眠—喚醒狀態。如圖4所示。在這個過程中，當持續時間計時器T0溢出，則自動關閉。

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據要處理，當下行數據接收完畢，就恢復到只有持續時間計時器T0的狀態，即周期性的睡眠—喚醒狀態。通常情況下，T0的長度要大于TI。給出的TD-SCDMA系統中，連接狀態下的DRX機制采用定時器與DRX周期相結合的方式，每隔一段時間監聽尋呼信道、處理下行數據，有效降低了功耗，也減少了資源浪費。

在實際應用中，TD-SCDMA系統DRX參數的設置過程中會存在著一些需要權衡的因素。從節能的角度考慮，則需要配置長的DRX周期。而從調度靈活性和業務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，統計一次終端數據包延遲。

步驟3：將統計的數據包延遲與業務時延的期望值進行對比，此時有3種可能情況。情況N，表示數據包延遲過大，不能滿足業務需要；情況M，表示數據包延遲能夠滿足業務需求；情況Y，數據包延遲過小，完全滿足業務需求。

步驟4：根據步驟3的對比情況動態配置DRX的周期。當數據包延遲過大時，配置較短的DRX周期；當數據包延遲能夠滿足業務需求時，保持當前的DRX周期長度不變；當數據包延遲過小時，配置較長的DRX周期。

步驟5：每次統計結束清除原有的統計信息，以免影響后期的統計結果。

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，假設有8個狀態，狀態i(i=1,2,3,4,5,6,7,8)表示終端當前時刻的DRX周期為64i。處于狀態i的終端，符合情況N，則進入狀態i-1；符合情況Y，則進入狀態i+1；符合情況M，則保持原狀態不變。其中，處于狀態1的終端符合情況N時，保持原狀態不變；處于狀態8的終端符合情況Y時，保持原狀態不變。

3 仿真結果與分析

下面分別對空閑模式下和連接模式下使用DRX機制后的仿真結果進行了分析。

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。當然，DRX周期長度的增加也會對用戶滿意度產生影響。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，用戶數量的增加會對業務時延帶來進一步的影響。如圖10所示，隨著用戶數量的增大，業務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務的時延需求，還應該考慮網絡的實時狀況。

綜上所述，與3GPP標準中的非連續接收方案相比，本文給出的TD-SCDMA終端基于非連續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

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

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