一種基于LTE系統的不連續接收方法

沈愛國，李方偉，朱 江

(重慶郵電大學移動通信安全研究所，重慶400065)

準4G系統LTE和WiMAX都能提供高的上下行傳輸速率，高的傳輸速率需要高的調制方式(64QAM)、先進的編碼技術(Turbo碼)和多天線技術(MIMO)以及空分多址技術等。這些都要求復雜的終端電路，能耗勢必加快，限制了用戶的移動性。UE的電池能量節約就非常重要。LTE系統中的DRX方案，根據服務質量要求(QoS)，設計出可感知能量的最優方法。

DRX作為無線通信系統鏈路層優化能量效率的一項重要方法被大多數無線通信系統所采納。其基本思想是終端沒有數據傳輸時，進入睡眠狀態，關閉收發單元以降低終端功耗。在3GPP的LTE項目中，對LTE系統提出了更加嚴格的時延要求，一方面要求顯著降低控制平面時延，具體為UE從空閑狀態轉移到激活狀態時延要求為100 ms，從睡眠狀態轉移到激活狀態的時延要求為50 ms;另一方面要求降低用戶平面時延，數據包從UE或RAN(Radio Access Network)邊緣節點IP層傳輸至RAN邊緣節點或UEIP層的單向傳輸時間要求為5 ms［1］。為了滿足這些時延要求，LTE系統標準化工作過程中，提供了長短DRX兩種周期，一定程度上滿足了不同業務的QoS時延要求，但不是很理想。

1 DRX機制

LTE系統中DRX模式分IDLE DRX(空閑狀態下DRX)和RRC－CONNECTED DRX(無線資源連接下的DRX)兩種。IDLE DRX沒有無線資源連接，只是監聽呼叫信道和廣播信道，只要配置好固定睡眠周期就達到非連續接收。如果要監聽用戶數據信道，就必須轉入無線資源連接狀態下的DRX。RRC－CONNECTED DRX，可以優化資源配置，節約UE功率，UE從空閑轉到激活狀態速度快，本文就是研究無線資源連接下的DRX。結合圖1來理解DRX，必須首先理清如下概念。

圖1DRX機制

On duration Timer：UE每次從DRX睡眠周期醒來后監聽PDCCH(物理下行控制信道)的時間。

Inactivity Timer：UE在醒著時每次成功解碼HARQ(混合自動重傳請求)初始發送的PDCCH后保持激活的時間。

Active Time：UE從DRX睡眠周期醒來后保持激活的總時間。在3GPP TS 36.321［2］中定義，如果配置了 DRX，那么 Active Time包括 On Duration Timer，DRX Inactivity Timer，DRX Retransmission Timer和 Mac Contention Resolution Timer運行的時間以及有SR(調度請求)已經發送到PUCCH(物理上行控制信道)，等待對應的HARQ緩沖區里數據發送的時間。

DRX Retransmission Timer：UE預期接收DL Retransmission(下行重傳)的時間。

一個DRX周期包括兩個時間段。第一個是on duration time，在該時間段UE醒來監聽PDCCH，等待或接收eNB(演進型基站)下行數據發送;第二個是睡眠時間段，在該時間段UE關閉收發單元，不監聽PDCCH。長短DRX周期和連續接收之間的轉換由eNB中的定時器(周期配置方法)或命令來控制。UE進入DRX模式后，檢查當前子幀是否滿足

(SFN×10+N)%TP=Toffset(1)式中：%為求模運算符;SFN和N分別代表無線幀和子幀數目;TP和Toffset分別表示當前DRX周期和需要啟動的DRX周期(基于子幀)。當滿足式(1)時，那么就啟動定時器on Duration Timer，此時UE就要開始監聽PDCCH信道了。

如果DRX－Inactivity Timer超時或者收到eNB控制信息單元，就會停止監聽，但是并不會停止跟重傳相關的定時器。此時立即啟動DRX Short Cycle Timer，使用DRX短周期。如果DRX Short Cycle Timer超時，那么啟動DRX Long Cycle Timer，使用DRX長周期。

目前，大多文獻都是如何選擇一個合適的DRX長短周期，或者是具體分析某個參數對省電性能的影響，如Inactivity Timer和On duration Timer。文獻［3］介紹了協作中繼在終端省電方面的應用;文獻［4］分析DRX不同的Inactivity Timer下能耗比較，但并未說明其對時延的影響;文獻［5］闡述了VoIP與流媒體兩種業務下采用DRX的省電情況，但業務模型交代的不清楚;文獻［6］分析了業務時延和網絡負載的關系，并未說明節能與吞吐量間的關系;文獻［7］描述了采用階數來調整DRX睡眠周期大小，本文也借鑒了它的可調因子;文獻［8］闡述了不同DRX參數對省電性能的影響。

2 改進方法

LTE系統的DRX當中存在若干需要權衡的因素。出于節能的考慮，則需要配置長周期、短的開啟持續時間和短的去激活時間。而出于調度的靈活性、資源的利用率以及業務的時延考慮，則需要配置短的DRX周期和長的開啟持續時間去監督PDCCH。針對上述問題，本文提出一種參數可控的動態DRX周期配置，均衡省電和時延之間的矛盾。新方法的第n個睡眠間隔為

LTE系統目前實現的DRX方案是固定的長短睡眠周期，不能動態調整，對時延滿足不是很理想。改進方法的前后周期存在相關性，同時用參數a(0.5≤a≤2)來動態調整周期增加，根據不同業務要求降低時延，同時降低功耗。

3 能量模型

根據兩種狀態{S，A}來建立DRX馬爾可夫模型，其中S代表睡眠狀態，A代表激活狀態。如圖2所示，當Inactivity Timer超時，UE進入第1個睡眠狀態S(1)，監督窗口沒有收到eNB傳送數據命令，則進入第2個睡眠狀態S(2)，有數據到達則返回激活狀態A。一般認為到達系統的數據分組服從參數為λ的泊松分布，相鄰分組服的到達時間間隔服從均值為1/λ的指數分布。

圖2 DRX的馬爾可夫模型

那么第j個睡眠間隔有數據分組到達的概率為式中：Tj是第j個睡眠間隔和監聽間隔之和，監聽長度為tL，Tj的表達式為

假如在第j個睡眠間隔后的監聽間隔里發現數據分組到達系統，則退出DRX模式。這說明在1，2，…，j－1個睡眠周期中沒有數據分組到達。θj表示在第j個睡眠周期中退出DRX模式的概率，其表達式為

ES和EL分別表示在睡眠間隔和監聽間隔內單位時間所消耗的能量。E表示在第j個睡眠周期中退出DRX模式消耗的總能量，其表達式為

平均消耗的能量E(energy)為

平均功率為

睡眠周期中隨機到達的數據分組服從泊松分布，所以數據分組到達時刻均勻地分布在睡眠周期中，平均時延為

4 仿真分析

基于上述模型，將不同參數改進方法與標準方法比較，其中ES==50 mW，EL=170 mW，tL=1 ms。

圖3所示，各種方法平均功率都隨著數據到達率λ增大而增加，而改進方法的平均功率明顯都低于LTE標準方法，圖中采用a=1.2改進方法時，降低功率的效果是最好的。在數據到達率比較大的時候，改進方法的平均功率效果就向LTE標準靠近，這是因為高的數據到達率使得UE進入睡眠機會減小，UE保持激活的狀態機率比較大。改進方法的平均功率與a的大小成反比。

圖3 不同到達率下的平均功率對比

圖4所示，各種方法平均時延都隨數據到達率λ的增大而減小。在低的數據到達率λ下，UE都進入比較長的周期睡眠狀態，因而返還到激活狀態時間就加長了，時延都比較大，而在高的數據到達率下，UE進入長周期睡眠的機會較少，時延也較小。比較看出，LTE標準方法時延最大，改進方法前后循環睡眠周期存在相關性，而LTE標準方法其前后周期幾乎不相關，其系統時延比較大。改進方法的時延與a的大小成正比。

圖4 不同到達率下的平均時延對比

改進方法的中，參數a控制著睡眠周期增長速度，對UE的省電性能影響不可小覷。圖3中，a=1.2時平均功率最低，但在圖4中，a=1.2時平均時延不是最低，只是比LTE標準低。因此，a要根據數據業務特性，合理選擇。

5 小結

本文建立了DRX馬爾可夫模型來分析省電性能和時延特性。通過仿真比較，本文改進方法可以明顯降低終端的平均功耗，同時減小平均時延。該方法雖然可通過參數a動態調整，但還不能做到自適應，下一步工作考慮用神經網絡來做自適應。

［1］王映民.TD－LTE技術原理與系統設計［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［2］3GPP TS 36.321，Evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA)medium access control(MAC)protocol specification［S］.2010.

［3］吳德操，李方偉，朱江.基于中繼技術的LTE－A終端省電方案［J］.電視技術，2011，35(11)：58－60.

［4］WIGARD J，KOLDING T，DALSGAARD L，et al.On the user performance of LTE UE power saving schemes with discontinuous reception in LTE［J］.IEEE Communication Workshops，2009，18(8)：1－5.

［5］BONTU C，ILLIDGE E.DRX mechanism for power saving in LTE［J］.IEEE Communication Magazine，2009，47(6)：48－55.

［6］黃海波，田輝，徐海博.基于時延的動態非連續接受周期調整機制［J］.中國科學技術大學學報，2009，39(10)：1108－1113.

［7］李仁波，張春業，寧祥峰.基于長期演進系統非連續接收機制的改進方法［J］.計算機應用，2010，30(12)：3188－3190.

［8］YMIHOV Y，MKASSEV K，PTSANKOV B.Analysis and performance evaluation of the DRX mechanism for power saving in LTE［J］.IEEE Electrical and Electronics Engineers in Israe，2010，26(12)：520－524.