5G毫米波通信中基于波束賦形的節(jié)能機制

陳發(fā)堂，吳 峰

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引 言

毫米波的大帶寬特性隨著第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Networks,5G)的發(fā)展逐漸成為人們研究的熱點，但其存在嚴重的路徑損耗。為了克服這個問題，波束賦形技術在5G中就顯得尤其重要，波束賦形是將傳輸信號的電磁波“賦予一定的形狀”以“捆綁”在一起集中傳輸，保證在傳輸距離內(nèi)信號傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量[1-2]。

第3代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)制定的長期演進(Long Term Evolution, LTE)標準將非連續(xù)接收(Discontinues Reception, DRX)作為節(jié)省用戶設備電量的關鍵技術[3]。DRX模式下用戶設備(User Equipment, UE)只會在特定時間內(nèi)監(jiān)測物理下行鏈路控制信道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)，其余時間均在睡眠。由文獻[4-5]可知，面對不同的數(shù)據(jù)流狀態(tài)需要設置不同的參數(shù)來應對；文獻[6]提出了研究DRX節(jié)能的兩個關鍵指標：節(jié)能率和喚醒延遲，并通過仿真詳細分析了節(jié)能與延遲之間的關系。以上文獻并未考慮到波束賦形，應用于波束賦形的傳輸系統(tǒng)會導致波束失準。為了解決這個問題，文獻[7]提出了在DRX休眠期額外增加波束訓練與波束反饋來選擇最佳波束的方案，但是額外的波束操作又降低了UE的睡眠時間；文獻[8]通過集成5G空口與現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡可以讓UE做到在沒有數(shù)據(jù)包的情況下避免波束搜索以減少開銷，但該方案需要4G基站(eNode B, eNB)的支持，無法適用于5G單連接場景。

本文在前人研究的基礎上提出了一種長周期可調(diào)整的定向DRX (Adjustable Orientation DRX, A-ODRX) 機制，把波束搜索狀態(tài)并入到DRX的長睡眠周期中來保證波束對準，同時引入長周期遞增系數(shù)a，能夠調(diào)整睡眠時間。

1 A-ODRX機制

DRX由計時器參數(shù)配置，本文采用4個參數(shù)確定UE所處的狀態(tài)，分別為DRX非活動計時器TIN、持續(xù)時間計時器TON、DRX長周期TLC和DRX短周期TSC。在DRX模式中，UE下一個狀態(tài)只與UE當前所處的狀態(tài)有關聯(lián)，即下一個狀態(tài)的狀態(tài)轉移概率分布只取決于UE當前的狀態(tài)，因此具有馬爾可夫性。考慮到數(shù)據(jù)包傳輸是無規(guī)則的，本文設定了4種狀態(tài)(S1、S2、S3和S4)來建立屬于A-ODRX的半馬爾可夫模型，如圖1所示。圖中所示的各態(tài)分別為S1：激活狀態(tài)；S2：DRX ON狀態(tài)；S3：短DRX睡眠狀態(tài)；S4：長DRX睡眠狀態(tài)；Pij為從狀態(tài)Si轉移到狀態(tài)Sj的概率。

圖1 A-ODRX的半馬爾可夫模型

S1：在此狀態(tài)UE會發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，并持續(xù)監(jiān)測PDCCH，UE接收完數(shù)據(jù)后會立即重置DRX非活動計時器TIN，如果在TIN運行期間沒有數(shù)據(jù)包活動，等到TIN到期后UE會轉向S2。

S2：UE存在兩種情況會進入S2，分別為TIN到期后會將UE推到S2；在睡眠期間沒有數(shù)據(jù)包活動，在DRX睡眠結束后會將UE推到S2。TON到期后仍然沒有數(shù)據(jù)活動UE會進入短DRX睡眠狀態(tài)(S3)或長DRX睡眠狀態(tài)(S4)，這里需要注意，只有當UE連續(xù)進入短DRX睡眠狀態(tài)的次數(shù)達到短DRX計時器NSC后，UE才會進入到S4。在S2期間，UE不會接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，但會監(jiān)測PDCCH。

S3：在TON活動期間，UE被間歇性地喚醒以監(jiān)測PDCCH，如果沒有監(jiān)測到數(shù)據(jù)活動，UE會轉到S2，否則UE直接轉到S1。

S4：由兩個子狀態(tài)組成：深睡眠和波束搜索與反饋。UE在深睡眠期間既不發(fā)送/接收數(shù)據(jù)也不監(jiān)測PDCCH，達到深睡眠時間tlc時，UE會進行波束搜索與監(jiān)聽PDCCH，如果PDCCH上沒有數(shù)據(jù)活動，UE在S4結束時移至S2，否則在S4結束時移至S1。

圖2所示為UE-DRX完整的時序過程。波束搜索并入到了S4中，S4期間UE與5G基站(next Generation NodeB, gNB)之間必須選擇最佳發(fā)送/接收 (Tansmit/Receive, Tx/Rx) 波束，關于最佳波束對的選擇，UE會利用N個接收波束去測量M個發(fā)送波束對應的參考信號，一共需要測量N×M次，只要參考信號的測量值達到預設的門限值即可認為當前的波束對是最佳波束對。圖3所示為毫米波模擬波束形成系統(tǒng)。

圖2 UE-DRX時序過程圖

圖3 毫米波模擬波束形成系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的DRX機制中，UE無法在睡眠期間完成波束對準，本文提出一種波束流追蹤機制，當UE進入DRX長周期后，UE將依次測量所有的波束對，一旦當前波束對的測量值達到預設門限，則向gNB發(fā)出反饋，通知gNB已找到最佳波束對，并結束波束搜索。

文獻[9]和[10]驗證了睡眠周期可調(diào)整的DRX機制可以在節(jié)省功耗的同時控制延遲，但以上文獻的研究沒有考慮到復雜的數(shù)據(jù)流情況，無法適用于5G毫米波系統(tǒng)。為此，本文對UE的睡眠狀態(tài)做出了調(diào)整，具體如下：UE第1次進入S4的睡眠時長為tmin，S4結束后UE進入到S2，如果UE在S2期間仍然沒有監(jiān)測到來自PDCCH的數(shù)據(jù)包活動，則S2結束后UE會繼續(xù)進入S4，由于引入了長周期遞增系數(shù)a，睡眠的時長按照式(1)進行計算，即UE繼續(xù)進入長睡眠周期且時長是上一個的2a倍。這里需要注意，當睡眠時長遞增到最大值tmax后，保持最大值tmax不變，一旦UE在S4期間接收到了來自PDCCH上的數(shù)據(jù)包，等到再次進入S4時，睡眠時長將重新從tmin開始算起。

式中：a為一個根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務要求變化的參數(shù)，只要睡眠周期的狀態(tài)沒有達到最大睡眠間隔tmax，tlc會根據(jù)UE所處的狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)整；i為進入S4的次數(shù)。對于在S4中喚醒的UE，考慮到可能還會有數(shù)據(jù)包到來，因此將長睡眠時長重置為tmin，減少了數(shù)據(jù)突發(fā)性帶來的不必要延遲。a應大于等于0.5，以適用于數(shù)據(jù)到達不規(guī)律且數(shù)據(jù)量大的5G業(yè)務場景或DRX典型場景。若當前業(yè)務對時延要求較敏感，可以適當?shù)亟档蚢值以減少睡眠時間；而對于時延要求比較寬松的業(yè)務，可以增大a值以達到節(jié)能的目的。

2 系統(tǒng)研究模型

本文使用了一個類似于文獻[11]給出的歐洲電信標準化委員會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)流量模型對A-ODRX機制建模分析。由于當前5G業(yè)務數(shù)據(jù)的突發(fā)性與較大時間范圍內(nèi)可能存在的重尾分布，以泊松分布建立的模型不符合當前突發(fā)型的數(shù)據(jù)流量特點，而ETSI流量模型更加貼切實際情況。此外，文獻[11]并沒有在所建立的半馬爾可夫過程中加入波束搜索，而且研究的是基于LTE系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)場景，其數(shù)據(jù)突發(fā)的頻率不如5G業(yè)務，若應用在5G毫米波通信系統(tǒng)中，其仿真結果會出現(xiàn)極大的偏差。本文在A-ODRX機制的基礎上，考慮到更加真實的業(yè)務場景，設計了新的ETSI流量模型參數(shù)以解決上述問題，具體如下：業(yè)務數(shù)據(jù)通常是由幾個會話組成，這些會話具有指數(shù)分布的會話到達時間ts，每個業(yè)務會話均由多個數(shù)據(jù)包組成，這些數(shù)據(jù)包呼叫的到達間隔時間tpc呈指數(shù)分布，如圖4所示。ETSI流量模型的主要參數(shù)如表1所示。

圖4 ETSI流量模型

模型參數(shù)分布 均值會話到達時間ts指數(shù)幾何1/λs每個會話的數(shù)據(jù)包數(shù)ηsηs分組呼叫到達時間tpc指數(shù)幾何1/λpc每個數(shù)據(jù)包呼叫的數(shù)據(jù)包數(shù)ηpcηpc數(shù)據(jù)包到達時間tp指數(shù)1/λp

2.1 狀態(tài)轉移概率

假設一旦有數(shù)據(jù)包開始呼叫，UE會等到把該數(shù)據(jù)包呼叫的所有數(shù)據(jù)包都傳送完之后才移動到DRX模式中。當UE位于狀態(tài)S1時，如果下一個數(shù)據(jù)包在TIN到期之前到達，UE會重新啟動TIN，否則移動到S2。據(jù)此，P11=Pos[1-exp(-λpcTIN)]+Pns[1-exp(-λsTIN)]，P12=1-Pos[1-exp(-λpcTIN)]+Pns[1-exp(-λsTIN)]。

當UE處于狀態(tài)S2時，如果數(shù)據(jù)包在TON過期之前到達，則UE移動到S1，否則UE會移動到S3或S4，在S3中NSC到期后，之后TON到期UE會直接進入S4。P21、P23以及P24的表達式分別為P21=Pos[1-exp(-λpcTON)]+Pns[1-exp(-λsTON)]、P23=Pos[1-exp(-λpcTON)][1-exp(-λpcNSCTSC)]+Pnsexp(-λsTON)[1-exp(-λsNSCTSC)]和P24=Posexp(-λpcTON)×exp(-λpcNSCTSC)+Pnsexp(-λsTON)×exp(-λsNSCTSC)。同理，可計算出P31、P32、P41和P42的表達式分別為P31=Pos[1-exp(-λpcTSS)]+Pns[1-exp(-λsTSS)]、P32=Posexp(-λpcTSS)+Pnsexp(-λsTSS)、P41=Pos[1-exp(-λpcTLS)]+Pns[1-exp(-λsTLS)]和P42=Posexp(-λpcTLS)+Pns(-λsTLS) ，式中，TSS和TLS分別為UE在短DRX睡眠周期與長DRX睡眠周期中的睡眠時間。接下來就可以得到相應的轉移概率矩陣PT：

2.2 平均緩沖延遲

DRX機制為了盡可能延長UE的睡眠時間，通常的做法是增加數(shù)據(jù)包緩沖，由于此操作會不可避免地帶來延遲，需要計算由DRX操作增加的總緩沖延遲δDRX：

式中：δl為狀態(tài)Sl期間的平均緩沖延遲；PSl為UE在此狀態(tài)的概率；l為UE當前所處的狀態(tài)，l∈{1,2,3,4}。由于UE在Sl狀態(tài)會持續(xù)監(jiān)測PDCCH，其平均延遲為0；而S2狀態(tài)僅僅是一個過渡狀態(tài)，因此也可以忽略掉平均延遲，即δ1=δ2=0，則δ3與δ4可分別表示為

2.3 功率節(jié)省因子

在針對A-ODRX機制的模型分析中，利用功率節(jié)省因子Φ作為評估A-ODRX機制對于降低UE功耗效果的標準。Φ為UE在整個過程中睡眠時間與總時間的比值，Φ值越大代表UE節(jié)省功耗的效果越佳，設θj(j∈{1,2,3,4})為Sj的持續(xù)時間，而E[θj]為θj的期望值，表達式為

式中，tj為UE在當前狀態(tài)下的停留時間。UE處于狀態(tài)S2的情況比較特殊，由于S2只起到中轉的作用，因此這個階段的時間可以忽略，即E[θ2]=0。對于S3和S4，只要在DRX睡眠期間到達的數(shù)據(jù)包均會被緩沖到下一個TON，因此可以計算出E[θ3]和E[θ4]，表達式分別為E[θ3]=TSS=TSC-TON，E[θ4]=TLS=TLC-TON。

計算出了UE在所有狀態(tài)的停留時間，由于要計算功率節(jié)省因子，所以睡眠時間只存在于S3和S4中。由此，可得Φ的表達式為

2.4 波束失準概率

在A-ODRX機制中，UE會依次測量Rx波束的參考信號接收功率 (Reference Signal Received Power, RSRP)。考慮到影響波束對準的因素很多，為了簡化模型，假設UE垂直于波束的瞄準鏡移動，圖5所示為波束賦形模擬圖。

注：θ為3 dB波束帶寬的角度；d為波束當前覆蓋的距離；x為此位置的波束寬度。圖5 波束賦形模擬圖

3 仿真評估

為了驗證A-ODRX機制的性能，利用已建立模型的參數(shù)并使用MATLAB軟件獲得解析結果。為了控制掃描波束的次數(shù)，gNB在每個服務扇區(qū)有12個發(fā)送波束，UE相應的有5個接收波束，因此，UE在S4的波束搜索期間至多需要掃描60(12×5)對波束。波束寬度設定為12.5 °，這樣有利于集中能量在特定扇區(qū)傳輸信號，NSC取值為4，即UE連續(xù)經(jīng)過4個短睡眠周期后進入長睡眠周期，具體的參數(shù)如表2所示。

表2 分析參數(shù)

無人駕駛一直是汽車領域發(fā)展的趨勢之一，而5G毫米波在傳輸過程中具有方向性和快速高精度定位的特點，可以解決無人駕駛面臨的通信和快速定位等問題。為了驗證5G毫米波在UE處于高速移動狀態(tài)時還能否保持上述特性，本文測試了文獻[8]提出的集成定向非連續(xù)接收(Integrated Directional Discontinuous Reception, I-DDRX)與A-ODRX機制在不同速率下的波束失準情況。將長周期遞增系數(shù)a取值設為0.5，得到的結果如圖6所示。在相同的速率下，隨著短DRX周期長度的增加，波束失準概率也在增加，并且在特定的短DRX周期下，速率越大其波束失準概率也越大。在UE速率為70 km/h時，A-ODRX機制在波束對準方面的表現(xiàn)明顯好于I-DDRX，平均波束失準概率相較于I-DDRX降低了55%，在速率為105 km/h時，降低了36%，同時隨著睡眠時間的增加，兩者的差距更加明顯，由此可以得出結論，采用A-ODRX機制的毫米波系統(tǒng)能夠明顯提高小角度范圍內(nèi)的波束對準概率，并能在UE處于高速移動時快速地定位UE以進行點對點通信。

圖6 波束失準概率

為了研究A-ODRX機制中UE速率、長周期遞增系數(shù)a與波束失準概率3者之間的關系，將UE的速率從0等間隔遞增到135 km/h，對于不同的a值，波束失準概率變化曲線遵從同樣的變化規(guī)律，圖7所示為不同a值對應的波束失準概率。由圖可知，隨著UE速率的增加，波束失準概率也在增加，這是因為，將波束寬度限定在一定范圍內(nèi)以集中能量傳輸信號時，UE速率的提升會增加UE脫離當前波束服務區(qū)的概率，其波束失準概率自然隨之增加。對于相同的速率，a越大波束失準概率也越大，圖7中a值為0.90、速率為115 km/h時，波束失準概率高達83.5%，睡眠時間的增長導致在相同時間內(nèi)UE移動距離增加，從而脫離了當前最佳波束對的服務范圍，導致波束失準概率增加。

圖7 不同a值對應的波束失準概率

圖8所示為A-ODRX機制中長周期遞增系數(shù)a、短DRX周期與功率節(jié)省因子的關系。由圖可知，隨著TSC的增加，不同a值下的功率節(jié)省因子都是逐漸增大的，這是由于TSC的增大提升了睡眠時間在總時間中的占比。傳統(tǒng)的LTE-DRX機制沒有考慮睡眠期間的波束失準問題，A-ODRX機制充分考慮了在長周期睡眠期間添加波束搜索態(tài)以保持波束對準，同時在節(jié)能方面也明顯優(yōu)于LTE-DRX。在a=0.5時，A-ODRX的平均功率節(jié)省相較于LTE-DRX提升了8.2%；在a=0.9時，差距更加明顯，A-ODRX的平均功率節(jié)省因子相較于LTE-DRX提升了12.4%。

圖8 不同a值下的功率節(jié)省因子

圖9所示為不同a值下平均延遲與短DRX周期之間的關系。由圖可知，隨著睡眠時間的增加，平均延遲增加的越來越快。對于A-ODRX機制來說，盡管提高了UE睡眠后處于喚醒狀態(tài)的波束對準概率，但原本的波束搜索態(tài)就占用了一部分的長DRX周期，為了保證節(jié)能只能以增加睡眠時間為代價，a值越大，能節(jié)省的功率也就越多，但是隨之而來的平均延遲也跟著增加。相較于傳統(tǒng)的LTE-DRX機制，a=0.5時，A-ODRX機制的平均延遲增加了12%。

圖9 不同a值下的平均延遲

4 結束語

本文提出了一種在5G毫米波系統(tǒng)中考慮波束搜索的A-ODRX機制。在A-ODRX機制中，長DRX周期包含了波束搜索狀態(tài)以防止波束失準，并利用長周期遞增系數(shù)a增加UE的睡眠時間。通過建立半馬爾可夫鏈與ETSI流量模型對A-ODRX進行研究，仿真結果表明，考慮到波束方向與UE速率等因素，短DRX周期的設置必須慎重，因為波束失準概率隨著短DRX周期的增加而增加。a對于平均延遲與功率節(jié)省因子同樣有著較大的影響，對于不同的業(yè)務需求可以采用不同的a值，如果業(yè)務對網(wǎng)絡延遲要求較高的話，可以選擇較小的a值，反之選擇較大的a值。今后的工作是能夠根據(jù)不同的業(yè)務類型與數(shù)據(jù)包活躍情況動態(tài)地改變a值，以更好地滿足業(yè)務的需求。