沈愛國(guó)，李方偉，朱 江

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信安全研究所，重慶400065)

準(zhǔn)4G系統(tǒng)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(diào)制方式(64QAM)、先進(jìn)的編碼技術(shù)(Turbo碼)和多天線技術(shù)(MIMO)以及空分多址技術(shù)等。這些都要求復(fù)雜的終端電路，能耗勢(shì)必加快，限制了用戶的移動(dòng)性。UE的電池能量節(jié)約就非常重要。LTE系統(tǒng)中的DRX方案，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求(QoS)，設(shè)計(jì)出可感知能量的最優(yōu)方法。

DRX作為無線通信系統(tǒng)鏈路層優(yōu)化能量效率的一項(xiàng)重要方法被大多數(shù)無線通信系統(tǒng)所采納。其基本思想是終端沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉收發(fā)單元以降低終端功耗。在3GPP的LTE項(xiàng)目中，對(duì)LTE系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格的時(shí)延要求，一方面要求顯著降低控制平面時(shí)延，具體為UE從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)移到激活狀態(tài)時(shí)延要求為100 ms，從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)移到激活狀態(tài)的時(shí)延要求為50 ms;另一方面要求降低用戶平面時(shí)延，數(shù)據(jù)包從UE或RAN(Radio Access Network)邊緣節(jié)點(diǎn)IP層傳輸至RAN邊緣節(jié)點(diǎn)或UEIP層的單向傳輸時(shí)間要求為5 ms［1］。為了滿足這些時(shí)延要求，LTE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作過程中，提供了長(zhǎng)短DRX兩種周期，一定程度上滿足了不同業(yè)務(wù)的QoS時(shí)延要求，但不是很理想。

1 DRX機(jī)制

LTE系統(tǒng)中DRX模式分IDLE DRX(空閑狀態(tài)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(jiān)聽呼叫信道和廣播信道，只要配置好固定睡眠周期就達(dá)到非連續(xù)接收。如果要監(jiān)聽用戶數(shù)據(jù)信道，就必須轉(zhuǎn)入無線資源連接狀態(tài)下的DRX。RRC－CONNECTED DRX，可以優(yōu)化資源配置，節(jié)約UE功率，UE從空閑轉(zhuǎn)到激活狀態(tài)速度快，本文就是研究無線資源連接下的DRX。結(jié)合圖1來理解DRX，必須首先理清如下概念。

圖1DRX機(jī)制

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

Inactivity Timer：UE在醒著時(shí)每次成功解碼HARQ(混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求)初始發(fā)送的PDCCH后保持激活的時(shí)間。

Active Time：UE從DRX睡眠周期醒來后保持激活的總時(shí)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(yùn)行的時(shí)間以及有SR(調(diào)度請(qǐng)求)已經(jīng)發(fā)送到PUCCH(物理上行控制信道)，等待對(duì)應(yīng)的HARQ緩沖區(qū)里數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間。

DRX Retransmission Timer：UE預(yù)期接收DL Retransmission(下行重傳)的時(shí)間。

一個(gè)DRX周期包括兩個(gè)時(shí)間段。第一個(gè)是on duration time，在該時(shí)間段UE醒來監(jiān)聽PDCCH，等待或接收eNB(演進(jìn)型基站)下行數(shù)據(jù)發(fā)送;第二個(gè)是睡眠時(shí)間段，在該時(shí)間段UE關(guān)閉收發(fā)單元，不監(jiān)聽PDCCH。長(zhǎng)短DRX周期和連續(xù)接收之間的轉(zhuǎn)換由eNB中的定時(shí)器(周期配置方法)或命令來控制。UE進(jìn)入DRX模式后，檢查當(dāng)前子幀是否滿足

(SFN×10+N)%TP=Toffset(1)式中：%為求模運(yùn)算符;SFN和N分別代表無線幀和子幀數(shù)目;TP和Toffset分別表示當(dāng)前DRX周期和需要啟動(dòng)的DRX周期(基于子幀)。當(dāng)滿足式(1)時(shí)，那么就啟動(dòng)定時(shí)器on Duration Timer，此時(shí)UE就要開始監(jiān)聽PDCCH信道了。

如果DRX－Inactivity Timer超時(shí)或者收到eNB控制信息單元，就會(huì)停止監(jiān)聽，但是并不會(huì)停止跟重傳相關(guān)的定時(shí)器。此時(shí)立即啟動(dòng)DRX Short Cycle Timer，使用DRX短周期。如果DRX Short Cycle Timer超時(shí)，那么啟動(dòng)DRX Long Cycle Timer，使用DRX長(zhǎng)周期。

目前，大多文獻(xiàn)都是如何選擇一個(gè)合適的DRX長(zhǎng)短周期，或者是具體分析某個(gè)參數(shù)對(duì)省電性能的影響，如Inactivity Timer和On duration Timer。文獻(xiàn)［3］介紹了協(xié)作中繼在終端省電方面的應(yīng)用;文獻(xiàn)［4］分析DRX不同的Inactivity Timer下能耗比較，但并未說明其對(duì)時(shí)延的影響;文獻(xiàn)［5］闡述了VoIP與流媒體兩種業(yè)務(wù)下采用DRX的省電情況，但業(yè)務(wù)模型交代的不清楚;文獻(xiàn)［6］分析了業(yè)務(wù)時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的關(guān)系，并未說明節(jié)能與吞吐量間的關(guān)系;文獻(xiàn)［7］描述了采用階數(shù)來調(diào)整DRX睡眠周期大小，本文也借鑒了它的可調(diào)因子;文獻(xiàn)［8］闡述了不同DRX參數(shù)對(duì)省電性能的影響。

2 改進(jìn)方法

LTE系統(tǒng)的DRX當(dāng)中存在若干需要權(quán)衡的因素。出于節(jié)能的考慮，則需要配置長(zhǎng)周期、短的開啟持續(xù)時(shí)間和短的去激活時(shí)間。而出于調(diào)度的靈活性、資源的利用率以及業(yè)務(wù)的時(shí)延考慮，則需要配置短的DRX周期和長(zhǎng)的開啟持續(xù)時(shí)間去監(jiān)督PDCCH。針對(duì)上述問題，本文提出一種參數(shù)可控的動(dòng)態(tài)DRX周期配置，均衡省電和時(shí)延之間的矛盾。新方法的第n個(gè)睡眠間隔為

LTE系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)的DRX方案是固定的長(zhǎng)短睡眠周期，不能動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)時(shí)延滿足不是很理想。改進(jìn)方法的前后周期存在相關(guān)性，同時(shí)用參數(shù)a(0.5≤a≤2)來動(dòng)態(tài)調(diào)整周期增加，根據(jù)不同業(yè)務(wù)要求降低時(shí)延，同時(shí)降低功耗。

3 能量模型

根據(jù)兩種狀態(tài){S，A}來建立DRX馬爾可夫模型，其中S代表睡眠狀態(tài)，A代表激活狀態(tài)。如圖2所示，當(dāng)Inactivity Timer超時(shí)，UE進(jìn)入第1個(gè)睡眠狀態(tài)S(1)，監(jiān)督窗口沒有收到eNB傳送數(shù)據(jù)命令，則進(jìn)入第2個(gè)睡眠狀態(tài)S(2)，有數(shù)據(jù)到達(dá)則返回激活狀態(tài)A。一般認(rèn)為到達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分組服從參數(shù)為λ的泊松分布，相鄰分組服的到達(dá)時(shí)間間隔服從均值為1/λ的指數(shù)分布。

圖2 DRX的馬爾可夫模型

那么第j個(gè)睡眠間隔有數(shù)據(jù)分組到達(dá)的概率為式中：Tj是第j個(gè)睡眠間隔和監(jiān)聽間隔之和，監(jiān)聽長(zhǎng)度為tL，Tj的表達(dá)式為

假如在第j個(gè)睡眠間隔后的監(jiān)聽間隔里發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組到達(dá)系統(tǒng)，則退出DRX模式。這說明在1，2，…，j－1個(gè)睡眠周期中沒有數(shù)據(jù)分組到達(dá)。θj表示在第j個(gè)睡眠周期中退出DRX模式的概率，其表達(dá)式為

ES和EL分別表示在睡眠間隔和監(jiān)聽間隔內(nèi)單位時(shí)間所消耗的能量。E表示在第j個(gè)睡眠周期中退出DRX模式消耗的總能量，其表達(dá)式為

平均消耗的能量E(energy)為

平均功率為

睡眠周期中隨機(jī)到達(dá)的數(shù)據(jù)分組服從泊松分布，所以數(shù)據(jù)分組到達(dá)時(shí)刻均勻地分布在睡眠周期中，平均時(shí)延為

4 仿真分析

基于上述模型，將不同參數(shù)改進(jìn)方法與標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)到達(dá)率λ增大而增加，而改進(jìn)方法的平均功率明顯都低于LTE標(biāo)準(zhǔn)方法，圖中采用a=1.2改進(jìn)方法時(shí)，降低功率的效果是最好的。在數(shù)據(jù)到達(dá)率比較大的時(shí)候，改進(jìn)方法的平均功率效果就向LTE標(biāo)準(zhǔn)靠近，這是因?yàn)楦叩臄?shù)據(jù)到達(dá)率使得UE進(jìn)入睡眠機(jī)會(huì)減小，UE保持激活的狀態(tài)機(jī)率比較大。改進(jìn)方法的平均功率與a的大小成反比。

圖3 不同到達(dá)率下的平均功率對(duì)比

圖4所示，各種方法平均時(shí)延都隨數(shù)據(jù)到達(dá)率λ的增大而減小。在低的數(shù)據(jù)到達(dá)率λ下，UE都進(jìn)入比較長(zhǎng)的周期睡眠狀態(tài)，因而返還到激活狀態(tài)時(shí)間就加長(zhǎng)了，時(shí)延都比較大，而在高的數(shù)據(jù)到達(dá)率下，UE進(jìn)入長(zhǎng)周期睡眠的機(jī)會(huì)較少，時(shí)延也較小。比較看出，LTE標(biāo)準(zhǔn)方法時(shí)延最大，改進(jìn)方法前后循環(huán)睡眠周期存在相關(guān)性，而LTE標(biāo)準(zhǔn)方法其前后周期幾乎不相關(guān)，其系統(tǒng)時(shí)延比較大。改進(jìn)方法的時(shí)延與a的大小成正比。

圖4 不同到達(dá)率下的平均時(shí)延對(duì)比

改進(jìn)方法的中，參數(shù)a控制著睡眠周期增長(zhǎng)速度，對(duì)UE的省電性能影響不可小覷。圖3中，a=1.2時(shí)平均功率最低，但在圖4中，a=1.2時(shí)平均時(shí)延不是最低，只是比LTE標(biāo)準(zhǔn)低。因此，a要根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特性，合理選擇。

5 小結(jié)

本文建立了DRX馬爾可夫模型來分析省電性能和時(shí)延特性。通過仿真比較，本文改進(jìn)方法可以明顯降低終端的平均功耗，同時(shí)減小平均時(shí)延。該方法雖然可通過參數(shù)a動(dòng)態(tài)調(diào)整，但還不能做到自適應(yīng)，下一步工作考慮用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來做自適應(yīng)。

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