李小文，徐志文，張 崢

（重慶市移動通信技術(shù)重點實驗室，重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

TD-LTE系統(tǒng)DRX機制的分析與設(shè)計*

李小文，徐志文，張 崢

（重慶市移動通信技術(shù)重點實驗室，重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

為了降低移動終端的功率消耗，并且進一步支持多種業(yè)務(wù)和大量數(shù)據(jù)的傳輸，在長期演進（TD-LTE）系統(tǒng)中引入了非連續(xù)接收省電機制（DRX）。通過各種定時器的操作詳盡分析了DRX機制的基本原理，設(shè)計出一種自適應(yīng)DRX機制的具體實現(xiàn)方案。仿真結(jié)果表明，此機制在減少功率消耗方面有很大的改進，同時保證用戶的良好體驗。

時分長期演進；非連續(xù)接收機制；功率消耗；用戶體驗

隨著節(jié)能減排意識的不斷深入人心，移動通信系統(tǒng)在提供更高的頻譜利用率、更高速率、更豐富多媒體業(yè)務(wù)的同時，終端電能功耗將直接影響用戶的服務(wù)滿意度。為了最大程度地支持終端移動性，保證優(yōu)良的用戶業(yè)務(wù)體驗，需要在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，盡可能延長用戶終端的續(xù)航時間。非連續(xù)接收機制(DRX)作為從無線通信系統(tǒng)鏈路層優(yōu)化能量效率的一項重要方法被大多數(shù)無線通信系統(tǒng)所采納，其基本思想是允許終端在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r刻關(guān)閉無線收發(fā)單元，進入睡眠模式，以降低額外能量開銷。DRX周期的參數(shù)涉及省電和時延之間的折中。長的DRX周期對省電有利，短的DRX周期對數(shù)據(jù)傳輸時的快速反應(yīng)更加有利，為了滿足這些沖突的需求，本文詳盡分析了DRX機制的各種定時器并設(shè)計了一種可適應(yīng)的DRX調(diào)度算法。

1 DRX機制原理分析

為了達到節(jié)省用戶設(shè)備UE(User Eguipment)功耗的目的，UE會在某些時候采取非連續(xù)接收（DRX）的方式監(jiān)聽PDCCH。下面分析連接態(tài)下的DRX。

對于RRC連接態(tài)下的DRX，RRC通過配置幾個定時器和DRX周期相結(jié)合的方式來實現(xiàn)DRX的功能。定時器有 OnDurationTimer、Drx-InactiveTimer、DrxShortCycle-Timer、HARQ-RTT-Timer和 Drx-RetransmissionTimer等，只要理解這些定時器的使用，連接態(tài)下的DRX機制基本上也就清楚了。下面簡要介紹這幾個定時器。

On Duration Timer：指定在一個DRX周期開始的連續(xù) PDCCHsubframe 的個數(shù)（1、2、3、4、5、6、8、10、20、30、40、50、60、80、100、200）。

Drx-InactiveTimer：指定成功解碼一個指示初始UL/DL用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH后連續(xù)PDCCH subframe的個數(shù)，其值可為（1、2、3、4、5、6、810、20、30、40、50、60、80、100、200、300、500、750、1 280、1 920、2 560）。

Drx-RetransmissionTimer：UE預(yù) 期 接 收 DL Retransmission的時間的最大PDCCH subframe的個數(shù)其值可為1、2、4、6、8、16、24、33。

DrxShortCycleTimer：指定短DRX周期的個數(shù)。

HARQ-RTT-timer：在 DL HARQ重傳之前最少的子幀個數(shù)，也就是UE預(yù)期DL Retransmission到達的最少間隔時間。

下面用一個圖例，詳細說明DRX中幾個定時器的操作過程。

如圖1所示，不論是短DRX周期還是長DRX周期，都要啟動On Duration Timer定時器，在這個定時器內(nèi)，終端都會不停地監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)傳輸。在時刻1時，監(jiān)聽到有指示上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH，此時將開啟非激活定時器Drx-InactiveTimer，在這個定時器超時前，在時刻2又監(jiān)聽到了一個指示下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH，此時重啟非激活定時器Drx-InactiveTimer。不論此時PDCCH指示的下行數(shù)據(jù)是重傳數(shù)據(jù)還是新數(shù)據(jù)，都啟動定時器HARQ RTT Timer，等待著下一次數(shù)據(jù)的重傳。而在時刻3又監(jiān)聽到了指示上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DCCH，然后再次重啟非激活定時器Drx-InactiveTimer，直到這個定時器超時，然后在時刻4進入休眠期。經(jīng)過一段時間后，在時刻5進入到下一個短DRX周期內(nèi)，又一次啟動定時器OnDuration Timer。在時刻 6定時器 HARQ-RTT-Timer超時，然后啟動定時器 HARQ Retransmission Timer，在這個定時器期間內(nèi)進行數(shù)據(jù)的重傳，這一次數(shù)據(jù)解碼正確，在時刻7又檢測到新的上行數(shù)據(jù)的傳輸，此時啟動非激活定時器Drx-InactiveTimer，在其超時后在時刻8再次進入到休眠期。在等待一段時間后，此時定時器DrxShortCycleTimer超時，這個定時器超時意味著所有短DRX周期的結(jié)束，然后在時刻9進入到長DRX周期內(nèi)，其的目的是更加節(jié)省終端的功耗。一般情況下，若配置了短DRX周期，都將先進入短DRX周期內(nèi)，這樣就不會因為休眠期過長而監(jiān)聽不到數(shù)據(jù)的傳輸，給用戶帶來很不好的體驗。在經(jīng)歷若干個短DRX周期之后，就會進入到長DRX周期內(nèi)，長短DRX周期的結(jié)合能更好地提高DRX的效果。

2 DRX機制算法設(shè)計

2.1 連接下的DRX算法設(shè)計

一般來說，對DRX算法的研究，考慮兩種不同的方法：(1)靜態(tài)DRX。在這種模式中，只保存了一些基本的參數(shù)如DRX周期、On Duration Timer，非激活定時器被廢棄。其優(yōu)勢是不用更新配置信令，在省電方面能滿足要求。但是不能根據(jù)業(yè)務(wù)量動態(tài)監(jiān)聽數(shù)據(jù),導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)丟失。(2)自適應(yīng)DRX。此DRX機制主要是通過動態(tài)地配置 DRX周期、On-Duration Timer、Drx-InactivityTimer等實現(xiàn)的。關(guān)于DRX周期的配置，一般有兩種考慮：(1)節(jié)省能量，它需要配置短的On Duration Timer、短的Drx-InactivityTimer、長的 DRX cycle。(2)資源利用和信號的質(zhì)量。為此，需要配置長的On Duration Timer、長的Drx-InactivityTimer、短的 DRX cycle，但是如果網(wǎng)絡(luò)配置UE的DRX周期過長，用戶體驗會有很大的下降。基于這種情況，一種自適應(yīng)DRX調(diào)度的機制被提出，此機制能夠最大化能量效率并滿足系統(tǒng)的需求。自適應(yīng)DRX算法具體設(shè)計如圖2所示。

2.2 自適應(yīng)DRX機制算法優(yōu)勢

非連續(xù)接收機制在 LTE系統(tǒng)中有 Active、Save兩種不同的模式。Active相當于正常模式，Save相當于節(jié)省模式。主要通過是否在接收數(shù)據(jù)來區(qū)別Active模式中的狀態(tài)，通過是否監(jiān)聽控制信道來區(qū)別Save模式的狀態(tài)。為了闡明DRX算法的優(yōu)勢，假設(shè)兩種模式出現(xiàn)各種狀態(tài)的概率為0.5，通過計算得單位幀內(nèi)功率比Esleep：Eawake=1：68，其中深睡功耗為 0 mW/TTI，淺睡功耗為 11 mW/TTI，激活狀態(tài)下有數(shù)據(jù)傳輸時的功耗為500 mW/TTI，無數(shù)據(jù)傳輸時的功耗為255.5 mW/TTI。UE在可適應(yīng)的DRX調(diào)度機制下的功率節(jié)省公式如下：

假設(shè)在DRX模式有M幀，在正常模式有N幀，功率節(jié)省百分比如圖3所示，此結(jié)果表明DRX周期越長或單個周期內(nèi)激活的時間越短節(jié)省的功率越多。

如果網(wǎng)絡(luò)配置UE的DRX周期過長，則用戶體驗會有很大的下降，所以在滿足功率節(jié)省的同時，必須要考慮另外一個重要的性能指標是時延，其公式如下：

其中，tmin為最小睡眠間隔（最小周期）；tmax為最大睡眠間隔（最大間隔）；pk為在返回工作模式前經(jīng)歷K個睡眠周期的概率；tl為監(jiān)聽周期；K為返回到工作模式前經(jīng)歷的睡眠周期個數(shù)；λ為數(shù)據(jù)到達系統(tǒng)的速率；μ為基站和移動臺之間的服務(wù)速率；w為不同周期的個數(shù)。

假設(shè) tmax：tl=4：1，K 的取值為 2、4、6。 圖 4 描述了不同周期的時延，結(jié)果顯示，DRX周期和時延越長，用戶體驗就越差、且返回工作模式前睡眠周期的個數(shù)越少、時延越短。為了解決時延和功率的矛盾，在用戶可接受的情況下，通過圖3和圖4，此機制能夠確定出最佳周期長度的值。所以本文研究的自適應(yīng)調(diào)度算法在LTE系統(tǒng)中有一定的參考價值。

[1]3GPP TS 36.321 V9.1.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Medium Access Control(MAC)protocol specification[S].2010(3).

[2]3GPP TS 36.331 V9.1.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Radio Resource Control(RRC)[S].2010(3).

[3]KOLDING T E，WIGARD J，DALSGAARD L.Balancing power saving and single user experience with discontinuous reception in LTE[C].ISWCS’08，Reykajvik，2008.

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

[5]WIGARD J.On the user performance of LTE UE power savings schemes with discontinuous reception in LTE[C].ICC Dresden,2009.

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Analysis and design of DRX mechanism in TD-LTE systems

Li Xiaowen，Xu Zhiwen，Zhang Zheng
(Chongqing Key Lab of Mobile Communications,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065，China)

In order to reduce the power consumption of the user equipment,and further support the transmission of a wide range of business and the large amount of data.The Long Term Evolution(TD-LTE)system adopts discontinuous reception(DRX)mechanisms.This article through various timer operation which analyze in detail the basic principles of DRX mechanism and design a specific realization scheme for adaptive DRX mechanism.The simulation results show that this mechanism in the reduction of power consumption is greatly improved,at the same time,it ensure the good experience of the user.

TD-LTE；DRX；power consumption；good experience

TN929.5

A

0258-7998(2012)03-0044-03

國家科技重大專項,TD-LTE無線綜合測試儀表開發(fā)（2009ZX3002-009）

2011-10-10)

李小文，男，1955年生，教授，主要研究方向：TDSCDMA，TD-LTE協(xié)議棧。

徐志文，男，1988年生，在讀研究生，主要研究方向：LTE高層協(xié)議棧。