石華宇,唐 倫,陳前斌

(重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

3GPP R12 MTC終端功耗優(yōu)化研究進(jìn)展*

石華宇**,唐 倫,陳前斌

(重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

總結(jié)了6種機(jī)器類通信(MTC)終端節(jié)能功耗方案。在移動通信行業(yè)各大公司對終端功耗優(yōu)化研究的基礎(chǔ)之上,重點(diǎn)介紹了MTC終端功耗在3GPP R12版本標(biāo)準(zhǔn)化研究的進(jìn)展情況,研究了各方案對UE的影響和對eNB的影響,對比分析了每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用場景,為MTC功耗優(yōu)化問題提供了一個清晰的思路。

3GPP;機(jī)器類通信;終端功耗優(yōu)化;物聯(lián)網(wǎng);不連續(xù)接收機(jī)

1 引 言

隨著人類對無線通信要求越來越高,機(jī)器類型通信(Machine Type Communication,MTC)也越來越受到重視。它是機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人之間數(shù)據(jù)通信的一系列技術(shù)組合總稱,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量、追蹤、監(jiān)測等應(yīng)用,具有巨大的市場前景。對于M2M設(shè)備而言,有些應(yīng)用不像手持設(shè)備一樣便于充電,如動物追蹤器、環(huán)境監(jiān)測儀、智能抄表器、貨物追蹤器。甚至有些應(yīng)用是時(shí)間受限的,還有一些MTC接收設(shè)備會不定期發(fā)送少量數(shù)據(jù),如報(bào)警數(shù)據(jù)等。針對這些應(yīng)用需要對MTC設(shè)備進(jìn)行合理的功耗優(yōu)化,避免過多的浪費(fèi)。目前國內(nèi)外對這一部分研究還不是特別豐富,然而3GPP R12對小數(shù)據(jù)觸發(fā)機(jī)制和MTC功耗優(yōu)化的兩個問題進(jìn)行了重點(diǎn)分析,為此各大公司為這一標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程提出了諸多解決方案。

針對MTC的研究工作,ETSI是國際上較早的標(biāo)準(zhǔn)化組織,至2009年初該組織還專門成立了TC工作組負(fù)責(zé)MTC的研究,并從物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的角度對MTC的業(yè)務(wù)應(yīng)用模型進(jìn)行、支持物聯(lián)網(wǎng)的概要層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)數(shù)據(jù)模型、接口和過程的定義等方面制定標(biāo)準(zhǔn)[1]。從2005年開始,3GPP啟動了MTC基于GSM和UMTS通信結(jié)構(gòu)[2]的優(yōu)化方案,2008年將MTC納入LTE通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)過程的相關(guān)工作,包括MTC對網(wǎng)絡(luò)的需求分析[3]、核心網(wǎng)架構(gòu)[4]和無線接入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化[5]。由于MTC通信的特殊性,需要不連續(xù)發(fā)送小頻率數(shù)據(jù),因此2013年MTC標(biāo)準(zhǔn)化組織開始對MTC功耗優(yōu)化進(jìn)行研究,納入R12版本的標(biāo)準(zhǔn)化范圍,因此愛立信、諾基亞、中興、華為、英特爾、CATT、高通等通信行業(yè)領(lǐng)軍公司都加入了該研究領(lǐng)域[9]。目前國內(nèi)在MTC終端功耗的研究還處于空白,國內(nèi)外在這個領(lǐng)域的資料比較少。

2 功耗優(yōu)化的重要性

功耗優(yōu)化對于MTC UE供電和UE外部供電設(shè)備非常重要。由于未來網(wǎng)絡(luò)中MTC設(shè)備急劇增加,預(yù)計(jì)2020年將有50億臺設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),需要處理海量的數(shù)據(jù)。隨著MTC設(shè)備的增加,應(yīng)用要求也隨之增加,功耗優(yōu)化就顯得尤其重要。其重要性體現(xiàn)在以下幾個場景:

(1)類似傳感器的MTC設(shè)備,這些利用電池供電的傳感器是主要耗電來源。如果不能充電或更換電池,大量設(shè)備上的電池壽命決定了設(shè)備使用壽命;

(2)廣泛的應(yīng)用(例如智能手機(jī)APP或MTC應(yīng)用)的增加,3GPP系統(tǒng)需要為這些業(yè)務(wù)提供更多的UE功耗優(yōu)化增強(qiáng)方案;

(3)智能手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)頻繁的通信導(dǎo)致電池耗盡;

(4)UE從外部供電設(shè)備獲得電源的情況下,UE消耗更少的電能也能有效地提高能源的有效性。

3 傳統(tǒng)不連續(xù)接收機(jī)制DRX

不連續(xù)接收機(jī)制(DRX)在無線通信系統(tǒng)MAC層能量優(yōu)化中非常重要,因此被大多數(shù)通信系統(tǒng)所采納[6]。許多終端不連續(xù)開啟關(guān)閉接收機(jī),接收機(jī)開啟時(shí)監(jiān)聽PDCCH信道尋呼消息,關(guān)閉時(shí)終端進(jìn)入睡眠模式,睡眠模式下終端功耗相對較小,能夠有效降低終端能耗。不連續(xù)接收機(jī)制分為兩種狀態(tài): IDLE DRX和Connected DRX。當(dāng)UE處于IDLE DRX狀態(tài)下,不存在RRC連接未給用戶分配資源,該狀態(tài)下主要依靠監(jiān)聽尋呼信道與廣播信道。Connected DRX狀態(tài)表示UE在RRC connected狀態(tài)下的DRX機(jī)制。R12中MTC功耗優(yōu)化主要研究IDLE狀態(tài)下DRX機(jī)制。

在LTE及LTE-A系統(tǒng)中UE的不連續(xù)接收機(jī)制分為3個狀態(tài):休眠態(tài)、激活態(tài)、重傳態(tài)[7-8]。

休眠態(tài):在該階段UE會根據(jù)計(jì)時(shí)器的設(shè)置交替地關(guān)閉或開啟接收器。開啟無線收發(fā)器的時(shí)間段稱為喚醒階段,關(guān)閉時(shí)間段稱為睡眠階段。在喚醒階段,UE會打開無線收發(fā)器監(jiān)聽物理下行控制信道信息,也可以接收下行數(shù)據(jù),若沒有數(shù)據(jù)到達(dá),UE在計(jì)時(shí)器超時(shí)后進(jìn)入睡眠階段。睡眠階段UE自動關(guān)閉無線接收器節(jié)省功耗。如果當(dāng)喚醒階段監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)有下行數(shù)據(jù)傳輸,等到計(jì)時(shí)器超時(shí)進(jìn)入激活態(tài)。

激活態(tài):當(dāng)UE接收到PDCCH信息會開啟去激活計(jì)時(shí)器,進(jìn)入激活態(tài)。在激活態(tài)下UE開啟無線收發(fā)器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。等待去激活計(jì)時(shí)器超時(shí)之前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,待去激活器超時(shí)進(jìn)入休眠態(tài)。

重傳態(tài):當(dāng)UE接收的數(shù)據(jù)接收失敗,由HARQ進(jìn)程控制UE發(fā)送NACK信息給eNB。

4 R12階段MTC相關(guān)工作

R12首先分析了MTC功耗優(yōu)化需要解決的幾個問題:

(1)決定擴(kuò)展非連接接收機(jī)制(Disconnection Reception,DRX)的因素,包括終端提供功耗性能指示消息、終端預(yù)訂信息、QoS參數(shù)、終端采用的當(dāng)前服務(wù);

(2)空閑模式下擴(kuò)展DRX,包括最大DRX空閑模式周期、擴(kuò)展尋呼DRX周期、業(yè)務(wù)時(shí)延允許;

(3)利用UE輔助信息擴(kuò)展DRX,包括允許由終端輔助消息發(fā)起擴(kuò)展DRX周期、增加UE specific DRX Value;

(4)延遲發(fā)送直到傳輸條件變好再發(fā)送,包括增加“傳輸計(jì)時(shí)器”、確定延遲發(fā)送的信號質(zhì)量門限、考慮業(yè)務(wù)優(yōu)先級對不同業(yè)務(wù)QoS標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的信號門限;

(5)在連接模式下采用長DRX周期,包括將R11中DRX最長周期為2.56 s擴(kuò)展到數(shù)十秒、權(quán)衡省電模式與移動魯棒性的問題。

本文主要梳理了3GPP在MTC功耗優(yōu)化方面各大公司所做出的貢獻(xiàn),并從橫向分類比較了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn),為MTC功耗優(yōu)化的研究工作指出了發(fā)展方向。

5 MTC終端功耗優(yōu)化進(jìn)展研究

根據(jù)3GPP R12的研究進(jìn)展,3GPP于2013年5月第一次在美國芝加哥開展了3GPP第81次會議,該會議的舉行主要探討了MTC UEPOCP(UE Power Consumption)的可行性分析。

根據(jù)目前針對功耗優(yōu)化提出的要求,各大公司圍繞以下6個方面提出了解決方案:一是擴(kuò)展空閑模式下DRX;二是利用UE輔助消息擴(kuò)展DRX;三是提出功率節(jié)約狀態(tài),即休眠狀態(tài);四是附著/去附著方案;五是延遲傳輸直到傳輸條件變好;六是連接模式下采用長DRX周期方案。各種方案對網(wǎng)絡(luò)的影響不同,各有優(yōu)劣。下面根據(jù)目前的研究進(jìn)展,對功耗優(yōu)化方案進(jìn)行梳理。

5.1 擴(kuò)展空閑模式下DRX

5.1.1 混合常規(guī)和擴(kuò)展DRX方案

根據(jù)混合常規(guī)和擴(kuò)展DRX周期[9]提供兩種解決方案:一是基于CN的方案——MME交替重傳計(jì)時(shí)器;二是基于RAN的解決方案——在一個擴(kuò)展DRX周期中的常規(guī)DRX下eNB重傳幾次。

(1)基于CN的方案:MME交替重傳計(jì)時(shí)器

當(dāng)前,重傳尋呼消息受MME中的重傳計(jì)時(shí)器控制。當(dāng)重傳計(jì)時(shí)器超時(shí),MME再次向eNB發(fā)送尋呼消息,然后eNB通過空中接口將其傳輸給UE。將常規(guī)和擴(kuò)展DRX周期混合,MME能夠交替重傳計(jì)時(shí)器如圖1所示,并告知UE常規(guī)和擴(kuò)展DRX周期和被MME混合的周期。

圖1 MME交替重傳計(jì)時(shí)器Fig.1 MME mixed retransmission timer

(2)基于RAN的解決方案:在一個擴(kuò)展DRX周期中的常規(guī)DRX下eNB重傳幾次

UE從MME的NAS信令中得到擴(kuò)展DRX周期,并根據(jù)系統(tǒng)信息從eNB處獲得常規(guī)DRX周期。在一個擴(kuò)展DRX周期中,尋呼域由擴(kuò)展DRX周期決定。此外,UE需要在一個或多個DRX周期中監(jiān)控尋呼信道,常規(guī)DRX周期和時(shí)間由eNB決定。該方案如圖2所示,UE在一個擴(kuò)展DRX周期下喚醒兩次,第一次由擴(kuò)展DRX周期決定,第二次由常規(guī)DRX決定。

圖2 在一個擴(kuò)展DRX周期中的常規(guī)DRX下eNB重傳幾次Fig.2 In an extended DRX cycle eNB retransmits several times which belongs to normal DRX cycles

以上兩個解決方案都可以減少擴(kuò)展DRX周期下潛在的尋呼接收。由于基于CN的方案超出了RAN的范圍,因此更推薦考慮基于RAN的解決方案。

空閑模式下采用擴(kuò)展DRX是UEPCOP的候選解決辦法之一[10]。采用空閑模式下擴(kuò)展DRX方案的特點(diǎn)是最大化空閑模式下的DRX周期使得UE在節(jié)約喚醒和偵聽潛在的尋呼信道時(shí)的電能消耗。該方案解決了直接擴(kuò)展DRX帶來的兩個缺陷:尋呼傳輸周期隨著擴(kuò)展DRX周期調(diào)整。這樣,更長的尋呼周期增加了尋呼消息重傳的可能性;如果DRX周期一直維持很長的時(shí)間,那么重傳尋呼消息需要等待更長的時(shí)間。例如,假設(shè)尋呼周期為1 h,若因?yàn)橐恍┰蚴沟脤ず粝]發(fā)送成功,服務(wù)器就還需要等待1 h才能發(fā)送重傳消息,但此時(shí)可用的時(shí)隙已經(jīng)被其他用戶的尋呼消息所占用。對于某些緊急業(yè)務(wù)來說,不能一直允許等待這么長的時(shí)間。但是擴(kuò)展DRX周期具體長度仍然需要討論,單純地?cái)U(kuò)展DRX會受到網(wǎng)絡(luò)的限制。

5.1.2 RAN側(cè)擴(kuò)展,擴(kuò)展SFN

在LTE中,空閑UE會在每個DRX周期監(jiān)測PDCCH信道。根據(jù)目前的規(guī)定,DRX周期集{320, 640,1 280,2 560}ms都受到SFN的限制。因此,在不擴(kuò)展SFN的情況下DRX周期最大能支持10.24 s。

如果DRX周期超過10.24 s,若要獲得更長的DRX周期,會引起PF尋呼幀計(jì)算錯誤[11],如圖3所示。

圖3 PF模糊問題Fig.3 PF fuzzy

若不延長SFN,允許采用擴(kuò)展DRX,首先會影響RAN計(jì)算尋呼幀(Paging Frame,PF)。根據(jù)當(dāng)前的規(guī)范[12],PF可以從以下公式獲得:

SFN mod T=(TdivN)×(UE_ID mod N)(1)

簡單地,假設(shè)所有的無線幀為PFs(即,N=T),在這種情況下,當(dāng)前系統(tǒng)幀號(SFN)和UE_ID(即, IMSI mod 1024)與DRX周期(即T)的模相等時(shí),當(dāng)前的無線幀為一個PF。然而,UE_ID和SFN的值是一個0～1 023間的值,如果UE的DRX周期比1 024個無線幀長,根據(jù)上面的公式得到的無線幀可能不是一個UE的PF。

根據(jù)當(dāng)前的規(guī)定,SFN中總共包含10 b,其中8 b用于MIB消息,2 b用于提供給同步信號。為了延長SFN的長度,需要額外增加SFN比特,額外增加的比特只用于MTC設(shè)備。擴(kuò)展SFN長度可從兩個方面進(jìn)行:一是占用部分MIB消息;二是占用部分SIB消息[13]。

MIB包含很多重要信息,如下行帶寬、PHICH配置和SFN。MIB中,分配給SFN 8 b。由于MIB包含10個剩余位,可以額外再分配給SFN幾比特作為SFN的擴(kuò)展部分。常規(guī)UE仍然沿用原有的DRX方案,同時(shí)擴(kuò)展部分只需要分配給SFN 8 b。另一方面,當(dāng)SFN擴(kuò)展了,MTC可占用整個SFN長度。根據(jù)SFN擴(kuò)展比特?cái)?shù),表1列舉了最大DRX周期。SFN占用更多的MIB位是解決擴(kuò)展DRX最簡單的方法。然而,由于MIB只包含UE與eNB連接的關(guān)鍵信息,若將剩余比特只用于MTC設(shè)備帶來的開銷很大。

表1 擴(kuò)展SFN后允許DRX最大周期Table 1 The maximum DRX cycle after the SFN message is extended

擴(kuò)展SFN的另一種方法是通過SIB消息。與MIB消息相比,SIB消息比MIB消息有更多的空間存儲額外的SFN比特。SIB消息通過FFS承載。MTC設(shè)備要求更長的DRX周期只需要讀取SIB消息中SFN比特?cái)U(kuò)展部分。MTC設(shè)備能夠通過這些額外的SFN消息和原來的SFN消息延長DRX。常規(guī)UE不需要讀取SIB。同時(shí),這些表示額外比特的值在每個SFN增加1。SIB更新不能導(dǎo)致system-InfoModification IE或systemInfoValueTag更新,因此,常規(guī)UE會嘗試更新SIB。為了優(yōu)化,每個無線幀分配一次額外的SFN比特。不頻繁傳輸?shù)腟IB消息作為SFN額外比特可以減少開銷。從表1可以看出擴(kuò)展SFN消息后能夠獲得最大的DRX周期約為3 h。

當(dāng)采用擴(kuò)展DRX后,對RAN側(cè)帶來的第二個影響為系統(tǒng)消息的更新[14]。針對LTE系統(tǒng),尋呼消息也用于在空閑模式下告知UE系統(tǒng)消息的改變。UE收到的尋呼消息中包括systemInfoModification指示消息,則表示系統(tǒng)消息會在下一個修改周期邊界(MPB)改變。另一方面,如果UE在一個MPB內(nèi)未接收到尋呼消息,UE會假設(shè)沒有系統(tǒng)消息發(fā)生變化。根據(jù)以上的結(jié)論,如果一個UE的DRX周期比修改周期更長,尋呼消息可能會接收失敗,且不能告知UE系統(tǒng)消息已經(jīng)發(fā)生改變,如圖4所示。

圖4 由于采用更長的DRX周期導(dǎo)致SIB消息改變的尋呼消息不能被接收Fig.4 Paging message can′t be received because longer DRX cycle changes the SIB message

根據(jù)以上問題,RAN2需要討論在采用長DRX周期后當(dāng)SIB發(fā)生變化后,怎樣將這一消息告知UE。最簡單的解決辦法是UE需要在下一個PF/ PO到達(dá)前檢查SIB1中的systemInfoValueTa。如果systemInfoValueTa與存儲在UE中的系統(tǒng)消息不同,則UE需要考慮SIB中發(fā)生了變化systemInfoValueTag值的范圍在0～31之間。因此,最大DRX值要小于32倍的修改周期(MPB)。

通過SFN的擴(kuò)展能夠避免單純擴(kuò)展DRX周期帶來的缺陷。使用MIB消息擴(kuò)展SFN最簡單有效,但是不能避免開銷。采用SIB消息就得需要考慮系統(tǒng)消息更改,該方案對于移動性不強(qiáng)的MTC設(shè)備非常適用。

5.2 利用UE輔助信息擴(kuò)展DRX

TS 36.331提出利用輔助信息擴(kuò)展DRX[15],UE輔助信息擴(kuò)展DRX該過程的目的在于告知E-UTRAN UE的功率節(jié)約性能。E-UTRAN假設(shè)UE在未配置功率優(yōu)先指示消息時(shí)采用默認(rèn)的配置,當(dāng)EUTRAN接收到UE輔助消息PPI指示低功率后,EUTRAN會告知UE采用擴(kuò)展DRX周期。圖5和圖6分別表示連接模式下的DRX周期和尋呼DRX周期。對于擴(kuò)展連接模式下DRX周期,RRC連接重配置用于當(dāng)接收到UE輔助消息后告知UE采用擴(kuò)展DRX。對于擴(kuò)展尋呼DRX周期,當(dāng)接收到UE輔助消息后如果eNB馬上決定發(fā)起S1釋放,采用RRC連接釋放告知UE擴(kuò)展尋呼周期。

圖5 基于低功率優(yōu)先指示消息擴(kuò)展連接模式下DRX周期Fig.5 Extend DRX cycle in connect mode based on low power priority indicator message

圖6 基于UE低功率優(yōu)先指示消息擴(kuò)展尋呼DRXFig.6 Extend paging DRX based on UE low power priority indicator message

該方法的最終目的仍然是擴(kuò)展DRX,但是單純采用UE輔助信息仍然會帶來以下問題:首先, RAN2帶來一定的影的尋呼DRX值,否則會引起尋呼幀的誤差;其次,對RAN3也會帶來一些影響, eNB需要增加低功率指示誤差標(biāo)記,用于UE Context釋放回復(fù)消息告知MME采用低功率狀態(tài);同時(shí),MME需要增加更長的尋呼周期值。

5.3 功率節(jié)約狀態(tài)

TR 23.887中7.1.3.3討論了一種更新的ECM模型[16-17],如圖7所示,新的ECM模型需要更長的尋呼周期,長度跟周期性更新計(jì)時(shí)器相同,激活計(jì)時(shí)器的實(shí)際長度或間隔時(shí)間決定MTC設(shè)備尋呼計(jì)時(shí)周期。為了減少M(fèi)TC設(shè)備重新接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間, MTC設(shè)備可以通過配置功耗節(jié)約,空閑模式到激活計(jì)時(shí)器超時(shí)。在功率節(jié)約狀態(tài),停止所有的cell/ RAT/PLMN、尋呼和MM過程,所有NAS計(jì)時(shí)器仍然有效。

圖7 ECM模式Fig.7 ECM mode

這種方案和擴(kuò)展DRX周期相同,但與之不同的是:首先LTE中周期性更新計(jì)時(shí)器默認(rèn)值是54 min, MTC設(shè)備上可以應(yīng)用一種更長的周期性更新計(jì)時(shí)器,無論RAN2中DRX為何值,都仍然處于第二層;其次,根據(jù)應(yīng)用的不同需求,功耗節(jié)約計(jì)時(shí)器也可以跟著改變,對于擴(kuò)展DRX周期解決方案,UE進(jìn)行所有的cell/RAP/PLMN重選,然而ECM-DORMANT狀態(tài)下這些測量或重選會停止。

UE在ECM-Dormant狀態(tài)下,UE不能執(zhí)行所有的與RRC-Idle狀態(tài)有關(guān)的功能,因此該狀態(tài)相當(dāng)于一個新的RRC-Idle狀態(tài)。該狀態(tài)稱為“休眠態(tài)”[9],當(dāng)UE休眠態(tài),UE不能獲得MT數(shù)據(jù),當(dāng)無上行數(shù)據(jù)到達(dá)或TAU超時(shí),UE會長期保持休眠狀態(tài),如圖8所示。

圖8 狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.8 State transition

休眠狀態(tài)的引入能更大程度上節(jié)約功耗,但NAS需要增加新的狀態(tài)和信令消息,同時(shí)在擴(kuò)展周期間尋呼UE不可達(dá)。UE可能需要經(jīng)歷睡眠狀態(tài)后才能進(jìn)入休眠態(tài),如果需要等待網(wǎng)絡(luò)發(fā)送MT觸發(fā),該MT觸發(fā)會被CN掛起。

5.4 附著/去附著方案

TR 23.8877.1.3.4[16]中提到另外一種附著/去附著方案,包括非MNO控制和MNO控制。

(1)非MON控制方法

每當(dāng)UE發(fā)現(xiàn)有上行數(shù)據(jù)重新依附到網(wǎng)絡(luò)會發(fā)送SMS或激活一個PDN連接同時(shí)通過IP發(fā)送該信息,此過程如圖9所示(引用TR 23.877)。另外, SCS要求UE通過附著到網(wǎng)絡(luò)并等待的方式詢問網(wǎng)絡(luò)是否有MT SMS消息發(fā)送給它。該方案不考慮UE額性能和UE附著于去附著的頻率。

圖9 附著/去附著Fig.9 Attach/detach

(2)MNO控制方案

UE保持附著時(shí)間與UE功率節(jié)約激活時(shí)間(UE power saving active time)控制周期一樣長,包括激活或空閑模式。UE在計(jì)時(shí)器超時(shí)時(shí)會告知網(wǎng)絡(luò)去附著。UE power saving wakeup timer假定為UE從去附著狀態(tài)到重新附著狀態(tài)的間隙。當(dāng)我們不能假設(shè)每時(shí)每刻UE都會相同的上行數(shù)據(jù)傳輸,UE在空閑模式下的時(shí)間周期不固定,這樣給UE在空閑模式接收尋呼消息帶來了挑戰(zhàn)。實(shí)際上,當(dāng)MT SMS等待時(shí)間不超過UE數(shù)據(jù)傳輸時(shí)非MNO控制方案也有相同的缺陷。采用附著/去附著的過程不能像TR 23.877的7.1.3.3中的辦法在空閑模式下控制UE的狀態(tài)那么精確。該方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要對網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)在去附著階段核心網(wǎng)絡(luò)不需要存儲UE Context。但是,當(dāng)有上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送,該方案需要滿足當(dāng)前附著過程中的全信令流會隨著時(shí)間的變化而變化,因此該過程帶來了時(shí)間和信令的浪費(fèi)。同時(shí),當(dāng)用戶處于去附著狀態(tài),用戶是不可達(dá)的,因?yàn)楦L的附著過程會導(dǎo)致更多的功耗。

5.5 延遲傳輸直到傳輸條件變好

UE或MTC應(yīng)用都可以配置延遲傳輸計(jì)時(shí)器[19],計(jì)時(shí)器超時(shí)前不發(fā)送消息。該計(jì)時(shí)器時(shí)間可根據(jù)不同的服務(wù)最大能容忍的時(shí)延設(shè)定。當(dāng)UE檢測到信號質(zhì)量低于門限值時(shí),UE開啟延遲傳輸計(jì)時(shí)器,在此時(shí)間之內(nèi)UE不能發(fā)送任何數(shù)據(jù),只有當(dāng)信號質(zhì)量達(dá)到一定的門限值才能發(fā)送數(shù)據(jù)。若計(jì)時(shí)器超時(shí),信號質(zhì)量仍然無法達(dá)到門限值,UE忽略信號質(zhì)量的門限值,繼續(xù)發(fā)送傳輸請求。

該方法允許MTC設(shè)備通過延遲發(fā)送直到覆蓋條件好的情況下以低功率傳輸。當(dāng)MTC設(shè)備處于空閑模式并且需要連接到網(wǎng)絡(luò)傳輸消息時(shí),但此時(shí)的覆蓋條件不是很好(即低于某個門限值),需要延遲發(fā)送直到覆蓋條件變好的時(shí)候再發(fā)送。MTC設(shè)備能延遲傳輸直到計(jì)時(shí)器超時(shí),該方法可應(yīng)用到移動的MTC設(shè)備或時(shí)延允許的MTC設(shè)備。如果該方法運(yùn)用到下行數(shù)據(jù)的傳輸(如MT短信),MTC設(shè)備需要向eNB上報(bào)信道質(zhì)量消息,由此會帶來更多的信令開銷和更高的復(fù)雜度,因此在MT短信的應(yīng)用上不夠理想。

5.6 連接模式下采用長DRX周期

在連接模式下采用長DRX周期[20-21],可以在更長的時(shí)間周期關(guān)閉終端無線發(fā)送接收設(shè)備,因此能減少功耗。該方案適用于非連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的終端。連接模式下DRX周期可延長到幾分鐘。該方案一般只適用于移動發(fā)起的業(yè)務(wù)或時(shí)延允許的業(yè)務(wù)。若采用連接模式下長DRX周期方案需要對長DRX周期中移動性測量過程和核心網(wǎng)絡(luò)切換進(jìn)行改進(jìn)。

6 對比分析

根據(jù)上面幾種方法的研究,各個方案對網(wǎng)絡(luò)的影響不盡相同,不同的方法適用于不同的應(yīng)用。目前最簡單有效的辦法就是擴(kuò)展空閑模式下DRX周期,但需要解決對尋呼重傳的影響。附著/去附著方案對網(wǎng)絡(luò)影響非常大,需要考慮額外的信令開銷,針對MTC設(shè)備來說應(yīng)用效果不佳。若采用休眠模式對NAS的影響非常大,需要為休眠狀態(tài)重新定義新的狀態(tài)和信令。利用UE輔助信息擴(kuò)展DRX,和連接模式下擴(kuò)展DRX都是在擴(kuò)展DRX基礎(chǔ)之上的改進(jìn)。延遲傳輸對網(wǎng)絡(luò)沒有影響,但是只適用于時(shí)延允許的業(yè)務(wù),對于緊急業(yè)務(wù)不是很實(shí)用。下面將對這幾種方案列表進(jìn)行分析,分別研究它們對eNB的影響,表現(xiàn)在需要eNB新增的功能以及新的設(shè)置條件,如表2所示。同樣對于UE來說,采用不同的方案也需要對UE做不同的改進(jìn),表3闡釋了不同方案類型對UE的影響。表4進(jìn)一步說明這幾種方案類型的優(yōu)缺點(diǎn)和業(yè)務(wù)適用范圍。從表4可以看出,除了空閑模式下擴(kuò)展DRX的方案,其他幾個方案最大的劣勢表現(xiàn)為開銷浪費(fèi)大從而引起更大的功率消耗,因此是最簡單有效的方法。根據(jù)應(yīng)用范圍的比較,只有延遲傳輸直到覆蓋條件變好方案能夠適用于移動性頻繁的設(shè)備,其他都只適用于固定MTC設(shè)備。

表2 不同方案類型對eNB的影響Table 2 The impact on eNB while using different method

表3 不同方案類型對UE的影響Table 3 The impact on UE while using different method

表4 不同方案類型的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用場景Table 4 The merits,disadvantages and application for different method

續(xù)表4

7 結(jié)束語

綜上所述,以上6個分類都是專門針對MTC通信終端功耗優(yōu)化提出來的,對比分析發(fā)現(xiàn)目前在空閑狀態(tài)下擴(kuò)展DRX的方法能夠有效地減少功率消耗,同時(shí)不會帶來新的信令開銷,但是仍然需要解決尋呼幀擴(kuò)展失步的問題,考慮通過擴(kuò)展SFN消息保證在擴(kuò)展DRX的同時(shí)不會引起尋呼幀的失步。

由于目前針對MTC通信終端能耗優(yōu)化的研究比較少,以后的研究中需要進(jìn)一步考慮以下幾個方面的問題:一是考慮如何結(jié)合終端的各種休眠、空閑模式,將分組調(diào)度控制與不(非)連續(xù)接收機(jī)制(DRX)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)M2M終端節(jié)能;二是如何根據(jù)M2M終端不同業(yè)務(wù)特征和QoS需求,提出適合于混合業(yè)務(wù)的DRX機(jī)制;三是如何結(jié)合不(非)連續(xù)接收機(jī)制(DRX)減少信令交互,都是以后需要討論的問題;四是網(wǎng)絡(luò)側(cè)的改進(jìn);五是如何根據(jù)不同的應(yīng)用需求提出最佳DRX周期長度;六是針對信令開銷較多的方案,如何能夠做到盡量減少信令的開銷減少信令開銷引起的降低設(shè)備功耗問題;七是如何解決移動性MTC設(shè)備的功耗優(yōu)化問題。

[1] ETSI TR 102 935v2.1.1[S].

[2] 3GPP TR 22.v8.0.0,Study on facilitating machine to machine communication in 3GPP systems[S].

[3] 3GPP TS 22.368 v11.2.0,Service requriements for machine-type communications(Stage 1)[S].

[4] 3GPP TR 23.888 v1.3.0,System Improvements for Machine-Type Communications[S].

[5] 3GPP TR 37.868 v0.7.0,R2-106033,Study on RAN Improvements for Machine-type Communications[S].

[6] 張雅清,李方偉.增強(qiáng)DRX技術(shù)對TD-LTE系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制中的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2010, 27(12):4758-4760.

ZHANG Ya-qing,LI Fang-wei.Enhanced discontinuous reception mechanism for power saving in TD-LTE[J]. Application Research of Computers,2010,27(12):4758-4760.(in Chinese)

[7] 黃海波,田輝,徐海博.基于時(shí)延的動態(tài)非連續(xù)接受周期調(diào)整機(jī)制[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009, 39(10):1108-1113.

HUANG Hai-bo,TIAN Hui,XU Hai-bo.A delay based dynamic discontinuous reception cycle adjusting scheme [J].Journal of University of Science and Technology of China,2009,39(10):1108-1113.(in Chinese)

[8] 李小文,徐志文,張崢.TD—LTE系統(tǒng)DRX機(jī)制的分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(3):44-46.

LI Xiao-wen,XU Zhi-wen,ZHANG Zheng.Analysis and design of DRX mechanism in TD-LTE systems[J]. Application of Electronic Technique,2012,38(3):44-46.(in Chinese)

[9] 3GPP TSG RAN WG2 R2-13000,Mix Normal and Extended DRX Cycles[S].

[10] S2-130645,LS on requesting input on MTCe solutions [S].

[11] 3GPP TSG RAN WG2 R2-131024,RAN Aspect of Extended DRX in Idle Mode[S].

[12] 3GPP TS 22.268 v12.1.0,Public Warning System (PWS)requirements[S].

[13] 3GPP TSG RANWG2 R2-131102,Introduction of longer SFN length for MTC[S].

[14] 3GPP TS 36.331 v11.5.0,Technical Specification Group Radio Access Network[S].

[15] 3GPP TR 23.887,v.0.8.0,Machine-Type and other MobileDataApplicationscommunicationsenhancements,Release 12[S].

[16] 3GPP TSG-RAN WG2 Meeting#81bisR2-131345, Shanghai Bell,Alcatel-Lucent.Discussion on MTC idle states for power saving[S].

[17] 3GPP TSG-RAN WG2 Meeting#81bis,Qualcomm Incorporated.R2-131232,Discussion on UE power consumption reduction for MTC devices with infrequent transmission[S].

[18] 3GPP TS 36.304 v11.3.0,User Equipment(UE)procedures in idle mode[S].

[19] 3GPP TS 22.268 v12.1.0,Public Warning System (PWS)requirements[S].

[20] 3GPP TSG-RAN2#81bis Meeting,R2-131036,MediaTek Inc.Analysis of extending paging cycle in idle mode[S].

[21] 3GPP TSG-RAN WG2 Meeting#81bis,Sony.R2-131199,Power consumption of idle-mode UE with extended DRX[S].

SHI Hua-yu was born in Kaixian,Chongqing, in 1988.She is now a graduate student.Her research concerns LTE-A MTC terminal.

Email:shi_huayu@163.com

唐 倫(1973—),男,重慶合川人,博士,副教授,主要研究方向?yàn)檐囕v自組織網(wǎng)絡(luò)、無線資源管理、移動性管理等;

TANG Lun was born in Hechuan,Chongqing,in 1973.He is now an associate professor with the Ph.D.degree.His research concerns Ad Hoc network,wireless resource management and mobile management.

Email:tangl@cqupt.edu.cn

陳前斌(1967—),男,四川營山人,博士,教授,主要研究方向?yàn)閭€人通信、多媒體信息處理與傳輸技術(shù)、下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

CHEN Qian-bin was born in Yingshan,Sichuan Province, in 1967.He is now a professor with the Ph.D.degree.His research concerns proviate communication,multimedia information processing and next-generate network.

Email:chenqb@cqupt.edu.cn

Research Progress of MTC Power Consumption Optimization in 3GPP Release 12

SHI Hua-yu,TANG Lun,CHEN Qian-bin

(Key Lab of Mobile Communications Technology,Chongqing University of Posts and Communications,Chongqing 400065,China)

In this paper,six kinds of power consumption mechanism for MTC(Machine Type Communication)terminals are summarized.The standarlization process in 3GPP Release 12 is introduced according to the proposals from some prominent companies in the field of telecommunication.The effect of each proposal on UE and eNB is discussed,and merits and applications of each proposal are analyzed which provides a clear train of thought for MTC power consumption optimization problem.

3GPP;machine type communication;terminal power consumption optimization;Internet of Things;DRX

The Natural Science Foundation of Chongqing(cstc2012jjA40049)

date:2013-08-05;Revised date:2013-11-28

重慶市自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2012jjA40049)

**通訊作者:shi_huayu@163.com Corresponding author:shi_huayu@163.com

TN929

:A

:1001-893X(2013)12-1659-06

石華宇(1988—),女,重慶開縣人,重慶郵電大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)長TEA系統(tǒng)支持機(jī)器間通信(MTC)終端功耗優(yōu)化研究;

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.12.023

2013-08-05;

2013-11-28