劉濤

（重慶郵電大學移動通信安全研究所，重慶 400065）

1 引言

DRX作為無線通信系統(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。其基本思想是終端沒有數(shù)據(jù)傳輸時，進入睡眠狀態(tài)，關閉收發(fā)單元以達到降低終端功耗。在3GPP的LTE項目中，對LTE系統(tǒng)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，具體為移動終端從空閑狀態(tài)轉移到激活狀態(tài)時延要求為100 ms，從睡眠狀態(tài)轉移到激活狀態(tài)的時延要求為50 ms；另一方面要求降低用戶平面時延，數(shù)據(jù)分組從移動終端或RAN邊緣節(jié)點IP層傳輸至RAN邊緣節(jié)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(tǒng)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(yè)務的QoS時延要求。

2 DRX功能描述

DRX（非連續(xù)接收，Discontinuous Reception）即用戶設備在一段時間里停止監(jiān)聽PDCCH信道，DRX分兩種。Idle DRX，顧名思義，也就是當用戶設備處于Idle狀態(tài)下的非連續(xù)性接收，由于處于Idle狀態(tài)時，已經(jīng)沒有RRC連接以及用戶的專有資源，因此這個主要是監(jiān)聽呼叫信道與廣播信道，只要定義好固定的周期，就可以達到非連續(xù)接收的目的。但是用戶設備要監(jiān)聽用戶數(shù)據(jù)信道，則必須從Idle狀態(tài)先進入連接狀態(tài)。DRX作為無線通信系統(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[2]。其基本思想是終端沒有數(shù)據(jù)傳輸時，進入睡眠狀態(tài)，關閉收發(fā)單元以達到降低終端功耗。

一個DRX周期包括兩個時間段。第一個是on Duration Time，在這時間段里UE醒來監(jiān)聽PDCCH,看eNode B是否有下行數(shù)據(jù)發(fā)送；第二個是睡眠時間段，在此時間段里，UE關閉收發(fā)單元，不監(jiān)聽PDCCH,來達到節(jié)電目的。長短DRX周期和連續(xù)接收之間的轉換由eNode B中的定時器（周期配置算法）或命令來控制。UE進入DRX模式后，檢查當前子幀是否滿足下面公式：

[(SFN×10)+ subframe number]modulo(current DRX)= DRX Start Offset

當滿足上面公式時，那么就啟動定時器on Duration Timer，此時UE就要開始監(jiān)聽PDCCH信道了。

如果收到DRX MAC控制信息單元，也就意味著eNode B要 求UE進入睡眠狀態(tài)，那么這時就會停止兩個定時器on Duration Timer和DRX-Inactivity Timer，但是并不會停止跟重傳相關的定時器。

如果DRX-Inactivity Timer超時或者收到DRX MAC控制信息單元，而且配置了短DRX周期，那么啟動或者重啟DRX Short Cycle Timer，使用短DRX周期。否則使用長DRX周期。如果DRX Short Cycle Timer超時，那么使用長DRX周期。由于在短周期里面沒有收到PDCCH，則就認為確實沒什么數(shù)據(jù)發(fā)送接收，那么短周期的監(jiān)聽似乎沒有必要，因此把監(jiān)聽的周期變長一點，這樣長短周期配合能夠達到更好的DRX效果。

3 DRX機制

3.1 空閑模式下的DRX功能機制

目前LTE中空閑模式下對PDCCH的監(jiān)視功能采用DRX方式，從而降低了功耗，空閑模式下的DRX工作機制固定，采用固定的周期，并在尋呼時刻（PO）到來時啟動監(jiān)視PDCCH的功能，進入空閑模式下的激活期（on Duration Timer），在激活期需要全面監(jiān)視PDCCH，在DRX激活期過去之后再次進入睡眠狀態(tài)，PF（Paging Frame）表示含有一個或者多個PO的無線幀；若使用DRX，那么UE僅監(jiān)控每個DRX周期的PO。

在UE開機后將會按照默認的DRX周期配置進行周期循環(huán)[3]。在尋呼時刻到來時將用P-RNTI對PDCCH進行擾碼以便解出上面的數(shù)據(jù)。

3.2 RRC連接狀態(tài)下的DRX工作機制

在RRC連接狀態(tài)下的DRX工作機制，采用的是定時器與DRX環(huán)結合的工作方式，且eNone B也會保持與UE保持相同的DRX工作方式，并實時了解UE是處于激活期還是睡眠期，因此保證在激活期傳遞數(shù)據(jù)，而在睡眠期不會進行數(shù)據(jù)傳輸。

在RRC連接狀態(tài)下所涉及的省電方式可以歸為3種：第一種是短DRX環(huán)循環(huán)。如果在UE自身配置中包含有短DRX環(huán)及短DRX環(huán)定時器，則按照短DRX環(huán)進行運行，在短DRX環(huán)定時器超時后將會進入長DRX周期運行狀態(tài)。第二種是長DRX環(huán)循環(huán)。在激活期之后或短DRX環(huán)定時器超時后進入長DRX環(huán)運行階段。第三種是收到DRX命令之后將會立即進入睡眠狀態(tài)，進行DRX環(huán)的循環(huán)運轉時期。

RRC連接模式下的DRX工作原理：

進入競爭解決定時器后需要全面監(jiān)視PDCCH，在獲取上行數(shù)據(jù)之后立即開啟DRX靜止定時器，在DRX靜止定時器超時后進入DRX短環(huán)定時器運行階段。

一個DRX周期包括兩個時間段。第一個是on Duration Time，在這時間段里UE醒來監(jiān)聽PDCCH,看eNode B是否有下行數(shù)據(jù)發(fā)送；第二個是睡眠時間段，在此時間段里，UE關閉收發(fā)單元，不監(jiān)聽PDCCH,來達到節(jié)電目的[4]。長短DRX周期和連續(xù)接受之間的轉換由eNode B中的定時器（周期配置算法）或命令來控制。UE進入DRX模式后，檢查當前子幀是否滿足下面公式：

當滿足上面公式時，那么就啟動定時器on Duration Timer，此時UE就要開始監(jiān)聽PDCCH信道了，進入激活期。

在DRX環(huán)進入on Duration Timer激活期之后將會監(jiān)視PDCCH，此時如果收到下行新數(shù)據(jù)或上行新授權將會開啟DRX靜止定時器，并在此期間監(jiān)視所有的下行子幀。如果收到的是下行數(shù)據(jù)則將會開啟對應的HARQ進程的HARQ RTT定時器，這個定時器的作用是保證在其運行期間，此HARQ進程將不會接收其他數(shù)據(jù)，從而不再監(jiān)視其他PDCCH，降低功耗。

在收到新的數(shù)據(jù)塊后立即進行解碼，并開啟對應的HARQ進程的HARQ RTT定時器，由于數(shù)據(jù)塊解碼失敗，因此在HARQ RTT超時之后需要開啟DRX重傳定時器進行監(jiān)視PDCCH。此外在收到數(shù)據(jù)塊之后需要判斷是否是新數(shù)據(jù)，在判斷是新數(shù)據(jù)且檢出的MAC PDU中沒有包含DRX命令控制元后，立即開啟DRX靜止定時器，此定時器屬于全局定時器，在此定時器運行期間將會連續(xù)監(jiān)視下行子幀。

在發(fā)送完畢上行數(shù)據(jù)之后將會根據(jù)固定的K值關系接收上行反饋在LTE中發(fā)送上行數(shù)據(jù)的子幀位置與接收此上行數(shù)據(jù)反饋的下行子幀的時隙關系是固定的，用KPHICH表示發(fā)送上行數(shù)據(jù)的子幀與接收對應該上行子幀的反饋的下行子幀之間的差值。發(fā)送上行數(shù)據(jù)的子幀號為N在不同的TDD配置下，接收上行反饋的位置為N＋KPHICH。

在on Duration Timer中收到上行授權之后將會進入Inactivity Timer運行的階段，在DRX Inactivity Timer超時之后進入短DRX環(huán)運行時期，在應該接收上行反饋的下行子幀處強制醒來，但并不影響短DRX環(huán)的運行。收到DRX命令控制元后的操作。

4 DRX運行機制總結

在LTE中各種定時器是由RRC層配置的，在發(fā)起RRC連接建立或重建之后將會通過MAC主配置將MAC層需要的各種參數(shù)配置下來，然后立即進入短DRX環(huán)或長DRX環(huán)運行階段。在進行激活期的定時器的計時中需要注意的是HARQ重傳定時器，DRX Inactivity Timer，on Duration Timer，只能計算下行子幀的時隙，上行子幀的時隙則不會包含在內。在實現(xiàn)的時候將所有的下行子幀的標識位置為1，在進行定時器運行時需要此子幀標志位是1還是0。此外如果沒有配置短DRX環(huán)定時器則在DRX Inactivity Timer超時后直接進入長DRX環(huán)運行階段。

5 DRX的不同應用

5.1 VoIP網(wǎng)絡電話

因為VoIP是雙向連接的，所以DRX只能在用戶不需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組時使用。如果我們認為VoIP采用眾所周知的開／關模式，那么似乎就沒有機會去開啟DRX機制，因此也不能達到省電的目的。但是，LTE允許采用其它方式去開啟DRX。VoIP存在一個特點，即為在整個會話期間內，周期的到達固定長度的數(shù)據(jù)分組。同樣存在一種啟動DRX的方式就是利用這一特征。在發(fā)送完數(shù)據(jù)分組之后，eNode B指導UE進入DRX模式。當UE醒來去讀取下行鏈路上關于PDCCH的消息，DRX周期應該根據(jù)下一個已定義數(shù)據(jù)分組而設置。假定VoIP數(shù)據(jù)分組用20 ms可以到達并且功率節(jié)省近似60%～70%（忽略重傳等）。

5.2 視頻數(shù)據(jù)流

視頻數(shù)據(jù)流以固定的視頻幀率（例如，10 frame/s）和在幀內有固定數(shù)量但大小不同的數(shù)據(jù)組為特征?；诓煌曨l編碼器時延差異的存在，收發(fā)數(shù)據(jù)分組的時延將發(fā)生變化。接收到的緩沖數(shù)據(jù)分組將繼續(xù)傳送至接收端的譯碼器。電量節(jié)約是通過多個視頻流會話和標會95%的數(shù)據(jù)分組時延測量的。DRX長循環(huán)周期固定在100 ms，DRX短循環(huán)周期在12,25和50子幀里變化取值。對于視頻通信有保證的數(shù)據(jù)分組速率會影響數(shù)據(jù)分組時延。如果數(shù)據(jù)速度太低，DRX時間將有所減少。對于較快數(shù)據(jù)速率，DRX短循環(huán)周期不能影響數(shù)據(jù)分組時延的表現(xiàn)，這是因為發(fā)送速度太快從而增加了DRX機會。DRX短循環(huán)周期可以有效的作為一種工具去刻畫數(shù)據(jù)分組時延分布。增強DRX表現(xiàn)的一種有效方法是從DRX短循環(huán)周期以指數(shù)的方式增長到DRX長循環(huán)周期。

6 DRX應用在VoIP業(yè)務中的仿真結果

圖1 對于不同持續(xù)時間的上行鏈路的VoIP容量

圖1展示了上行鏈路的VoIP容量。上行鏈路容量的衰退比同樣的下行鏈路會相對的更高。這是因為上行鏈路容量受到了上行鏈路幀分裂的影響。如果無線條件不是很好，VoIP幀將會分裂，有時候分成兩個，有時候會分成更多部分。

因為SR定時器可以讓用戶喚醒，所以用戶通常可以接收第一次授權。在接收到第一部分后，SR定時器將被關閉，并且開啟不活動定時器。對于終端可以接收的授權的剩余部分，它們必須在不活動定時器定義的時窗之內完成發(fā)送，即2 ms的時間長度。一旦不活動定時器中止，用戶便會回到睡眠狀態(tài)，并且在用戶再次喚醒之前將不會接收任何上行授權。這將增加數(shù)據(jù)延遲并且影響VoIP的整體性能。

圖2將不同持續(xù)時間的下行鏈路數(shù)據(jù)分組延遲進行了對比。隨著增加持續(xù)時間數(shù)據(jù)分組延遲將會減少。以50%CDF處的仿真特性為例，下行鏈路的數(shù)據(jù)分組延遲從低至高依次可排序為：不使用DRX機制的終端、使用了4 ms持續(xù)時間的DRX機制的終端、使用了2 ms持續(xù)時間的DRX機制的終端以及使用了1 ms持續(xù)時間的DRX機制的終端。

圖2 對于不同持續(xù)時間的下行數(shù)據(jù)延遲

圖3 對于不同長DRX周期的上行鏈路的VoIP容量

由圖3可知，在用戶量較少的情況下，no-DRX、不同on Duration Timer取值時，用戶滿意度沒有明顯的變化。一旦用數(shù)量增大到一定數(shù)量，比如圖中每小區(qū)用戶量達到70時，用戶滿意度反而不如no-DRX，這是由于在上行鏈路on Duration Timer的作用相比Inactive Timer不夠明顯。

7 結束語

LTE技術是當前移動通信非常重要的研究工作之一，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)速率，獲得更高的頻譜利用率，更優(yōu)化的信令流程和更短的信令時延，基于IP承載的更簡單網(wǎng)絡結構，更強大的QoS管理機制等。目前LTE標準已經(jīng)基本穩(wěn)定。LTE中的DRX功能對于降低UE端的功耗，增加UE能源利用率有著重要意義，是移動通信系統(tǒng)中省電方式的重點。

[1]王映民. TD-LTE技術原理與系統(tǒng)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.2010-03.

[3]黃海波, 田輝, 徐海博. 基于時延的動態(tài)非連續(xù)接受周期調整機制[J]. 中國科學技術大學學報, 2009,10(39).

[4]李仁波, 張春業(yè), 寧祥峰. 基于長期演進系統(tǒng)非連續(xù)接收機制的改進算法[J]. 計算機應用, 2010,12(30).

[5]沈嘉. 3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統(tǒng)設計[M]. 北京:人民郵電出版社，2008.

[6]錢雨. 3G LTE上行無線資源管理關鍵技術的研究[D]. 北京：北京郵電大學，2007.