蔡衛(wèi)紅，歐紅玉

（湖南郵電職業(yè)技術學院，湖南長沙410015）

本文FDRX 節(jié)能策略以下行鏈路分組包數(shù)據(jù)傳輸時單一UE 功率節(jié)省為目的，以便降低電量消耗及延遲時間來滿足QoS 需求[1-2]。其策略分為兩個階段：第一階段為流量預估和數(shù)據(jù)信息收集。其中流量預估是根據(jù)分組包到達時間間隔與延遲時間來進行[3]。而數(shù)據(jù)信息收集，若為VoIP 流量類型，則會利用分組包到達時間間隔數(shù)據(jù)信息；若是非VoIP 流量類型，則會利用UE 目前所使用DRX cycle 數(shù)值，再將此數(shù)值作為第二階段模糊邏輯控制器所需Input 值，即采用模糊邏輯理論，借由第一階段數(shù)值作為Input 值，再結合模糊邏輯控制器以得到最佳DRX cycle 參數(shù)值，并將此參數(shù)值傳給UE，讓UE 使用在下一時間段的DRX模式中。

1 流量預估

延遲時間屬于QoS 參數(shù)之一，不同服務類型有不同QoS 需求。延遲時間通常包括：處理延遲時間、排隊延遲時間、傳輸延遲時間、廣播延遲時間等多種情況。延遲時間太長可能導致分組包在eNB buffer 中丟失，導致分組包遺失率增加，進而造成用戶滿意度降低。eNB 收集每個分組包所產(chǎn)生延遲時間作為延遲時間數(shù)據(jù)信息。因eNB 已知UE 的DRX mode，故可推測出分組包延遲時間，其延遲時間的計算是從某分組包到達eNB 那一刻開始算起，直到此分組包傳給UE并接收完為止，如圖1 所示。eNB 通過這些延遲時間數(shù)據(jù)信息與歷史延遲時間進行流量預估來計算出平均延遲時間數(shù)據(jù)，而此數(shù)據(jù)會用來推估下一段時間DRX cycle 參數(shù)。

為推估出DRX cycle 參數(shù)需將延遲時間數(shù)值用于第二階段Input 值，進而應對下一階段的流量傳輸，如圖2 所示。圖中的歷史延遲時間表示之前已收集的平均延遲時間。此部分計算延遲時間數(shù)值會大大影響第二階段結果。

分組包到達時間間隔也是由eNB 收集，eNB 再通過這些分組包到達時間間隔與歷史分組包到達時間間隔值來進行流量預估并計算出平均分組包到達率，并將此數(shù)值用于第二階段的Input 值，進而應對下一段時間的流量傳輸，如圖1 與圖2 所示。圖中的歷史分組包到達時間間隔值表示之前已收集且平均的分組包到達率。

圖1 延遲時間于分組包到達時間間隔說明圖

圖2 流量預估流程圖

2 模糊邏輯控制器

當UE 分組包延遲時間過長導致不滿足QoS 需求，此時需通過縮短DRX cycle 長度來減少延遲時間。而DRX cycle 設定多長才算短，則通過模糊邏輯控制理論加經(jīng)驗的判斷進行，即通過不斷實驗的結果來調(diào)整模糊邏輯控制器內(nèi)參數(shù)值，使模糊邏輯控制器輸出最佳DRX cycle 參數(shù)值[4-5]。從最初步驟的模糊化到最后步驟的去模糊化過程中，利用相關推理引擎結合模糊邏輯規(guī)則來模擬人類決策，并通過近似準確的數(shù)據(jù)來找到解決方案。模糊邏輯控制器流程如下：

第一步：將延遲時間數(shù)值及分組包到達率或當前DRX cycle 數(shù)值一起輸入到模糊邏輯控制器進行模擬化[6]。分組包到達率適用于流量類型為即時服務VoIP業(yè)務，若流量類型為非即時服務業(yè)務，則會使用該UE當前DRX cycle 數(shù)值。流量類型在進入模糊邏輯控制器之前進行判斷[7]。模糊化方法通過隸屬函數(shù)，其參數(shù)值都是通過QoS 信息及不斷實驗調(diào)整所得到的結果，如圖3 及圖4 所示。

圖3 水平軸為延遲時間Input Variable，其模糊值定義為Extremely Short、Short、Middle、Long、Extremely Long五種長度，分別設定為：50 ms 內(nèi)、25 ms 至100 ms、75 ms至150 ms、12 ms至300 ms、250 ms 以上。

圖3 Input Variable 延遲時間

圖4 水平軸為分組包達到率當前DRX cycle 的Input Variable， 其 模 糊 值 定 義 為Extremely Short、Short、Middle、Long、Very Long 與Extremely Long 六種長度，分別設定為：40 ms 內(nèi)、20 ms 至80 ms、40 ms至160 ms、80 ms至320 ms、256 ms 至640 ms、512 ms 至2560 ms。當Input 值轉(zhuǎn)變?yōu)槟：岛筮M入第二步。

圖4 Input Variable 分組包到達率當前DRX cycle

第二步：將第一步模擬化輸出值在推理引擎中結合模糊邏輯規(guī)則進行推理與對應。推理引擎，即將第一步所得模糊值與模糊邏輯規(guī)則進行對應，并通過不斷實驗、經(jīng)驗及QoS 需求中的最大可延遲時間來制定出10 條模糊邏輯規(guī)則，如表1 所示。首先表1 中有兩種流量類型，第一種為非即時服務，如網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸?shù)?，其最大延遲時間為300 ms。另一種為即時性服務，主要以VoIP 為主，其最大可延遲時間為100 ms。eNB 在接收到該UE 的數(shù)據(jù)流量時，就已知其流量類型，在模糊邏輯規(guī)則中加入流量類型是為了使模糊邏輯控制器能方便地去處理。在延遲時間部分則與第一步驟延遲時間的Input Variable 相同，有Extremely Short、Short、Middle、Long、Extremely Long 共5種長度。在DRX Cycle 部分，“+1”“0”“- 1”“- 2”分別指的是當前DRX cycle 長度拉長一個狀態(tài)、DRX cycle長度不改變、DRX cycle 長度縮短一個狀態(tài)、DRX cycle 長度縮短兩個狀態(tài)。DRX cycle 的長度狀態(tài)分別為Extremely Short、Short、Middle、Long、Very Long 及Extremely Long 共六種狀態(tài)。

舉例如下：假設流量類型為非即時服務和延遲時間為Short，且假設通過第一步取得DRX cycle 的長度為Short，則推理引擎對應模糊邏輯規(guī)則會產(chǎn)生出“+1” 的值，DRX cycle 長度會從Short 拉長一個狀態(tài)變?yōu)镸iddle，此Middle 即輸出DRX cycle 的模糊值。

表1 模糊邏輯的規(guī)則表

第三步：將推理引擎所得輸出值再進行去模糊化步驟獲得最佳DRX cycle 參數(shù)值。第三步是將上一步所輸出的DRX cycle 模糊值進行去模糊化動作，而去模糊化方法就是將DRX cycle 模糊值去對應DRX cycle 的Output Variable，而此DRX cycle 的Output Variable 定義與設定都與圖4 完全相同。當DRX cycle 模糊值轉(zhuǎn)變?yōu)镈RX cycle 參數(shù)值后就進行輸出，并將此參數(shù)值傳給UE，讓UE 當作下一段時間的DRX mode。

模糊邏輯控制器的目的是選擇最佳DRX cycle參數(shù)值，并將此參數(shù)值提供給UE 作為下一段時間的DRX mode，讓DRX 機制能達到最低限度省電及減少延遲時間來滿足QoS 需求。

3 模擬仿真

Case1 實驗參數(shù)設定如表2 所示。其模擬仿真以非即時服務為主，隨機亂數(shù)方式產(chǎn)生分組包大小與分組包到達時間。UE 的DRX 機制以3000 ms 為單位共執(zhí)行200 次，共執(zhí)行10 分鐘，隨機亂數(shù)產(chǎn)生1 至10個數(shù)據(jù)分組包/ 次，比較使用固定DRX cycle 長度分別為40 ms、80 ms、160 ms 及本文所提出的FDRX 方法共4 個對象。On- duration 參數(shù)值固定為5 ms，以及I- Timer 參數(shù)值固定為10 ms。

表2 FDRX Case1 參數(shù)設定

模擬結果分別如圖5 及圖6 所示。圖5 為電量消耗仿真比較，數(shù)值越小越好，圖6 為平均延遲時間仿真比較，也是數(shù)值越小越好，更能滿足QoS 需求。從圖5 及圖6 可看出，F(xiàn)DRX 方法與其它比較對象相比，電量消耗最低，所以最優(yōu)。雖然其余比較對象的分組包傳輸延遲時間比FDRX 方法要低，但是它們的電量消耗大幅增加，由于仿真實驗以瀏覽網(wǎng)頁或文件傳輸?shù)腝oS 需求最大延遲時間為300 ms，在滿足較低延遲時間等QoS 需求下，為達到最低電量消耗，F(xiàn)DRX 方法最優(yōu)。

圖5 FDRX Case1 的Energy Consumption 比較圖

圖6 FDRX Case1 的Average Delay Time 比較圖

Case 2 仿真參數(shù)設定如表3 所示。其模擬仿真以即時服務VoIP 為主，并固定分組包大小和規(guī)律性時間到達，分組包到達時間為150 s 以內(nèi)的分組包大小固定為200 bits，50 ms 傳輸一次；分組包到達時間為150 s 到300 s 間的分組包大小固定為800 bits，90 ms傳輸一次；分組包到達時間為300 s 到450 s 間無分組包傳輸；分組包到達時間為450 s 到600 s 間的分組包大小固定為500 bits，120 ms 傳輸一次。UE 的DRX 機制是以3000 ms 為單位共執(zhí)行200 次，共執(zhí)行10 分鐘，分組包數(shù)量10 個/ 次，比較對象為使用固定DRX cycle 長度分別為40 ms、80 ms、160 ms、320 ms 及本文所提出的FDRX 方法共5 個對象。On- duration 參數(shù)值固定為5 ms，以及I- Timer 參數(shù)值固定為10 ms。

表3 FDRX Case2 實驗參數(shù)表

模擬仿真結果如圖7 至圖9 所示。圖7 為電量消耗仿真比較，其數(shù)值越小越好。圖8 為平均延遲時間仿真比較，也是數(shù)值越小越好，越能滿足QoS 需求。圖9 為FDRX 方法與比較對象的效能比較圖，其數(shù)值越高表示效能越好。本文提出的FDRX 方法以減少電量消耗為主，延遲時間僅需滿足QoS 需求。在圖7 至圖9 中，F(xiàn)DRX 方法的電量消耗與平均延遲時間都不是最好，因需滿足QoS 需求，如以電量消耗為最好，容易導致延遲時間增長，進而不滿足QoS 需求。如Fix DRX cycle 為320 ms 時其電量消耗雖然最低，但其延遲時間最高，且大于VoIP 在QoS 需求中的最大可延遲時間。反之若要延遲時間最低，則容易導致電量消耗最高，如Fix DRX cycle 為40 ms 時。所以本文提出的FDRX 方法有較低的電量消耗及延遲時間滿足QoS 需求，從圖9 效能比較圖可看出比其他策略更為優(yōu)異。

圖7 FDRX Case2 的Energy Consumption 比較圖

圖8 FDRX Case2 的Average Delay Time 比較圖

圖9 FDRX Case2 效能比較圖

4 總結

從Case 1 和Case 2 的模擬仿真針對不同的業(yè)務服務類型進行測試，其結果發(fā)現(xiàn)使用FDRX 方法其效能比其他比較對象的效能還要好，但是若在模糊邏輯控制器的參數(shù)方面進行調(diào)整，以及增加多種不同的Input 值，就可使此方法適用在更多不同的應用上，再加上此方法可動態(tài)去調(diào)整DRX cycle，優(yōu)勢明顯。