0 引言

    在移動(dòng)通信技術(shù)行業(yè)里,，對(duì)終端能耗優(yōu)化的研究從未停止,，特別是隨著近些年來物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展和節(jié)能減排的環(huán)保意識(shí)不斷被深入關(guān)注，移動(dòng)通信對(duì)末端設(shè)備的能耗要求越來越苛刻,。在3GPP(3rh Generation Partnership Project)的LTE(Long Term Evolution)項(xiàng)目中,，非連續(xù)接收(Discontinuous Reception，DRX)作為無線鏈路層提高能耗效率的一種重要方法,，它的基本原理是讓終端設(shè)備周期性地進(jìn)入休眠模式,，在休眠期間終端不監(jiān)聽物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH),，關(guān)閉收發(fā)單元,，以減少終端設(shè)備的能量消耗^[1]。

    近些年引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Bandwith Internet of Thing,，NB-IoT)作為蜂窩系統(tǒng)中一種全新無線接入技術(shù),，它對(duì)能耗有著更加苛刻要求，一塊電池要求可以維持終端正常工作長(zhǎng)達(dá)10年,。所以為了進(jìn)一步降低終端能量消耗,，滿足NB-IoT終端設(shè)備對(duì)功耗極低的要求，采用增強(qiáng)型非連續(xù)接收(Extended DRX,，eDRX)技術(shù)是非常有必要的^[2],。

1 eDRX功能簡(jiǎn)介

    eDRX與DRX的功能相同，都是通過讓UE周期性在某些時(shí)刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)來達(dá)到節(jié)省電池消耗的目的,。在NB-IoT系統(tǒng)中,，由于業(yè)務(wù)特點(diǎn),，因此更加重視能量消耗，于是eDRX在DRX的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn),，這將進(jìn)一步降低電能的消耗^[3],。

    如圖1所示，一個(gè)eDRX Cycle由兩部分組成,，分別為“On Duration”和“Opportunity for eDRX”,。當(dāng)UE處于“On Duration”時(shí)，為喚醒激活期,，并于此期間監(jiān)聽NPDCCH子幀,；當(dāng)UE處于“Opportunity for eDRX” 時(shí)，為睡眠狀態(tài),，即終端為了節(jié)省電量,，進(jìn)入不監(jiān)聽NPDCCH（Narrowband PDCCH）子幀的睡眠狀態(tài)^[4]。對(duì)于處于eDRX模式下的UE,，它的睡眠的時(shí)間較長(zhǎng),，相比LTE系統(tǒng)中的DRX，UE的功率明顯降低,。傳統(tǒng)的DRX中最小間隔為2.56 s,，但是對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送不頻繁的物聯(lián)網(wǎng)，這樣的時(shí)間間隔太過于頻繁,。

    eDRX與DRX一樣,，都可以工作在RRC(Radio Resource Control)IDLE和RRC_CONNECTED兩種模式下，當(dāng)UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)下的eDRX模式時(shí),，將接收間隔延長(zhǎng)為10.24 s,；在RRC_IDLE狀態(tài)下，它將檢測(cè)尋呼消息和跟蹤區(qū)域更新（Tacking Area Update,，TAU）之間的間隔延長(zhǎng)到長(zhǎng)達(dá)40 min^[5],。

    當(dāng)UE處于RRC_IDLE狀態(tài)時(shí)，它不接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),，也沒有RRC連接,，因此UE只會(huì)在廣播信道和呼叫信道上進(jìn)行監(jiān)聽，但是這種監(jiān)聽是一種周期性的,，在特定時(shí)刻非連續(xù)性接收來自eNodeB的消息,，從而達(dá)到節(jié)省電池消耗的目的。當(dāng)UE需要接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí),，它將從RRC_IDLE態(tài)跳轉(zhuǎn)到RRC_CONNECTED態(tài),，在RRC_CONNECTED態(tài)下的非連續(xù)接收是通過圖1中的eDRX Cycle和一套定時(shí)器共同完成的。

    UE通過檢驗(yàn)公式（1），進(jìn)入eDRX模式：

其中,，SFN為系統(tǒng)幀號(hào),，subframenumber為子幀號(hào)，mod為取模運(yùn)算,，longDRX-Cycle表示longDRX的周期。若滿足式(1)就啟動(dòng)On Duration Timer,，此時(shí)UE就可以開始監(jiān)聽NPDCCH信道,。

2 eDRX中的定時(shí)器

    On Duration Timer-r13：該定時(shí)器表示在一個(gè)eDRX周期里UE睡眠后的在線時(shí)長(zhǎng)，取值有：pp1,、pp2,、pp3、pp4,、pp8,、pp16、pp32,。

    Drx-StartOffset-r13：指定在哪個(gè)指針開啟On DurationTimer-r13,其取值為0~255(取整),。

    HARQ RTT Timer：表示UE在收到下行重傳數(shù)據(jù)之前，需要等待的最少子幀個(gè)數(shù),，當(dāng)收到PDCCH子幀顯示有下行傳輸或處于DL-SPS子幀時(shí)開啟這個(gè)定時(shí)器,，與此同時(shí)Drx-RetransmissionTime-r13將停止。

    Drx-InactivityTimer-r13：指定HARQ RTT Timer超時(shí)后將開啟,，并在它運(yùn)行期間連續(xù)監(jiān)聽NPDCCH子幀,，其取值為：pp0、pp1,、pp2,、pp3、pp4,、pp8,、pp16、pp32,，它的基本計(jì)時(shí)單位為NPDCCH子幀個(gè)數(shù),。

    Drx-RetransmissionTimer-r13：指定在HARQ RTT Timer超時(shí)后，在其連續(xù)時(shí)間內(nèi)重復(fù)傳輸對(duì)應(yīng)的HARQ Process中的數(shù)據(jù),，其取值為：pp0,、pp1、pp2,、pp4,、pp6、pp8,、pp16,、pp24,、pp33。

    在eDRX中On Duration Timer-r13,、Drx-InactivityTimer-r13,、Drx-RetransmissionTimer-r13定時(shí)器基本單位由原來的子幀改為pp（PDCCH period），因?yàn)閜p的長(zhǎng)度是動(dòng)態(tài)可變的單位,這將使得UE更加適應(yīng)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn),。

3 eDRX機(jī)制

3.1 空閑模式下的eDRX機(jī)制

    在NB-IoT系統(tǒng)下的eDRX繼承了LTE中的DRX功能機(jī)制,。由于NB-IoT終端業(yè)務(wù)的不頻繁性、對(duì)能耗高效率的要求,、支持增強(qiáng)型覆蓋,，因此對(duì)處于RRC_IDLE態(tài)的DRX周期進(jìn)行了擴(kuò)展，并且在NB-IoT系統(tǒng)中還引入了超幀(Hyper-frame),。它的功能機(jī)制是：UE首先與MME協(xié)商獲得UE特定的eDRX,，再通過尋呼超幀(Paging Hyper-frame，PH)的計(jì)算得到尋呼消息的超幀號(hào)(Hyper-SFN),，接著再通過尋呼傳輸窗(Paging Transimission Window,，PTW)的計(jì)算得到該UE的尋呼消息所在的可能的SFN區(qū)域范圍；最后通過尋呼幀(Paging Frame,，PF)和尋呼時(shí)刻(Paging Occasion,，PO)獲得尋呼消息所在的子幀^[6]。

    NB-IoT中使用系統(tǒng)消息攜帶的10 bit H-SFN來拓展DRX周期（TDRX）,，H-SFN由1 024個(gè)SFN組成,。終端在指定H-SFN上的PTW期間監(jiān)視用于尋呼的控制信道，在PTW期間內(nèi)依照常規(guī)DRX周期（TDRX）監(jiān)視尋呼,，即在PF中的一個(gè)PO監(jiān)聽由P-RNTI擾碼的NPDCCH^[7],。

    尋呼過程的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算步驟如下：

    (1)尋呼超幀(PF)為滿足尋呼超幀號(hào)(H-SFN)的計(jì)算：

其中，Ns表示每個(gè)PF內(nèi)包含的PO數(shù),。

3.2 連接態(tài)下的eDRX機(jī)制

    在LTE系統(tǒng)中,，通過配置Long DRX Cycle和Short DRX Cycle來滿足它的業(yè)務(wù)傳輸特點(diǎn)；而對(duì)于業(yè)務(wù)頻次低,、速率低的NB-IoT系統(tǒng),，取消了Short DRX Cycle，并且Long DRX Cycle改名為DRX-Cycle-r13,，為了應(yīng)對(duì)NB-IoT業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸間隔較長(zhǎng),，它的最大值域從R12版本的2 560子幀擴(kuò)展到9 216子幀，改變后將更有利于終端省電,。

    UE處于RRC_CONNECTED態(tài)下的eDRX,，對(duì)Drx InactivityTimer-r13的啟動(dòng)和重啟時(shí)間節(jié)點(diǎn)做了兩處修改。(1)在LTE系統(tǒng)中，當(dāng)UE成功解碼PDCCH就開始啟動(dòng)或重啟Drx-Inactivity Timer,；而在NB-IoT系統(tǒng)中如果正在運(yùn)行的上下行數(shù)據(jù)傳輸超時(shí),，則啟動(dòng)Drx-Inactivity Timer-r13。(2)在LTE系統(tǒng)中,，當(dāng)終端收到DRX Command控制單元后,，則會(huì)停止On Duration Timer、Drx- Inactivity Timer等定時(shí)器,；而在NB-IoT系統(tǒng)中,，如果終端收到數(shù)據(jù)調(diào)度指令時(shí)，則會(huì)停止上述定時(shí)器,。上述兩個(gè)方面對(duì)Drx-InactivityTimer的優(yōu)化，主要是把它的啟動(dòng)或重啟時(shí)刻從LTE中“成功解碼PDCCH”移動(dòng)到“HARQ RTT Timer超時(shí)”之后,，從而可以更加精準(zhǔn)地配置Drx-Inactivity Timer的參數(shù),。因?yàn)樵谡瓗锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中支持增強(qiáng)型覆蓋，數(shù)據(jù)的傳輸可能要重復(fù)較長(zhǎng)時(shí)間,，這樣就會(huì)導(dǎo)致Drx-Inactivity Timer的時(shí)間難以配置,。

    處于RRC_CONNECTED態(tài)下的eDRX運(yùn)行機(jī)制如圖2所示。

    如圖2,，在t₀時(shí)刻以前UE一直處于休眠狀態(tài),，在此狀態(tài)下的終端不監(jiān)聽NPDCCH子幀；當(dāng)系統(tǒng)幀幀號(hào)和子幀幀號(hào)滿足式(1)時(shí),，UE進(jìn)入active態(tài),，從t₀時(shí)刻開啟On DurationTimer-r13，并在這個(gè)定時(shí)器超時(shí)前監(jiān)聽NPDCCH子幀,。在激活期的t₁時(shí)刻接收到新的指示下行傳輸數(shù)據(jù)的NPDCCH子幀,，此時(shí)啟動(dòng)HARQ RTT Timer，在次定時(shí)器超時(shí)后,，開啟Drx-InactivityTimer-r13并在這個(gè)定時(shí)器運(yùn)行期間監(jiān)聽NPDCCH子幀,。Drx-InactivityTimer-r13超時(shí)后，在t₃時(shí)刻檢測(cè)對(duì)應(yīng)的HARQ Process中軟緩存中的數(shù)據(jù)是否被成功解碼,，如果解碼不成功則開啟Drx RetransmissionTimer-r13,，并在此定時(shí)器連續(xù)運(yùn)行期間進(jìn)行數(shù)據(jù)的重傳；當(dāng)本次數(shù)據(jù)正確解碼后,，UE在t₄時(shí)刻又檢測(cè)到新的指示上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腘PDCCH子幀,，此時(shí)開啟HARQ RTT Timer，在這個(gè)定時(shí)器超時(shí)的t₅后,開啟非激活定時(shí)器Drx-InactivityTimer-r13,，并在此定時(shí)器連續(xù)運(yùn)行期間監(jiān)聽NPDCCH子幀,。t₆時(shí)刻，Drx-InactivityTimer-r13超時(shí)，然后開啟Drx-ULRetransmissionTimer-r13,，在此定時(shí)器連續(xù)運(yùn)行期間進(jìn)行上行數(shù)據(jù)的重傳^[8-9],。

    RRC_CONNECTED態(tài)下的eDRX機(jī)制的算法流程圖如圖3所示。

4 NB-IoT下的DRX仿真分析

    在RRC_CONNECTED態(tài)下,，增強(qiáng)型非連續(xù)接收主要有激活和省電模式,。在激活模式下，UE正常監(jiān)聽接收NPDCCH子幀,；在省電模式下,，UE處于休眠狀態(tài)，不接收NPDCCH子幀,。在單個(gè)eDRX周期內(nèi),，令省電模式與激活模式的時(shí)長(zhǎng)的比值為N，本測(cè)試通過實(shí)驗(yàn)仿真模擬出在不同N值情況下周期與功率節(jié)省的關(guān)系,，如圖3所示,；周期時(shí)長(zhǎng)與時(shí)延的關(guān)系，如圖4所示,。

    圖4表明,，在N不變的情況下，網(wǎng)絡(luò)配置的周期越長(zhǎng),，UE節(jié)省功率消耗越多,；而當(dāng)周期時(shí)長(zhǎng)不變，N越大,，也就是在單個(gè)周期內(nèi),，處于省電模式的時(shí)長(zhǎng)比激活時(shí)長(zhǎng)越大，UE節(jié)省功率消耗越多,。隨著UE功率節(jié)省越大,，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸變差，這樣就會(huì)帶來時(shí)延的增長(zhǎng),，如圖5所示,。但是對(duì)于低頻次高時(shí)延的NB-IoT業(yè)務(wù)，這種變化相較LTE系統(tǒng)下的非連續(xù)接收所帶來的影響是積極的,。

5 結(jié)束語

    根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù),，NB-IoT中的eDRX功能可以顯著降低窄帶物聯(lián)網(wǎng)UE端的功率消耗，對(duì)增強(qiáng)末端設(shè)備的功率利用率有著極其重要的意義,。因此,，深入研究eDRX對(duì)提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的能效有著深遠(yuǎn)的影響。

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作者信息:

李貴勇,，舒  強(qiáng)，李文彬

（重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，重慶400065）