下一代移动网络中非连续接收机制对移动互联网业务性能影响分析

罗 俊，刘 琛，邵 震

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

移动互联网的迅猛发展催生了大量诸如高带宽业务、多媒体业务、社交业务、即时通信业务等丰富的应用。为了满足这些应用的体验，下一代移动网络对传输速率、传输延时和系统容量等承载能力方面提出了更高的要求，3GPP长期演进 （long term evolution，LTE）项目将 OFDM（orthogonal frequency-division multiplexing）和MIMO（multiple-input multiple-output）技术作为无线网络演进的标准，同时使用了高阶调制编码技术如64QAM（quadrature amplitude modulation）等，显著提高了用户吞吐量和扇区容量，降低用户时延，有效提升了用户的通信体验[1]。

移动互联网业务的不断丰富，对终端的电池续航能力也提出了新的挑战。因此，下一代网络除了提供更高的频谱效率、更低的时延外，还应考虑如何节省终端功耗问题。2G、3G、4G移动通信系统均对节能机制进行了考虑和标准化工作，如 UMTS[2]和 LTE[3,4]系统采用了非连续接收（discontinuous reception，DRX）机制，允许终端在没有数据传输的时刻关闭无线收发单元进入休眠模式，以减少不必要的能量开销。但对移动互联网业务特别是高频次业务而言，如在线游戏业务、即时通信（instant message,IM）业务、微博业务、社交网络业务等，存在实时在线聊天和信息浏览刷新等高频次信息交互的需求，大约每隔几秒就可能产生应用层的突发性数据包，需要终端和网络间进行频繁的数据和信令交互。如果终端在没有数据收发时，立刻关闭收发机进入空口连接休眠状态（RRC_IDLE）并释放空口资源，那么待后续产生数据收发需求时，终端需要重新和网络进行空口连接并产生信令交互。这在数据收发频繁的时候，将大大增加网络信令开销的负荷，对网络而言是非常不利的。因此，LTE网络引入了Active DRX机制，允许终端在空口连接激活状态（RRC_CONNECTED）下，周期性地关闭收发机以节省能量，并在醒来的时候监听下行控制信道（PDCCH）。这样在下一次有数据收发时，终端无需重新发起空口连接，直接转入工作状态进行数据收发即可。因此Active DRX机制对移动互联网业务而言，能在节省终端能量的同时，避免频繁休眠给网络带来过大信令开销的问题。

对不同的业务，Active DRX机制的参数配置需要进行优化，才能到达更好的系统性能[5～7]。其主要原因有两点：一方面，终端在Active DRX机制下，无数据收发的时候可关闭收发机以节省能耗，但相应会带来数据包延时的增加，即在能耗和延时之间存在性能折衷。不同业务对延时的要求不同，需要优化配置Active DRX参数以实现能耗和延时性能兼顾，特别是对于延时敏感的业务尤为重要，如在线游戏类、IM类等；另一方面，由于不同用户的业务使用习惯不同，如某些用户通常使用E-mail和网页浏览，而其他用户经常使用即时通信或社交类业务，不同业务呈现的特性不一样，包括业务包间隔、包长度分布等，不能使用相同的Active DRX机制，需要针对不同的业务特性优化Active DRX机制的配置参数，以更好地改善终端能耗和信令开销等性能。

本文首先介绍了LTE系统的DRX机制，然后针对不同的移动互联网业务特性，从终端能量消耗、数据包延时和信令开销等性能角度出发，对Active DRX机制下的网络性能进行了分析，并对Active DRX机制的参数与网络性能之间的关系进行了研究。

2 LTE系统的DRX机制

LTE系统中，DRX机制分为两种[3,8]。一种是Idle DRX，即UE处于RRC-IDLE状态下的非连续接收，此时UE断开空口连接，并周期性地在寻呼时刻 （paging occasion，PO）对PDCCH信道进行寻呼消息的监听。若有数据收发需求，则UE需要向eNB发起RRC请求。另一种则是Active DRX，即UE处于RRC-CONNECTED状态下的非连续接收，当无数据收发时可关闭收发机，但仍然存在RRC，当下一次数据收发时，能迅速转换到工作状态而无需重新进行空口连接，既节省了能量消耗，也减小了信令开销。因此，本文后续的分析和讨论主要针对Active DRX机制进行。

在LTE系统中，Active DRX机制下的终端在工作时期被划分为 3部分，即去激活期 （inactivity period）、短DRX周期 （short DRX cycle）和长 DRX周期 （long DRX cycle），如图1所示。当终端成功完成数据包的发送或接收后，立刻启动一个去激活定时器（inactivity timer），表示在多少个连续子帧（subframe）里终端无数据收发。在此期间，终端保持收发机开启状态以继续监听PDCCH信道，一旦有新的数据产生，则重启该去激活定时器。

当定时器超时后，终端关闭收发机并将进入短DRX周期。短DRX周期长度通常取值为2n(n=1,…,9)和 5×2n(n=1,…,6)个子帧长度（即毫秒）。在一个短DRX周期里，终端在某个设定的期间打开收发机进入唤醒阶段（on duration）。唤醒阶段长度通常为 1、2、3、4、5、6、8、10、20、30、40、50、60、80、100 和 200 个子帧长度。在唤醒阶段终端监听PDCCH信道，如果有数据产生，终端立刻退出DRX阶段进入开启状态直接进行数据收发，而无需发起RRC的信令。若在唤醒阶段无数据收发，终端则进入下一个短DRX周期以节省能耗。短DRX周期的持续时间由短DRX周期定时器（short DRX cycle timer）给出，短 DRX周期定时器指定了短DRX周期的个数。

当短DRX周期结束后，终端进入长DRX周期。长DRX周期长度通常取值为2n(n=5,…,11)和 5×2n(n=1,…,9)个子帧长度。在长DRX周期里，终端依然是在某个设定的唤醒阶段醒来以监听PDCCH信道有无数据收发。

图1 LTE系统中Active DRX机制的3个工作期

3 Active DRX机制对高频次业务的性能影响

如前所述，Active DRX机制能有效节省终端能耗，同时节省信令开销，但同时牺牲了数据的延时性能。进一步，针对不同特性的业务，Active DRX需要对参数进行优化配置，以更好适应业务对性能指标的要求。本节首先给出了针对Active DRX机制的业务性能指标定义；接下来针对典型移动互联网业务，分析业务性能指标（包括终端功耗、数据包延时和信令开销等）与Active DRX机制的配置参数之间的关系。

3.1 Active DRX机制下业务性能指标

（1）终端能耗节省因子ηE

采用Active DRX机制后，终端在无数据收发时会周期性关闭收发机，以节省终端能耗。为了更好地评价引入Active DRX机制后带来的能耗节省程度，定义终端能耗节省因子为一次数据业务中采用Active DRX产生的睡眠时间与整个业务时间之比，用式（1）表示：

其中Tidle表示采用Active DRX后一次业务数据的睡眠时间，T表示整个业务时间。

（2）数据包延时增量D

采用Active DRX机制后，当终端在DRX周期内的休眠时间时，当有终端的下行数据产生时，eNB不会在此期间对终端进行资源调度，直到唤醒阶段。此时，数据包就会产生一定的延时，当DRX周期越长，数据包的延时越大。定义数据包延时增量D为一次数据业务中的数据包在Active DRX机制下相比未使用Active DRX产生的延时增量的平均值。

（3）信令开销节省因子ηSO

采用Active DRX机制，终端在唤醒阶段有数据收发产生时，无需发起RRC连接信令开销，相对于Idle DRX机制能节省信令开销。定义信令开销节省因子ηSO为一次数据业务中采用Active DRX机制产生的RRC连接信令次数与仅采用Idle DRX机制产生的RRC连接信令的次数之比，用式（2）表示：

其中NActiveDRX表示Active DRX机制中一次数据业务产生的RRC连接信令次数，NIdleDRX表示Idle DRX机制中一次数据业务产生的RRC连接信令次数。

3.2 Active DRX机制的参数对业务性能影响

LTE系统下的Active DRX机制主要参数包括去激活定时器、唤醒定时器长度、短DRX周期长度、短DRX周期定时器、长DRX周期长度等。不同参数会对Active DRX机制的业务性能有不同的影响，如DRX周期长度越长，终端节能效果越好，但会加大数据包延时；去激活定时器越小，终端进入Active DRX机制的机会越大，能耗节省机会越大，数据延时增加的可能性也越大。本节将针对不同特性的移动互联网业务，分析Active DRX参数对业务性能的影响。为了保持和Idle DRX采用相同的性能对比参数，本文将唤醒阶段长度设为1 ms，短DRX周期长度设为10 ms，长DRX周期长度设为1280 ms，而去激活定时器、短DRX周期定时器参数则可动态调整，以观察对终端能耗因子、数据包延时增量和信令开销节省因子等业务性能的影响。

（1）网页浏览业务

网页浏览类业务主要协议是HTTP。典型的业务数据包间隔模型[9]服从均值为30 s的指数分布，其分布函数为 f(x)=λe-λx,x≥0,λ=0.033。图 2 给出了终端能耗因子、数据包延时增量和信令开销节省因子等业务性能随着去激活定时器和短DRX周期定时器参数增大的变化情况。

从图2中可以看出，随着去激活定时器的增加，终端能耗节省因子和数据包延时增量均呈下降趋势，这是因为网页浏览业务包间隔较大，设置较小的激活定时器和短DRX周期定时器，尽量让终端进入长DRX周期，能更好地节省能量，但由于在终端节能和延时中存在着性能折衷，数据包延时会随之恶化。信令开销随着去激活定时器的增加没有太大变化，这说明对网页浏览型业务而言，由于数据包间隔较大造成终端进入RRC_IDLE状态的可能性较大，采用Active DRX机制相比Idle DRX机制没有太大性能提升。进一步还可以看出，短DRX周期定时器的增加对终端能耗节省因子、数据包延时增量、信令开销节省因子等性能指标没有太大影响。这些因素说明，对网页浏览类业务而言，Active DRX机制和Idle DRX机制的性能接近，去激活定时器对性能有一定影响，可将其在兼顾能耗和延时的基础上设置为500 ms左右，而短DRX周期定时器则没有太大影响。

图2 网页浏览业务性能随着去激活定时器和短DRX周期定时器参数增大的变化曲线

图3 即时通信类业务性能随着去激活定时器和短DRX周期定时器参数增大的变化曲线

（2）即时通信类业务

即时通信类业务的特点是用户与网络之间的信息交互比较频繁，如QQ和MSN聊天等。参加文献[10]和[11]给出了IM应用的数据包间隔模型服从标准韦泊尔分布（Weibull distribution），其分布函数为f(x)=γxγ-1exp(-xγ)，其中γ=0.4553。图3给出了终端能耗因子、数据包延时增量和信令开销节省因子等业务性能随着去激活定时器和短DRX周期定时器参数增大的变化情况。

从图3中可以看出，随着去激活定时器和短DRX周期定时器的增加，终端能耗节省因子和数据包延时增量均呈下降趋势，这是因为设置较小的激活定时器和短DRX周期定时器，可让终端尽量进入长DRX周期，以更好地节省能量，但由于在终端节能和延时中存在着性能折衷，数据包延时会随之恶化。进一步还可以看出，随着短DRX周期定时器的增加，终端在Active DRX阶段停留时间越长，终端进入RRC_IDLE状态的可能性越小，因而信令开销节省更多。随着去激活定时器的增加，信令开销节省反而呈现下降趋势，这是因为去激活定时器的增加导致了终端进入RRC_IDLE状态的机会降低，带来了信令开销节省因子的下降。因此对即时通信类业务而言，可将去激活定时器设置在200 ms左右，短DRX周期定时器设为12～16，以兼顾节能、延时和信令开销等方面的性能。

（3）在线游戏类业务

在线游戏业务是对延时敏感的业务，参考文献[12]给出了某典型在线游戏的数据包间隔模型服从极值分布，其分布函数为f(x)=,a=50 ms,b=4.5 ms。图4给出了终端能耗因子、数据包延时增量和信令开销节省因子等业务性能随着去激活定时器和短DRX周期定时器参数增大的变化情况。

从图4可以看出，终端节能性能随着去激活定时器的增长快速下降，当去激活定时器大于100 ms后，基本没有产生节能效果，这是因为对在线游戏类业务而言，数据包间隔比较短，去激活定时器设置过大将导致终端无法进入DRX机制。同时可以发现，短DRX周期定时器超过6 ms以后能耗和延时等性能趋于收敛。对在线游戏这类时延敏感型业务在选择参数时需重点考虑对时延的影响，因此可设置去激活定时器为10 ms左右，短DRX周期定时器设置为6 ms左右。

图4 在线游戏业务性能随着去激活定时器和短DRX周期定时器参数增大的变化曲线

进一步通过比较图2～4可以发现，对不同类型的业务而言，终端能耗因子、数据包延时增量和信令开销节省因子对业务性能的影响有所不同。随着业务数据包频次的增加，终端节能指标有所下降，这是因为数据频繁发生导致进入DRX周期的次数减少。信令开销节省方面随着业务特性的不同也有可能出现不同的趋势。因此在DRX参数优化过程中，需要考虑不同的业务特性带来的影响，以提升Active DRX机制对业务性能的优化。例如，在DRX机制参数的配置过程中，可考虑引入业务流的分布函数和参数，对网页浏览业务，考虑指数分布函数模拟数据包间隔作为配置参数的输入，以优化配置DRX机制的去激活定时器（500 ms左右）等关键参数；对即时通信业务，考虑标准韦泊尔分布函数模拟数据包间隔作为配置参数的输入，以优化配置DRX机制的去激活定时器（200 ms左右）等关键参数；而对实时在线游戏等业务，则考虑采用极值分布函数模拟数据包间隔，以优化配置DRX机制的去激活定时器（10 ms）等参数。另一方面，由于移动互联网业务流具有时变特性，即在不同的时间段（闲时和忙时）里，业务流呈现出不同的参数特性（高峰和低谷），在DRX机制的参数配置中可考虑对业务时变特性进行动态跟踪的方式，根据业务流的长时统计分布情况和相关性预测下一个数据包的时间间隔，并根据每个数据包包间隔的预测值来动态调整DRX机制的去激活定时器、DRX周期定时器等参数，以更好地满足DRX机制对系统性能指标优化的要求。

4 结束语

针对移动互联网业务出现的终端与网络间进行频繁的数据和信令交互，导致终端能量和无线信令资源消耗过大的问题，本文结合下一代移动网络中非连续接收（discontinuous reception，DRX）机制，从终端能耗、数据包延时、空口资源开销等角度出发，分析了Active DRX机制对网页浏览、即时通信、在线游戏等移动互联网业务的网络性能影响。通过分析结果发现，Active DRX机制对终端能耗和信令开销的节省是以牺牲延时性能为代价的，因此在对Active DRX机制的参数进行优化时，应综合考虑功耗、延时、信令开销等性能。同时可发现，Active DRX机制对不同特性的业务呈现出不同的性能影响，应结合业务特性对DRX参数进行优化。

下一步可针对延时敏感型业务进行DRX机制的研究，在保障业务端到端延时要求的条件下，对终端能耗和信令开销等性能指标进行改善。同时，DRX机制在节省能耗、信令开销与延时等方面的性能如何进行权衡，以达到更好的系统性能，还需要今后进一步研究。

1 赵训威，林辉，张明等.3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范.北京：人民邮电出版社，2010

2 3GPP TS 25.304.Technical specification group radio access network.UE Procedures in idle mode and procedures for cell reselection in connected mode,2002

3 3GPP TS 36.321.Technical specification group radio access network,evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA).Medium access control(MAC)protocol specification,2008

4 3GPP TS 36.304.Technical specification group radio access network,evolved universal Terrestrial radio access(E-UTRA).User equipment(UE)procedures in idle mode,2007

5 Yakim Y M,Kiril M K,Boris P T.Analysis and performance evaluation of the DRX mechanism for power saving in LTE.In:IEEE 26th Convention of Electrical and Electronics Engineering,2010

6 李仁波，张春业，宁祥峰等.基于长期演进系统非连续接收机制的改进算法.计算机应用,2010，30（12）：3187～3190

7 Huang Bo,Tian Hui,Chun Lan,et al.DRX-aware scheduling method for delay-sensitive traffic.IEEE Communications Letters,2010,14(12):1113～1115

8 Charndra S B,Ed Illidge.DRX mechanism for power saving in LTE.IEEE Communication Magazine,2009,47(6):48～55

9 3GPP2 C.R1002-B v1.0 cdma2000 evaluation methodology,December 2009

10 Zhen Xiao,Lei Guo,Tracey J,et al.Understanding instant messaging traffic characteristics.In:27th International Conference on Distributed Computing Systems(ICDCS'07),2007

11 Hong Fei,Liu Rui,Hu Liting,et al.Analysis and characteristic at the chat session level in instant message traffic.In:1st International Conference on Information Science and Engineering(ICISE’09),2009

12 IEEE 802.16m-07/080.IEEE 802.16m Evaluation methodology document

13 鲁维,胡山.我国移动互联网业务发展现状及趋势分析.电信技术，2009（5）

14 黄旭升.移动互联网加速技术探讨.电信技术，2009（5）