基于非连续接收的TD-SCDMA终端省电方案

2011-06-07李方伟

电视技术 2011年17期

李方伟，李晗

（重庆邮电大学移动通信重点实验室，重庆 400065）

0 引言

随着TD-SCDMA终端处理能力的迅速增强和提供功能的迅速增多，用户关心的终端功耗问题已经成为TD-SCDMA发展的瓶颈，这严重影响了TD-SCDMA的商用化进程，也因此得到了业界的广泛关注[1]。

TD-SCDMA终端的功耗受到无线环境、网络配置、协议栈控制以及终端软硬件方案、电源管理、芯片本身的低功耗设计及其工艺特性等诸多因素的影响[2]。本文研究了非连续接收技术及其在TD-SCDMA系统中的应用，分析了3GPP标准中的非连续接收方案，指出了方案中的缺陷，并提出了改进方案，有效地延长了终端的工作时间，这对于推动TD-SCDMA产业的发展有着重大的技术意义和现实意义。

1 非连续接收机制

1.1 技术简介

非连续接收（Discontinuous Reception），以下简称DRX，其基本思想是移动终端在没有数据传输的时期，允许终端关闭无线收发单元，进入休眠模式，从而降低功耗[3]。任何通信系统都想以最少的功耗工作最长的时间。现阶段，DRX方式已经成为无线通信系统链路层功耗优化的一种有效方法。

在TD-SCDMA系统中，用户终端在空闲模式下可以使用DRX来接收寻呼信息[4-5]。在DRX模式下，用户终端只需要在每一个DRX周期内的寻呼时刻监听寻呼块，其他时间段不需要监听，即在每一个DRX周期内的寻呼时刻监听一个寻呼指示因子即可。

1.2 3GPP标准中DRX机制的研究

在TD-SCDMA系统中，UE在空闲模式下，终端侧的RRC层主要完成小区选择、小区重选、位置登记、监听寻呼信道等任务[6]。而这些任务都不是连续发生的，而是周期性的，其中监听寻呼信道最为频繁。当小区注册成功且终端处于空闲模式下时，可以使用DRX机制来接收寻呼信息。如图1所示，DRX周期包含激活期和休眠期。这种DRX机制比较简单，使用单一的DRX环进行运转，只有在激活期才接收下行数据。

在空闲模式下，UE只进行寻呼信道的监听，UE只在每一个DRX周期内的寻呼时刻监听寻呼块，其他时间段不需要监听，即在每一个DRX周期内的寻呼时刻监听一个寻呼指示因子即可。在DRX激活期结束后再次进入休眠状态。UE想要在空闲状态下使用DRX周期，只需监控每个DRX周期的寻呼时刻，就能进行DRX周期的监控。DRX的周期长度[4]为

式中：k取自系统信息，其取值范围为6～9；PBP为寻呼指示信道（PICH）的重复周期，其值取自系统信息。属于UE的寻呼块出现的时刻为

式中：IMSI为国际移动用户识别；K为承载寻呼信道（PCH）的辅公共控制物理信道（SCCPCH）的数目；n为重复周期数，取值为0,1,2,…；Frame_Offset为PICH偏移量，由系统信息给出；div表示整除；mod表示取模；max表示取较大值。

在寻呼块出现时刻，UE应该监视的寻呼指示因子为

其中，NP为每一寻呼块中寻呼指示因子的个数，由系统信息给出；(IMSI div 8 192)为DRX索引（DRX_Index）。一个寻呼指示因子可以由4 bit，8 bit，16 bit构成。如果UE寻呼分组对应的寻呼指示因子PI中的比特为全1，则说明此次广播的寻呼信息中包含有本UE寻呼分组的寻呼信息，则UE被要求接收紧随其后的同一个寻呼块内的寻呼消息。反之，则UE不必接收其后的PCH数据块。寻呼消息的到达时刻为

式中：NPICH为PICH持续的帧数，由系统信息广播；NGAP为PICH的最后一帧与承载寻呼消息的第一帧之间间隔的帧数，也由系统信息广播。

在TD-SCDMA系统中，PBP通常设置为128，而在这128帧当中，只有2帧的信息是属于本用户的[7]。也就是说，在空闲状态下采用DRX方案，其耗电量相当于持续接收方案的，有效地降低了终端的耗电量，从而有效地延长了终端的待机时长。如果将PBP设置为256或者是512，采用DRX机制的省电效果将更佳。

1.3 缺陷分析

由1.2节可以看出，3GPP标准中的DRX机制确实能够降低终端空闲状态下的耗电量，从而延长待机时间，但是仍然存在以下缺陷：

1）工作状态

在TD-SCDMA系统中，UE只有空闲模式才可以使用DRX的方式来接收寻呼消息，而在连接模式下，是没有使用DRX机制的。也就是说，在TD-SCDMA系统中，终端在连接模式下的耗电量没有得到有效改善。

2）DRX周期

在TD-SCDMA系统中，DRX的周期长度为max(2k,PBP)，其中，k，PBP都是由系统信息给出，且在每个小区内是固定不变的，也就是说DRX的周期是固定不变的。而DRX的周期越长，省电效果更佳。

综上所述，现有TD-SCDMA系统中的DRX机制不能达到最大程度的省电。

2 改进方案

基于第1节中关于3GPP标准中DRX机制的研究与缺陷分析，笔者给出了一种改进的DRX省电方案。

目前，在TD-SCDMA系统中，连接模式下是没有使用DRX机制的。笔者给出了一种基于DRX机制的省电方案，既能工作在空闲模式下，也能工作在连接模式下。这样一来，TD-SCDMA系统中的DRX机制有两种情形：IDLE_DRX（空闲状态下的DRX机制）与ACTIVI_DRX（连接状态下的DRX机制）。

UE在选择好合适的小区后，就进入到正常的驻留状态，在没有收到寻呼或者高层发起的呼叫之前，UE一直处于空闲状态。在这种情形下，UE不与任何的物理信道相连，无通信，无需数据传输，此时UE的主要任务是监听寻呼信道。在这种情况下，只要设置了UE不连续接收寻呼的周期，不仅能够准时接收到网络端的寻呼，而且能够达到省电的要求，这就是IDLE_DRX，可以参考1.2节3GPP标准中的DRX机制介绍。

在连接模式下，UE需要进行数据通信，故连接模式下的DRX工作机制与空闲模式下的DRX工作机制是有差异的。NodeB也会保持与UE相同的DRX工作机制，通过寻呼消息时刻了解UE是处于激活期还是休眠期，这样能够保证在激活期同UE传输数据。当UE需要数据传输，必须处于连接模式下。在连接模式下进行DRX，并不要求UE回到空闲状态，而直接在该状态下进行优化资源配置，同样达到省电的目的。ACTIVI_DRX是引入定时器并采用定时器与DRX周期相结合的方式达到省电的要求。

在现有的TD-SCDMA系统中，连接模式下没有使用DRX机制，也没有定时器。在给出的连接模式下DRX机制中，引入了2个定时器：持续时间计时器T0和去激活计时器TI。只要处于激活期，持续时间计时器T0就一直保持开启状态。当有下行数据到达时，开启去激活计时器TI；当下行数据接收完毕，关闭去激活计时器TI。ACTI⁃VI_DRX可以分为3种情况：

1）在没有数据到达的时候，只使用持续时间计时器T0，周期性的睡眠—唤醒，如图2所示。UE每隔一个固定的周期醒来一次，打开无线收发单元以监听下行信道的信息，周期为TDRX，其中包括激活期与休眠期。这种情况类似于空闲模式下的DRX机制，只是二者的周期长度不同。

2）当处于睡眠期内时，此时有下行数据到达，这时调度不了，需要等待下一个激活期的到来，如图3所示。其中，在激活期内，持续时间计时器T0保持开启状态。

3）当处于唤醒期内时，此时有下行数据到达，这时开启去激活计时器TI。当下行数据接收完毕，关闭去激活计时器TI，恢复到情况1），进行周期性的睡眠—唤醒状态。如图4所示。在这个过程中，当持续时间计时器T0溢出，则自动关闭。

通过以上分析可以看出，去激活计时器TI的开启象征着此时有下行数据要处理，当下行数据接收完毕，就恢复到只有持续时间计时器T0的状态，即周期性的睡眠—唤醒状态。通常情况下，T0的长度要大于TI。给出的TD-SCDMA系统中，连接状态下的DRX机制采用定时器与DRX周期相结合的方式，每隔一段时间监听寻呼信道、处理下行数据，有效降低了功耗，也减少了资源浪费。

在实际应用中，TD-SCDMA系统DRX参数的设置过程中会存在着一些需要权衡的因素。从节能的角度考虑，则需要配置长的DRX周期。而从调度灵活性和业务QoS需求的角度考虑，则需要配置短的DRX周期。下面给出了一种动态配置DRX周期的方法。

步骤1：初始化。RRC为终端配置DRX周期。

步骤2：每隔一段时间，统计一次终端数据包延迟。

步骤3：将统计的数据包延迟与业务时延的期望值进行对比，此时有3种可能情况。情况N，表示数据包延迟过大，不能满足业务需要；情况M，表示数据包延迟能够满足业务需求；情况Y，数据包延迟过小，完全满足业务需求。

步骤4：根据步骤3的对比情况动态配置DRX的周期。当数据包延迟过大时，配置较短的DRX周期；当数据包延迟能够满足业务需求时，保持当前的DRX周期长度不变；当数据包延迟过小时，配置较长的DRX周期。

步骤5：每次统计结束清除原有的统计信息，以免影响后期的统计结果。

如图5所示，DRX周期的配置过程可以用一个马尔可夫链表示，假设有8个状态，状态i(i=1,2,3,4,5,6,7,8)表示终端当前时刻的DRX周期为64i。处于状态i的终端，符合情况N，则进入状态i-1；符合情况Y，则进入状态i+1；符合情况M，则保持原状态不变。其中，处于状态1的终端符合情况N时，保持原状态不变；处于状态8的终端符合情况Y时，保持原状态不变。

3 仿真结果与分析

下面分别对空闲模式下和连接模式下使用DRX机制后的仿真结果进行了分析。

由图6可以看出，TD-SCDMA终端在空闲模式下，是否使用DRX机制对终端功耗有很大的影响。DRX的周期越长，终端的功耗就越小。如图7所示，在空闲模式下使用DRX机制对用户满意度的影响很小。DRX的周期越长，用户的满意度就会相对降低，但是用户满意度的值都保证在87%以上。因此，在TD-SCDMA系统的空闲模式下使用DRX机制可以有效降低功耗，延长终端的待机时间。