一种基于LTE系统的不连续接收方法

沈爱国，李方伟，朱 江

(重庆邮电大学移动通信安全研究所，重庆400065)

准4G系统LTE和WiMAX都能提供高的上下行传输速率，高的传输速率需要高的调制方式(64QAM)、先进的编码技术(Turbo码)和多天线技术(MIMO)以及空分多址技术等。这些都要求复杂的终端电路，能耗势必加快，限制了用户的移动性。UE的电池能量节约就非常重要。LTE系统中的DRX方案，根据服务质量要求(QoS)，设计出可感知能量的最优方法。

DRX作为无线通信系统链路层优化能量效率的一项重要方法被大多数无线通信系统所采纳。其基本思想是终端没有数据传输时，进入睡眠状态，关闭收发单元以降低终端功耗。在3GPP的LTE项目中，对LTE系统提出了更加严格的时延要求，一方面要求显著降低控制平面时延，具体为UE从空闲状态转移到激活状态时延要求为100 ms，从睡眠状态转移到激活状态的时延要求为50 ms;另一方面要求降低用户平面时延，数据包从UE或RAN(Radio Access Network)边缘节点IP层传输至RAN边缘节点或UEIP层的单向传输时间要求为5 ms［1］。为了满足这些时延要求，LTE系统标准化工作过程中，提供了长短DRX两种周期，一定程度上满足了不同业务的QoS时延要求，但不是很理想。

1 DRX机制

LTE系统中DRX模式分IDLE DRX(空闲状态下DRX)和RRC－CONNECTED DRX(无线资源连接下的DRX)两种。IDLE DRX没有无线资源连接，只是监听呼叫信道和广播信道，只要配置好固定睡眠周期就达到非连续接收。如果要监听用户数据信道，就必须转入无线资源连接状态下的DRX。RRC－CONNECTED DRX，可以优化资源配置，节约UE功率，UE从空闲转到激活状态速度快，本文就是研究无线资源连接下的DRX。结合图1来理解DRX，必须首先理清如下概念。

图1DRX机制

On duration Timer：UE每次从DRX睡眠周期醒来后监听PDCCH(物理下行控制信道)的时间。

Inactivity Timer：UE在醒着时每次成功解码HARQ(混合自动重传请求)初始发送的PDCCH后保持激活的时间。

Active Time：UE从DRX睡眠周期醒来后保持激活的总时间。在3GPP TS 36.321［2］中定义，如果配置了 DRX，那么 Active Time包括 On Duration Timer，DRX Inactivity Timer，DRX Retransmission Timer和 Mac Contention Resolution Timer运行的时间以及有SR(调度请求)已经发送到PUCCH(物理上行控制信道)，等待对应的HARQ缓冲区里数据发送的时间。

DRX Retransmission Timer：UE预期接收DL Retransmission(下行重传)的时间。

一个DRX周期包括两个时间段。第一个是on duration time，在该时间段UE醒来监听PDCCH，等待或接收eNB(演进型基站)下行数据发送;第二个是睡眠时间段，在该时间段UE关闭收发单元，不监听PDCCH。长短DRX周期和连续接收之间的转换由eNB中的定时器(周期配置方法)或命令来控制。UE进入DRX模式后，检查当前子帧是否满足

(SFN×10+N)%TP=Toffset(1)式中：%为求模运算符;SFN和N分别代表无线帧和子帧数目;TP和Toffset分别表示当前DRX周期和需要启动的DRX周期(基于子帧)。当满足式(1)时，那么就启动定时器on Duration Timer，此时UE就要开始监听PDCCH信道了。

如果DRX－Inactivity Timer超时或者收到eNB控制信息单元，就会停止监听，但是并不会停止跟重传相关的定时器。此时立即启动DRX Short Cycle Timer，使用DRX短周期。如果DRX Short Cycle Timer超时，那么启动DRX Long Cycle Timer，使用DRX长周期。

目前，大多文献都是如何选择一个合适的DRX长短周期，或者是具体分析某个参数对省电性能的影响，如Inactivity Timer和On duration Timer。文献［3］介绍了协作中继在终端省电方面的应用;文献［4］分析DRX不同的Inactivity Timer下能耗比较，但并未说明其对时延的影响;文献［5］阐述了VoIP与流媒体两种业务下采用DRX的省电情况，但业务模型交代的不清楚;文献［6］分析了业务时延和网络负载的关系，并未说明节能与吞吐量间的关系;文献［7］描述了采用阶数来调整DRX睡眠周期大小，本文也借鉴了它的可调因子;文献［8］阐述了不同DRX参数对省电性能的影响。

2 改进方法

LTE系统的DRX当中存在若干需要权衡的因素。出于节能的考虑，则需要配置长周期、短的开启持续时间和短的去激活时间。而出于调度的灵活性、资源的利用率以及业务的时延考虑，则需要配置短的DRX周期和长的开启持续时间去监督PDCCH。针对上述问题，本文提出一种参数可控的动态DRX周期配置，均衡省电和时延之间的矛盾。新方法的第n个睡眠间隔为

LTE系统目前实现的DRX方案是固定的长短睡眠周期，不能动态调整，对时延满足不是很理想。改进方法的前后周期存在相关性，同时用参数a(0.5≤a≤2)来动态调整周期增加，根据不同业务要求降低时延，同时降低功耗。

3 能量模型

根据两种状态{S，A}来建立DRX马尔可夫模型，其中S代表睡眠状态，A代表激活状态。如图2所示，当Inactivity Timer超时，UE进入第1个睡眠状态S(1)，监督窗口没有收到eNB传送数据命令，则进入第2个睡眠状态S(2)，有数据到达则返回激活状态A。一般认为到达系统的数据分组服从参数为λ的泊松分布，相邻分组服的到达时间间隔服从均值为1/λ的指数分布。

图2 DRX的马尔可夫模型

那么第j个睡眠间隔有数据分组到达的概率为式中：Tj是第j个睡眠间隔和监听间隔之和，监听长度为tL，Tj的表达式为

假如在第j个睡眠间隔后的监听间隔里发现数据分组到达系统，则退出DRX模式。这说明在1，2，…，j－1个睡眠周期中没有数据分组到达。θj表示在第j个睡眠周期中退出DRX模式的概率，其表达式为

ES和EL分别表示在睡眠间隔和监听间隔内单位时间所消耗的能量。E表示在第j个睡眠周期中退出DRX模式消耗的总能量，其表达式为

平均消耗的能量E(energy)为

平均功率为

睡眠周期中随机到达的数据分组服从泊松分布，所以数据分组到达时刻均匀地分布在睡眠周期中，平均时延为

4 仿真分析

基于上述模型，将不同参数改进方法与标准方法比较，其中ES==50 mW，EL=170 mW，tL=1 ms。

图3所示，各种方法平均功率都随着数据到达率λ增大而增加，而改进方法的平均功率明显都低于LTE标准方法，图中采用a=1.2改进方法时，降低功率的效果是最好的。在数据到达率比较大的时候，改进方法的平均功率效果就向LTE标准靠近，这是因为高的数据到达率使得UE进入睡眠机会减小，UE保持激活的状态机率比较大。改进方法的平均功率与a的大小成反比。

图3 不同到达率下的平均功率对比

图4所示，各种方法平均时延都随数据到达率λ的增大而减小。在低的数据到达率λ下，UE都进入比较长的周期睡眠状态，因而返还到激活状态时间就加长了，时延都比较大，而在高的数据到达率下，UE进入长周期睡眠的机会较少，时延也较小。比较看出，LTE标准方法时延最大，改进方法前后循环睡眠周期存在相关性，而LTE标准方法其前后周期几乎不相关，其系统时延比较大。改进方法的时延与a的大小成正比。

图4 不同到达率下的平均时延对比

改进方法的中，参数a控制着睡眠周期增长速度，对UE的省电性能影响不可小觑。图3中，a=1.2时平均功率最低，但在图4中，a=1.2时平均时延不是最低，只是比LTE标准低。因此，a要根据数据业务特性，合理选择。

5 小结

本文建立了DRX马尔可夫模型来分析省电性能和时延特性。通过仿真比较，本文改进方法可以明显降低终端的平均功耗，同时减小平均时延。该方法虽然可通过参数a动态调整，但还不能做到自适应，下一步工作考虑用神经网络来做自适应。

［1］王映民.TD－LTE技术原理与系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［2］3GPP TS 36.321，Evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA)medium access control(MAC)protocol specification［S］.2010.

［3］吴德操，李方伟，朱江.基于中继技术的LTE－A终端省电方案［J］.电视技术，2011，35(11)：58－60.

［4］WIGARD J，KOLDING T，DALSGAARD L，et al.On the user performance of LTE UE power saving schemes with discontinuous reception in LTE［J］.IEEE Communication Workshops，2009，18(8)：1－5.

［5］BONTU C，ILLIDGE E.DRX mechanism for power saving in LTE［J］.IEEE Communication Magazine，2009，47(6)：48－55.

［6］黄海波，田辉，徐海博.基于时延的动态非连续接受周期调整机制［J］.中国科学技术大学学报，2009，39(10)：1108－1113.

［7］李仁波，张春业，宁祥峰.基于长期演进系统非连续接收机制的改进方法［J］.计算机应用，2010，30(12)：3188－3190.

［8］YMIHOV Y，MKASSEV K，PTSANKOV B.Analysis and performance evaluation of the DRX mechanism for power saving in LTE［J］.IEEE Electrical and Electronics Engineers in Israe，2010，26(12)：520－524.