摘要：非連續(xù)性接收(DRX)機(jī)制的采用是移動(dòng)終端降低功耗的重要手段，在NB-IoT系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)的低速率、低頻次，要求終端具有極低的功率消耗，所以它對(duì)非連續(xù)接收機(jī)制做了相應(yīng)的修改，并引進(jìn)了增強(qiáng)型非連續(xù)性接收(eDRX)以應(yīng)對(duì)其業(yè)務(wù)特點(diǎn)。通過(guò)各種定時(shí)器操作，詳細(xì)分析了eDRX機(jī)制的基本原理，并搭建了eDRX模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真得出它在功率節(jié)省和時(shí)延的表現(xiàn)情況。

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(lái)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(lái)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(wú)線(xiàn)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(tīng)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(wú)線(xiàn)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(mǎn)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(guò)讓UE周期性在某些時(shí)刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)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(tīng)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(tīng)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(guò)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(méi)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(tīng)，但是這種監(jiān)聽(tīng)是一種周期性的，在特定時(shí)刻非連續(xù)性接收來(lái)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(guò)圖1中的eDRX Cycle和一套定時(shí)器共同完成的。

UE通過(guò)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(mǎn)足式(1)就啟動(dòng)On Duration Timer，此時(shí)UE就可以開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)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(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)啟，并在它運(yùn)行期間連續(xù)監(jiān)聽(tīng)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(tīng)由P-RNTI擾碼的NPDCCH[7]。

尋呼過(guò)程的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算步驟如下：

(1)尋呼超幀(PF)為滿(mǎn)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(guò)配置Long DRX Cycle和Short DRX Cycle來(lái)滿(mǎn)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(kāi)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(tīng)NPDCCH子幀；當(dāng)系統(tǒng)幀幀號(hào)和子幀幀號(hào)滿(mǎn)足式(1)時(shí)，UE進(jìn)入active態(tài)，從t0時(shí)刻開(kāi)啟On DurationTimer-r13，并在這個(gè)定時(shí)器超時(shí)前監(jiān)聽(tīng)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(kāi)啟Drx-InactivityTimer-r13并在這個(gè)定時(shí)器運(yùn)行期間監(jiān)聽(tīng)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(kāi)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(kāi)啟HARQ RTT Timer，在這個(gè)定時(shí)器超時(shí)的t5后,開(kāi)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(tīng)NPDCCH子幀。t6時(shí)刻，Drx-InactivityTimer-r13超時(shí)，然后開(kāi)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(tīng)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(guò)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(lái)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(lái)的影響是積極的。

5 結(jié)束語(yǔ)

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。