文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.175183
中文引用格式: 李貴勇,舒強(qiáng),李文彬. 基于NB-IoT系統(tǒng)的eDRX的分析與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(8):98-101.
英文引用格式: Li Guiyong,Shu Qiang,Li Wenbin. Analysis and research of eDRX in NB-IoT system[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(8):98-101.
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(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。
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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)