3GPP R12 MTC终端功耗优化研究进展*

石华宇,唐 伦,陈前斌

(重庆邮电大学移动通信技术重庆市市级重点实验室,重庆400065)

3GPP R12 MTC终端功耗优化研究进展*

石华宇**,唐 伦,陈前斌

(重庆邮电大学移动通信技术重庆市市级重点实验室,重庆400065)

总结了6种机器类通信(MTC)终端节能功耗方案。在移动通信行业各大公司对终端功耗优化研究的基础之上,重点介绍了MTC终端功耗在3GPP R12版本标准化研究的进展情况,研究了各方案对UE的影响和对eNB的影响,对比分析了每种方案的优缺点及其应用场景,为MTC功耗优化问题提供了一个清晰的思路。

3GPP;机器类通信;终端功耗优化;物联网;不连续接收机

1 引 言

随着人类对无线通信要求越来越高,机器类型通信(Machine Type Communication,MTC)也越来越受到重视。它是机器与机器、机器与人之间数据通信的一系列技术组合总称,可以实现远程测量、追踪、监测等应用,具有巨大的市场前景。对于M2M设备而言,有些应用不像手持设备一样便于充电,如动物追踪器、环境监测仪、智能抄表器、货物追踪器。甚至有些应用是时间受限的,还有一些MTC接收设备会不定期发送少量数据,如报警数据等。针对这些应用需要对MTC设备进行合理的功耗优化,避免过多的浪费。目前国内外对这一部分研究还不是特别丰富,然而3GPP R12对小数据触发机制和MTC功耗优化的两个问题进行了重点分析,为此各大公司为这一标准化进程提出了诸多解决方案。

针对MTC的研究工作,ETSI是国际上较早的标准化组织,至2009年初该组织还专门成立了TC工作组负责MTC的研究,并从物联网业务的角度对MTC的业务应用模型进行、支持物联网的概要层体系结构设计以及相关数据模型、接口和过程的定义等方面制定标准[1]。从2005年开始,3GPP启动了MTC基于GSM和UMTS通信结构[2]的优化方案,2008年将MTC纳入LTE通信系统的标准化演进过程的相关工作,包括MTC对网络的需求分析[3]、核心网架构[4]和无线接入网的标准化[5]。由于MTC通信的特殊性,需要不连续发送小频率数据,因此2013年MTC标准化组织开始对MTC功耗优化进行研究,纳入R12版本的标准化范围,因此爱立信、诺基亚、中兴、华为、英特尔、CATT、高通等通信行业领军公司都加入了该研究领域[9]。目前国内在MTC终端功耗的研究还处于空白,国内外在这个领域的资料比较少。

2 功耗优化的重要性

功耗优化对于MTC UE供电和UE外部供电设备非常重要。由于未来网络中MTC设备急剧增加,预计2020年将有50亿台设备接入网络,需要处理海量的数据。随着MTC设备的增加,应用要求也随之增加,功耗优化就显得尤其重要。其重要性体现在以下几个场景:

(1)类似传感器的MTC设备,这些利用电池供电的传感器是主要耗电来源。如果不能充电或更换电池,大量设备上的电池寿命决定了设备使用寿命;

(2)广泛的应用(例如智能手机APP或MTC应用)的增加,3GPP系统需要为这些业务提供更多的UE功耗优化增强方案;

(3)智能手机与网络频繁的通信导致电池耗尽;

(4)UE从外部供电设备获得电源的情况下,UE消耗更少的电能也能有效地提高能源的有效性。

3 传统不连续接收机制DRX

不连续接收机制(DRX)在无线通信系统MAC层能量优化中非常重要,因此被大多数通信系统所采纳[6]。许多终端不连续开启关闭接收机,接收机开启时监听PDCCH信道寻呼消息,关闭时终端进入睡眠模式,睡眠模式下终端功耗相对较小,能够有效降低终端能耗。不连续接收机制分为两种状态: IDLE DRX和Connected DRX。当UE处于IDLE DRX状态下,不存在RRC连接未给用户分配资源,该状态下主要依靠监听寻呼信道与广播信道。Connected DRX状态表示UE在RRC connected状态下的DRX机制。R12中MTC功耗优化主要研究IDLE状态下DRX机制。

在LTE及LTE-A系统中UE的不连续接收机制分为3个状态:休眠态、激活态、重传态[7-8]。

休眠态:在该阶段UE会根据计时器的设置交替地关闭或开启接收器。开启无线收发器的时间段称为唤醒阶段,关闭时间段称为睡眠阶段。在唤醒阶段,UE会打开无线收发器监听物理下行控制信道信息,也可以接收下行数据,若没有数据到达,UE在计时器超时后进入睡眠阶段。睡眠阶段UE自动关闭无线接收器节省功耗。如果当唤醒阶段监听到网络有下行数据传输,等到计时器超时进入激活态。

激活态:当UE接收到PDCCH信息会开启去激活计时器,进入激活态。在激活态下UE开启无线收发器准备接收数据。等待去激活计时器超时之前数据发送完毕,待去激活器超时进入休眠态。

重传态:当UE接收的数据接收失败,由HARQ进程控制UE发送NACK信息给eNB。

4 R12阶段MTC相关工作

R12首先分析了MTC功耗优化需要解决的几个问题:

(1)决定扩展非连接接收机制(Disconnection Reception,DRX)的因素,包括终端提供功耗性能指示消息、终端预订信息、QoS参数、终端采用的当前服务;

(2)空闲模式下扩展DRX,包括最大DRX空闲模式周期、扩展寻呼DRX周期、业务时延允许;

(3)利用UE辅助信息扩展DRX,包括允许由终端辅助消息发起扩展DRX周期、增加UE specific DRX Value;

(4)延迟发送直到传输条件变好再发送,包括增加“传输计时器”、确定延迟发送的信号质量门限、考虑业务优先级对不同业务QoS标准对应的信号门限;

(5)在连接模式下采用长DRX周期,包括将R11中DRX最长周期为2.56 s扩展到数十秒、权衡省电模式与移动鲁棒性的问题。

本文主要梳理了3GPP在MTC功耗优化方面各大公司所做出的贡献,并从横向分类比较了各种方案的优缺点,为MTC功耗优化的研究工作指出了发展方向。

5 MTC终端功耗优化进展研究

根据3GPP R12的研究进展,3GPP于2013年5月第一次在美国芝加哥开展了3GPP第81次会议,该会议的举行主要探讨了MTC UEPOCP(UE Power Consumption)的可行性分析。

根据目前针对功耗优化提出的要求,各大公司围绕以下6个方面提出了解决方案:一是扩展空闲模式下DRX;二是利用UE辅助消息扩展DRX;三是提出功率节约状态,即休眠状态;四是附着/去附着方案;五是延迟传输直到传输条件变好;六是连接模式下采用长DRX周期方案。各种方案对网络的影响不同,各有优劣。下面根据目前的研究进展,对功耗优化方案进行梳理。

5.1 扩展空闲模式下DRX

5.1.1 混合常规和扩展DRX方案

根据混合常规和扩展DRX周期[9]提供两种解决方案:一是基于CN的方案——MME交替重传计时器;二是基于RAN的解决方案——在一个扩展DRX周期中的常规DRX下eNB重传几次。

(1)基于CN的方案:MME交替重传计时器

当前,重传寻呼消息受MME中的重传计时器控制。当重传计时器超时,MME再次向eNB发送寻呼消息,然后eNB通过空中接口将其传输给UE。将常规和扩展DRX周期混合,MME能够交替重传计时器如图1所示,并告知UE常规和扩展DRX周期和被MME混合的周期。

图1 MME交替重传计时器Fig.1 MME mixed retransmission timer

(2)基于RAN的解决方案:在一个扩展DRX周期中的常规DRX下eNB重传几次

UE从MME的NAS信令中得到扩展DRX周期,并根据系统信息从eNB处获得常规DRX周期。在一个扩展DRX周期中,寻呼域由扩展DRX周期决定。此外,UE需要在一个或多个DRX周期中监控寻呼信道,常规DRX周期和时间由eNB决定。该方案如图2所示,UE在一个扩展DRX周期下唤醒两次,第一次由扩展DRX周期决定,第二次由常规DRX决定。

图2 在一个扩展DRX周期中的常规DRX下eNB重传几次Fig.2 In an extended DRX cycle eNB retransmits several times which belongs to normal DRX cycles

以上两个解决方案都可以减少扩展DRX周期下潜在的寻呼接收。由于基于CN的方案超出了RAN的范围,因此更推荐考虑基于RAN的解决方案。

空闲模式下采用扩展DRX是UEPCOP的候选解决办法之一[10]。采用空闲模式下扩展DRX方案的特点是最大化空闲模式下的DRX周期使得UE在节约唤醒和侦听潜在的寻呼信道时的电能消耗。该方案解决了直接扩展DRX带来的两个缺陷:寻呼传输周期随着扩展DRX周期调整。这样,更长的寻呼周期增加了寻呼消息重传的可能性;如果DRX周期一直维持很长的时间,那么重传寻呼消息需要等待更长的时间。例如,假设寻呼周期为1 h,若因为一些原因使得寻呼消息没发送成功,服务器就还需要等待1 h才能发送重传消息,但此时可用的时隙已经被其他用户的寻呼消息所占用。对于某些紧急业务来说,不能一直允许等待这么长的时间。但是扩展DRX周期具体长度仍然需要讨论,单纯地扩展DRX会受到网络的限制。

5.1.2 RAN侧扩展,扩展SFN

在LTE中,空闲UE会在每个DRX周期监测PDCCH信道。根据目前的规定,DRX周期集{320, 640,1 280,2 560}ms都受到SFN的限制。因此,在不扩展SFN的情况下DRX周期最大能支持10.24 s。

如果DRX周期超过10.24 s,若要获得更长的DRX周期,会引起PF寻呼帧计算错误[11],如图3所示。

图3 PF模糊问题Fig.3 PF fuzzy

若不延长SFN,允许采用扩展DRX,首先会影响RAN计算寻呼帧(Paging Frame,PF)。根据当前的规范[12],PF可以从以下公式获得:

SFN mod T=(TdivN)×(UE_ID mod N)(1)

简单地,假设所有的无线帧为PFs(即,N=T),在这种情况下,当前系统帧号(SFN)和UE_ID(即, IMSI mod 1024)与DRX周期(即T)的模相等时,当前的无线帧为一个PF。然而,UE_ID和SFN的值是一个0～1 023间的值,如果UE的DRX周期比1 024个无线帧长,根据上面的公式得到的无线帧可能不是一个UE的PF。

根据当前的规定,SFN中总共包含10 b,其中8 b用于MIB消息,2 b用于提供给同步信号。为了延长SFN的长度,需要额外增加SFN比特,额外增加的比特只用于MTC设备。扩展SFN长度可从两个方面进行:一是占用部分MIB消息;二是占用部分SIB消息[13]。

MIB包含很多重要信息,如下行带宽、PHICH配置和SFN。MIB中,分配给SFN 8 b。由于MIB包含10个剩余位,可以额外再分配给SFN几比特作为SFN的扩展部分。常规UE仍然沿用原有的DRX方案,同时扩展部分只需要分配给SFN 8 b。另一方面,当SFN扩展了,MTC可占用整个SFN长度。根据SFN扩展比特数,表1列举了最大DRX周期。SFN占用更多的MIB位是解决扩展DRX最简单的方法。然而,由于MIB只包含UE与eNB连接的关键信息,若将剩余比特只用于MTC设备带来的开销很大。

表1 扩展SFN后允许DRX最大周期Table 1 The maximum DRX cycle after the SFN message is extended

扩展SFN的另一种方法是通过SIB消息。与MIB消息相比,SIB消息比MIB消息有更多的空间存储额外的SFN比特。SIB消息通过FFS承载。MTC设备要求更长的DRX周期只需要读取SIB消息中SFN比特扩展部分。MTC设备能够通过这些额外的SFN消息和原来的SFN消息延长DRX。常规UE不需要读取SIB。同时,这些表示额外比特的值在每个SFN增加1。SIB更新不能导致system-InfoModification IE或systemInfoValueTag更新,因此,常规UE会尝试更新SIB。为了优化,每个无线帧分配一次额外的SFN比特。不频繁传输的SIB消息作为SFN额外比特可以减少开销。从表1可以看出扩展SFN消息后能够获得最大的DRX周期约为3 h。

当采用扩展DRX后,对RAN侧带来的第二个影响为系统消息的更新[14]。针对LTE系统,寻呼消息也用于在空闲模式下告知UE系统消息的改变。UE收到的寻呼消息中包括systemInfoModification指示消息,则表示系统消息会在下一个修改周期边界(MPB)改变。另一方面,如果UE在一个MPB内未接收到寻呼消息,UE会假设没有系统消息发生变化。根据以上的结论,如果一个UE的DRX周期比修改周期更长,寻呼消息可能会接收失败,且不能告知UE系统消息已经发生改变,如图4所示。

图4 由于采用更长的DRX周期导致SIB消息改变的寻呼消息不能被接收Fig.4 Paging message can′t be received because longer DRX cycle changes the SIB message

根据以上问题,RAN2需要讨论在采用长DRX周期后当SIB发生变化后,怎样将这一消息告知UE。最简单的解决办法是UE需要在下一个PF/ PO到达前检查SIB1中的systemInfoValueTa。如果systemInfoValueTa与存储在UE中的系统消息不同,则UE需要考虑SIB中发生了变化systemInfoValueTag值的范围在0～31之间。因此,最大DRX值要小于32倍的修改周期(MPB)。

通过SFN的扩展能够避免单纯扩展DRX周期带来的缺陷。使用MIB消息扩展SFN最简单有效,但是不能避免开销。采用SIB消息就得需要考虑系统消息更改,该方案对于移动性不强的MTC设备非常适用。

5.2 利用UE辅助信息扩展DRX

TS 36.331提出利用辅助信息扩展DRX[15],UE辅助信息扩展DRX该过程的目的在于告知E-UTRAN UE的功率节约性能。E-UTRAN假设UE在未配置功率优先指示消息时采用默认的配置,当EUTRAN接收到UE辅助消息PPI指示低功率后,EUTRAN会告知UE采用扩展DRX周期。图5和图6分别表示连接模式下的DRX周期和寻呼DRX周期。对于扩展连接模式下DRX周期,RRC连接重配置用于当接收到UE辅助消息后告知UE采用扩展DRX。对于扩展寻呼DRX周期,当接收到UE辅助消息后如果eNB马上决定发起S1释放,采用RRC连接释放告知UE扩展寻呼周期。

图5 基于低功率优先指示消息扩展连接模式下DRX周期Fig.5 Extend DRX cycle in connect mode based on low power priority indicator message

图6 基于UE低功率优先指示消息扩展寻呼DRXFig.6 Extend paging DRX based on UE low power priority indicator message

该方法的最终目的仍然是扩展DRX,但是单纯采用UE辅助信息仍然会带来以下问题:首先, RAN2带来一定的影的寻呼DRX值,否则会引起寻呼帧的误差;其次,对RAN3也会带来一些影响, eNB需要增加低功率指示误差标记,用于UE Context释放回复消息告知MME采用低功率状态;同时,MME需要增加更长的寻呼周期值。

5.3 功率节约状态

TR 23.887中7.1.3.3讨论了一种更新的ECM模型[16-17],如图7所示,新的ECM模型需要更长的寻呼周期,长度跟周期性更新计时器相同,激活计时器的实际长度或间隔时间决定MTC设备寻呼计时周期。为了减少MTC设备重新接入网络的时间, MTC设备可以通过配置功耗节约,空闲模式到激活计时器超时。在功率节约状态,停止所有的cell/ RAT/PLMN、寻呼和MM过程,所有NAS计时器仍然有效。

图7 ECM模式Fig.7 ECM mode

这种方案和扩展DRX周期相同,但与之不同的是:首先LTE中周期性更新计时器默认值是54 min, MTC设备上可以应用一种更长的周期性更新计时器,无论RAN2中DRX为何值,都仍然处于第二层;其次,根据应用的不同需求,功耗节约计时器也可以跟着改变,对于扩展DRX周期解决方案,UE进行所有的cell/RAP/PLMN重选,然而ECM-DORMANT状态下这些测量或重选会停止。

UE在ECM-Dormant状态下,UE不能执行所有的与RRC-Idle状态有关的功能,因此该状态相当于一个新的RRC-Idle状态。该状态称为“休眠态”[9],当UE休眠态,UE不能获得MT数据,当无上行数据到达或TAU超时,UE会长期保持休眠状态,如图8所示。

图8 状态转移Fig.8 State transition

休眠状态的引入能更大程度上节约功耗,但NAS需要增加新的状态和信令消息,同时在扩展周期间寻呼UE不可达。UE可能需要经历睡眠状态后才能进入休眠态,如果需要等待网络发送MT触发,该MT触发会被CN挂起。

5.4 附着/去附着方案

TR 23.8877.1.3.4[16]中提到另外一种附着/去附着方案,包括非MNO控制和MNO控制。

(1)非MON控制方法

每当UE发现有上行数据重新依附到网络会发送SMS或激活一个PDN连接同时通过IP发送该信息,此过程如图9所示(引用TR 23.877)。另外, SCS要求UE通过附着到网络并等待的方式询问网络是否有MT SMS消息发送给它。该方案不考虑UE额性能和UE附着于去附着的频率。

图9 附着/去附着Fig.9 Attach/detach

(2)MNO控制方案

UE保持附着时间与UE功率节约激活时间(UE power saving active time)控制周期一样长,包括激活或空闲模式。UE在计时器超时时会告知网络去附着。UE power saving wakeup timer假定为UE从去附着状态到重新附着状态的间隙。当我们不能假设每时每刻UE都会相同的上行数据传输,UE在空闲模式下的时间周期不固定,这样给UE在空闲模式接收寻呼消息带来了挑战。实际上,当MT SMS等待时间不超过UE数据传输时非MNO控制方案也有相同的缺陷。采用附着/去附着的过程不能像TR 23.877的7.1.3.3中的办法在空闲模式下控制UE的状态那么精确。该方案的优点是不需要对网络侧进行改进,同时在去附着阶段核心网络不需要存储UE Context。但是,当有上行数据需要发送,该方案需要满足当前附着过程中的全信令流会随着时间的变化而变化,因此该过程带来了时间和信令的浪费。同时,当用户处于去附着状态,用户是不可达的,因为更长的附着过程会导致更多的功耗。

5.5 延迟传输直到传输条件变好

UE或MTC应用都可以配置延迟传输计时器[19],计时器超时前不发送消息。该计时器时间可根据不同的服务最大能容忍的时延设定。当UE检测到信号质量低于门限值时,UE开启延迟传输计时器,在此时间之内UE不能发送任何数据,只有当信号质量达到一定的门限值才能发送数据。若计时器超时,信号质量仍然无法达到门限值,UE忽略信号质量的门限值,继续发送传输请求。

该方法允许MTC设备通过延迟发送直到覆盖条件好的情况下以低功率传输。当MTC设备处于空闲模式并且需要连接到网络传输消息时,但此时的覆盖条件不是很好(即低于某个门限值),需要延迟发送直到覆盖条件变好的时候再发送。MTC设备能延迟传输直到计时器超时,该方法可应用到移动的MTC设备或时延允许的MTC设备。如果该方法运用到下行数据的传输(如MT短信),MTC设备需要向eNB上报信道质量消息,由此会带来更多的信令开销和更高的复杂度,因此在MT短信的应用上不够理想。

5.6 连接模式下采用长DRX周期

在连接模式下采用长DRX周期[20-21],可以在更长的时间周期关闭终端无线发送接收设备,因此能减少功耗。该方案适用于非连续发送数据的终端。连接模式下DRX周期可延长到几分钟。该方案一般只适用于移动发起的业务或时延允许的业务。若采用连接模式下长DRX周期方案需要对长DRX周期中移动性测量过程和核心网络切换进行改进。

6 对比分析

根据上面几种方法的研究,各个方案对网络的影响不尽相同,不同的方法适用于不同的应用。目前最简单有效的办法就是扩展空闲模式下DRX周期,但需要解决对寻呼重传的影响。附着/去附着方案对网络影响非常大,需要考虑额外的信令开销,针对MTC设备来说应用效果不佳。若采用休眠模式对NAS的影响非常大,需要为休眠状态重新定义新的状态和信令。利用UE辅助信息扩展DRX,和连接模式下扩展DRX都是在扩展DRX基础之上的改进。延迟传输对网络没有影响,但是只适用于时延允许的业务,对于紧急业务不是很实用。下面将对这几种方案列表进行分析,分别研究它们对eNB的影响,表现在需要eNB新增的功能以及新的设置条件,如表2所示。同样对于UE来说,采用不同的方案也需要对UE做不同的改进,表3阐释了不同方案类型对UE的影响。表4进一步说明这几种方案类型的优缺点和业务适用范围。从表4可以看出,除了空闲模式下扩展DRX的方案,其他几个方案最大的劣势表现为开销浪费大从而引起更大的功率消耗,因此是最简单有效的方法。根据应用范围的比较,只有延迟传输直到覆盖条件变好方案能够适用于移动性频繁的设备,其他都只适用于固定MTC设备。

表2 不同方案类型对eNB的影响Table 2 The impact on eNB while using different method

表3 不同方案类型对UE的影响Table 3 The impact on UE while using different method

表4 不同方案类型的优缺点及其应用场景Table 4 The merits,disadvantages and application for different method

续表4

7 结束语

综上所述,以上6个分类都是专门针对MTC通信终端功耗优化提出来的,对比分析发现目前在空闲状态下扩展DRX的方法能够有效地减少功率消耗,同时不会带来新的信令开销,但是仍然需要解决寻呼帧扩展失步的问题,考虑通过扩展SFN消息保证在扩展DRX的同时不会引起寻呼帧的失步。

由于目前针对MTC通信终端能耗优化的研究比较少,以后的研究中需要进一步考虑以下几个方面的问题:一是考虑如何结合终端的各种休眠、空闲模式,将分组调度控制与不(非)连续接收机制(DRX)联合实现M2M终端节能;二是如何根据M2M终端不同业务特征和QoS需求,提出适合于混合业务的DRX机制;三是如何结合不(非)连续接收机制(DRX)减少信令交互,都是以后需要讨论的问题;四是网络侧的改进;五是如何根据不同的应用需求提出最佳DRX周期长度;六是针对信令开销较多的方案,如何能够做到尽量减少信令的开销减少信令开销引起的降低设备功耗问题;七是如何解决移动性MTC设备的功耗优化问题。

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SHI Hua-yu was born in Kaixian,Chongqing, in 1988.She is now a graduate student.Her research concerns LTE-A MTC terminal.

Email:shi_huayu@163.com

唐 伦(1973—),男,重庆合川人,博士,副教授,主要研究方向为车辆自组织网络、无线资源管理、移动性管理等;

TANG Lun was born in Hechuan,Chongqing,in 1973.He is now an associate professor with the Ph.D.degree.His research concerns Ad Hoc network,wireless resource management and mobile management.

Email:tangl@cqupt.edu.cn

陈前斌(1967—),男,四川营山人,博士,教授,主要研究方向为个人通信、多媒体信息处理与传输技术、下一代网络技术等。

CHEN Qian-bin was born in Yingshan,Sichuan Province, in 1967.He is now a professor with the Ph.D.degree.His research concerns proviate communication,multimedia information processing and next-generate network.

Email:chenqb@cqupt.edu.cn

Research Progress of MTC Power Consumption Optimization in 3GPP Release 12

SHI Hua-yu,TANG Lun,CHEN Qian-bin

(Key Lab of Mobile Communications Technology,Chongqing University of Posts and Communications,Chongqing 400065,China)

In this paper,six kinds of power consumption mechanism for MTC(Machine Type Communication)terminals are summarized.The standarlization process in 3GPP Release 12 is introduced according to the proposals from some prominent companies in the field of telecommunication.The effect of each proposal on UE and eNB is discussed,and merits and applications of each proposal are analyzed which provides a clear train of thought for MTC power consumption optimization problem.

3GPP;machine type communication;terminal power consumption optimization;Internet of Things;DRX

The Natural Science Foundation of Chongqing(cstc2012jjA40049)

date:2013-08-05;Revised date:2013-11-28

重庆市自然科学基金计划项目(cstc2012jjA40049)

**通讯作者:shi_huayu@163.com Corresponding author:shi_huayu@163.com

TN929

:A

:1001-893X(2013)12-1659-06

石华宇(1988—),女,重庆开县人,重庆邮电大学硕士研究生,主要研究方向为LTEA系统支持机器间通信(MTC)终端功耗优化研究;

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.12.023

2013-08-05;

2013-11-28