LTE业务的不连续接收节能省电机制＊

刘涛

（重庆邮电大学移动通信安全研究所，重庆 400065）

1 引言

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，关闭收发单元以达到降低终端功耗。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，具体为移动终端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，数据分组从移动终端或RAN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。

2 DRX功能描述

DRX（非连续接收，Discontinuous Reception）即用户设备在一段时间里停止监听PDCCH信道，DRX分两种。Idle DRX，顾名思义，也就是当用户设备处于Idle状态下的非连续性接收，由于处于Idle状态时，已经没有RRC连接以及用户的专有资源，因此这个主要是监听呼叫信道与广播信道，只要定义好固定的周期，就可以达到非连续接收的目的。但是用户设备要监听用户数据信道，则必须从Idle状态先进入连接状态。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[2]。其基本思想是终端没有数据传输时，进入睡眠状态，关闭收发单元以达到降低终端功耗。

一个DRX周期包括两个时间段。第一个是on Duration Time，在这时间段里UE醒来监听PDCCH,看eNode B是否有下行数据发送；第二个是睡眠时间段，在此时间段里，UE关闭收发单元，不监听PDCCH,来达到节电目的。长短DRX周期和连续接收之间的转换由eNode B中的定时器（周期配置算法）或命令来控制。UE进入DRX模式后，检查当前子帧是否满足下面公式：

[(SFN×10)+ subframe number]modulo(current DRX)= DRX Start Offset

当满足上面公式时，那么就启动定时器on Duration Timer，此时UE就要开始监听PDCCH信道了。

如果收到DRX MAC控制信息单元，也就意味着eNode B要 求UE进入睡眠状态，那么这时就会停止两个定时器on Duration Timer和DRX-Inactivity Timer，但是并不会停止跟重传相关的定时器。

如果DRX-Inactivity Timer超时或者收到DRX MAC控制信息单元，而且配置了短DRX周期，那么启动或者重启DRX Short Cycle Timer，使用短DRX周期。否则使用长DRX周期。如果DRX Short Cycle Timer超时，那么使用长DRX周期。由于在短周期里面没有收到PDCCH，则就认为确实没什么数据发送接收，那么短周期的监听似乎没有必要，因此把监听的周期变长一点，这样长短周期配合能够达到更好的DRX效果。

3 DRX机制

3.1 空闲模式下的DRX功能机制

目前LTE中空闲模式下对PDCCH的监视功能采用DRX方式，从而降低了功耗，空闲模式下的DRX工作机制固定，采用固定的周期，并在寻呼时刻（PO）到来时启动监视PDCCH的功能，进入空闲模式下的激活期（on Duration Timer），在激活期需要全面监视PDCCH，在DRX激活期过去之后再次进入睡眠状态，PF（Paging Frame）表示含有一个或者多个PO的无线帧；若使用DRX，那么UE仅监控每个DRX周期的PO。

在UE开机后将会按照默认的DRX周期配置进行周期循环[3]。在寻呼时刻到来时将用P-RNTI对PDCCH进行扰码以便解出上面的数据。

3.2 RRC连接状态下的DRX工作机制

在RRC连接状态下的DRX工作机制，采用的是定时器与DRX环结合的工作方式，且eNone B也会保持与UE保持相同的DRX工作方式，并实时了解UE是处于激活期还是睡眠期，因此保证在激活期传递数据，而在睡眠期不会进行数据传输。

在RRC连接状态下所涉及的省电方式可以归为3种：第一种是短DRX环循环。如果在UE自身配置中包含有短DRX环及短DRX环定时器，则按照短DRX环进行运行，在短DRX环定时器超时后将会进入长DRX周期运行状态。第二种是长DRX环循环。在激活期之后或短DRX环定时器超时后进入长DRX环运行阶段。第三种是收到DRX命令之后将会立即进入睡眠状态，进行DRX环的循环运转时期。

RRC连接模式下的DRX工作原理：

进入竞争解决定时器后需要全面监视PDCCH，在获取上行数据之后立即开启DRX静止定时器，在DRX静止定时器超时后进入DRX短环定时器运行阶段。

一个DRX周期包括两个时间段。第一个是on Duration Time，在这时间段里UE醒来监听PDCCH,看eNode B是否有下行数据发送；第二个是睡眠时间段，在此时间段里，UE关闭收发单元，不监听PDCCH,来达到节电目的[4]。长短DRX周期和连续接受之间的转换由eNode B中的定时器（周期配置算法）或命令来控制。UE进入DRX模式后，检查当前子帧是否满足下面公式：

当满足上面公式时，那么就启动定时器on Duration Timer，此时UE就要开始监听PDCCH信道了，进入激活期。

在DRX环进入on Duration Timer激活期之后将会监视PDCCH，此时如果收到下行新数据或上行新授权将会开启DRX静止定时器，并在此期间监视所有的下行子帧。如果收到的是下行数据则将会开启对应的HARQ进程的HARQ RTT定时器，这个定时器的作用是保证在其运行期间，此HARQ进程将不会接收其他数据，从而不再监视其他PDCCH，降低功耗。

在收到新的数据块后立即进行解码，并开启对应的HARQ进程的HARQ RTT定时器，由于数据块解码失败，因此在HARQ RTT超时之后需要开启DRX重传定时器进行监视PDCCH。此外在收到数据块之后需要判断是否是新数据，在判断是新数据且检出的MAC PDU中没有包含DRX命令控制元后，立即开启DRX静止定时器，此定时器属于全局定时器，在此定时器运行期间将会连续监视下行子帧。

在发送完毕上行数据之后将会根据固定的K值关系接收上行反馈在LTE中发送上行数据的子帧位置与接收此上行数据反馈的下行子帧的时隙关系是固定的，用KPHICH表示发送上行数据的子帧与接收对应该上行子帧的反馈的下行子帧之间的差值。发送上行数据的子帧号为N在不同的TDD配置下，接收上行反馈的位置为N＋KPHICH。

在on Duration Timer中收到上行授权之后将会进入Inactivity Timer运行的阶段，在DRX Inactivity Timer超时之后进入短DRX环运行时期，在应该接收上行反馈的下行子帧处强制醒来，但并不影响短DRX环的运行。收到DRX命令控制元后的操作。

4 DRX运行机制总结

在LTE中各种定时器是由RRC层配置的，在发起RRC连接建立或重建之后将会通过MAC主配置将MAC层需要的各种参数配置下来，然后立即进入短DRX环或长DRX环运行阶段。在进行激活期的定时器的计时中需要注意的是HARQ重传定时器，DRX Inactivity Timer，on Duration Timer，只能计算下行子帧的时隙，上行子帧的时隙则不会包含在内。在实现的时候将所有的下行子帧的标识位置为1，在进行定时器运行时需要此子帧标志位是1还是0。此外如果没有配置短DRX环定时器则在DRX Inactivity Timer超时后直接进入长DRX环运行阶段。

5 DRX的不同应用

5.1 VoIP网络电话

因为VoIP是双向连接的，所以DRX只能在用户不需要发送或接收数据分组时使用。如果我们认为VoIP采用众所周知的开／关模式，那么似乎就没有机会去开启DRX机制，因此也不能达到省电的目的。但是，LTE允许采用其它方式去开启DRX。VoIP存在一个特点，即为在整个会话期间内，周期的到达固定长度的数据分组。同样存在一种启动DRX的方式就是利用这一特征。在发送完数据分组之后，eNode B指导UE进入DRX模式。当UE醒来去读取下行链路上关于PDCCH的消息，DRX周期应该根据下一个已定义数据分组而设置。假定VoIP数据分组用20 ms可以到达并且功率节省近似60%～70%（忽略重传等）。

5.2 视频数据流

视频数据流以固定的视频帧率（例如，10 frame/s）和在帧内有固定数量但大小不同的数据组为特征。基于不同视频编码器时延差异的存在，收发数据分组的时延将发生变化。接收到的缓冲数据分组将继续传送至接收端的译码器。电量节约是通过多个视频流会话和标会95%的数据分组时延测量的。DRX长循环周期固定在100 ms，DRX短循环周期在12,25和50子帧里变化取值。对于视频通信有保证的数据分组速率会影响数据分组时延。如果数据速度太低，DRX时间将有所减少。对于较快数据速率，DRX短循环周期不能影响数据分组时延的表现，这是因为发送速度太快从而增加了DRX机会。DRX短循环周期可以有效的作为一种工具去刻画数据分组时延分布。增强DRX表现的一种有效方法是从DRX短循环周期以指数的方式增长到DRX长循环周期。

6 DRX应用在VoIP业务中的仿真结果

图1 对于不同持续时间的上行链路的VoIP容量

图1展示了上行链路的VoIP容量。上行链路容量的衰退比同样的下行链路会相对的更高。这是因为上行链路容量受到了上行链路帧分裂的影响。如果无线条件不是很好，VoIP帧将会分裂，有时候分成两个，有时候会分成更多部分。

因为SR定时器可以让用户唤醒，所以用户通常可以接收第一次授权。在接收到第一部分后，SR定时器将被关闭，并且开启不活动定时器。对于终端可以接收的授权的剩余部分，它们必须在不活动定时器定义的时窗之内完成发送，即2 ms的时间长度。一旦不活动定时器中止，用户便会回到睡眠状态，并且在用户再次唤醒之前将不会接收任何上行授权。这将增加数据延迟并且影响VoIP的整体性能。

图2将不同持续时间的下行链路数据分组延迟进行了对比。随着增加持续时间数据分组延迟将会减少。以50%CDF处的仿真特性为例，下行链路的数据分组延迟从低至高依次可排序为：不使用DRX机制的终端、使用了4 ms持续时间的DRX机制的终端、使用了2 ms持续时间的DRX机制的终端以及使用了1 ms持续时间的DRX机制的终端。

图2 对于不同持续时间的下行数据延迟

图3 对于不同长DRX周期的上行链路的VoIP容量

由图3可知，在用户量较少的情况下，no-DRX、不同on Duration Timer取值时，用户满意度没有明显的变化。一旦用数量增大到一定数量，比如图中每小区用户量达到70时，用户满意度反而不如no-DRX，这是由于在上行链路on Duration Timer的作用相比Inactive Timer不够明显。

7 结束语

LTE技术是当前移动通信非常重要的研究工作之一，可以实现高速数据速率，获得更高的频谱利用率，更优化的信令流程和更短的信令时延，基于IP承载的更简单网络结构，更强大的QoS管理机制等。目前LTE标准已经基本稳定。LTE中的DRX功能对于降低UE端的功耗，增加UE能源利用率有着重要意义，是移动通信系统中省电方式的重点。

[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.2010-03.

[3]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, 2009,10(39).

[4]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算法[J]. 计算机应用, 2010,12(30).

[5]沈嘉. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京:人民邮电出版社，2008.

[6]钱雨. 3G LTE上行无线资源管理关键技术的研究[D]. 北京：北京邮电大学，2007.