移动互联网终端节能的研究

余翔，宋瑶

（重庆邮电大学, 重庆 400065）

移动互联网终端节能的研究

余翔，宋瑶

（重庆邮电大学, 重庆 400065）

本文首先介绍了新兴应用的流量特征，然后分析了影响终端能耗的因素和传统的节电方案非连续接收（DRX）机制，最后综述了目前最新研究的两种优化的DRX节能机制。

新兴应用；移动互联网终端；DRX；节能

近几年智能终端与丰富的互联网业务的密切结合是移动互联网迅猛发展的强大推动力，而移动产业的快速发展，导致了能耗的加剧。据统计，信息与通信技术（Information and Communication Technologic，ICT）消耗了世界总能量的2%，ICT消耗的总能量中，54%是由于固定的和移动的通信造成的[1]。

在3GPP-LTE系统中引入OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术和多天线MIMO（Multi-Input，Multi-Output）等传输技术，这些技术不仅显著增加了频谱利用率和数据传输速率，也增加了移动终端的电路设计的复杂性，另外，例如QQ、微信、飞信等新兴应用在智能手机上的广泛使用，导致移动终端的电池能耗加剧。移动互联网终端通常是由电池供电的，由于电池的容量非常有限，大大滞后于终端的能耗增加速度。同时随着LTE等移动多模智能终端的逐步推广应用以及新兴业务的开展，这一矛盾日趋严峻。

因此，移动互联网终端的节能研究已经成为研究的热点问题之一。本文就是从移动互联网终端的能耗方面来考虑节能问题。从新兴业务的角度出发，分析了新兴业务导致终端能耗加剧的原因，针对这一原因，总结了两种有效的优化的DRX节能方法。

1 新型应用的流量特征

在智能手机、电子阅读器之类的智能移动设备引入之前，在移动终端上广泛使用的是一些传统的应用，如HTTP Web浏览器和FTP等。本文引用了ETSI（European Telecommunications Standards Institute）数据模型，用来表示数据流量[2]。传统应用通常是由活跃和不活跃的会话组成，如图1所示，通常只在活跃期，即连接状态时有流量产生，一旦用户会话期结束，用户设备就进入非活跃期，即空闲状态，流量终止。

图1 ETSI数据模型

目前，智能终端快速普及，越来越多的业务和应用的快速发展，固定网络与移动互联网、手机终端与计算机之间的界限已经越来越模糊。传统的应用已经不能满足用户的需求，因此，越来越多的用户开始使用诸如SNS社交服务、LBS位置服务、IM即时通信、微博、微信等新兴的移动互联网应用，这些应用使得用户行为变得越来越复杂。这些新兴的应用的流量特征不同于之前的传统应用，会导致终端有小数据分组的传输，如图2所示，用户设备在活跃期有流量产生，然而在非活跃期即空闲状态也会有一些小的数据爆发，如状态更新和持续连接等信息被发送，从而使活跃期和非活跃期之间的界限变得很模糊。因此，用户设备在持续的非活跃期间无法处于静止状态，频繁的在连接和非连接之间切换。

图2 新兴应用的流量特征

总之，这些新兴应用在智能终端上的广泛使用导致终端具有高数据量、永久在线、频繁的信令连接释放、频繁的小数据传输等特点。终端在连接状态的时间增加，导致了更多的设备功耗。同时，用户使用终端与移动网络进行频繁的数据传输和信令交互，会导致大量的信令开销，电量消耗很大，直接影响了用户体验[3]。目前，由于新兴应用导致移动设备电池寿命减少的问题，吸引了大量的研究团体的关注。

2 在LTE系统中终端耗电的主要因素及节电的方案

2.1 LTE系统中终端耗电的主要因素

在移动互联网终端中，消耗能量的有硬件设备和软件，其中直接消耗能量的是硬件设备。移动互联网终端的软件能耗主要体现在编译器、操作系统和应用程序上。移动互联网终端硬件主要包括以下几个单元，射频单元、模拟中频单元、基带处理单元、其它电路等。终端的主要任务主要集中在外围设备、基带处理单元和射频单元。对应的硬件功耗也主要在这三个模块产生。

在LTE系统中终端的耗电因素主要是受到无线环境、网络配置、协议栈控制以及终端软硬件方案、电源管理、芯片本身的低功耗设计以及工艺特性等。较高的频谱利用率和数据速率，更丰富多彩的业务以及终端复杂的基带数据处理和功放线性引入的低功率电源效率等，都使得LTE移动互联网终端功耗问题变得跟严峻。针对这一问题，起决定性的作用的解决方案还是终端本身的省电技术。由最近的3GPP版本可知，在LTE系统中，采用非连续接收机制（DRX）作为移动互联网终端的省电技术[4，5]。DRX机制主要是影响射频部分的功耗。

2.2 节电方案——DRX机制

DRX机制的基本思想是允许UE在没有数据发送/接收时关闭其无线收发电路进入休眠模式，避免不必要的功率开销。LTE系统无线资源控制层将终端分为空闲（RRC-idle）和连接（RRC-connected）2个状态。在LTE电源管理模式中，用户设备在活跃期（会话期）处于RRC（Radio Resource Control）连接状态，在非活跃期（会话间隔期）处于RRC闲置状态。LTE系统中引入的非连续接收（DRX，Discontinuous Reception）方案就在RRC-idle和RRC-connected两种状态中[6]。LTE系统中的DRX分为以下两种：一是空闲状态下的DRX机制（IDLE-DRX）；二是连接状态下的DRX机制（Connected-DRX）。在LTE系统中，DRX的休眠期定义了长DRX循环和短DRX循环。在RRC-connected中UE处于3个模式：连续接收、长DRX和短DRX。在RRC-idle中UE只处于DRX模式，如图3所示[7]。DRX不同参数的配置要权衡UE的节能、时延和信令负载。

图3 LTE系统中RRC状态转换

2.2.1 空闲模式下的DRX

空闲模式下的DRX周期分为激活期和睡眠期。在激活期，UE全面监听物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel， PDCCH），并在DRX激活期结束之后进入睡眠期。在睡眠期，UE关闭接收机电源，停止接收或者发送数据，主要通过监听寻呼信道和广播信道，并在寻呼时刻到来时启动监视PDCCH。这个过程按照DRX周期配置进行循环。

2.2.2 连接模式下的DRX

在连接模式DRX中UE有两个状态，连续接收和DRX状态。连续接收属于活动期，包括开启持续时间和去激活期。DRX状态为休眠期，由short DRX cycle 和long DRX cycle交替组成。在此模式下，DRX工作的方式为：通过RRC配置的几个DRX定时器与DRX周期结合，协同工作来实现DRX节能的作用，如图4所示。定时器有：

Active Time：UE从DRX睡眠周期醒来后保持激活的时间，包含on Duration Timer(Ton)和DRX Inactivity Timer(T1)。

on Duration Timer(Ton)：在每个DRX周期开始UE需要监听PDCCH这段时间，称为开启持续时间。

DRX Inactivity Timer(T1)：UE在成功检测到一个指示上行或下行初始传输的PDCCH后，需要继续连续检测的PDCCH子帧数，这段时间称为去激活时间。

DRX Short Cycle Timer：指定短DRX周期的个数。

DRX Long Cycle Timer： 指定长DRX周期的个数。

DRX周期：一个DRX周期包括两个时间段。一个是开启持续时间（Ton），在这段时间UE监听PDCCH，等待或者接收演进型基站下行数据发送；另一个是睡眠状态（Toff），UE关闭收发单元，不监听PDCCH。长短DRX周期的Ton大小一样，Toff不同。

连续接收和长短DRX之间的转换由eNB中的定时器（周期配置方法）或命令来控制。如果T1超时或者收到eNB控制信息单元，就会停止监听。此时立即启动DRX Short Cycle Timer，使用DRX短周期（Tsdc）；如果DRX Short Cycle Timer超时，那么启动DRX Long Cycle Timer，执行DRX长周期（Tldc）。

图4 RRC-Connected状态下的DRX机制

3 优化的DRX节能机制

LTE系统中针对终端节能采用的非连续接收（DRX）机制，能有效的节省终端电池的电量。传统的DRX节能机制是以增加系统的时延为代价，来获得更高的功率节省增益。DRX机制的应用及其定时器参数的配置需要考虑节能和时延的权衡问题。目前针对更加丰富的移动互联网新兴应用，以及更高的用户需求，对传统的DRX节能机制进行优化，使其在最小化的影响用户体验的前提下获得最大的节能。本文详细介绍了两种优化的DRX机制，以适应于LTE系统中的移动互联网新兴应用。

3.1 权衡时延-节能的DRX机制

由新兴应用的流量特征可知，终端处于RRC连接状态时间长，能耗增多。若优化连接状态下的DRX机制，通过合适的参数配置，就可以达到很好的节能效果。

对于在DRX中的Toff到达的数据分组，数据分组会被存在临时的DRX缓冲区中，直到DRX睡眠期结束，即当前的DRX周期结束，进入下一个DRX周期时才被发送。这就导致了时延的问题。对于时延敏感的业务如在线游戏，优化的DRX机制在最小时延的情况下，使UE得到最大的节能；对于时延要求不敏感的业务如社交网络应用，优化的DRX机制可在一定的时延范围内，使UE获得最大的节能。

优化的DRX参数选择：固定Ton的值，改变T1和Tldc的值。Ton值确定之后，节能和时延主要取决于T1和Tldc的值。数据缓冲时延是在DRX Toff期间产生的。增加T1的值会使UE处于活跃期的时间增长，减少了DRX周期的个数，因此，可以减少时延，但是会增加能耗。增加Tldc的值，由于Ton不变，即增大Toff，会导致时延增加，但是能耗减少。综上可知，DRX周期变长或者频率变大即增加Tldc或者减少T1的值，可以获得较大的节能；反之，DRX周期变短或者频率变小即减小Tldc或者增加T1的值，可以减少时延。

因此，可根据业务的类型进行DRX参数的配置，对于时延敏感的业务可选择较小的Tldc和较大的T1；对于时延不敏感的业务可以配置较大的Tldc和较小的T1。这种优化的DRX节能机制有效的权衡了时延和节能之间的关系[8]。

3.2 权衡空闲-连接状态的DRX机制

UE的能耗主要是在连接状态产生，处于连接状态会导致能耗增多，而处于空闲状态，新兴业务的流量特征导致UE频繁的在连接和空闲状态切换，进而增加信令负荷和能耗。这个优化的DRX节能机制有效的权衡了空闲状态和连接状态，达到了节能和减少信令负荷的效果。此方案是利用DRX节能机制和RRC释放定时器（RT）、数据分组之间的时间间隔（Inter Arrival Time，IAT）、UE的移动速率配合作用，并根据业务的流量特征，选择合适的参数值，达到节能的目的[9]。

RRC建立和连接发生在闲置连接模式信令过程，其中RRC连接发生在UE从空闲状态到连接状态的转换过程，RRC释放发生在UE从连接到空闲状态的转换过程。基站通过使用一个RT和RRC释放过程来控制UE的状态。如果在RRC释放定时器期间没有上行链路或者下行链路信息到达，基站向UE发送RRC释放信息指示UE进入空闲状态。IAT是指新兴业务的流量中数据分组之间的时间间隔，且服从几何分布。

据研究结果表明，信令负载取决于UE的移动速率和流量模型。根据业务的流量特征，当IAT值较小时，若UE的移动速率低，可选用较大的RT值，使得UE处于连接状态时间长，同时采用DRX节能机制，从而可以达到很好的节能和减少信令负荷的效果。反之，当IAT值较大时，若UE的移动速率值也较高，可选用较小的RT值，使得UE处于空闲状态时间长，同时采用DRX节能机制，从而可以获得较好的节能和减少信令负荷的效果。

总之，此优化的DRX节能机制，在考虑业务流量特征和UE的移动速率前提下，通过使用RRC释放定时器和DRX机制，可以获得比传统DRX机制更好的省电性能。

4 总结

移动互联网终端功能的不断强大，对于终端的节能省电技术的研究也将会得到业界的更加重视。本文是从新兴业务导致移动互联网智能终端能耗的角度出发，综述了解决这一问题的最新研究成果。未来针对DRX节能机制，还可以从改变DRX的其它参数如持续时间定时器，或者DRX机制与终端相关的其它参数配合使用，对终端能耗、时延、信令负荷的影响等方面进一步研究。根据业务的发展，适时的优化DRX机制，是一种有效的终端节能方法。在节能的方法中，共同点就是达到节能的同时还要保证业务性能的要求。未来的移动通信互联网终端的趋势，将会以用户满意度和体验作为衡量标准。终端节能的发展，无论是对于制造商还是运营商而言，这都将会是一个新的挑战。

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Mobile internet terminal energy conservation research

YU Xiang, SONG Yao
(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

In this paper, frstly , the traffc characteristics of emerging applications is explored, then a analysis of the factors which infuence terminal’s energy consumption and traditional energy saving scheme DRX mechanism is presented. Finally, the latest research of two kind of optimization DRX energy saving mechanism is summarized.

emerging applications; mobile internet terminal; DRX; energy saving

TN86

A

1008-5599（2014）01-0064-05

2013-11-18

国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”（2012ZX03006002003）。