NB-Io T中的扩展型非连续接收技术(eDRX)

1 eDRX与PTW工作原理

窄带物联网技术（NB-IoT）是一种强覆盖、低功率、低成本、大连接的接入技术。为了满足低功率的技术要求，最直接的方法是降低终端的活动时间，eDRX就是在传统的非连续接收技术（DRX）基础上，为了满足NB-IoT终端超低功耗要求提出的一种增强型技术。3GPP工作组在R13版本引入了eDRX功能，比起传统的DRX技术，eDRX支持更长周期的寻呼监听，提高空闲时间占比达到降低功耗的目的。一个完整的eDRX周期包含寻呼时间窗口期和空闲期，在寻呼时间窗口期内，NB-IoT终端使用DRX技术进行寻呼监听。

NB-IoT的非连续接收技术（DRX）原理与LTE相似，但工作信道有所不同。在空闲状态下，NB-IoTUE工作在非连续接收的状态，这时UE只在寻呼可能出现的时刻，周期性地检查寻呼指示消息，其余时间处于休息状态，以达到省电目的。寻呼指示在NB-IoT下行控制信道NPDCCH中携带，当UE检测NPDCCH中带有P-RNTI标记，则对该NPDCCH中的DCI解析，DCI指示UE寻呼消息在共享信道NPDSCH的位置，UE再从DCI所指向的NPDSCH读取寻呼消息（Paging Message）的内容。携带寻呼消息的NPDCCH是周期性出现的，出现该消息所在的帧称作寻呼帧（Paging Frame，PF），寻呼消息NPDCCH所在的子帧称作寻呼时刻（Paging Occasion，PO）。一个寻呼帧PF可以带有一个或多个寻呼时刻PO，可以达到一个寻呼周期对多个UE进行寻呼的目的。而对于某一个UE，它的PF和PO的位置是固定的，UE可以预先通过公式推算得出，其计算方法与LTEFDD一致（仅周期长度时间有所不同），本文不再赘述。在一个DRX周期内，UE只监听一个PO。NB-IoT的寻呼帧周期在广播消息SIB2消息中配置，最大周期为1024个系统帧（即10.24s）。这就是空闲状态下的NB-IoT寻呼工作机制，除了工作信道的差异以及周期时间有所延长，基本上与LTE保持一致。

对于多数NB-IoT应用来说，需要终端长时间工作在静默状态，这期间并没有数据与网络交换，非连续接收技术（DRX）的最大周期10.24s就显得过短了，如果每终端每隔10.24s就监听一次寻呼信道，终端的总体功耗水平难以达到NB-IoT“低功耗”的要求。为此，3GPP在R13版本中提出了一种扩展型非连续接收技术（extended DRX）。eDRX的寻呼周期比起普通DRX要大很多，它的寻呼周期以超帧（Hyper SF）为单位，1个超帧包含1024个系统帧（SF），一个超帧长度为10.24s，超帧的周期以1024为循环。因此，eDRX可以支持的最大寻呼周期是10.24×1024=10485.76s=2.91h。一个完整的eDRX周期包括两个阶段：一个是寻呼时间窗口期；另一个是空闲期。在eDRX空闲期内，UE处于休息状态，只有在寻呼时间窗口（PTW）期UE才被唤醒监听寻呼消息。3GPP定义了寻呼窗口（Paging TimeWindow，PTW）的概念，PTW的起止时间由PTW_start与PTW_end表示。在PTW窗口期间，UE使用前文所述的空闲态DRX工作方式进行寻呼监听，搜索PF和PO。PTW窗口之外的eDRX周期内，UE处于空闲期，UE启动定时器计时，在定时器超时前不接收任何数据。PTW和eDRX周期的关系如图1所示。

PTW窗口大小是2.56s的整数倍（1，2，…16），最大长度为2.56×16=40.96s。PTW支持3种不同模式，包括lu模式、WB-S1模式以及NB-S1模式。确定PTW窗口关键是要算出PTW_start和PTW_end的位置，可通过表1中的公式进行计算。

图1 PTW和eDRX周期的关系

表1 公式和步骤

2 eDRX的相关信令过程

NB-IoT终端若要工作在eDRX模式，首先需要与网络取得eDRX同步，也就是获得eDRX所在的超帧。NB-IoT网络在广播消息M IB和SIB1中告知UE超帧号（Hyper SFN）信息，UE在监听SIB1消息后获得完整网络超帧号，实现UE与网络的eDRX定时对齐。SIB1消息如图2所示。

当UE支持eDRX功能，UE在附着到NB-IoT小区时，在Attach Request消息中会携带extended DRX参数的信元请求打开eDRX功能。NB-IoT网络根据自身情况，可以选择在AttachAccept消息中下发带有eDRX参数或者不带eDRX参数。如果UE收到带有eDRX参数的Attach Accept，则使能eDRX功能，并在eDRX参数中的PTW时间窗口内监听PF与PO。如果Attach Accept消息不带eDRX参数，UE则认为网络不使用eDRX功能，UE采用传统DRX方式进行寻呼监听。UE附着网络激活eDRX功能的流程如图3所示。

图2 SIBI消息

图3 UE附着网络激活eDRX功能的流程

在UEattach Request消息中，携带终端的eDRX参数参见图4。

如图5所示，网络在AttachAccept中对UE配置eDRX参数。

在这个例子中，UE请求的eDRX周期长度为20.48s，而网络配置的eDRX周期长度为40.96s，协商的结果是最终使用40.96s作为eDRX周期。在eDRX参数中，PTW周期为2.56s，则UE的空闲期等于40.96-2.56=38.4s（本文例子的消息内容来源于3GPP协议一致性测试用例22.5.18，由于是以测试为目的，eDRX周期参数设置比较短，而在实际应用中eDRX的周期通常会比例子中的数值大得多）。

当UE进行小区重选或者小区切换，而且目标小区与源小区不在同一个TAI，这时UE需要发起TAU（Tracking Area Update）过程。若UE支持eDRX功能，UE会在TAURequest消息中携带eDRX参数字段，具体参见图6。

网络在收到带有eDRX参数的TAURequest消息，可根据自身情况选择在TAUAccept消息中携带eDRX参数或者不携带eDRX参数。如果携带eDRX参数，则终端收到该消息后，会使能eDRX功能，并发送TAU Complete消息；如果TAUAccept中不携带eDRX参数，则表示UE请求eDRX功能被网络拒绝，手机发送TAU Complete消息，并且使用DRX方式进行寻呼监听（见图7）。

3 省电模式PSM与eDRX的结合使用

图4 在UEAttach Request消息中携带终端的eDRX参数

图5 网络在Attach Accept中对UE配置eDRX参数字段

图6 UE支持eDRX功能，UE会在TAU Request消息中携带eDRX参数

图7 根据自身情况选择在TAU Request消息中携带eDRX参数或者不携带eDRX参数字段

省电模式PSM是3GPPR12引入的功能，它的作用是减少UE的活动时间，增加睡眠时间占比，大大提高电池的使用寿命。PSM状态是在传统LTE的空闲态、连接态的基础上，增加一个“省电态”（见图8）。

当UE进入PSM休眠状态，UE不再监听寻呼消息，停止一切接入层的接收活动，关闭射频模块硬件进入深度睡眠。若网络接受终端请求进入休眠状态，核心网会保存UE上下文信息，在休眠期间不会下发Paging消息。UE进入休眠态之后，由两个条件退出休眠状态，一是UE有上行数据发送，二是周期TAU定时器超时。这两种情况都会触发UE退出PSM状态，PSM技术有两个相关的定时器，一个是活动定时器T3324，另一个是TAU周期定时器T3412extended，它们之间的关系如图9所示。

在活动定时器的时间内，UE工作在DRX或者eDRX模式监听寻呼信道。T3324超时后，UE进入PSM状态关闭一切接收功能，直到周期性TAU定时器T3412 extended超时触发TAU过程。PSM的活动定时器T3324周期可以以2s、1m in、6min为单位，最大支持时长为6×32=192min。T3412 extended定时器通常会设置一个很大的值，根据3GPP TS 24.008定义，T3412 extended最大周期是320×31=9920h。

UE在接入网络时与网络协商PSM功能，UE在发送Attach Request时，该消息同时携带eDRX与T3324定时器参数（携带T3324表示UE请求激活PSM功能），具体参见图10。

图9 PSM两个相关定时器之间的关系

在这个例子中，UE请求同时打开eDRX和PSM功能，其中PSM的活动定时器T3324周期是1×2=2min，T3412extended定时器设置为10×5=50h。

图10 同时携带eDRXgn T3324定时器参数

网络在收到Attach Request后，可根据自身情况，选择使能eDRX或者PSM功能，可以同时打开，也可以同时关闭，还可以各选其一。如果网络要同时打开这两个功能，则在AttachAccept消息中携带eDRX参数以及T3324定时器参数。当UE收到带有这两个参数的AttachAccept消息，则同时使能eDRX与PSM功能，并向网络发送Attach Complete消息。Attach Accept所带参数如图11所示。

图11 Attach Accept所带参数

当UE进行小区重选或者小区切换，而且目标小区与源小区不在同一个TAI，这时UE需要发起TAU（TrackingAreaUpdate）过程，此外如果UE进入PSM状态，在Active Timer T3244超时后，也会触发TAU过程。若UE同时支持eDRX和PSM功能，UE会在TAU Request消息中携带eDRX参数、T3244定时器以及T3412extended定时器参数，具体参见图12。

网络根据自身情况，选择使能eDRX或者PSM功能，可以同时打开，也可以同时关闭，还可以各选其一，在TAUAccept消息中发下去给UE。图13是网络打开了PSM功能而没有打开eDRX功能（UE使用DRX方式监听Paging）。

4 罗德与施瓦茨NB-IoT测试方案

罗德与施瓦茨公司为物联网提供全面的测试方案，R&S协议测试系统CMWPCT是GCF认证级测试平台（GCF TP92），全面支持3GPP R13 NB-IoT一致性测试要求，能实现 eDRX、PSM模式的功能验证（见图14）。此外，CMW-PCT还可以扩展支持NB-IoT 3GPPR14的新特性（eNB-IoT），包括定位功能、组播功能、移动性增强等，是目前业界研究与测试物联网NB-IoT的理想测试平台。

图12 若UE同时支持eDRX和PSM功能会在TAU Request消息中携带的参数

图13 网络打开了PSM功能而没有打开eDRX功能

图14 R&S协议测试系统CMW-PCT

R&S的物联网功耗测试系统，是罗德施瓦茨公司推出的一体化测试方案，包括无线综测仪CMW 500（CMW 500 callbox）、功率探头RT-ZVC、图形化测试软件CMW run等全套软硬件设备，支持物联网eDRX和PSM工作模式，具有高精度功率测量，电流测量精度达到纳安级别（见图15）。在这个系统上，罗德与施瓦茨公司分别与中国移动、中国电信合作开发了运营商物联网功耗测试用例，支持中国移动与中国电信的物联网功耗入库测试。

5 结束语

“低功耗”是NB-IoT终端的一个最重要的设计目标，根据3GPPTR45.820的仿真数据，在eDRX与PSM模式都打开的情况下，若终端每天发送200byte数据，一个5Wh电池的使用寿命可以达到12.8年。可以说，要达到这样超低功耗的要求，终端在应用中必须采用eDRX与PSM技术。本文着重介绍了物联网NB-IoT中的eDRX与PSM技术的基本工作原理和协议交互过程，并通过NB-IoT协议一致性测试的实例说明如何将eDRX和PSM这两种技术结合使用。

图15 R&S物联网功耗测试系统