詳細分析eDRX機制的基本原理，并搭建了eDRX模型

摘要：非連續(xù)性接收(DRX)機制的采用是移動終端降低功耗的重要手段，在NB-IoT系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)的低速率、低頻次，要求終端具有極低的功率消耗，所以它對非連續(xù)接收機制做了相應(yīng)的修改，并引進了增強型非連續(xù)性接收(eDRX)以應(yīng)對其業(yè)務(wù)特點。通過各種定時器操作，詳細分析了eDRX機制的基本原理，并搭建了eDRX模型，通過實驗仿真得出它在功率節(jié)省和時延的表現(xiàn)情況。

0 引言

在移動通信技術(shù)行業(yè)里，對終端能耗優(yōu)化的研究從未停止，特別是隨著近些年來物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展和節(jié)能減排的環(huán)保意識不斷被深入關(guān)注，移動通信對末端設(shè)備的能耗要求越來越苛刻。在3GPP(3rh Generation Partnership Project)的LTE(Long Term Evolution)項目中，非連續(xù)接收(Discontinuous Reception，DRX)作為無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)備周期性地進入休眠模式，在休眠期間終端不監(jiān)聽物理下行控制信道(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)中一種全新無線接入技術(shù)，它對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達10年。所以為了進一步降低終端能量消耗，滿足NB-IoT終端設(shè)備對功耗極低的要求，采用增強型非連續(xù)接收(Extended DRX，eDRX)技術(shù)是非常有必要的[2]。

1 eDRX功能簡介

eDRX與DRX的功能相同，都是通過讓UE周期性在某些時刻進入睡眠狀態(tài)來達到節(jié)省電池消耗的目的。在NB-IoT系統(tǒng)中，由于業(yè)務(wù)特點，因此更加重視能量消耗，于是eDRX在DRX的基礎(chǔ)上進行了相應(yīng)的改進，這將進一步降低電能的消耗[3]。

如圖1所示，一個eDRX Cycle由兩部分組成，分別為“On Duration”和“Opportunity for eDRX”。當UE處于“On Duration”時，為喚醒激活期，并于此期間監(jiān)聽NPDCCH子幀；當UE處于“Opportunity for eDRX” 時，為睡眠狀態(tài)，即終端為了節(jié)省電量，進入不監(jiān)聽NPDCCH（Narrowband PDCCH）子幀的睡眠狀態(tài)[4]。對于處于eDRX模式下的UE，它的睡眠的時間較長，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，但是對于數(shù)據(jù)發(fā)送不頻繁的物聯(lián)網(wǎng)，這樣的時間間隔太過于頻繁。

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UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)下的eDRX模式時，將接收間隔延長為10.24 s；在RRC_IDLE狀態(tài)下，它將檢測尋呼消息和跟蹤區(qū)域更新（Tacking Area Update，TAU）之間的間隔延長到長達40 min[5]。

當UE處于RRC_IDLE狀態(tài)時，它不接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，也沒有RRC連接，因此UE只會在廣播信道和呼叫信道上進行監(jiān)聽，但是這種監(jiān)聽是一種周期性的，在特定時刻非連續(xù)性接收來自eNodeB的消息，從而達到節(jié)省電池消耗的目的。當UE需要接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時，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)接收是通過圖1中的eDRX Cycle和一套定時器共同完成的。

UE通過檢驗公式（1），進入eDRX模式：

其中，SFN為系統(tǒng)幀號，subframenumber為子幀號，mod為取模運算，longDRX-Cycle表示longDRX的周期。若滿足式(1)就啟動On Duration Timer，此時UE就可以開始監(jiān)聽NPDCCH信道。

2 eDRX中的定時器

On Duration Timer-r13：該定時器表示在一個eDRX周期里UE睡眠后的在線時長，取值有：pp1、pp2、pp3、pp4、pp8、pp16、pp32。

Drx-StartOffset-r13：指定在哪個指針開啟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數(shù)，當收到PDCCH子幀顯示有下行傳輸或處于DL-SPS子幀時開啟這個定時器，與此同時Drx-RetransmissionTime-r13將停止。

Drx-InactivityTimer-r13：指定HARQ RTT Timer超時后將開啟，并在它運行期間連續(xù)監(jiān)聽NPDCCH子幀，其取值為：pp0、pp1、pp2、pp3、pp4、pp8、pp16、pp32，它的基本計時單位為NPDCCH子幀個數(shù)。

Drx-RetransmissionTimer-r13：指定在HARQ RTT Timer超時后，在其連續(xù)時間內(nèi)重復(fù)傳輸對應(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定時器基本單位由原來的子幀改為pp（PDCCH period），因為pp的長度是動態(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。

3 eDRX機制

3.1 空閑模式下的eDRX機制

在NB-IoT系統(tǒng)下的eDRX繼承了LTE中的DRX功能機制。由于NB-IoT終端業(yè)務(wù)的不頻繁性、對能耗高效率的要求、支持增強型覆蓋，因此對處于RRC_IDLE態(tài)的DRX周期進行了擴展，并且在NB-IoT系統(tǒng)中還引入了超幀(Hyper-frame)。它的功能機制是：UE首先與MME協(xié)商獲得UE特定的eDRX，再通過尋呼超幀(Paging Hyper-frame，PH)的計算得到尋呼消息的超幀號(Hyper-SFN)，接著再通過尋呼傳輸窗(Paging Transimission Window，PTW)的計算得到該UE的尋呼消息所在的可能的SFN區(qū)域范圍；最后通過尋呼幀(Paging Frame，PF)和尋呼時刻(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來拓展DRX周期（TDRX），H-SFN由1 024個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PO監(jiān)聽由P-RNTI擾碼的NPDCCH[7]。

尋呼過程的相關(guān)參數(shù)的計算步驟如下：

(1)尋呼超幀(PF)為滿足尋呼超幀號(H-SFN)的計算：

其中，Ns表示每個PF內(nèi)包含的PO數(shù)。

3.2 連接態(tài)下的eDRX機制

在LTE系統(tǒng)中，通過配置Long DRX Cycle和Short DRX Cycle來滿足它的業(yè)務(wù)傳輸特點；而對于業(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NB-IoT業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸間隔較長，它的最大值域從R12版本的2 560子幀擴展到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Drx InactivityTimer-r13的啟動和重啟時間節(jié)點做了兩處修改。(1)在LTE系統(tǒng)中，當UE成功解碼PDCCH就開始啟動或重啟Drx-Inactivity Timer；而在NB-IoT系統(tǒng)中如果正在運行的上下行數(shù)據(jù)傳輸超時，則啟動Drx-Inactivity Timer-r13。(2)在LTE系統(tǒng)中，當終端收到DRX Command控制單元后，則會停止On Duration Timer、Drx- Inactivity Timer等定時器；而在NB-IoT系統(tǒng)中，如果終端收到數(shù)據(jù)調(diào)度指令時，則會停止上述定時器。上述兩個方面對Drx-InactivityTimer的優(yōu)化，主要是把它的啟動或重啟時刻從LTE中“成功解碼PDCCH”移動到“HARQ RTT Timer超時”之后，從而可以更加精準地配置Drx-Inactivity Timer的參數(shù)。因為在窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中支持增強型覆蓋，數(shù)據(jù)的傳輸可能要重復(fù)較長時間，這樣就會導(dǎo)致Drx-Inactivity Timer的時間難以配置。

處于RRC_CONNECTED態(tài)下的eDRX運行機制如圖2所示。

如圖2，在t0時刻以前UE一直處于休眠狀態(tài)，在此狀態(tài)下的終端不監(jiān)聽NPDCCH子幀；當系統(tǒng)幀幀號和子幀幀號滿足式(1)時，UE進入active態(tài)，從t0時刻開啟On DurationTimer-r13，并在這個定時器超時前監(jiān)聽NPDCCH子幀。在激活期的t1時刻接收到新的指示下行傳輸數(shù)據(jù)的NPDCCH子幀，此時啟動HARQ RTT Timer，在次定時器超時后，開啟Drx-InactivityTimer-r13并在這個定時器運行期間監(jiān)聽NPDCCH子幀。Drx-InactivityTimer-r13超時后，在t3時刻檢測對應(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啟Drx RetransmissionTimer-r13，并在此定時器連續(xù)運行期間進行數(shù)據(jù)的重傳；當本次數(shù)據(jù)正確解碼后，UE在t4時刻又檢測到新的指示上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腘PDCCH子幀，此時開啟HARQ RTT Timer，在這個定時器超時的t5后,開啟非激活定時器Drx-InactivityTimer-r13，并在此定時器連續(xù)運行期間監(jiān)聽NPDCCH子幀。t6時刻，Drx-InactivityTimer-r13超時，然后開啟Drx-ULRetransmissionTimer-r13，在此定時器連續(xù)運行期間進行上行數(shù)據(jù)的重傳[8-9]。

RRC_CONNECTED態(tài)下的eDRX機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eDRX周期內(nèi)，令省電模式與激活模式的時長的比值為N，本測試通過實驗仿真模擬出在不同N值情況下周期與功率節(jié)省的關(guān)系，如圖3所示；周期時長與時延的關(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，UE節(jié)省功率消耗越多；而當周期時長不變，N越大，也就是在單個周期內(nèi)，處于省電模式的時長比激活時長越大，UE節(jié)省功率消耗越多。隨著UE功率節(jié)省越大，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)實時性傳輸變差，這樣就會帶來時延的增長，如圖5所示。但是對于低頻次高時延的NB-IoT業(yè)務(wù)，這種變化相較LTE系統(tǒng)下的非連續(xù)接收所帶來的影響是積極的。

5 結(jié)束語

根據(jù)實驗仿真數(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，對增強末端設(shè)備的功率利用率有著極其重要的意義。因此，深入研究eDRX對提高移動通信系統(tǒng)的能效有著深遠的影響。