0 引言

    在移動通信技術行業里，對終端能耗優化的研究從未停止，特別是隨著近些年來物聯網通信技術的迅速發展和節能減排的環保意識不斷被深入關注，移動通信對末端設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備周期性地進入休眠模式，在休眠期間終端不監聽物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)，關閉收發單元，以減少終端設備的能量消耗^[1]。

    近些年引起社會各界廣泛關注的窄帶物聯網(Narrow Bandwith Internet of Thing，NB-IoT)作為蜂窩系統中一種全新無線接入技術，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終端設備對功耗極低的要求，采用增強型非連續接收(Extended DRX，eDRX)技術是非常有必要的^[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來達到節省電池消耗的目的。在NB-IoT系統中，由于業務特點，因此更加重視能量消耗，于是eDRX在DRX的基礎上進行了相應的改進，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，并于此期間監聽NPDCCH子幀；當UE處于“Opportunity for eDRX” 時，為睡眠狀態，即終端為了節省電量，進入不監聽NPDCCH（Narrowband PDCCH）子幀的睡眠狀態^[4]。對于處于eDRX模式下的UE，它的睡眠的時間較長，相比LTE系統中的DRX，UE的功率明顯降低。傳統的DRX中最小間隔為2.56 s，但是對于數據發送不頻繁的物聯網，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狀態下的eDRX模式時，將接收間隔延長為10.24 s；在RRC_IDLE狀態下，它將檢測尋呼消息和跟蹤區域更新（Tacking Area Update，TAU）之間的間隔延長到長達40 min^[5]。

    當UE處于RRC_IDLE狀態時，它不接收業務數據，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聽，但是這種監聽是一種周期性的，在特定時刻非連續性接收來自eNodeB的消息，從而達到節省電池消耗的目的。當UE需要接收業務數據時，它將從RRC_IDLE態跳轉到RRC_CONNECTED態，在RRC_CONNECTED態下的非連續接收是通過圖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在收到下行重傳數據之前，需要等待的最少子幀個數，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監聽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。

    Drx-RetransmissionTimer-r13：指定在HARQ RTT Timer超時后，在其連續時間內重復傳輸對應的HARQ Process中的數據，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的長度是動態可變的單位,這將使得UE更加適應窄帶物聯網的業務特點。

3 eDRX機制

3.1 空閑模式下的eDRX機制

    在NB-IoT系統下的eDRX繼承了LTE中的DRX功能機制。由于NB-IoT終端業務的不頻繁性、對能耗高效率的要求、支持增強型覆蓋，因此對處于RRC_IDLE態的DRX周期進行了擴展，并且在NB-IoT系統中還引入了超幀(Hyper-frame)。它的功能機制是：UE首先與MME協商獲得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期間監視用于尋呼的控制信道，在PTW期間內依照常規DRX周期（TDRX）監視尋呼，即在PF中的一個PO監聽由P-RNTI擾碼的NPDCCH^[7]。

    尋呼過程的相關參數的計算步驟如下：

    (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內包含的PO數。

3.2 連接態下的eDRX機制

    在LTE系統中，通過配置Long DRX Cycle和Short DRX Cycle來滿足它的業務傳輸特點；而對于業務頻次低、速率低的NB-IoT系統，取消了Short DRX Cycle，并且Long DRX Cycle改名為DRX-Cycle-r13，為了應對NB-IoT業務數據傳輸間隔較長，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態下的eDRX，對Drx InactivityTimer-r13的啟動和重啟時間節點做了兩處修改。(1)在LTE系統中，當UE成功解碼PDCCH就開始啟動或重啟Drx-Inactivity Timer；而在NB-IoT系統中如果正在運行的上下行數據傳輸超時，則啟動Drx-Inactivity Timer-r13。(2)在LTE系統中，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系統中，如果終端收到數據調度指令時，則會停止上述定時器。上述兩個方面對Drx-InactivityTimer的優化，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。因為在窄帶物聯網系統中支持增強型覆蓋，數據的傳輸可能要重復較長時間，這樣就會導致Drx-Inactivity Timer的時間難以配置。

    處于RRC_CONNECTED態下的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，在此狀態下的終端不監聽NPDCCH子幀；當系統幀幀號和子幀幀號滿足式(1)時，UE進入active態，從t₀時刻開啟On DurationTimer-r13，并在這個定時器超時前監聽NPDCCH子幀。在激活期的t₁時刻接收到新的指示下行傳輸數據的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聽NPDCCH子幀。Drx-InactivityTimer-r13超時后，在t₃時刻檢測對應的HARQ Process中軟緩存中的數據是否被成功解碼，如果解碼不成功則開啟Drx RetransmissionTimer-r13，并在此定時器連續運行期間進行數據的重傳；當本次數據正確解碼后，UE在t₄時刻又檢測到新的指示上行數據傳輸的NPDCCH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，并在此定時器連續運行期間監聽NPDCCH子幀。t₆時刻，Drx-InactivityTimer-r13超時，然后開啟Drx-ULRetransmissionTimer-r13，在此定時器連續運行期間進行上行數據的重傳^[8-9]。

    RRC_CONNECTED態下的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態下，增強型非連續接收主要有激活和省電模式。在激活模式下，UE正常監聽接收NPDCCH子幀；在省電模式下，UE處于休眠狀態，不接收NPDCCH子幀。在單個eDRX周期內，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省的關系，如圖3所示；周期時長與時延的關系，如圖4所示。

    圖4表明，在N不變的情況下，網絡配置的周期越長，UE節省功率消耗越多；而當周期時長不變，N越大，也就是在單個周期內，處于省電模式的時長比激活時長越大，UE節省功率消耗越多。隨著UE功率節省越大，會導致數據實時性傳輸變差，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業務，這種變化相較LTE系統下的非連續接收所帶來的影響是積極的。

5 結束語

    根據實驗仿真數據，NB-IoT中的eDRX功能可以顯著降低窄帶物聯網UE端的功率消耗，對增強末端設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的能效有著深遠的影響。

參考文獻

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[9] 3GPP TS 36.300 V13.6.0.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA) and evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN)；overall description；stage2[S].France：3GPP Organization Partners，2016.

作者信息:

李貴勇，舒  強，李文彬

（重慶郵電大學 重慶市移動通信技術重點實驗室，重慶400065）