【学术论文】基于NB-IoT系统的eDRX的分析与研究
摘要： 非连续性接收(DRX)机制的采用是移动终端降低功耗的重要手段，在NB-IoT系统中，业务的低速率、低频次，要求终端具有极低的功率消耗，所以它对非连续接收机制做了相应的修改，并引进了增强型非连续性接收(eDRX)以应对其业务特点。通过各种定时器操作，详细分析了eDRX机制的基本原理，并搭建了eDRX模型，通过实验仿真得出它在功率节省和时延的表现情况。
0 引言
在移动通信技术行业里，对终端能耗优化的研究从未停止，特别是随着近些年来物联网通信技术的迅速发展和节能减排的环保意识不断被深入关注，移动通信对末端设备的能耗要求越来越苛刻。在3GPP(3rh Generation Partnership Project)的LTE(Long Term Evolution)项目中，非连续接收(Discontinuous Reception，DRX)作为无线链路层提高能耗效率的一种重要方法，它的基本原理是让终端设备周期性地进入休眠模式，在休眠期间终端不监听物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)，关闭收发单元，以减少终端设备的能量消耗[1]。
近些年引起社会各界广泛关注的窄带物联网(Narrow Bandwith Internet of Thing，NB-IoT)作为蜂窝系统中一种全新无线接入技术，它对能耗有着更加苛刻要求，一块电池要求可以维持终端正常工作长达10年。所以为了进一步降低终端能量消耗，满足NB-IoT终端设备对功耗极低的要求，采用增强型非连续接收(Extended DRX，eDRX)技术是非常有必要的[2]。
1 eDRX功能简介
eDRX与DRX的功能相同，都是通过让UE周期性在某些时刻进入睡眠状态来达到节省电池消耗的目的。在NB-IoT系统中，由于业务特点，因此更加重视能量消耗，于是eDRX在DRX的基础上进行了相应的改进，这将进一步降低电能的消耗[3]。
如图1所示，一个eDRX Cycle由两部分组成，分别为“On Duration”和“Opportunity for eDRX”。当UE处于“On Duration”时，为唤醒激活期，并于此期间监听NPDCCH子帧；当UE处于“Opportunity for eDRX” 时，为睡眠状态，即终端为了节省电量，进入不监听NPDCCH（Narrowband PDCCH）子帧的睡眠状态[4]。对于处于eDRX模式下的UE，它的睡眠的时间较长，相比LTE系统中的DRX，UE的功率明显降低。传统的DRX中最小间隔为2.56 s，但是对于数据发送不频繁的物联网，这样的时间间隔太过于频繁。
eDRX与DRX一样，都可以工作在RRC(Radio Resource Control)IDLE和RRC_CONNECTED两种模式下，当UE处于RRC_CONNECTED状态下的eDRX模式时，将接收间隔延长为10.24 s；在RRC_IDLE状态下，它将检测寻呼消息和跟踪区域更新（Tacking Area Update，TAU）之间的间隔延长到长达40 min[5]。
当UE处于RRC_IDLE状态时，它不接收业务数据，也没有RRC连接，因此UE只会在广播信道和呼叫信道上进行监听，但是这种监听是一种周期性的，在特定时刻非连续性接收来自eNodeB的消息，从而达到节省电池消耗的目的。当UE需要接收业务数据时，它将从RRC_IDLE态跳转到RRC_CONNECTED态，在RRC_CONNECTED态下的非连续接收是通过图1中的eDRX Cycle和一套定时器共同完成的。
UE通过检验公式（1），进入eDRX模式：
其中，SFN为系统帧号，subframenumber为子帧号，mod为取模运算，longDRX-Cycle表示longDRX的周期。若满足式(1)就启动On Duration Timer，此时UE就可以开始监听NPDCCH信道。
2 eDRX中的定时器
On Duration Timer-r13：该定时器表示在一个eDRX周期里UE睡眠后的在线时长，取值有：pp1、pp2、pp3、pp4、pp8、pp16、pp32。
Drx-StartOffset-r13：指定在哪个指针开启On DurationTimer-r13,其取值为0~255(取整)。
HARQ RTT Timer：表示UE在收到下行重传数据之前，需要等待的最少子帧个数，当收到PDCCH子帧显示有下行传输或处于DL-SPS子帧时开启这个定时器，与此同时Drx-RetransmissionTime-r13将停止。
Drx-InactivityTimer-r13：指定HARQ RTT Timer超时后将开启，并在它运行期间连续监听NPDCCH子帧，其取值为：pp0、pp1、pp2、pp3、pp4、pp8、pp16、pp32，它的基本计时单位为NPDCCH子帧个数。
Drx-RetransmissionTimer-r13：指定在HARQ RTT Timer超时后，在其连续时间内重复传输对应的HARQ Process中的数据，其取值为：pp0、pp1、pp2、pp4、pp6、pp8、pp16、pp24、pp33。
在eDRX中On Duration Timer-r13、Drx-InactivityTimer-r13、Drx-RetransmissionTimer-r13定时器基本单位由原来的子帧改为pp（PDCCH period），因为pp的长度是动态可变的单位,这将使得UE更加适应窄带物联网的业务特点。
3 eDRX机制
3.1 空闲模式下的eDRX机制
在NB-IoT系统下的eDRX继承了LTE中的DRX功能机制。由于NB-IoT终端业务的不频繁性、对能耗高效率的要求、支持增强型覆盖，因此对处于RRC_IDLE态的DRX周期进行了扩展，并且在NB-IoT系统中还引入了超帧(Hyper-frame)。它的功能机制是：UE首先与MME协商获得UE特定的eDRX，再通过寻呼超帧(Paging Hyper-frame，PH)的计算得到寻呼消息的超帧号(Hyper-SFN)，接着再通过寻呼传输窗(Paging Transimission Window，PTW)的计算得到该UE的寻呼消息所在的可能的SFN区域范围；最后通过寻呼帧(Paging Frame，PF)和寻呼时刻(Paging Occasion，PO)获得寻呼消息所在的子帧[6]。
NB-IoT中使用系统消息携带的10 bit H-SFN来拓展DRX周期（TDRX），H-SFN由1 024个SFN组成。终端在指定H-SFN上的PTW期间监视用于寻呼的控制信道，在PTW期间内依照常规DRX周期（TDRX）监视寻呼，即在PF中的一个PO监听由P-RNTI扰码的NPDCCH[7]。
寻呼过程的相关参数的计算步骤如下：
(1)寻呼超帧(PF)为满足寻呼超帧号(H-SFN)的计算：
其中，Ns表示每个PF内包含的PO数。
3.2 连接态下的eDRX机制
在LTE系统中，通过配置Long DRX Cycle和Short DRX Cycle来满足它的业务传输特点；而对于业务频次低、速率低的NB-IoT系统，取消了Short DRX Cycle，并且Long DRX Cycle改名为DRX-Cycle-r13，为了应对NB-IoT业务数据传输间隔较长，它的最大值域从R12版本的2 560子帧扩展到9 216子帧，改变后将更有利于终端省电。
UE处于RRC_CONNECTED态下的eDRX，对Drx InactivityTimer-r13的启动和重启时间节点做了两处修改。(1)在LTE系统中，当UE成功解码PDCCH就开始启动或重启Drx-Inactivity Timer；而在NB-IoT系统中如果正在运行的上下行数据传输超时，则启动Drx-Inactivity Timer-r13。(2)在LTE系统中，当终端收到DRX Command控制单元后，则会停止On Duration Timer、Drx- Inactivity Timer等定时器；而在NB-IoT系统中，如果终端收到数据调度指令时，则会停止上述定时器。上述两个方面对Drx-InactivityTimer的优化，主要是把它的启动或重启时刻从LTE中“成功解码PDCCH”移动到“HARQ RTT Timer超时”之后，从而可以更加精准地配置Drx-Inactivity Timer的参数。因为在窄带物联网系统中支持增强型覆盖，数据的传输可能要重复较长时间，这样就会导致Drx-Inactivity Timer的时间难以配置。
处于RRC_CONNECTED态下的eDRX运行机制如图2所示。
如图2，在t0时刻以前UE一直处于休眠状态，在此状态下的终端不监听NPDCCH子帧；当系统帧帧号和子帧帧号满足式(1)时，UE进入active态，从t0时刻开启On DurationTimer-r13，并在这个定时器超时前监听NPDCCH子帧。在激活期的t1时刻接收到新的指示下行传输数据的NPDCCH子帧，此时启动HARQ RTT Timer，在次定时器超时后，开启Drx-InactivityTimer-r13并在这个定时器运行期间监听NPDCCH子帧。Drx-InactivityTimer-r13超时后，在t3时刻检测对应的HARQ Process中软缓存中的数据是否被成功解码，如果解码不成功则开启Drx RetransmissionTimer-r13，并在此定时器连续运行期间进行数据的重传；当本次数据正确解码后，UE在t4时刻又检测到新的指示上行数据传输的NPDCCH子帧，此时开启HARQ RTT Timer，在这个定时器超时的t5后,开启非激活定时器Drx-InactivityTimer-r13，并在此定时器连续运行期间监听NPDCCH子帧。t6时刻，Drx-InactivityTimer-r13超时，然后开启Drx-ULRetransmissionTimer-r13，在此定时器连续运行期间进行上行数据的重传[8-9]。
RRC_CONNECTED态下的eDRX机制的算法流程图如图3所示。
4 NB-IoT下的DRX仿真分析
在RRC_CONNECTED态下，增强型非连续接收主要有激活和省电模式。在激活模式下，UE正常监听接收NPDCCH子帧；在省电模式下，UE处于休眠状态，不接收NPDCCH子帧。在单个eDRX周期内，令省电模式与激活模式的时长的比值为N，本测试通过实验仿真模拟出在不同N值情况下周期与功率节省的关系，如图3所示；周期时长与时延的关系，如图4所示。
图4表明，在N不变的情况下，网络配置的周期越长，UE节省功率消耗越多；而当周期时长不变，N越大，也就是在单个周期内，处于省电模式的时长比激活时长越大，UE节省功率消耗越多。随着UE功率节省越大，会导致数据实时性传输变差，这样就会带来时延的增长，如图5所示。但是对于低频次高时延的NB-IoT业务，这种变化相较LTE系统下的非连续接收所带来的影响是积极的。
5 结束语
根据实验仿真数据，NB-IoT中的eDRX功能可以显著降低窄带物联网UE端的功率消耗，对增强末端设备的功率利用率有着极其重要的意义。因此，深入研究eDRX对提高移动通信系统的能效有着深远的影响。
参考文献
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[5] 3GPP TS 36.331 V13.3.0；Radio resource control(RRC)；protocol specification[S].France：3GPP Organization Partners，2016.
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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:
李贵勇，舒 强，李文彬
（重庆邮电大学 重庆市移动通信技术重点实验室，重庆400065）