长周期可调整非连续接收机制的能耗和时延分析

长周期可调整非连续接收机制的能耗和时延分析

0非连续接收机制2011年，全球移动互联网设备的产量超过了个人计算机（pc），这表明了一个新时代的到来。功能强大的智能终端如智能手机、平板电脑(personaldigitalassistant,PAD)、会议终端等都是由一个电量有限的电池供电。而电池的发展技术已不能满足智能终端能耗的增长速度。用户对通信质量要求越来越高,终端的续航能力直接影响到用户的业务体验。因此,智能终端的节能已经成为一个研究的热点。非连续接收(discontinuousreception,DRX)机制作为3GPPLTE标准中的终端省电技术之一,一直成为关注的焦点。其基本思想是在没有数据发送/接收情况下,允许用户设备(userequipment,UE)关闭无线收发电路进入睡眠模式,避免不必要的功率开销。长期演进(longtermevolution,LTE)DRX机制的睡眠模式是静态的,不能动态地调整睡眠周期。DRX机制是通信系统中一种有效的终端省电方法。目前已经有许多关于DRX的研究工作,其中,大部分工作是通过建模分析各个参数对能耗和时延的影响,进而提出参数优化的改进DRX机制实现能耗和时延两者之间有效的折中与权衡。文献对LTEDRX机制进行了深入分析,并建立更适应突发的数据分组业务的仿真模型;文献提出了DRX能耗更精确的公式推导和一种优化LTEDRX参数配置的方法;文献提出了一种DRX参数配置取决于能耗和时延限制条件的算法;文献提出了一种DRX短周期可动态调整的改进方案,并采用了文献的仿真模型进行了仿真分析。在上述研究的基础上,本文提出了一种优化的DRX机制,主要是针对RRC-Connected状态下的DRX机制的改进,其长睡眠周期可动态地配置,而其余的定时器参数均固定不变。1drx机制及其分析模式1.1深睡眠期的特征在LTE系统中,DRX分为2种:空闲状态下的DRX(idle-DRX)和连接状态下的DRX(connectedDRX),通过无线资源控制层(radioresourcecontrol,RRC)来管理。在Idle-DRX模式中,UE没有无线资源连接,主要完成对呼叫信道和广播信道监听,为了达到非连续接收,只需配置好固定睡眠周期。空闲模式下的DRX周期分为激活期和睡眠期。在Connected-DRX模式中,UE有3个状态,分别处于活跃期,短DRX周期(即浅睡眠期)和长DRX周期(即深睡眠期),如图1所示。在活跃期,UE处于功率消耗模式;在浅、深睡眠期,UE处于功率节省模式。在活跃期,去激活计时器(DRXinactivitytimer(ti))开始启动,UE打开接收机检测物理下行控制信道(physicaldownlinkcontrolchannel,PDCCH),同时接收通过基站从演进分组核心网(evolvedpackedcore,EPC)传送来的数据包。在ti计时器溢出之前,PDCCH指示一个下行链路数据传输,则重新启动ti,再次进入活跃期;反之,则UE进入浅睡眠期。在短DRX周期,DRX短循环计时器(DRXshortcycletimer(ts))用来指定短DRX周期的个数;短DRX周期(DRXshortcycle(tds))是短DRX周期的大小,包括开启持续时间(ondurationtimer(Ton))和睡眠期。Ton为UE监听PDCCH的时间,等待/接收基站上下行数据的传输;在睡眠期UE关闭收发单元,不监听PDCCH。当PDCCH指示一个下行链路传输时,UE从短DRX周期进入活跃期;反之,UE仍处于短DRX周期直到ts计时器溢出,进入深睡眠期。在长DRX周期,DRXlongcycle(tdl)为深睡眠周期,与短DRX周期类似,也由Ton和睡眠期组成。其中,长短DRX周期中的Ton相同,但睡眠期不同。如果PDCCH指示有一个下行链路传输,UE从长DRX周期转换到活跃期,同时开启ti计时器;反之,UE仍处于长DRX周期。在短、长DRX周期内基站不会向UE传输任何数据包。RRC通过控制这几个参数协同工作,使UE在这3个状态之间切换,实现了DRX机制的节能作用。1.2移动终端状态状态变化定义了3个状态[N,Ss,SL]来建立连接状态下的DRX模型。DRX的马尔可夫模型如图2所示。图2中,状态N表示移动终端始终处于活跃期,即一个激活周期后紧跟着一个去激活周期;状态Ss表示移动终端始终处于短DRX循环睡眠周期;状态SL表示移动终端始终处于长DRX循环睡眠周期。pij{i=1,2,3;j=1,2,3}为各个状态之间的转移概率。2优化drx2.1长drx周期模型传统的DRX机制中各个定时器参数都是固定不变的,长DRX周期的取值如下所述。tdl是DRX机制中跟随在Ns个短DRX循环周期之后的长DRX周期。考虑到DRX周期是关于10240子帧的循环,DRX周期的大小应该设置为2n或者5×2n,其中,n为整数。故tdl取值为2n,n=5,…,11和5×2n,n=1,…,9,单位为子帧或者毫秒。由于LTE系统能提供更高的带宽和数据传输速率,且越来越多的新兴应用在智能终端上的广泛使用导致终端功耗加剧。为了更好地实现DRX节能效果,本文提出一种长DRX周期可动态配置的DRX。其长DRX周期tdl可根据公式(1)动态调整。长DRX周期大小按等比数列关系变化,如图3所示。第n个长DRX周期为或:(1),(2)式中:T(1)表示长周期循环中第一个长周期的大小;T(n+1)表示第n+1个长周期的大小;Tmax为长周期的最大值;k为比例系数。因此,在DRX机制中深睡眠总时间为。如果长DRX周期的大小没有达到最大值Tmax,则长周期进行动态地配置,直到周期状态达到最大值,然后,保持不变。这种算法与传统的DRX相比不同之处就是在于长DRX周期是可动态调整的,而不是取一个固定的值。在该方法中下一个长DRX周期与前一个长DRX周期是相关的,因此,可实现动态调整。2.2分组到达ps在马尔可夫模型中,各个状态中的数据流量采用的是欧洲电信标准化协会(europeantelecommunicationsstandardsinstitute,ETSI)数据模型,如图4所示。这是因为目前许多流量都具有自相似性,表现出突发性和较大时间范围内的交互性以及重尾分布。所以,采用泊松分布不符合突发型的业务特征,而ETSI数据模型更符合实际情况。ETSI数据流量模型的主要参数如表1所示。从图4中可以看出,只有在会话期即连接状态才有流量产生,在会话间隙即空闲状态,流量终止。考虑到几何分布具有无记忆性,因此,一个新的分组呼叫达到概率有以下2种情况:①在当前的会话期间到达,ppc=1-1/μpc;②在下一个会话开始时到达,ps=1/μpc。在状态N,假设包含Np个去激活期,且在最后一个去激活期时,ti计时器溢出之前,有新的分组数据到达的概率为q。在状态Ss,ts计时器溢出之前,有新的数据分组到达的概率为。在状态SL,当有数据分组到达时,不可能回到状态Ss,只能转到状态N。DRX对应的马尔科夫链转移矩阵为根据公式可推导出DRX马尔科夫链的平稳分布为在LTEDRX机制中,终端的功耗可表示为P=PS+PL。其中,P为功率节省因子;PS是浅睡眠的时间占总时间的百分比;PL是深睡眠的时间占总时间的百分比。P的值越大,终端电池的续航能力也就越强。用Ti{i=1,2,3}表示终端在DRX马尔科夫链中N,Ss,SL对应的3个状态停留的时间。在状态N,T1=ta+tb,其中,ta等于前Np-1个去激活期;tb为一个特殊的去激活期。当一个分组呼叫在当前的会话期间到达,且发生在ti计时器溢出之前,tb=tipc;否则tb=ti。当一个分组呼叫在下一个会话期到达,且在ti计时器溢出之前,tb=tis;否则tb=ti。在状态Ss,假设Nds=ts/tds为ts时间内短DRX周期的个数。若新的数据分组到达在ts计时器溢出之后,则在状态Ss经历了Ns=Nds个短DRX周期;反之,则经历了Ns*(Ns*<Ns)个短DRX循环周期,因此,在状态SL,长DRX周期改变为可自动调整的周期,而不是定值tdl。假设状态SL包含Ndl个长DRX周期,则在长DRX循环周期和短DRX循环周期中都有一个固定的Ton,因此,有效的睡眠持续时间为tdsTon和〈tcl〉-Ton。故修正后的E[T2],E[T3]为所以综上得出因为分组呼叫和会话间隙均服从指数分布,分组呼叫到达服从泊松分布,到达时刻可能发生在浅睡眠或深睡眠期间。所以,分组呼叫到达事件随机的发生在DRX睡眠期间。在第j个DRX循环周期时有分组呼叫达到的概率为平均等待时延D为3drx时延与tds的关系为了验证所提出方法的性能,采用上面介绍的DRX模型,对优化的DRX机制中P和D在Matlab平台下做仿真,并与固定周期的DRX机制比较。其中,固定周期的DRX,其长周期取2种情况:tdl=10;tdl=20。优化的DRX中固定不变的参数设置如下:λip=10;λipc=1/30;λis=1/2000;μpc=5;μp=25。tds,ti,Ton,ts这几个参数作为变量。图5和图6对应着P和D在固定与变化的长DRX周期2种状态下的变化情况。图5中,P随着tds的增加而增加,这是因为浅睡眠周期变大,导致终端处于节能模式的时间增加,功耗减少即P值变大。同理,图6中的时延D也会随着tds变大。而对于ti和ts变化时,P随着它们的增大而减小,而D相反。这是因为ti变大时,分组呼叫传输发生在ti计时器溢出之前的概率更大,导致终端处于节能模式的时间更少,从而能耗增多,相应的时延减少。同理,当ts增大时,分组呼叫传输发生在ts计时器溢出之前的概率变大,终端进入深睡眠的机会减少,因此,节能效果变差,时延的性能变好。从图6还可看出,随着Ton的增大,P减小。DRX浅睡眠和深睡眠期均由Ton和睡眠期组成,Ton增大,导致终端处于浅睡眠和深睡眠中的睡眠时间减少,能耗自然增多。这是固定周期与可调整长周期随着参数变化的相同之处。对于优化的DRX机制,在深睡眠中,长周期是成等比数列递增的,若UE处于DRX长循环周期的时间越长,T(n)根据变化规律自动调整,且变得越大,相比较固定周期的DRX,UE处于深睡眠的总时间变长,节能效果更好;反之,时延效果变差。该方法增大了终端处于长DRX周期的时间。从图6还可以看到,在ts≤5时,可调整长周期取第2种情况k=5时,功耗和时延均小于tdl=20的固定周期DRX,这是因为在刚进入DRX长周期时,T(n)值是比较小的,即UE处于深睡眠时间短。若在ts≤5时选择k=5的长周期可调整DRX机制,终端可以得到较高的节能和较少的时延。本文设置了2种k的取值情况,随着k的减小,节能效果更好,但是时延更大。因为k=2对应的长周期值比k=5时对应的长周期值大,即处于深睡眠时间长。通过仿真可以看出,省电和平均时延是一对相互矛盾的性能指标。通过图5和图6的对比,可以根据业务的特性,选择出最佳的DRX参数。该方法中虽然长DRX周期可动态的变化,但还做不到自适应,无法根据业