長周期可調(diào)整非連續(xù)接收機制的能耗和時延分析

長周期可調(diào)整非連續(xù)接收機制的能耗和時延分析

0非連續(xù)接收機制2011年，全球移動互聯(lián)網(wǎng)設備的產(chǎn)量超過了個人計算機（pc），這表明了一個新時代的到來。功能強大的智能終端如智能手機、平板電腦(personaldigitalassistant,PAD)、會議終端等都是由一個電量有限的電池供電。而電池的發(fā)展技術已不能滿足智能終端能耗的增長速度。用戶對通信質(zhì)量要求越來越高,終端的續(xù)航能力直接影響到用戶的業(yè)務體驗。因此,智能終端的節(jié)能已經(jīng)成為一個研究的熱點。非連續(xù)接收(discontinuousreception,DRX)機制作為3GPPLTE標準中的終端省電技術之一,一直成為關注的焦點。其基本思想是在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送/接收情況下,允許用戶設備(userequipment,UE)關閉無線收發(fā)電路進入睡眠模式,避免不必要的功率開銷。長期演進(longtermevolution,LTE)DRX機制的睡眠模式是靜態(tài)的,不能動態(tài)地調(diào)整睡眠周期。DRX機制是通信系統(tǒng)中一種有效的終端省電方法。目前已經(jīng)有許多關于DRX的研究工作,其中,大部分工作是通過建模分析各個參數(shù)對能耗和時延的影響,進而提出參數(shù)優(yōu)化的改進DRX機制實現(xiàn)能耗和時延兩者之間有效的折中與權衡。文獻對LTEDRX機制進行了深入分析,并建立更適應突發(fā)的數(shù)據(jù)分組業(yè)務的仿真模型;文獻提出了DRX能耗更精確的公式推導和一種優(yōu)化LTEDRX參數(shù)配置的方法;文獻提出了一種DRX參數(shù)配置取決于能耗和時延限制條件的算法;文獻提出了一種DRX短周期可動態(tài)調(diào)整的改進方案,并采用了文獻的仿真模型進行了仿真分析。在上述研究的基礎上,本文提出了一種優(yōu)化的DRX機制,主要是針對RRC-Connected狀態(tài)下的DRX機制的改進,其長睡眠周期可動態(tài)地配置,而其余的定時器參數(shù)均固定不變。1drx機制及其分析模式1.1深睡眠期的特征在LTE系統(tǒng)中,DRX分為2種:空閑狀態(tài)下的DRX(idle-DRX)和連接狀態(tài)下的DRX(connectedDRX),通過無線資源控制層(radioresourcecontrol,RRC)來管理。在Idle-DRX模式中,UE沒有無線資源連接,主要完成對呼叫信道和廣播信道監(jiān)聽,為了達到非連續(xù)接收,只需配置好固定睡眠周期?？臻e模式下的DRX周期分為激活期和睡眠期。在Connected-DRX模式中,UE有3個狀態(tài),分別處于活躍期,短DRX周期(即淺睡眠期)和長DRX周期(即深睡眠期),如圖1所示。在活躍期,UE處于功率消耗模式;在淺、深睡眠期,UE處于功率節(jié)省模式。在活躍期,去激活計時器(DRXinactivitytimer(ti))開始啟動,UE打開接收機檢測物理下行控制信道(physicaldownlinkcontrolchannel,PDCCH),同時接收通過基站從演進分組核心網(wǎng)(evolvedpackedcore,EPC)傳送來的數(shù)據(jù)包。在ti計時器溢出之前,PDCCH指示一個下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸,則重新啟動ti,再次進入活躍期;反之,則UE進入淺睡眠期。在短DRX周期,DRX短循環(huán)計時器(DRXshortcycletimer(ts))用來指定短DRX周期的個數(shù);短DRX周期(DRXshortcycle(tds))是短DRX周期的大小,包括開啟持續(xù)時間(ondurationtimer(Ton))和睡眠期。Ton為UE監(jiān)聽PDCCH的時間,等待/接收基站上下行數(shù)據(jù)的傳輸;在睡眠期UE關閉收發(fā)單元,不監(jiān)聽PDCCH。當PDCCH指示一個下行鏈路傳輸時,UE從短DRX周期進入活躍期;反之,UE仍處于短DRX周期直到ts計時器溢出,進入深睡眠期。在長DRX周期,DRXlongcycle(tdl)為深睡眠周期,與短DRX周期類似,也由Ton和睡眠期組成。其中,長短DRX周期中的Ton相同,但睡眠期不同。如果PDCCH指示有一個下行鏈路傳輸,UE從長DRX周期轉(zhuǎn)換到活躍期,同時開啟ti計時器;反之,UE仍處于長DRX周期。在短、長DRX周期內(nèi)基站不會向UE傳輸任何數(shù)據(jù)包。RRC通過控制這幾個參數(shù)協(xié)同工作,使UE在這3個狀態(tài)之間切換,實現(xiàn)了DRX機制的節(jié)能作用。1.2移動終端狀態(tài)狀態(tài)變化定義了3個狀態(tài)[N,Ss,SL]來建立連接狀態(tài)下的DRX模型。DRX的馬爾可夫模型如圖2所示。圖2中,狀態(tài)N表示移動終端始終處于活躍期,即一個激活周期后緊跟著一個去激活周期;狀態(tài)Ss表示移動終端始終處于短DRX循環(huán)睡眠周期;狀態(tài)SL表示移動終端始終處于長DRX循環(huán)睡眠周期。pij{i=1,2,3;j=1,2,3}為各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率。2優(yōu)化drx2.1長drx周期模型傳統(tǒng)的DRX機制中各個定時器參數(shù)都是固定不變的,長DRX周期的取值如下所述。tdl是DRX機制中跟隨在Ns個短DRX循環(huán)周期之后的長DRX周期?？紤]到DRX周期是關于10240子幀的循環(huán),DRX周期的大小應該設置為2n或者5×2n,其中,n為整數(shù)。故tdl取值為2n,n=5,…,11和5×2n,n=1,…,9,單位為子幀或者毫秒。由于LTE系統(tǒng)能提供更高的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率,且越來越多的新興應用在智能終端上的廣泛使用導致終端功耗加劇。為了更好地實現(xiàn)DRX節(jié)能效果,本文提出一種長DRX周期可動態(tài)配置的DRX。其長DRX周期tdl可根據(jù)公式(1)動態(tài)調(diào)整。長DRX周期大小按等比數(shù)列關系變化,如圖3所示。第n個長DRX周期為或:(1),(2)式中:T(1)表示長周期循環(huán)中第一個長周期的大小;T(n+1)表示第n+1個長周期的大小;Tmax為長周期的最大值;k為比例系數(shù)。因此,在DRX機制中深睡眠總時間為。如果長DRX周期的大小沒有達到最大值Tmax,則長周期進行動態(tài)地配置,直到周期狀態(tài)達到最大值,然后,保持不變。這種算法與傳統(tǒng)的DRX相比不同之處就是在于長DRX周期是可動態(tài)調(diào)整的,而不是取一個固定的值。在該方法中下一個長DRX周期與前一個長DRX周期是相關的,因此,可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。2.2分組到達ps在馬爾可夫模型中,各個狀態(tài)中的數(shù)據(jù)流量采用的是歐洲電信標準化協(xié)會(europeantelecommunicationsstandardsinstitute,ETSI)數(shù)據(jù)模型,如圖4所示。這是因為目前許多流量都具有自相似性,表現(xiàn)出突發(fā)性和較大時間范圍內(nèi)的交互性以及重尾分布。所以,采用泊松分布不符合突發(fā)型的業(yè)務特征,而ETSI數(shù)據(jù)模型更符合實際情況。ETSI數(shù)據(jù)流量模型的主要參數(shù)如表1所示。從圖4中可以看出,只有在會話期即連接狀態(tài)才有流量產(chǎn)生,在會話間隙即空閑狀態(tài),流量終止?？紤]到幾何分布具有無記憶性,因此,一個新的分組呼叫達到概率有以下2種情況:①在當前的會話期間到達,ppc=1-1/μpc;②在下一個會話開始時到達,ps=1/μpc。在狀態(tài)N,假設包含Np個去激活期,且在最后一個去激活期時,ti計時器溢出之前,有新的分組數(shù)據(jù)到達的概率為q。在狀態(tài)Ss,ts計時器溢出之前,有新的數(shù)據(jù)分組到達的概率為。在狀態(tài)SL,當有數(shù)據(jù)分組到達時,不可能回到狀態(tài)Ss,只能轉(zhuǎn)到狀態(tài)N。DRX對應的馬爾科夫鏈轉(zhuǎn)移矩陣為根據(jù)公式可推導出DRX馬爾科夫鏈的平穩(wěn)分布為在LTEDRX機制中,終端的功耗可表示為P=PS+PL。其中,P為功率節(jié)省因子;PS是淺睡眠的時間占總時間的百分比;PL是深睡眠的時間占總時間的百分比。P的值越大,終端電池的續(xù)航能力也就越強。用Ti{i=1,2,3}表示終端在DRX馬爾科夫鏈中N,Ss,SL對應的3個狀態(tài)停留的時間。在狀態(tài)N,T1=ta+tb,其中,ta等于前Np-1個去激活期;tb為一個特殊的去激活期。當一個分組呼叫在當前的會話期間到達,且發(fā)生在ti計時器溢出之前,tb=tipc;否則tb=ti。當一個分組呼叫在下一個會話期到達,且在ti計時器溢出之前,tb=tis;否則tb=ti。在狀態(tài)Ss,假設Nds=ts/tds為ts時間內(nèi)短DRX周期的個數(shù)。若新的數(shù)據(jù)分組到達在ts計時器溢出之后,則在狀態(tài)Ss經(jīng)歷了Ns=Nds個短DRX周期;反之,則經(jīng)歷了Ns*(Ns*<Ns)個短DRX循環(huán)周期,因此,在狀態(tài)SL,長DRX周期改變?yōu)榭勺詣诱{(diào)整的周期,而不是定值tdl。假設狀態(tài)SL包含Ndl個長DRX周期,則在長DRX循環(huán)周期和短DRX循環(huán)周期中都有一個固定的Ton,因此,有效的睡眠持續(xù)時間為tdsTon和〈tcl〉-Ton。故修正后的E[T2],E[T3]為所以綜上得出因為分組呼叫和會話間隙均服從指數(shù)分布,分組呼叫到達服從泊松分布,到達時刻可能發(fā)生在淺睡眠或深睡眠期間。所以,分組呼叫到達事件隨機的發(fā)生在DRX睡眠期間。在第j個DRX循環(huán)周期時有分組呼叫達到的概率為平均等待時延D為3drx時延與tds的關系為了驗證所提出方法的性能,采用上面介紹的DRX模型,對優(yōu)化的DRX機制中P和D在Matlab平臺下做仿真,并與固定周期的DRX機制比較。其中,固定周期的DRX,其長周期取2種情況:tdl=10;tdl=20。優(yōu)化的DRX中固定不變的參數(shù)設置如下:λip=10;λipc=1/30;λis=1/2000;μpc=5;μp=25。tds,ti,Ton,ts這幾個參數(shù)作為變量。圖5和圖6對應著P和D在固定與變化的長DRX周期2種狀態(tài)下的變化情況。圖5中,P隨著tds的增加而增加,這是因為淺睡眠周期變大,導致終端處于節(jié)能模式的時間增加,功耗減少即P值變大。同理,圖6中的時延D也會隨著tds變大。而對于ti和ts變化時,P隨著它們的增大而減小,而D相反。這是因為ti變大時,分組呼叫傳輸發(fā)生在ti計時器溢出之前的概率更大,導致終端處于節(jié)能模式的時間更少,從而能耗增多,相應的時延減少。同理,當ts增大時,分組呼叫傳輸發(fā)生在ts計時器溢出之前的概率變大,終端進入深睡眠的機會減少,因此,節(jié)能效果變差,時延的性能變好。從圖6還可看出,隨著Ton的增大,P減小。DRX淺睡眠和深睡眠期均由Ton和睡眠期組成,Ton增大,導致終端處于淺睡眠和深睡眠中的睡眠時間減少,能耗自然增多。這是固定周期與可調(diào)整長周期隨著參數(shù)變化的相同之處。對于優(yōu)化的DRX機制,在深睡眠中,長周期是成等比數(shù)列遞增的,若UE處于DRX長循環(huán)周期的時間越長,T(n)根據(jù)變化規(guī)律自動調(diào)整,且變得越大,相比較固定周期的DRX,UE處于深睡眠的總時間變長,節(jié)能效果更好;反之,時延效果變差。該方法增大了終端處于長DRX周期的時間。從圖6還可以看到,在ts≤5時,可調(diào)整長周期取第2種情況k=5時,功耗和時延均小于tdl=20的固定周期DRX,這是因為在剛進入DRX長周期時,T(n)值是比較小的,即UE處于深睡眠時間短。若在ts≤5時選擇k=5的長周期可調(diào)整DRX機制,終端可以得到較高的節(jié)能和較少的時延。本文設置了2種k的取值情況,隨著k的減小,節(jié)能效果更好,但是時延更大。因為k=2對應的長周期值比k=5時對應的長周期值大,即處于深睡眠時間長。通過仿真可以看出,省電和平均時延是一對相互矛盾的性能指標。通過圖5和圖6的對比,可以根據(jù)業(yè)務的特性,選擇出最佳的DRX參數(shù)。該方法中雖然長DRX周期可動態(tài)的變化,但還做不到自適應,無法根據(jù)業(yè)