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【学术论文】基于NB-IoT系统的eDRX的分析与研究

原标题:【学术论文】基于NB-IoT系统的eDRX的分析与研究

 物联网技术发展趋势是LPWAN,其中尤其以NB-IoT和eMTC最为代表。NB-IoT和eMTC各有优劣,使用场景互有不同。

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。

低功耗可以说是物联网技术的核心,本着关注低功耗的方向,适当了解NB IoT在整个LTE中的位置,NB-IoT的协议,重点关注NB-IoT低功耗部分。

0 引言

1.NB-IoT背景

NB-IoT属于LPWAN技术的一种,是一种为物联网而设计的窄带无线技术。NB-IoT是由3GPP规范的,类似的技术还包括eMTC。NB-IoT技术规格在3GPP的R13被冻结。

NB-IoT主要关注indoor coverage、low cost、long battery life、enabling a large number of connected devices。

NB-IoT属于LTE一部分,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式。

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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]。

 2.NB-IOT协议

从Rel.10开始,3GPP就开始针对物联网引入新功能。

物联网设计原则:一大(大规模连接)、一强(覆盖增强)、三低(低功耗、低成本、低流量)。

Rel.10和Rel.11,解决“一大”问题。

Rel.12开始,主要解决“三低”问题,主要引入了PSM/DRX省电模式和LTE Cat 0。

Rel.13引入了LTE Cat M1和LTE Cat NB1,还引入了eDRX。

一文看懂蜂窝物联网进化史,NB-IoT带来新突破》- 介绍了NB-IoT技术规范的演变,且重点介绍了PSM(Rel.12)/eDRX(Rel.13)省电技术。

物联网LTE R13版强化MTC技术 新增Cat.M/NB-IoT规格》- 重点介绍Rel.13中eMTC/NB-Iot技术各方面实现。

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]。

3.NB-IoT之PSM/eDRX技术

下一代物联网技术:原来NB-IoT与eMTC的低功耗技术是这样实现的》- 着重讲解了PSM和eDRX技术。

1 eDRX功能简介

 PSM

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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]。

PSM状态下特性

PSM即低功耗模式,是3GPP R12引入的技术,其原理是允许UE在空闲态一段时间后,关闭信号的收发和AS(接入层)相关功能,相当于部分关机,从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗。

UE在PSM期间,不接收任何网络寻呼,对于网络侧来说,UE此时是不可达的,数据、短信、电话均进不来。

PSM模式下,终端处于休眠模式,近乎关机状态,可大幅度省电。在PSM器件,终端不再监听寻呼,但终端还是注册在网络中,因此,要发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接。

连接态:进行数据收发;由TAU定时器T3412超时或者

空闲态:T3324启动,RRC释放;空闲状态,监听寻呼。

PSM:T3324超时;启动T3412;不监听寻呼。

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。

 何时进入PSM? 

那么UE处理完数据后,什么时候进入PSM模式呢?

这是由另一个定时器Active Timer(T3324,0-255秒)决定的。

UE处理完数据之后,RRC连接会被释放、进入空闲态,与此同时启动Active Timer,此Timer超时后,UE即进入上述PSM模式。

 

PSM在数据连接终止或周期性TAU完成后启动。数据连接终止后,终端首先进入空闲模式,并进入不连续接收(DRX)状态,此时,终端监听寻呼(Paging)。

当DRX定时器T3324超时后,终端进入PSM模式。

 数据态(RRC释放)-->空闲态(DRX,T3324超时)-->PSM模式

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何时退出PSM?

只有当(1)TAU周期请求定时器(T3412)超时,或者(2)UE有MO业务要处理而主动退出时,UE才会退出PSM模式-->进入空闲态-->进而进入连接态处理上下行业务。

TAU周期请求定时器(T3412)由网络侧在ATTACH和TAU消息中指定,3GPP协议规定默认为54min,最大可达310H。

PSM模式(TAU T3412超时/MO业务)-->空闲模式-->数据态

转换状态如下:

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UE和NW两侧的交互流程如下:

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PSM适用于那些反应迟钝的,通常由终端主动发起和网络通信的物联网场景,否则,它可能要很久才回应你。

当然,我们在网络设计时,也一定要考虑实际应用需求,合理设置空闲模式和PSM模式的时间间隔。

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]。

 eDRX

eDRX即非连续接收,是3GPP R13引入的技术。R13之前已经有DRX技术,eDRX是对原DRX技术的增强:支持更长周期的寻呼,从而达到省电目的。如图:

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eDRX的寻呼周期由网络侧在ATTACH和TAU消息中指定(UE可以指定建议值),可为20s、40s、80s...最大可达40min。相比DRX的1.28/2.56s循序周期,eDRX显然更省电。

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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。

eDRX与PSM周期的不同

Rel. 13还引入了eDRX(增强型非连续接收),就是延长了原来DRX的时间,减少了终端的DRX次数和频率美洲杯冠军竞猜,,以达到省电的目的。

之前DRX的最小间隔为2.56秒,这对于隔很长一段时间才发送数据的物联网设备来说,实在是太频繁了。

eDRX可工作于空闲模式和连接模式。在连接模式下,eDRX把接收间隔扩展至10.24秒;在空闲模式下,eDRX将寻呼监测和TAU更新间隔扩展至超过40分钟。

UE通过检验公式(1),进入eDRX模式:

eDRX与PSM模式切换的不同

PSM和eDRX之间的不同之处在于,终端从休眠模式进入可接收模式这个时间间隔的长短。

在PSM模式下,终端需要首先从休眠模式进入激活模式,然后才进入空闲模式。

在eDRX模式下,终端本身就处于空闲模式,可以更快速的进入接收模式,无需额外信令。

 

PSM和eDRX虽然让终端耗电量大大降低,但都是通过长时间的“罢工”来换取的,付出了实时性的代价。

对于有远程不定期监控(如远程定位,电话呼入,配置管理等)需求且实时性要求很高的场景,不适合开启PSM功能;如果允许一定的时延,最好采用eDRX技术、并将eDRX寻呼周期设的尽量短些(根据可接受的时延要求,最短为20s,…)。

UE可在ATTACH和TAU中请求开启PSM或(和)eDRX,但最终开启哪一种或两种均开启、以及周期是多少均由网络侧决定

  

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相关缩写

LPWAN - Low Power Wide Area Network

NB-IoT - Narrow Band Internet of Thing

RRC - Radio Resource Control

PSM - Power Saving Mode

TAU - Tracking Area Update

DRX - Discontinuous Reception

eDRX - Extended Discontinuous Reception

eMTC - ehanced Machine Type Communication

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:

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其中,Ns表示每个PF内包含的PO数。

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