LTE制式下物联网终端节能优化探究

LTE制式下物联网终端节能优化探究

尹建军

深圳市有方科技股份有限公司

摘要

在不影响实际业务的情况下尽可能的降低终端功耗，是物联网领域关注的一个焦点。本文在对LTE系统下DRX机制和优化尾时间等节能方案进行分析的基础上，提出两种LTE下物联网终端快速休眠方案。两种方案适用一些应用在低数据量或者不太关注下行链路数据场景且对能耗方面有强烈需求的物联网终端。两种方案都是不需要网络侧做额外的调整，在遵循3GPP协议框架情况下通过终端行为实现缩短尾时间达到节能的目的。在现网实践中验证了两种方案能有效的降低终端功耗。

关键词

LTE，物联网终端，快速休眠，节能优化

1引言

随着物联网产业的蓬勃发展，通过模组终端来实现万物互联的场景越来越广泛。如应用于电力、燃气和水务等场景实现抄表和实时远程监测，在建筑和地质等场景智能监测安全灾害隐患，以及移动支付场景等。对于一些对功耗有要求的应用场景，如何在不影响实际业务的情况下尽可能的降低功耗，是模组终端关注的一个焦点。在功耗方面，3GPP在最开始长期演进技术 (Long Term Evolution，LTE)制定的需求和目标就是要求实现移动终端的合理功耗[1]。针对这一目标，LTE整个架构系统都有一些节能的方案策略。其中在媒体接入控制层（Medium Access Control， MAC）定义了非连续接收(discontinuous reception， DRX)机制[2]，是LTE 标准中的节能技术研究的一个重点。

目前已经有大量的研究工作聚焦在LTE DRX方向， 在文献[3, 4]中从原理上进行分析DRX机制，尝试通过建立相关模型或者提出更准确计算公式来验证了DRX参数对节能和时延的影响，进而得出优化LTE DRX配置的方法。文献[5, 6]中提出动态配置DRX周期的节能优化设计。文献[7]通过建立一种多重休假排队模型提出带有休眠延迟机制的DRX节能策略。上述研究都是建立终端和网络侧都允许可配置DRX参数的情况下，通过优化DRX参数来实现终端节能。文献[8]提出在网络侧动态调整RRC连接释放时间来实现提高终端能耗效率的目的。但在现网的实践中，很多终端或者网络侧是不接受协商调整DRX参数。同时RRC连接释放时间也是由网络侧决定的，终端侧是无法去控制的。

因此，本文在现网使用场景下提出一种物联网终端节能优化方案，主要是应用于一些特定的物联网终端使用场景，在符合3GPP协议规范的情况下，通过调整终端的行为来实现终端节能。

2 LTE的DRX机制和RRC状态

DRX机制的设计依据是基于用户面的数据一般是突发性、间断性的，在连续传输完数据后一段时间是没有数据收发的。终端只需要没有数据传输期间定期监听下行信道，其他时间进入休眠状态来达到节能的目的[1, 2]。一个DRX周期里由工作时段（On Duration）Ton和DRX时段（Opportunity for DRX）Tdrx两部分构成。无线资源控制层（Radio Resource Control，RRC）根据状态的不同分为空闲态（Idle）和连接态（Connected）。DRX在空闲态和连接态的表现有点差异[9]。在连接态时DRX按照应用场景对节能和时延的取舍，DRX时段又分为短周期（DRX short cycle）Tdrx_s和长周期（DRX long cycle）Tdrx_l。空闲态的工作时段和DRX时段分别用Ton_idle和Tdrx_idle表示。另外从连接态连续时间没数据传输到RRC连接释放变成空闲态的时间叫做尾时间Ttail。在时间上，一个典型的RRC和DRX的状态变化图如图1所示。

图1 LTE RRC和DRX状态变化图

文献[10]在研究LTE通信协议能耗模式中对相同时间内RRC和DRX不同的工作状态下功率进行了测量。测量的功率比值如图2，其中以Idle DRX时段的功率值定为1个单位。

图2  LTE下不同工作状态功率比值图

结合上面两图以及文献[3, 5-8]的研究表明，实现节能的手段就是终端在不影响业务使用的情况下，尽快的、尽多时间的工作在空闲态以及连接态的DRX时段。

关于DRX参数的配置，在空闲态和连接态配置方法是不一样的。

（1）空闲态：终端是由小区特定的默认DRX cycle和UE特定的DRX cycle共同决定的。小区特定的默认DRX cycle是通过SIB2的PCCH-Config的defaultPagingCycle字段配置[11]。UE特定的DRX cycle由终端在Attach request或者Tracking area update request的DRX parameter字段通知网络侧[12, 13]。但在现网实践中，很多终端不支持UE特定的DRX cycle的设置，网络侧也不接收UE的设置。

（2）连接态：终端是由网络侧下发的信令RRCConnectionSetup

、RRCConnectionReconfiguration或者RRCConnectionReestablishment的drx-Config字段配置[11]。因此，在一般现网中，终端是不能自行调整DRX参数的，只能通过缩短连接态到RRC连接释放的时间，也就是尾时间。从降低尾能耗的角度去实现节能目的。

在3G时代，WCDMA系统就提出快速休眠（Fast Dormancy，FD）策略实现降低尾能耗。网络侧通过下发的SIB1里面携带T323定时器(发送下一个RRCRelease之前需要等待多长时间)。如果存在T323字段则说明网络支持Fast Dormancy。T323超时后，终端通过发送Signalling Connection Release Indication信令请求RRC释放[14]。有研究论证了通过缩短终端快速休眠时间可以有效降低终端功耗，但有可能会形成信令风暴，造成网络瘫痪[15]。而在LTE系统是没有直接定义类似信令的。

3 LTE下终端快速休眠方案

基于上一章节的分析，想要在终端侧实现节能的目标，终端需要在降低尾能耗的方向着手。在LTE不支持快速休眠的情况下，本文在符合LTE协议框架内提出两种方案实现类似快速休眠的功能。

方案一强制下行失步方案。按照RRC层协议当从低层接收到N310个连续的失步指示，启动定时器T310(默认值1s)。在T310超时后，如果还没有激活AS 安全，UE退出 RRC_CONNECTED状态[11]。终端在连续数据传输完后，强制更新底层出现N310个连续下行失步，从而快速进入空闲态。该方案的风险在于终端自行进入空闲态，但是网络侧仍然认为终端在连接态。在下次终端发起新的连接期间的下行数据和寻呼都会丢失。

方案二强制位置更新（Tracking area update，TAU）方案。根据非接入层（Non-Access Stratum，NAS）协议，（1）终端从低层接收到RRC连接失败的指示并且没有待传输的信令或用户面上行链路数据时应发起TAU请求。（2）如果终端在EMM-IDLE 模式下发起的TAU，且TAU REQUEST消息中EPS UPDATE TYPE字段未设置active标志为1，则UE收到TAU ACCEPT消息后则开启T3440定时器。网络侧在收到上述条件的TAU请求后，在TAU COMPLETE后释放RRC。如果在T3440超时前，终端还没接收到网络侧的RRC释放，则会在本地释放建立的NAS信令连接[12]。该方案的风险：（1）在终端上层应用使用开启Nagle算法的TCP/IP协议时有可能发生数据丢失。这要求终端应该要将发送数据能及时发送而不是等待发送。（2）在该方案下，如果业务频繁意味着终端会频繁的TAU。另外当业务场景时有定期触发的场景（如心跳场景），TAU的时间也会变得很规律。网络侧有可能对该行为强制下线且惩罚性的限制一段时间的准入。

图3是正常TAU流程，终端侧在正常的位置更新后，经过10s尾时间才收到网络侧发送的RRC释放信令。图4是强制TAU方案流程，终端在传输完连续数据后直接发送TAU请求，在TAU流程结束后就能退出连接态。图5是两种优化方案和未优化的终端在发送PING报文后电流监控图的。测试的终端选择的NEOWAY公司的N723产品，测试的环境选择的是移动B39。基站配置的尾时间是20s。选取发送PING报文结束后继续待机20s的时间段的平均电流进行比较，两种方案都能有效的降低终端的功耗，其中测试期间强制下行失步方案的功耗较未优化前降低45%。

图3 正常TAU流程

图4 强制TAU方案流程

图5 优化方案和未优化前后对比图

4 结论

针对一些物联网终端在节能方面的强需求，本文提出两种LTE下物联网终端快速休眠方案。两种方案都是不需要网络侧做额外的调整，终端在遵循3GPP协议框架情况下实现缩短尾时间，达到节能的目的。其中，强制下行失步方案适合物联网终端不需要关注空闲态的下行链路数据以及寻呼信息的场景。强制TAU方案适合物联网终端需要关注空闲态的下行链路数据以及寻呼信息，但上下行用户面数据频次较低的场景。在上述适用场景下，物联网终端使用对应的快速休眠方案是不影响的实际业务，也不会带来其他风险（如信令风暴）等问题。两种方案在现网实践中都能有效的降低功耗。

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