裴旭明 錢 驊 王海峰 康 凱*④

①(中國科學院上海高等研究院 上海 201210)

②(中國科學院大學 北京 100049)

③(中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所 上海 200050)

④(中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所無線傳感網(wǎng)與通信重點實驗室 上海 200050)

1 引言

移動通信業(yè)務需求不斷增長，授權頻譜資源短缺日益明顯。非授權頻譜的使用是第5代移動通信技術(5th Generation, 5G)發(fā)展的重要方向，第3代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)在R16階段啟動5G新空口(New Radio,NR)的非授權頻段版本(New Radio-Unlicensed,NR-U)的標準化工作。NR-U通過先聽后說(Listen Before Talk, LBT)機制與非授權頻段上的其他通信制式設備共存。NR-U的5個部署場景包括：NR和NR-U載波聚合、長期演進技術(Long Term Evolution, LTE)和NR-U雙連接、NR-U獨立部署、下行非授權頻段-上行授權頻段的NR, NR和NR-U雙連接[1]。獨立部署不依賴授權頻段輔助，控制接入、數(shù)據(jù)傳輸僅通過非授權頻段，使NR-U部署更靈活，適用更多實際場景[2]。移動設備的節(jié)能是設計時的重要考慮因素，有研究者對NR-U接入階段時延功耗性能進行研究[3]。3GPP在LTE和NR中都引入非連續(xù)接收機制(Discontinuous Reception, DRX)[4]，利用數(shù)據(jù)包間歇性到達的特點，允許用戶終端設備(User Equipment, UE)在無數(shù)據(jù)傳輸時進入休眠模式，從而降低終端能耗[5]。

5G NR-U的DRX基于NR的DRX演進。非授權頻段設備用先聽后說(LBT)機制競爭信道，NR-U中DRX面臨的主要問題是：在需要發(fā)送時無法保證可以競爭到信道[4]，導致傳輸時延增加；喚醒窗口長度固定，因此為滿足時延要求，終端需消耗更多能量。研究者基于3GPP DRX機制提出授權頻段DRX的性能模型和改進方案：基于馬爾可夫鏈的LTE DRX性能分析模型[6]；結(jié)合馬爾可夫鏈和生滅過程的LTE DRX平均排隊時延模型[7]；自相似業(yè)務下的LTE DRX性能分析[8]；在5G云化接入網(wǎng)(Cloud-Radio Access Network, Cloud-RAN)聯(lián)合傳輸(joint transmission)條件下DRX參數(shù)優(yōu)化方法[9]；增加預授權信號提升NR DRX性能[10,11]；5G毫米波頻段DRX機制[12]；信道容量預測對車載終端DRX性能的影響[13]。非授權頻段非獨立部署場景DRX分析模型和改進方案：授權頻譜輔助接入(Licensed-Assisted Access, LAA)場景下DRX性能模型，通過授權頻段信令控制非授權頻段DRX[14]。3GPP仍在討論非授權頻段獨立部署場景的DRX方案，已有提案涉及，暫時沒有完整的解決方案和對性能的定量分析。文獻[15]提出延長喚醒狀態(tài)或縮短休眠周期，以功耗代價來保證時延性能。文獻[16]提出增加信道獲得指示信號(channel acquisition indication signal)來改善性能。

本文提出一種適用于NR-U獨立部署場景的DRX機制。與在非授權頻段直接應用現(xiàn)有機制相比，新機制在滿足同樣的時延要求的前提下可節(jié)約更多能量。通過建立數(shù)學模型和仿真，對以上兩種機制性能進行分析和比較。本文其余部分安排如下：第2節(jié)介紹現(xiàn)有的DRX機制；第3節(jié)提出新型非授權頻段DRX機制，建立性能分析模型；第4節(jié)通過理論分析和仿真，對新舊機制進行性能比較；第5節(jié)總結(jié)全文。

2 移動通信中的非連續(xù)接收機制

2.1 授權頻段中的非連續(xù)接收機制

授權頻段中的DRX機制[17]如圖1。終端從休眠狀態(tài)下周期喚醒，打開接收機監(jiān)聽下行控制信道，檢查是否有數(shù)據(jù)包需要接收。若有數(shù)據(jù)包需要接收，終端保持接收機開啟，轉(zhuǎn)入活躍模式(power active mode)，完成數(shù)據(jù)傳輸。如沒有數(shù)據(jù)包需要接收，終端關閉接收機，轉(zhuǎn)入休眠模式(sleep mode)。相關參數(shù)包括：從活躍模式進入休眠模式等待的時間TI；短休眠周期TDS；進入長休眠周期前的短休眠周期個數(shù)NDS；長休眠周期TDL；每個休眠周期中UE監(jiān)聽信道的時間TON。終端在接收到數(shù)據(jù)包后處于活躍模式，若TI時間內(nèi)沒有再接收到數(shù)據(jù)包，則轉(zhuǎn)入淺休眠模式(light sleep mode)。淺休眠模式中使用短休眠周期TDS，每TDS時間內(nèi)，終端喚醒TON時間監(jiān)聽下行控制信道，若連續(xù)NDS個短休眠周期沒有接收到數(shù)據(jù)包，終端轉(zhuǎn)入深休眠模式。深休眠模式中使用長休眠周期TDL，每TDL時間內(nèi)，終端喚醒TON時間監(jiān)聽下行控制信道。終端的喚醒狀態(tài)也稱ON狀態(tài)。基站(Base Station, BS)為UE配置DRX參數(shù)，使其時延與功耗間達到平衡[15]。NR與LTE中的DRX機制是相似的[18]。在授權頻段中，DRX參數(shù)決定UE的業(yè)務包接收時延和功耗。當業(yè)務數(shù)據(jù)間歇產(chǎn)生時，若不使用DRX機制，UE在數(shù)據(jù)到達的間隙中(圖1的兩次包到達之間)仍保持活躍狀態(tài)，導致能量浪費。使用DRX機制，UE在業(yè)務包到達間隙中休眠以降低功耗；同時UE周期喚醒檢查是否有數(shù)據(jù)需要接收，保證接收時延低于一定的閾值。

圖1 3GPP DRX機制

2.2 非授權頻段中的非連續(xù)接收機制

非授權頻段DRX基于授權頻段DRX機制演進發(fā)展[17]，基本方法是直接應用授權頻段DRX機制。授權頻段由單一無線接入技術(如LTE或NR)獨占，BS完全控制信道資源的分配和使用。BS有數(shù)據(jù)發(fā)送給UE時，可在UE的喚醒時間段TON內(nèi)發(fā)送。非授權頻段由多種無線接入技術(如NR-U和Wi-Fi)共享，BS失去了對信道資源的絕對控制。BS有數(shù)據(jù)發(fā)送給UE，若在UE的喚醒時間段內(nèi)信道被其他設備占用，BS無法在TON內(nèi)競爭到信道，數(shù)據(jù)包至少要推遲到下一個休眠周期的ON中發(fā)送，平均接收時延增大[4]。

有3GPP提案提出針對授權頻段DRX機制的擴展方法。文獻[15]指出，無法保證UE在被調(diào)度時信道空閑，應延長TON或縮短TDS和TDL，增加UE活躍時間的比例，保證UE平均接收時延小于某一閾值，這類方法以功耗增加為代價來保證時延性能。文獻[16]提出，若BS在臨近ON結(jié)束時才競爭到信道，剩余時間不夠發(fā)送數(shù)據(jù)包，則先發(fā)送信道獲得指示信號，通知UE延長TON，完成接收，這類方法引入額外的信號，UE需要在ON狀態(tài)處理該信號，實現(xiàn)難度增大，且?guī)淼男阅芨纳朴邢蕖?/p>

綜上，與授權頻段DRX相比，非授權頻段DRX中UE平均接收時延受到信道忙閑狀態(tài)影響?，F(xiàn)有DRX改進方案，以功耗為代價保證時延或增加額外信號以降低某些特殊情況的時延，尚有性能提升空間。

3 新型非授權頻段非連續(xù)接收機制

3.1 新型的非連續(xù)接收機制

LBT過程中，設備對信道進行能量檢測(Energy Detection, ED)來判斷信道的忙閑狀態(tài)。NR-U設備具有能量檢測能力，可根據(jù)能量檢測結(jié)果自適應調(diào)整TON長度，優(yōu)化DRX性能。

DRX過程中，ON持續(xù)時間由ON狀態(tài)定時器(on-duration timer)決定，進入ON狀態(tài)后啟動定時器，定時器到期即退出ON狀態(tài)。新機制中，進入ON狀態(tài)時，定時器到期時間初始化為TON; UE打開接收機，嘗試解物理下行控制信道(Physical Downlink Control CHannel, PDCCH)的同時，不間斷地進行能量檢測，判斷信道忙閑，據(jù)此實時調(diào)整定時器到期時間。設一次能量檢測耗時μT，設備每檢測到一次信道忙，就將定時器到期時間增加μT。設備重復“能量檢測––延長到期時間”過程，直至定時器到期。ON內(nèi)檢測到信道越繁忙，ON結(jié)束時間越推后。可以為定時器到期時間設置一個上限值TON-MAX，實際的ON持續(xù)時間根據(jù)信道繁忙程度在TON和TON-MAX之間動態(tài)變化。UE根據(jù)信道繁忙程度調(diào)整喚醒時間，獲取更多的接收機會，減少業(yè)務包傳輸時延。BS也同樣執(zhí)行上述的操作，以同步跟蹤UE的喚醒時間變化。

3.2 性能分析前提與指標

設非授權頻段上存在NR-U和其他通信制式設備。任何設備對信道的占用都對所有設備可見，無隱藏節(jié)點。新型和傳統(tǒng)DRX機制都只采用一種休眠周期TDL，短休眠周期和長休眠周期相等。BS不定期的有下行業(yè)務包發(fā)送給UE，業(yè)務包間隔大于TI，業(yè)務包到達時刻落在休眠模式中。DRX機制性能指標有兩個。業(yè)務包平均時延(packet average delay)：下行業(yè)務包到達BS的時刻與BS成功接入信道并開始通過空口發(fā)包的時刻之間的平均時間。節(jié)能因子(power-saving factor): UE純休眠時間占DRX休眠模式總時間的比例。

3.3 信道忙閑模型

非授權頻段信道的占用情況可用忙-閑狀態(tài)模型描述[19]，如圖2。忙閑狀態(tài)交替出現(xiàn)，忙狀態(tài)持續(xù)時間為隨機變量tb，概率密度函數(shù)為fb(y), y＞0，任意2次忙狀態(tài)持續(xù)時間獨立同分布。同樣地，閑狀態(tài)的持續(xù)時間為隨機變量tf，概率密度函數(shù)為ff(x),x＞0，任意2次閑狀態(tài)的持續(xù)時間也為獨立同分布。忙狀態(tài)持續(xù)時間與閑狀態(tài)持續(xù)時間相互獨立，可以是參數(shù)不同或相同的指數(shù)分布，如式(1)和式(2)

圖2 非授權頻段信道忙閑模型[19]

信道處于閑和忙的平均時間分別為E[tf]＝1/λf,E[tb]＝1/λb。長時間觀察，信道忙的總時間占總觀察時間的比例稱為信道繁忙程度，如式(3)。在任意時刻，信道處于閑和忙的概率分別為1–ρ和ρ

將一次閑的持續(xù)時間及與其相鄰的下一個忙的持續(xù)時間之和，視作一個新的隨機變量：tc＝tf+tb。當 λf不等于λb時，tc的概率密度函數(shù)和期望，如式(4)和式(5)[20]；當λf等于λb時，tc服從參數(shù)為(2, λf)的伽馬分布[21,22]，它的概率密度函數(shù)和期望如式(6)和式(7)[21]。綜上，tc的期望可以統(tǒng)一用式(5)表示

3.4 性能指標推導

設備執(zhí)行3GPP規(guī)定的CAT 2類別無隨機退避LBT流程[23]。須檢測到信道連續(xù)保持足夠長時間的閑狀態(tài)后設備才可接入信道。設此時間閾值為TCCA，信道連續(xù)保持在閑狀態(tài)的時間大于TCCA的概率為

設ON窗口大小為ton，從ON的起始時刻到業(yè)務包到達時刻經(jīng)歷的時間為β，從業(yè)務包到達時刻到ON的結(jié)束時刻的時間為ton–β。在業(yè)務包的到達時刻，信道可能處于忙或閑狀態(tài)，以下分別討論這兩種情況。

(1) 業(yè)務包到達時刻信道為閑狀態(tài)。若ton–β＜TCCA，則ON剩余時間不夠完成一次LBT，發(fā)送設備無法在當前休眠周期內(nèi)完成信道接入。

若ton–β ≥TCCA，則在ON剩余時間內(nèi)有可能完成一次LBT。如圖3，業(yè)務包到達時刻是啟動LBT的機會；剩余時間內(nèi)可能有信道由忙到閑的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時刻也是啟動LBT的機會。LBT機會越多，成功接入概率越大。轉(zhuǎn)換時刻距ON結(jié)束大于TCCA時，LBT可能成功；小于TCCA時，LBT一定會失敗。設ton–β–TCCA內(nèi)，LBT機會數(shù)為隨機變量X’。相鄰閑狀態(tài)起始時刻的間隔是tc，期望為E[tc]。不考慮起始時刻的閑狀態(tài)，在ton–β–TCCA內(nèi)出現(xiàn)忙閑轉(zhuǎn)換的平均次數(shù)為λ＝(ton–β-TCCA)/E[tc]。根據(jù)適合用泊松分布建模的隨機變量需要滿足的條件[24]，可假設X’近似服從泊松分布，如式(9)。設ON的剩余時間內(nèi)啟動LBT的機會數(shù)為X，在X’的基礎上，計入業(yè)務包到達時刻信道閑引入的一次機會，得到X的概率分布函數(shù)如式(10)

圖3 業(yè)務包到達時刻信道為閑狀態(tài)且ton-β ≥TCCA時的示意圖

綜上，已知λf和λb，且業(yè)務包到達時刻信道為閑，ON內(nèi)成功接入概率是ton和β的函數(shù)，如式(11)。在ON內(nèi)能夠成功接入時的平均時延也是ton和β的函數(shù)，如式(12)

(2) 業(yè)務包到達時刻信道為忙狀態(tài)。設從業(yè)務包到達時刻起，忙狀態(tài)持續(xù)時間為α。則可用于LBT的ON剩余時間為ton–β–α，且在剩余時間的起始時刻信道處于閑狀態(tài)?？衫?1)得到的式(11)和式(12)進行推導。

若ton–β–α＜TCCA，則ON剩余時間不夠完成一次LBT，發(fā)送設備無法在當前休眠周期內(nèi)完成信道接入。

若ton–β–α≥TCCA，在ON剩余時間內(nèi)有可能完成LBT。在以閑起始的ON剩余時間內(nèi)成功接入概率是PsF(ton–β–α,0)；遍歷α，求PsF(ton–β–α,0)的期望，得到業(yè)務包到達時刻信道為忙時，成功接入概率如式(13)

業(yè)務包到達時刻信道為忙狀態(tài)時成功接入信道的平均時延如式(14)。在給定α時，時延由α和業(yè)務包到達時為空閑狀態(tài)的成功接入平均時延組成；基于此遍歷所有可能的α取值求時延期望，得到最終結(jié)果

綜合考慮(1)和(2)兩種情況，設備在當前休眠周期內(nèi)成功接入信道的概率如式(15)

同樣地，設備在當前休眠周期成功接入信道而產(chǎn)生的平均時延如式(16)

根據(jù)式(11)可以得到，在當前休眠周期接入失敗的概率如式(17)

若在當前休眠周期中接入失敗，設備會在下一個休眠周期的ON中繼續(xù)嘗試接入，相當于業(yè)務包在下一個周期的0時刻到達，直到最終成功接入信道。在后續(xù)休眠周期中消耗的平均時間，如式(18)

考慮在業(yè)務包到達時刻所在休眠周期接入和在后續(xù)休眠周期中接入的情況，總平均接入時延如式(19)

設業(yè)務包在一個休眠周期內(nèi)的到達時刻的概率密度函數(shù)為fp(β)，遍歷所有到達時刻的可能取值，可得到DRX機制對應的總平均時延，如式(20)。節(jié)能因子是ON窗口長度的函數(shù)，如式(21)

4 性能評估

本節(jié)通過理論模型數(shù)值分析和蒙特卡羅仿真來驗證和比較傳統(tǒng)機制與新機制的性能。設傳統(tǒng)機制ON窗口大小固定為tonl；新機制ON窗口初始值為tonp, ON窗口在信道繁忙程度為ρ的條件下自動擴展后的平均值如式(22)，其中tonpm是新機制中ON定時器的上限值，不做額外限制時tonpm＝TDL

參數(shù)從標準[25]中提供的可選值中選取，具體設置如下，時間相關參數(shù)的單位均為秒，λb＝200,TDL＝0.064, TCCA＝0.000079, ρ∈[0.1, 0.8]；并假設業(yè)務包到達在一個休眠周期時長內(nèi)為均勻分布，如式(23)

(1)傳統(tǒng)機制與新機制(ON窗口延長時間無限制)的時延及功耗性能比較。參數(shù)配置：tonl＝0.02或tonl＝0.03, tonp＝0.02且tonpm＝TDL，理論模型分析和仿真結(jié)果基本吻合，如圖4和圖5。傳統(tǒng)機制ON窗口長度不變，節(jié)能因子模型分析值與仿真值相同。根據(jù)式(22)，當ρ＝1/3≈0.33時，新機制ON窗口長度平均值等于0.03，性能與tonl＝0.03的傳統(tǒng)機制一致。因此曲線在ρ≈0.33附近交匯，交匯點位置與參數(shù)選取有關。由tonl＝0.02和tonl＝0.03結(jié)果知：傳統(tǒng)機制應用于非授權頻段，功耗因子不隨信道繁忙程度變化；信道越繁忙，平均時延越大。延長ON狀態(tài)時間可以降低平均時延，但要消耗更多能量。由tonl＝0.02和tonp＝0.02結(jié)果知：新機制平均時延隨信道繁忙程度提高而降低，始終優(yōu)于傳統(tǒng)機制；在ρ＝0.7之后小幅上升的原因是ON窗口擴展到與休眠周期相等。新機制功耗隨信道繁忙程度增加而提高。

圖4 傳統(tǒng)機制與新機制(ON窗口延長時間無限制)的時延性能比較，基于式(20)

圖5 傳統(tǒng)機制與新機制(ON窗口延長時間無限制)的功耗性能比較，基于式(21)

(2)傳統(tǒng)機制與新機制(ON窗口延長時間有限制)的時延及功耗性能比較。參數(shù)配置：tonl＝0.03,tonp＝0.02, tonpm＝tonl，理論模型分析和仿真結(jié)果基本吻合，如圖6和圖7。根據(jù)式(22)，當ρ＞1/3≈0.33時，新機制ON窗口長度平均值恒等于tonpm，與tonl＝0.03的傳統(tǒng)機制性能一致。因此新機制曲線在ρ≈0.33附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點位置與參數(shù)選取有關。實際環(huán)境中不同時間段信道繁忙程度不同，例如0.1～0.8變化；終端要滿足服務質(zhì)量要求，例如平均時延小于Dmax。若使用傳統(tǒng)機制，ON窗口需要設為足夠長，使在信道最繁忙時平均時延小于Dmax。傳統(tǒng)機制ON窗口固定，因此在信道不繁忙時浪費了能量。若使用新機制，ON窗口隨信道繁忙程度自適應調(diào)整，能在滿足時延要求前提下節(jié)約更多的能量。觀察圖6和圖7，ρ在0.1～0.8變化。令Dmax＝0.016，傳統(tǒng)機制ON窗口設為0.03，才能滿足所有ρ下平均時延小于0.016的要求，功耗因子為0.5238。新機制ON窗口在0.02到0.03之間自適應變化，平均時延始終小于0.016，功耗因子在ρ為0.1～0.4時大于0.5238，在0.4～0.8等于0.5238。時延性能滿足要求，新機制節(jié)能因子高于傳統(tǒng)機制。若90%的時間ρ為0.1，其余時間ρ為0.8，傳統(tǒng)機制平均節(jié)能因子為0.5238，新機制平均節(jié)能因子為：0.6460×0.9+0.5238×0.1＝0.6338，較傳統(tǒng)機制提升11%。

圖6 傳統(tǒng)機制與新機制(ON窗口延長時間有限制)的時延性能，基于式(20)

圖7 傳統(tǒng)機制與新機制(ON窗口延長時間有限制)的功耗性能比較，基于式(21)

5 結(jié)束語

本文提出一種基于信道能量檢測的適用于NR-U獨立部署場景的非連續(xù)接收機制。新機制根據(jù)信道能量檢測結(jié)果，自適應延長ON狀態(tài)持續(xù)時間。通過理論分析和仿真，對比傳統(tǒng)和新型DRX機制的性能。新機制可以在不影響業(yè)務包時延的前提下，獲得更好的節(jié)能效果。且新機制不需引入額外信令交互，僅利用NR-U設備已有的信道能量檢測功能，可在對實際系統(tǒng)修改較少的同時獲得性能提升。