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窄带物联网非连续接收机制功耗模型与优化

更新时间：2019-12-10 13:18:37 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：窄带物联网 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对窄带物联网(NB-IoT)的3种典型业务场景(周期自动报告、异常自动报告和软件升级/重配置业务),为NB-IoT扩展型非连续接收(eDRX)机制建立了以终端工作状态为状态变量的马尔可夫模型,并给出相应的功耗与时延模型.其中,连接态被分为随机接入态和数据收发态,以细化因海量用户并发入网产生碰撞而带来的额外能耗.鉴于周期自动报告(MAR-P)业务的发生频次最高,重点分析了MAR-P业务激励时NB-IoT eDRX机制的电池使用寿命及其优化设计方案.数值表明,传输周期、最大随机接入次数、最大数据重传次数和系统负载直接决定电池使用寿命,上述参数合理配置可有效延长电池使用寿命.这为NB-IoT终端行为级建模与优化设计提供了参考.

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第 40 卷第 4 期  
2019 年 4 月  
通
信
学
报
Vol.40 No.4  
April 2019  
Journal on Communications  
窄带物联网非连续接收机制功耗模型与优化  
简鑫，韦一笑，刘钰芩，宋健，曾孝平，谭晓衡  
（重庆大学微电子与通信工程学院，重庆 400044）  
摘 要：针对窄带物联网（NB-IoT）的 3 种典型业务场景（周期自动报告、异常自动报告和软件升级/重配置业  
务），为 NB-IoT 扩展型非连续接收（eDRX）机制建立了以终端工作状态为状态变量的马尔可夫模型，并给出相  
应的功耗与时延模型。其中，连接态被分为随机接入态和数据收发态，以细化因海量用户并发入网产生碰撞而带  
来的额外能耗。鉴于周期自动报告（MAR-P）业务的发生频次最高，重点分析了 MAR-P 业务激励时 NB-IoT eDRX  
机制的电池使用寿命及其优化设计方案。数值表明，传输周期、最大随机接入次数、最大数据重传次数和系统负  
载直接决定电池使用寿命，上述参数合理配置可有效延长电池使用寿命。这为 NB-IoT 终端行为级建模与优化设  
计提供了参考。  
关键词：窄带物联网；扩展型非连续接收；马尔可夫链；功耗模型  
中图分类号：TN929.5  
文献标识码：A  
doi: 10.11959/j.issn.1000−436x.2019094  
Power consumption modeling and optimization  
for NB-IoT eDRX  
JIAN Xin, WEI Yixiao, LIU Yuqin, SONG Jian, ZENG Xiaoping, TAN Xiaoheng  
College of Micro-Electronics and Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China  
Abstract: To extend the battery life of massive machine type devices (MTD), narrow-band Internet of things (NB-IoT)  
system extended discontinuous reception (eDRX) mechanism of LTE to the maximum as well as introduced a lower  
power state named as power saving mode (PSM). Three Markov models were established for three typical NB-IoT traffic  
scenarios, which called mobile autonomous reporting periodic report (MAR-P), mobile autonomous reporting exception  
report (MAR-E), software update/reconfiguration (SUR). The states of each Markov model were the working status of  
MTDs, including connected, idle and PSM state, in which the connected state was divided into random access state and  
data translating/receiving state to further evaluate the additional power consumption caused by collisions from massive  
MTDs concurrent access. Thereby, the power consumption and delay models with respect to each traffic scenarios were  
derived. Since the frequency of MAR-P traffic was far greater than the other two, the battery life of this traffic case with  
its optimal design choice was comprehensively analyzed. Numerical results show that, the battery life is mostly influ-  
enced by transmission period, maximum number of random access attempts, maximum number of data transmissions and  
traffic load, which can be maximized by appropriate parameters setting up. These works provide good references for  
NB-IoT device behavior modeling and optimization design.  
Key words: narrow-band Internet of things, extended discontinuous reception, Markov chain, power consumption mod-  
eling  
收稿日期：2018−04−25；修回日期：2019−03−20  
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61501065, No.61601067, No.61571069）；重庆市基础科学与前沿技术研究专项基  
金资助项目（No.cstc2016jcyjA0021）；中央高校基本科研业务费基金资助项目（No.2018CDXYTX0009）  
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.61501065, No.61601067, No.61571069), Chongqing  
Research Program of Basic Research and Frontier Technology (No.cstc2016jcyjA0021), The Fundamental Research Funds for the  
Central Universities (No.2018CDXYTX0009)  
2019094-1  
万方数据  
·108·  
通
信
学
报
第 40 卷  
过程，并进行线性叠加求得其整体能耗及时延。文  
献[8]以 3 000 多名安卓用户的现网测试数据导出了  
LTE 网络的综合功率模型。上述文献主要针对下行  
业务为主的 H2H 通信场景，其研究成果无法直接  
应用于周期性上行数据为主的机器与机器（M2M,  
machine to machine）通信场景[9]。  
1 引言  
窄带物联网（NB-IoT, narrow-band Internet of  
things）是 3GPP 为智能电表、环境监测等以传感和  
数据采集为目标的应用场景提出的一种低功耗广  
域覆盖技术，面临海量连接、超低功耗、广域覆盖  
与深度覆盖等技术挑战。NB-IoT 超低功耗技术的基  
本目标是终端使用 5 Wh 电池可达到 10 年的寿命周  
期，其主要实现途径是进一步扩展 LTE 的非连续接  
收（DRX, discontinuous reception）机制，以下简称  
扩展型非连续接收（eDRX, extended DRX），以最  
大限度降低终端不进行数据交互时的电量消耗。  
eDRX 支持更长的 DRX 周期（最长可达 10.24 s），  
并引入具有更低能耗的节能态（PSM, power saving  
mode）。节能态是 NB-IoT 在 LTE 连接态（connected  
mode）、空闲态（idle mode）基础上增加的第三种  
终端工作模式。不同工作模式对应着不同的功耗水  
平，不同工作模式间的切换受控制信令驱动，控制  
信令由系统参数和 NB-IoT 不同业务场景的触发事  
件决定，如图 1 所示。因此，为完成 NB-IoT eDRX  
能耗水平的性能分析与优化设计，必须合理地建模  
NB-IoT 终端工作模式切换与控制信令、控制信令与  
针对 M2M 通信场景下的特点，文献[10]将终  
端各状态能耗进行简单叠加，分析了 DRX 机制的  
整体能耗。文献[11-14]通过分析终端的 DRX 行为  
模式，构建相应的马尔可夫链。文献[15]提出一种  
带快速睡眠指示的改进型 DRX 机制，并用半马尔  
可夫的方法分析了该改进型机制的平均能耗及时  
延。文献[16]通过叠加 TAU 更新及寻呼监听两部分  
的平均能耗，研究 IDLE 态 eDRX 休眠周期的最优  
配置。上述文献对采用 LTE 通信方式的 M2M 终端  
功耗进行了宏观建模，重点关注了连接态与空闲态  
的建模，较少关注引入节能态后的 NB-IoT eDRX  
功耗模型。另外，众所周知的是无线通信中终端的  
能耗集中产生于空闲监听、接入冲突与过度监听，上  
述文献多评估引入 DRX 机制后终端空闲监听或过  
度监听的能耗，几乎未考虑接入冲突引入的功耗，  
因此很难有效评估海量机器类终端同步入网时因并  
发用户过多导致碰撞而产生的能耗问题[17-18]。本文首  
先将连接态进一步细分为随机接入（RACH, random  
access channel）和数据收发（Tx/Rx, transmit/ re-  
ceive）2 个状态，以细化因接入冲突带来的能耗，  
并 根 据 NB-IoT 终 端 承 载 终 端 周 期 自 动 报 告  
应用背景之间的关系[1-4]  
。
（MAR-P, mobile autonomous reporting periodic re-  
port）业务、终端异常自动报告（MAR-E, mobile  
autonomous reporting exception report）业务与软件  
升级/重配置（SUR, software update/reconfiguration）  
业务时的工作模式切换关系，为每一种业务场景建  
立了以随机接入态、数据收发态、空闲态、PSM 节  
能态 4 个NB-IoT 终端工作状态为状态变量的 Markov  
模型，给出了对应的 NB-IoT 终端能耗模型和时延  
分析方法；然后，针对发生频次较高的 MAR-P 业  
务，在保证业务传输成功率的前提下，完成了随机  
接入申请次数上限、最大数据传输次数上限的优化  
配置设计。  
图 1 NB-IoT 终端工作模式  
DRX 机制起源于人与人（H2H, human to hu-  
man）通信场景下的节能需要。目前，针对 H2H 业  
务场景下的 DRX 机制研究中，文献[5]推导了终端引  
入 DRX 机制后传输时延的概率密度函数与节能效  
率。文献[6]对比了突发型与流式型业务激励时  
CDMA2000 及 WCDMA 系统的节能性能。文献[7]  
将终端工作过程/数据传输过程分成多个独立的子  
2 NB-IoT eDRX 功耗模型与时延分析  
2.1 NB-IoT 典型业务场景  
NB-IoT 主要应用于智能水电气表、环境监测、  
2019094-2  
万方数据  

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