第二章 相關知識及介紹
2.1.1 LTE 架構
圖 2-1、 LTE 系統設定整體基本架構(來源:3GPP)
從上圖 2-1 中，可以明顯了解在 LTE 整體網路架構最主要是分為無線部分與
核心網路部分，首先在無線部分 E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)，接下來在第二部分是核心網路部分 EPC (Evolved Packet Core)。
在訊息傳輸路徑方面有兩種傳輸方式，分別是 Control-plane 和 User-plane，
會分為兩種傳輸路徑優點可以方便在系統上的管理，並且更重要是在設計與改良 上可以個別進行，
Control-plane 傳輸路徑: UE←→eNB←→MME。
User-plane 傳輸路徑:UE←→eNB←→Serving Gateway←→Packet Data Network Gateway。
在 E-UTRAN[4][5]( Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)，其中 包括了 UE 與 eNB 這兩個部分，在 LTE 架構中是屬於無線的部分，UE 與 eNB 兩者 之間的通訊傳輸是無線介面由 LTE-Uu。
圖 2-2、無線介面 LTE-Uu 協定架構(來源:3GPP)
從上圖 2-2 中可了解傳輸的無線介面 LTE-Uu 可細分為三層:
Layer 1: 此 PHY (Physical)層主要的作用要把傳輸的資料轉為實體訊號發 送，則在 PHY 層裡面的技術例如 MIMO、OFDMA 等。
Layer 2: 1. PDCP(Packet Data Convergence Protocol) 此層主要作用是要把標頭 做壓縮動作以及進行了加密的動作。
2.RLC (Radio Link Control)其中包含 HARQ 和 ARQ 等重傳的機制與為
了配合 MAC 層每個 frame 大小而進行封包重組和切割。3.MAC(Medium Access Control)主要是在做 QoS 排程動作。
Layer 3: 1. NAS(Non-Access Stratum) 此層主要作用在做移動性的管理 Bearers 設定、用戶的附著與認證等。
2. RRC(Radio Resource Control) 作用在無線管理的資源和設定 RRC 之下的各層。
2.1.2 LTE 傳輸技術
LTE 是目前無線網路是使用者最受歡迎的傳輸系統，能讓使用者在移動時提 供高速傳輸與接收資料，其中 LTE 為 3GPP 所制定所制定的無線網路規格，在圖 2-1， LTE 規格中有兩種分工模式，分頻多工 FDD (frequency division duplex)與 分時多工 TDD(time division duplex）。
Frequency Division Duplex (FDD) Time Division Duplex (TDD)
圖 2-3、 LTE FDD 與 TDD 模式訊框架構示意圖[3]
LTE 與過去的 GSM（Global System for Mobile Communications）、UMTS
（Universal Mobile Telecommunications System) 技術上是有兩個差異處。LTE 所 採取的傳輸是正交分頻多重存取(OFDMA)作為實體層(PHY)的調變技術，與過去 的 CDMA(Code Division Multiple Access) 分碼多重存取是不同方式。在多重存取 部分，上傳(Uplink)是採取單載波分頻多重存取(SC-FDMA)系統傳輸資料，下載 (Downlink)採用了 OFDMA 系統。
圖 2-4、 OFDMA 和 SC-FDMA 的符號碼傳送範例[3]
從圖 2-3 上可得知正交分頻多重存取(OFDMA)在無線傳輸上是可以提供 更大的吞吐量(Throughput)，也比 CDMAS 可以有更大的多重路徑對抗的能力，
而且再加上配合 2＊2 和 4＊4 MIMO (Multi-input Multi-output)天線的技術規格，
更可以提高了整體無線傳輸技術的效能。並且為了與 4G 網路願景更為的貼近，
在 LTE 制定的標準之下需要再增加下列 5 項需求:
1. 增加 LTE 上傳(Uplink)與下載(Downlink)的傳輸技術
2. 可變性的上傳與下載頻寬分別為 1.4Mhz、3.0Mhz、5Mhz、10Mhz、
15Mhz 和 20Mhz (表 2-1)。
3. LTE 可以支援在高速移動傳輸速度到 350km/h。
4. 更好的高度頻譜使用率(Uplink/ Downlink=2.1/0.9(bps/Hz/cell)) 5. LTE 可以與GSM/HSPA/WCDMA 四者同時存在並而是全 IP 的網路系統
2.2 LTE DRX 系統模型與架構
LTE 系統所採用的省電技術 DRX(Discontinuous Reception)，當沒有資料要接 收時,使用者端會自動關閉射頻模組一段時間以節省電力。
另一方面,在行動無線通訊需求量日益增加，可是 eNB 的頻寬資源卻是非常 有限,在有限的資源下希望有更好的傳輸技術、資源分配，如果沒有好的排程演 算法或者不採用非連續接收模式技術來分配和有效管理資源的運用,則會導致系 統資源缺乏和耗電量問題狀況發生，逕而影響了 LTE 整體在高速傳輸下效能。在 LTE 系統採用的省電技術 DRX 中可分為 RRC_Connected 和 RRC_Idle 兩種自動省電 模式，其中包含三個重要的參數調整設計:
DRX Inactivity Timer：當用戶端設備於一段時間沒收到任何資料，將開啟 DRX 週期，這段時間為 DRX 不活動定時器(Inactivity Timer)。
每當用戶端設備成功收到實體下鏈控制通道 PDCCH 資訊時，用戶
Opportunity for DRX：在此期間，用戶端設備會將射頻模組關閉，逕而達到省電效果，若有封包於此時傳輸，則須在此段時間過後才
依據無線電資源控制 (Radio Resource Control，RRC) 狀態將 DRX 分成兩種 模式(如圖 2-4 所示)，其一屬於淺眠，其二則屬於深睡模式。此兩種模式最大差 異在於睡眠時間長短，RRC_Connected 類目下 DRX 為「淺眠」，用戶端設備可 很快甦醒，因此後端封包核心網路毋須進行任何變更而保有該用戶之資料封包連 線；而在 RRC_Idle 目錄下的 DRX 則為「深睡」，由於用戶端設備長時間不使用 射頻傳送及接收資料，因此後端封包核心網路會將該用戶的所有資料封包連線清 除，僅保留部分控制連線。
(如圖 2-5 所示) DRX in RRC_Connected 目的讓 UE 在資料傳輸間隔過中當中 可以有效關閉 UE 端無線設備模組不但可以節省電量的消耗也可避免資料延遲問 題，DRX in RRC_Idle 當 UE 閒置一段時間沒有接收任何資料，eNB 為了有效管 理與節省資源，控制 RCC 分離 S1 與 NAS 的連結傳送，讓 UE 可以從 Connected 模式進入 Idle 模式，UE 在 Idle 模式下會不斷週期性監聽是否有資料要傳送與接 收，而在去決定是否要從 Idle 模式下轉換至 Connected 模式順利開始接收資料，
在 Idle 模式下可讓 UE 端設備可以深層的達到更省電效果。
圖 2-6、 在 LTE 標準下的 DRX 包含 RRC_Connected 及 RRC_Idle 兩種模式[30]
若演進型基地台(eNB，Evolved Node B)有分配無線端資源讓某個用戶端 設備收送控制訊息，則該用戶端設備就處於淺眠狀態。淺眠狀態下的 DRX 工 作機制，主要目的是讓用戶端設備在傳送資料的間隔中可以關閉射頻模組以 節省耗電量。其透過定時器與 DRX 週期結合的工作方式， eNB 與用戶端裝 置會保持相同的 DRX 設定，因此當有下行資料要傳送時，eNB 可準確地判斷 用戶端設備目前是否處於 DRX 及可接收資料的時間。
進入 DRX 方式有兩種，其一為用戶端設備自行進入 DRX。在淺眠中，當 用戶端設備於 Inactivity Timer 結束前沒收到任何資料就會進入 DRX 模式。其 二則是由 eNB 透過 RRC 控制訊息要求用戶端設備進入 DRX。而用戶端設備 離開 DRX 回到正常運作模式的時機有兩種，其一為在 DRX 週期的期間中正 確解讀 PDCCH 並判斷有下行資料要接收，另一則是用戶端設備有上行資料須 傳送。
當 UE 與 eNB 之間建立 RRC 連結之後就可交換控制訊息，此時 UE 便處 於 RRC_Connected 狀態，而該狀態下的 DRX 稱為主動式(Active) DRX，其特 點是 UE 在傳送資料的間隔中不連續的監控 PDCCH。例如在瀏覽網頁時，UE 在傳送資料的間隔可以關閉無線模組以節省電力，而後當 UE 發現有資料要接 收時則可迅速離開 Active DRX 以接收資料。Active DRX 所使用的基本單位為 子訊框，當用 UE 監控 PDCCH 一段時間後發現沒有接收資料的時間超過 Inactivity Timer，就會進入 DRX Cycle，並且啟動 On Duration 定時器。在 On Duration 定時器結束之前，UE 會持續監聽 PDCCH，若有封包要接收，UE 就 會離開 Active DRX 並重新設定 DRX Inactivity Timer；否則 UE 將啟動 Opportunity for DRX 定時器。在 Opportunity for DRX 這一段期間裡面，UE 不 會監聽 PDCCH(也就是說 UE 無法接受資料)，且 UE 在這段時間中可將 RF 模 組關閉以達到省電的效果。
圖 2-7、 DRX cycle 示意圖
Active mode DRX mode Active mode Duration，主要的差異是 Long DRX Cycle 有較長的 Opportunity for DRX 以達 到較高的省電程度，如果一開始就使用 Long DRX Cycle，這時如果有 eNB 有 資料要傳輸給使用者，這時會開始等待使用者 wake-up，反而會造成傳送的數 據封包遺失的機率會增加，使整體服務品質下降，所以在 DRX 系統啟動時都 會先使用 Short DRX Cycle，經過所設定連續 Short DRX Cycle 要事都沒有資料 接收，就換啟動 Long DRX Cycle 達到更好的省點效能。當使用 Short DRX Cycle 時，若目前的子訊框滿足以公式(1)，UE 就會開啟 On Duration 定時器以 監控 PDCCH。
[(SFN × 10) + subframe number]modulo(ShortDRX − Cycle)
= (drxStartOffset)modulo(shortDRX − Cycle) (1)
當使用 Long DRX Cycle 時，若目前的子訊框滿足公式(2)，UE 就會開啟
On Duration 定時器以監控 PDCCH。
[(SFN × 10) + subframe number]modulo(longDRX − Cycle)
= drxStartOffset (2)
接著當 PDCCH 指示 UE 有下行資料要接收時，UE 會重設 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) RTT 定時器，此動作代表若該資料接收失敗，相對 應的 HARQ 會在 HARQ RTT 定時器結束後才會發生，UE 即可利用這段時間 節省電力。
第三章 本論文提出之演算法
個計時器監聽 UE activity level，一個計時器計時連續 active DRX 的次數，另一個 計時器計時連續 silent DRX 的次數，當一個計時器達到設定門檻值時會延長或者大的 n 與較小的 m，反之亦然，如果可容忍較長的封包延遲，可以選擇數值較小 的 n 與較大的 m。
3.1.1 Adaptive Multi-Cycle DRX 演算法的狀態分佈機率分析
在 Adaptive Multi-Cycle DRX 演算法，DRX 的持續時間設定為 K(K 大於 2) 並依序變換，而非只有兩個不同的設定值(長和短)。因此 DRX 持續時間的決定受 DRX 活動與休眠週期監控。若 m 個 active DRX 週期連續發生，則 Adaptive Multi-Cycle DRX 演算法會減少目前 DRX 的時長，並啟動計時器。當計時器終止 或是連續的 DRX 休眠週期到達 n，則會增加 DRX 的時長至更高並且重新設定計
定 義 𝑃𝑟{DRX duration = 𝑑𝑘+1 | DRX duration = 𝑑𝑘, 𝑘 ∈ 0, 1, . . 𝐾 − 2} 為
pk,k+1，為單位步階轉移機率從狀態 k (DRX 的時長為 dk) 到狀態 k+1 (DRX 的時
長為 dk+1)。同樣的 pk,k-1, 𝑘 ∈ 1, 2, . . 𝐾 − 1，表示轉移機率從狀態 k+1 到狀態 k，
假定封包到達以 Poisson 程序 (期望值 λ)，封包間隔為指數分佈。在 Poisson 程序 中，x 封包在 t 個單位時間內到達機率。
𝑃𝑥(𝑡) = (𝜆𝑡)𝑥
𝑥! ∙ 𝑒−𝜆𝑡, for 𝑥 = 0, 1, 2, … …. ( 3 – 1 )
因此，在 t 個單位時間內沒有封包到達的機率為𝑃0(𝑡) = 𝑒−𝜆𝑡，因此我們可得 以下轉移機率公式:
𝑝𝑘,𝑘+1= (𝑒−𝜆𝑑𝑘)𝑛, for 𝑘 ∈ 0, 1, . . 𝐾 − 2 (3 − 2)
𝑝𝑘,𝑘−1 = (1 − 𝑒−𝜆𝑑𝑘)𝑚, for 𝑘 ∈ 1, 2, . . 𝐾 − 1 (3 − 3)
𝑝𝑘,𝑘 = {
1 − 𝑝𝑘,𝑘+1− 𝑝𝑘,𝑘−1, for 𝑘 ∈ 1, . . 𝐾 − 2 1 − 𝑝𝑘,𝑘+1, 𝑘 = 0
1 − 𝑝𝑘,𝑘−1, 𝑘 = 𝐾 − 1
(3 − 4)
式子(3 − 2)代表狀態 k(DRX 的時長為 dk)會轉變成狀態 k+1 (DRX 的時長為 dk+1)當 n 個休眠的 DRX 週期連續發生則機率為(e−λdk)n。而式子(3 − 3)說明狀 態 k 將轉換至狀態 k-1，如果連續 active 的 DRX 週期達到 m 個,則機率為 (1 − e−λdk)m。最後，式子(3 − 4)為當狀態 k 持續為目前狀態，並無轉換到狀態 k-1 或狀態 k+1 的機率。
假設 rk為使用者端在狀態 k 的穩定狀態機率，從此模型我們得到以下等式:
𝑟0∙ 𝑝0,1 = 𝑟1∙ 𝑝1,0, (3 − 5)
𝑟𝐾−2∙ 𝑝𝐾−2,𝐾−1 = 𝑟𝐾−1∙ 𝑝𝐾−1,𝐾−2, (3 − 6)
𝑘 ∈ 1, 2, … … 𝐾 − 2. (3 − 7)
等式(3 − 5)穩定狀態觀察值的平均數表示，到達率等於離開率。在等式(3-6) 中，左邊公式代表離開機率從狀態 k (k ∈ 1, 2, … … K − 2)到狀態 k-1 和 k+1 以及 右側公式表示到達率從狀態 k-1 和 k+1 到狀態 k。再加上以下的條件，
∑ 𝑟𝑘
𝐾−1
𝑘=0
= 1, (3 − 8)
可以求得使用者端在狀態 k(DRX 的時長為 dk)的穩態分佈機率。
3.1.2 省電效率、封包延遲以及封包遺失率分析 DRX 的時長 dk的省電效能表示如下
𝑝𝑐𝑘 =𝑜𝑛_𝑑𝑢𝑟𝑘
𝑑𝑘 , 𝑘 = 0, 1, 2, … 𝐾 − 1, (3 − 9)
𝑜𝑛_𝑑𝑢𝑟𝑘是 on-duration 期間對應於 DRX 的時長 dk，假定𝑜𝑛_𝑑𝑢𝑟𝑘為所有 DRX 時長的固定值𝑜𝑛_𝑑𝑢𝑟，而以 ARF 為基礎的 DRX 機制,省電效能期望值可被表示 如下所示：
𝑟𝑘 ∙ (𝑝𝑘,𝑘−1+ 𝑝𝑘,𝑘+1) = 𝑟𝑘−1 ∙ 𝑝𝑘−1,𝑘 + 𝑟𝑘+1∙ 𝑝𝑘+1,𝑘,
𝑝𝑐̅ = ∑ 𝑟𝑘 ∙ 𝑝𝑐𝑘 這些參數設定完成再經由 MATLAB 軟體代入 Markov Chains Model 進行模擬。一
開始先著重在 Power 效能部分,輸入參數[m , n]值經由 MATLAB 軟體模擬可得到
開始先著重在 Power 效能部分,輸入參數[m , n]值經由 MATLAB 軟體模擬可得到