郭旭静，陈 虎

（1.湖南邮电职业技术学院 信息通信学院，湖南 长沙 410015；2.中国联通集团总部 企业服务部、福建联通云网BG 云网BU 云接入网格（兼），北京 100033）

随着第五代移动通信技术（Fifth-Generration，5G）的全面普及以及移动无线通信的数据流量不断增加，蜂窝网络将迎来巨大的压力。在频谱资源稀缺的环境下，移动通信网络将会存在非常大的问题。与此同时，如何降低设备的能耗以解决智能终端设备电池容量受限也是一个急需解决的问题［1-3］。新型的异构移动通信技术成为当前互联网通信领域学者研究的重点，设备到设备（Device to Device，D2D）通信技术是最具代表性的一种。其能满足短距离用户在不需要使用基站的前提下直接完成通信，具备资源利用率高、设备能耗低、网络负担少等特点，能够大幅度地提升网络性能［4-5］。D2D 通信的应用分为两种类型，D2D 接收端和发送端的通信及D2D 作为中继完成辅助数据传输，即D2D 辅助中继技术，它被应用于智能终端设备能够大幅度地提升网络性能，成本较低且分布简单。有研究指出，将基站中的非连续接收（Discontinuous Reception，DRX）引入到D2D的Sidelink 中能降低用户设备（User Equipment，UE）的能耗。但目前DRX 配置参数、控制机理等仍然存在较大的争议。研究提出高能效的D2D直通链路非连续性接收（Sidelink Discontinuous Reception，SL-DRX）方案，旨在为降低通信资源的能耗提供建设性的建议。

1 高能效的SL-DRX 方案构建

1.1 SL-DRX 作用机制和参数配置

用户到网络中继（UE-to-Network Relay）是最早由第三代合作伙伴计划（Thrid Generation Partnership Project，3GPP）提出的D2D 辅助中继技术，扮演中继角色的UE 命名为Relay UE，获取Relay UE辅助的UE为Remote UE。UE-to-Network Relay 框架下的通信流程主要为初始化Relay UE、中继的发现、Relay UE 的选取和连接。中继发现的类型为限制型和开放型，发现过程的模式分为两种，一种是Relay UE 和Remote UE 分别负责广播发现信息和监听，另一种是Relay UE和Remote UE 分别负责广播发现信息和发现信息并及时回复。D2D 链路和回程链路的信道容量的表达式为式（1）。

DRX 是一种结合唤醒模式和睡眠模式的周期性重复模式。DRX 的流程机制包括未接收到物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）且配置longDRX-CycleStartOffset、收到PDCCH且配置longDRX-CycleStartOffset、收 到DRX Command 且配置longDRX-CycleStartOffset。

图1（a）和图1（b）分别表示两种中继场景的示意图。下行链路（DownLink，Uu DL）是指Relay UE 和基站相互间的下行通信链路；上行链路（UpLink，Uu UL）是指Relay UE 和基站相互间的上行通信链路。单向中继场景中，Remote UE的数据上行传输通过Relay UE 实现，下行数据传输通过Uu 链路实现，Relay UE 和Remote UE 需满足在基站覆盖的范围内。双向中继场景，Remote UE 不能直接与基站进行通信，而是经Relay UE完成上行和下行传输数据。Relay UE 务必要在基站的覆盖区间，而Remote UE 有两种设置形式，覆盖区间内和外均可。Remote UE 具体是指智能眼镜、智能手表等可穿戴设备，它们的电池容量有一定的限制。一方面，Relay UE 需与多个Remote UE 连接并为Remote UE 的工作提供最基本的保障；另一方面，Relay UE 也会借助大量的能量处理自身负责的事物。

图1 两种中继场景示意图

SL-DRX 的基本机制为在D2D 连接UE 的前提下重新配置SL-DRX 周期，其由Opportunity for SL-DRX 和两个部分组成。On-Duration 可以理解为激活期，UE 能监听并接收物理直通链路控制信道（Physical Sidelink Control Channel，PSCCH）。Opportunity for SL-DRX 可视为休眠期。每个UE均分配两个SL-DRX 周期，包括长的SL-DRX 周期和短的SL-DRX 周期，两个周期具有各自的特点，共同点是激活期一致，差异为后者的休眠期更短［6-8］。需要注意的是，任何时刻UE 只能采用一种形式的周期。鉴于Remote UE 和Relay UE 没有链接的情况，Sidelink DRX 的支持并不是特别有用，SL-DRX 只需考虑Remote UE 和Relay UE 的连接状况。

配置参数如下，当Remote UE 或Relay UE 与基站建立无线资源控制层连接情况下，配置方式为SL-CommConfig 中 的MAC-MainConfigSL；Remote UE 依据Relay UE 完成配置。SL-DRX 的配置参数均可适用于y 两种场景，参数设置情况如表1 所示。Psf 表示PSCCH 的子帧。其中，SLDRX-ShortCycleTimer、SLDRX-InactivityTimer、SLDRX-onDuration Timeer 为三个定时器。三个定时器的终止条件均为计时器超时。SLShortDRXCycle 的起始条件为PSCCH-Counter 计时器超过阈值且SLDRX-InactivityTimer 超时。SLDRXInactivityTimer 的起始条件为监听到PSCCH。SLDRX-onDuration Timeer 的开始条件为UE 采用SLShortDRX-Cycle（Cycle1）且符合相应帧号要求，具体如式（2）所示。

表1 SL-DRX 的参数设置

式（1）中，SFN 和N1 分别表示系统帧号和子帧号。假如采用SLLongDRX-Cycle（Cycle2 ），也需要符合相应帧号要求，具体如式（3）所示。

1.2 高能效的SL-DRX 方案流程

配 置SL-DRX 在UE-to-Network Relay 两 种典型的单向中继和双向中继场景后，Relay UE 能间断性地监听源自Remote UE 的PSCCH 进而降低能耗，Remote UE 也能间断性地监听源自Relay UE 的PSCCH 进而降低能耗，D2D 通信场景中UE也会间断性地监听另一个UE 的PSCCH。研究将分为业务量小和业务量大两个方面考虑SLDRXInactivityTimer，针对业务量大的状态需制订两种SL-DRX 周期切换方案。Relay UE 监听Remote UE 的PSCCH 可分为能监听到和不能监听到两种情况。假如没有监听到Remote UE 的PSCCH，则进入休眠模式。假如能监听到Remote UE 的PSCCH，则需启动SLDRX-InactivityTimer 并在正常工作期间内完成解码，可分为解码成功和解码失败两种情况进行分析［9-11］。针对解码成功的情况，定时器没有监测到Remote UE 的PSCCH，则等待自动结束进程；定时器监测到Remote UE 的PSCCH，则立即开始SLDRX-InactivityTimer 运作。图1（a）所示如下，针对解码失败的现象，SLDRXInactivity Timer 超时导致第一个PSCCH 解码失败。第一个和第二个PSCCH 解码失败和解码成功的示意图如图2（b）所示。SLDRX-Inactivity Timer超时也会因为定时器的时间超过SL-DRX 当前的运行周期。

图2 解码失败的示意图

目前SLDRX-Inactivity Timer 超时的解决方案是切换到配置短的周期，研究依据业务量规模判断是否需要完成SL-DRX 的周期切换。当业务量大时，则需要进行周期切换，切换到SLShortDRX-Cycle，进而能够提升PSCCH 监听的时间。当业务量小时，则无需切换SL-DRX 的周期。研究增加一个PSCCH-Counter 计时器记录周期内监测到的PSCCH 次数，通过阈值评估业务量的大小。当PSCCH-Counter 计时器的数据低于阈值时，则评估业务量为小，满足初始条件的子帧则采用SLLongDRX-Cycl，不会采用SLShortDRXCycle。当PSCCH-Counter 计时器的数据超过阈值时，则评估业务量为大，此种情况有两个方案进行处理。

SL-DRX 方案一为采用SLDRX-ShortCycleTimer和SLShortDRX-Cycle。当下一个子帧满足初始条件时，则Relay UE 采用SLShortDRX-Cycle 并开始运作。假如碰到其超时的现象时，则需转化为SLLongDRX-Cycle。SL-DRX方案二为先采用SLShortDRX-Cycle，再根据要求判断是否需执行SLLongDRXIndicator。当下一个子帧满足初始条件时，Relay UE 采用SLShortDRX-Cycle，在Remote UE 业务量较少时，则将SLLongDRXIndicator 传递给Relay UE，Relay UE 会在再次碰到满足初始条件的子帧时转换到SLLongDRX-Cycle。SL-DRX Conmand MAC Control Element 的下发能依据业务量的数量转换方式，降低对PSCCH 的监听。研究提出三个指标分析SL-DRX 方案的性能，分别是发送失败导致发送端UE 消耗的能量、接收端UE的监听成功率、吞吐量［12-13］。设置仿真场景为单向中继场景，参考国家相应标准，依据SC10 相应的参数确定PSCCH 包的规模。参考标准TS 36.843功耗模型，确定如下所示参数和取值范围，UE 休眠阶段、UE 发送PSCCH、UE 监听PSCCH 三种阶段相应的功耗取值为0.01、1、1unit/subframe［14-15］。

2 仿真测试分析

首先分析不同PSCCH 发送概率下SL-DRX 方案的性能，结果如表2 所示。选取的策略分别用策略一和策略二表示，分别是切换成SLShortDRXCycle和仅使用SLLongDRX-Cycle，子帧数量为50000 个。随着PSCCH 发送概率的增加，发送失败导致的概率先逐渐增加后逐渐下降，方案A和方案B 的峰值分别为4863 unit 和10058 unit。发送失败导致的概率逐渐增大是因为每个周期内接收到的PSCCH 逐渐增大，因此失败产生的能耗会逐渐增加。但当失败产生的能耗达到一定值时，一个周期内会导致多次SLDRX-Inactivity Timer重新工作，这在一定程度会降低PSCCH 的失败率。所提出的长短周期切换能降低因发送失败产生的能耗，这是由于切换成方案A 后，相同时间内监听PSCCH 的时间增加会导致监听的效率增加，进而降低监听失败率，最终节省因发送端UE反复发送造成的能量损耗。

表2 不同PSCCH 发送概率下SL-DRX 方案的性能

对于监听PSCCH 的成功率来说，随着PSCCH发送概率的增加，监听的成功率将会逐渐增加，这是因为激活SLDRX-InactivityTimer 的频率增加，这将会导致监听的时间也呈现增长的趋势。当PSCCH 发送概率为100%时，此时监听可视为连续性的监听，监听的成功率高达100%。在相同时间内，所提出的周期切换方案能延长监听PSCCH的时间，进而使得接收端UE 监听成功率增加。对于吞吐量来说，随着PSCCH 发送概率的增加，吞吐量将会逐渐增加，这是因为每个周期内接收到PSCCH 的概率将会逐渐增加。当PSCCH 发送概率为100%时，吞吐量均高达3.62×104bps。所提出的周期切换方案能在相同时间延长监听PSCCH 的时间，进而使得吞吐量增加。

接着分析不同PSCCH 计数器阈值下方案的性能。仿真的子帧数量为60000 个。SL-DRX 方案一因发送产生的能耗、监听成功率、吞吐量分别如图3（a）、3（b）、3（c）所示。原始方案为采用策略2 的D2D 辅助中继方案。所提出方案一在三个评价指标方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 计数器阈值为1～8 时，两者的差距较大，而在阈值为9 时，两者几乎一致。SL-DRX 方案二因发送产生的能耗、监听成功率、吞吐量分别如图4（a）、4（b）、4（c）所示。所提出方案一在三个评价指标方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 计数器阈值为1～7 时，两者的差距较大，而在阈值为8 时，两者的性能差别并不大。

图3 不同PSCCH 计数器阈值下方案一的性能

图4 不同PSCCH 计数器阈值下方案二的性能

3 结论

针对目前D2D 辅助中继技术存在较大的网络负担等问题，研究在D2D 辅助中继的UE-to-Network Relay 场景下，提出了考虑业务量规模的高性能SL-DRX 方案，并给出了因发送产生能耗、监听成功率、吞吐量三个性能评价指标。长短周期切换结果验证，随着PSCCH 发送概率的增加，发送失败导致的概率先逐渐增加后逐渐下降，策略一和策略二的峰值分别为4863unit和10058unit。当PSCCH 发送概率为100%时，方案A 监听的成功率高达100%，吞吐量均高达3.62×104bps。所提出SL-DRX 方案一在三个评价指标方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 计数器阈值为1～8 时，两者的差距更为显著，而在阈值为9 时，两者具有相同的性能。所提出SL-DRX 方案二在三个评价指标方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 计数器阈值为1～7时，两者的差距较大，而在阈值为8 时，两者的性能差别并不大。研究所构建的方案能适用于D2D通信场景和UE-to-Network Relay 两种典型的单向中继和双向中继场景。受限于本人的时间和精力，研究未分析D2D 通信场景中一对多的情况，并进一步分析SL-DRX 方案的参数配置。