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【摘 要】为了解决智能手机电池耗电过快的问题以及提升用户体验，通过分析智能手机“永远在线”业务的特点，提出了开启Cell_PCH状态、采用增强型Cell_FACH技术和网络侧控制的快速休眠技术这3种网络优化方案，以降低信令负荷，从而实现智能手机省电。经过在商用网络中进行测试验证，结果表明这3种网络优化方案可以有效地实现智能手机省电的目标。
【关键词】智能手机省电 永远在线 UMTS 网络优化 快速休眠技术
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.14.011 中图分类号：TN92 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）14-0052-04
引用格式：胡斌. 智能手机省电的UMTS网络优化方案研究[J]. 移动通信， 2016，40（14）： 52-55.
[Abstract] In order to solve the problem of fast power consumption of smartphone and improve user experience， the feature of “always on-line” service of smartphone was analyzed， three network optimization solutions were presented to reduce signaling loading and realize smartphone power saving： Cell_PCH state activation， enhanced Cell_FACH state activation， and network controlled fast dormancy technology. Tested and verified in the commercial network， results showed that the three solutions achieved the goal of smartphone power saving effectively.
[Key words]smartphone power saving always on-line UMTS network optimization fast dormancy
1 引言
随着智能手机的普及，移动互联网迅速融入到人们日常生活的各个方面，智能手机应用程序也从最初的电子邮件、网页浏览发展到即时消息、社交应用、视频点播和在线游戏等。丰富的智能手机应用程序不同于传统语音业务话务模型，会对传统的移动通讯网络产生影响。同时，智能手机耗电过快的问题也成为影响移动手机用户感知的瓶颈。
2 智能手机对网络的影响
2.1 智能手机应用特点
目前智能手机上流行的应用主要有：社交软件（如微信、QQ）、股票软件（如同花顺、大智慧）等，这些应用都属于“永远在线”类业务。“永远在线”类业务的特点是：客户端与应用服务器之间定期发送应用层控制消息，以便保持客户端与应用服务器之间的信息同步，并推送新的即时消息和股价等信息，这些应用层的控制消息称为“心跳消息”。“永远在线”类业务利用高频率和有规则的“心跳消息”，不断给网络传递有数据传输的信号，于是网络不断为其分配无线资源，即使在应用没有有效信息传送时也是如此。
“永远在线”类业务推送行为在iOS、Android操作系统智能手机上对网络资源的占用和用户体验截然不同。对于iOS平台，放置在后台的应用程序不会产生蜂窝数据流量，后台业务的心跳统一归并为苹果推送服务器心跳，可以认为业务是非激活状态；对于Android平台，后台多数业务存在单独心跳。iOS平台的心跳统一机制在很大程度上减少了用户在手机黑屏时产生的频繁网络连接和断开请求。Android和iOS智能手机黑屏后台行为对比如表1所示：
此外，连接公共网络的防火墙老化时间建议设置至少30分钟以上，避免当网络连接过早结束时重新连接产生大量的信令。
2.2 对网络的影响分析
为了支持“永远在线”类业务，3G移动通讯网络需要为每个用户分配或建立PS RAB（Packet Switched Radio Access Bearer，数据业务无线接入承载）承载以传递“心跳消息”，这样海量用户将同时拥有海量的PS RAB承载。“心跳消息”数据量通常小于1 KB，因此PS RAB承载信道在传送完成后，3G移动通讯网络为提高无线信道使用效率，通常会释放专用信道或进行信道类型转换，这样意味着将有周期性的PS RAB重建/释放过程。
大量的“永远在线”类业务将给网络带来成倍的信令负荷增长，根据欧洲某运营商3G商用网络的数据分析，在同一时期内数据流量增长了65%，信令流量增长高达177%，信令流量的增长量大约是数据流量的3倍。同时，由于智能手机的电量大量消耗在与网络的信令交互上，所以也缩短了智能手机的待机时间。
面对智能手机和“永远在线”类业务带来的挑战，如何降低信令负荷和节省智能手机电量成为改善用户感知需要解决的主要问题。
3 智能手机省电的UMTS网络优化方案
3.1 开启Cell_PCH状态
手机在网络中的运行模式包括空闲模式（Idle Mode）和连接模式（Connected Mode），其中连接模式共有4种状态：Cell_PCH、URA_PCH、Cell_FACH和Cell_DCH。当手机完成RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）连接建立后，从空闲模式转换到连接模式。当RRC连接释放后，手机从连接模式转换到空闲模式。手机RRC状态介绍和耗电量比较如表2所示：
如果网络未开启Cell_PCH态时，当手机在IDLE态发起数据连接请求到Cell_DCH态共需要30条信令，等待30条信令发送意味着每次新的数据连接建立时间为2秒，如图1所示：
但是如果网络开启Cell_PCH态，手机在Cell_PCH态发起大数据量传输请求到Cell_DCH态只需要12条信令，等待12条信令发送的时间仅需要0.5秒。如果手机在Cell_PCH态发起小数据量传输请求到Cell_FACH态仅需要3条信令，则所需的数据连接建立时间就更短，如图2所示：
与开启Cell_PCH态之前相比，开启Cell_PCH态可以明显减少手机与网络之间的信令交互消息数量，显著缩短新数据连接建立时间，同时手机保持在Cell_DCH态的时间也更短，可以节省手机电量的消耗。因此，为了降低信令负荷和节省手机电量，建议开启Cell_PCH态。
3.2 增强型Cell_FACH技术
Cell_FACH下行增强和Cell_FACH上行增强通过将HS-DSCH（High Speed Downlink Shared Channel，高速下行共享信道）、E-DCH（Enhanced Dedicated Channel，增强型专用信道）信道应用于Cell_FACH状态，提高了Cell_FACH状态下数据的传输速率。对于“永远在线”类业务的一些低速率数据传输需求，可以在Cell_FACH状态完成，手机无需转换到Cell_DCH状态，能够有效地降低手机的耗电以及提高网络的无线资源利用率。
3GPP在R7中引入了Cell_FACH下行增强，在R8中引入了Cell_FACH上行增强，旨在实现提高Cell_FACH状态下的数据速率、降低时延及手机耗电的目标。
3.3 网络侧控制的快速休眠技术
R7及以前版本的一些智能手机具有手机侧控制的快速休眠技术，这是手机厂家为了手机省电开发的私有协议。当手机与网络之间没有数据传输时，手机就发送SCRI（Signalling Connection Release Indication，信令连接释放指示）消息给网络，而网络随即发送释放消息给手机完成连接的释放。当需要有数据传输时，手机和网络重新建立连接，但是反复的建立和拆除连接给网络带来了很大的信令负荷。
在3GPP的R8版本中引入网络侧控制快速休眠（Fast Dormancy）技术，旨在考虑手机节电的同时减少反复建立和拆除连接，降低信令负荷。当手机与网络之间没有数据传输时，手机发送SCRI消息给网络，此时如果手机发送的SCRI中的原因值为“UE Requested PS Data session end”（手机终端请求数据业务会话结束）时，网络就指示手机将状态迁移至Cell_PCH、URA_PCH或Cell_FACH。
4 网络优化方案的验证
4.1 开启Cell_FACH和Cell_PCH状态
在某商用UMTS（Universal Mobile Telecommunica-
tions System，通用移动通信系统）无线网络中应用Cell_FACH和增强型Cell_FACH技术这2种网络优化方案，以验证网络优化方案对智能手机省电的效果。
在无线网络中选择无线信号良好的位置进行定点对比测试，RSCP（Received Signal Code Power，接收信号码功率）大于-70 dBm，Ec/Io大于-7 dB。使用iPhone 4S手机登录QQ后保持在线，无任何操作。分别在以下场景进行测试：
场景一：仅开启Cell_DCH态和IDLE态；
场景二：开启Cell_DCH态、Cell_FACH态和IDLE态；
场景三：开启Cell_DCH态、Cell_FACH态、Cell_PCH态和IDLE态。
从100%电量开始，每半个小时记录一次剩余手机电量的百分比，直到手机电量全部耗尽。三种场景的测试对比如图3所示，可以看到：场景三的手机电池使用时间最长，为11小时34分钟；场景二的手机电池使用时间为10小时3分钟；场景一的手机电池使用时间最短，只有8小时7分钟。
根据商用网络的实际测试结果可以看到：相比网络初始状态（默认必须开启的IDLE状态和Cell_DCH状态），如果同时开启Cell_PCH状态以及增强型Cell_FACH状态，可以显著提升智能手机的待机时间，提升比例约为43%；如果仅开启增强型Cell_FACH状态也能明显提升待机时间，提升比例约为24%。
4.2 使用网络侧控制的快速休眠技术
网络侧控制的快速休眠功能能够提高手机电池的使用时间，增强用户体验，并且手机状态迁移完全由网络侧控制，也可以避免手机侧控制的快速休眠功能自身释放连接导致网络侧不可控制而带来的信令风暴弊端。
在某商用UMTS网络开启网络侧控制的快速休眠技术后，RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）的信令处理板的平均CPU（Central Processing Unit，中央处理器）使用率降低了30%。同时，RRC连接建立尝试和PS RAB建立尝试的数量显著减少60%左右，手机待机时间增加20%以上。
5 结束语
针对智能手机耗电较快的问题，本文分析了智能手机“永远在线”类业务的特点以及对网络的影响，“永远在线”类业务会给网络带来大量的信令流量增长，同时智能手机的电量也会大量消耗在终端与网络之间的信令交互上，从而使智能手机的待机时间大大减少。通过从网络优化的角度研究如何降低“永远在线”类业务带来的信令负荷增加，减少智能手机与网络之间的信令交互次数，从而达到智能手机省电的目的。本文所提出的网络优化方案包括：一是开启Cell_PCH状态；二是采用增强型Cell_FACH技术；三是采用网络侧控制的快速休眠技术。这3种网络优化方案在商用UMTS网络中的实际应用效果表明可以大幅降低信令负荷，节省智能手机电量。
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