物聯(lián)網(wǎng)低功耗技術(shù)研究與實(shí)踐

0 引 言

得益于移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)科技已從人與人的聯(lián)接，發(fā)展到人與物、物與物的連接，邁向萬物互聯(lián)階段。物聯(lián)網(wǎng)世界存在海量的傳感類、控制類連接需求，且這些需求具有共同的特征要求，即強(qiáng)覆蓋、小功耗、低成本、大連接、低速率。現(xiàn)有 3G/4G 技術(shù)從成本、功耗等方面來看均無法滿足需求 ；目前 2G 雖然已在承擔(dān)部分對(duì)功耗要求相對(duì)不高的業(yè)務(wù)，但明顯還有大量需求無法得到滿足，且非長期發(fā)展的優(yōu)選方案。由此形成了基于 FDD LTE 技術(shù)的 NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1 NB-IoT 關(guān)鍵技術(shù)及特性

NB-IoT 技術(shù)基于 FDD-LTE 技術(shù)，對(duì)物理層等進(jìn)行了改造，具有如下特性 ：

（1）窄帶 180 kHz，終端單天線（不支持雙流），半雙工 ；

（2）下行與 LTE 相同，OFDMA、子載波間隔 15 Hz ；

（3）上行 SC-FDMA，含 Single-tone 和 Multi-tone 兩種

配置 ；

（4）物理層信道重新設(shè)計(jì)；

（5）強(qiáng)覆蓋 ：功率譜密度提升 + 重復(fù)傳輸 ；

（6）低成本 ：窄帶、單天線、半雙工、協(xié)議棧簡化 ；

（7）大容量：窄帶、低占空比業(yè)務(wù)模型、小數(shù)據(jù)包傳輸優(yōu)化；

（8）低速度 ：控制面優(yōu)化、小數(shù)據(jù)包通過 NAS 傳輸，減少窗口指令 ；

（9）低功耗 ：PSM（Power Saving Mode，PSM），eDRX（Extended DRX，eDRX），長 TAU，空口傳輸優(yōu)化，減少測(cè)量。

在 NB-IoT 五大特性中，用戶提出最多的要求是低功耗，如智能抄表、環(huán)境監(jiān)測(cè)終端等。用戶希望安裝一次可長時(shí)間使用（使用時(shí)間超 10 年），無需更換電池。因此 NB-IoT 的功耗也是我們必須考慮的要素之一。

2 NB-IoT 產(chǎn)品節(jié)電技術(shù)

對(duì)于 NB-IoT 產(chǎn)品而言，功耗可分為物聯(lián)網(wǎng)控制器或傳感器功耗，無線傳輸模塊（NB-IoT 模塊）功耗?？刂破骰騻鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)（控制或收集數(shù)據(jù)）的平均電流約 10 mA，休眠時(shí)電流為微安級(jí)。NB-IoT 模塊功耗如下：

（1）附著或 TAU 功耗 ：模塊從上電到與基站成功聯(lián)網(wǎng)過程中的功耗。該過程與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境關(guān)聯(lián)較大，如信號(hào)強(qiáng)度、NPRACH 功率控制策略等 ；

（2）RRC-Connection 功耗 ：UE 與 eNodeB 進(jìn)行信令交互，UE 的基帶、射頻單元都處于激活狀態(tài)，平均電流較大，目前市場(chǎng)上的芯片根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置的不同，其平均電流在 10 ～50 mA 之間 ；

（3）上下行業(yè)務(wù)功耗 ：上下行發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小，持續(xù)時(shí)間短 ；

（4）休眠 ：NB-IoT 產(chǎn)品并非持續(xù)工作，無業(yè)務(wù)時(shí)會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，休眠方式多樣，但總體要求平均電流越小越好。

針對(duì)模塊的工作特性，NB-IoT 從物理層進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了多種節(jié)電技術(shù)。主要采用以下技術(shù)方案 ：

（1）DRX

通信系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的 DRX（Discontinuous Reception，DRX）可以保證終端在非工作狀態(tài)時(shí)功耗較低，但同時(shí)又與網(wǎng)絡(luò)保持一定的聯(lián)系和同步，DRX 包含 IDLE DRX 和Connected DRX。處于 IDLE 模式下的終端使用 DRX 方式監(jiān)聽尋呼消息，尋呼消息（paging）的周期與 DRX 周期完全耦合。處于 IDLE 時(shí)，終端收發(fā)信機(jī)關(guān)閉。DRX 波形如圖 1 所示。

DRX 周期在網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)計(jì)有多種，分別為 1.28 s，2.56 s，

5.12 s，10.24 s，20.48 s 等。隨著 DRX 周期的延長，相應(yīng)的平均電流大幅下降，周期為 20.48 s 的 IDLE DRX 平均電流相比周期為 1.28 s 的下降 69.8%。不同 DRX 周期的平均電流如圖 2 所示。

（2）PSM

為了更加節(jié)電，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，NB 增加了一個(gè)更低功耗狀態(tài)——PSM（Power Saving Mode，PSM）。在該狀態(tài)下，終端關(guān)閉射頻模組、AP，只保留一個(gè)心跳電路（定時(shí)器），相當(dāng)于終端處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，但核心網(wǎng)側(cè)保留用戶上下文，用戶進(jìn)入空閑 / 連接態(tài)時(shí)，無須再附著 /PDN。進(jìn)入 PSM 模式后，設(shè)備仍然注冊(cè)在網(wǎng)，但不接收尋呼消息，所以下行業(yè)務(wù)不可達(dá)，需等 TAU 定時(shí)器（Extended T3412）超時(shí)后才可行。下行數(shù)據(jù)需要緩存并延遲觸發(fā)尋呼。上行業(yè)務(wù)可正常喚醒終端（個(gè)別廠商不支持），發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。PSM 原理如圖3所示。

（3）eDRX（Extended DRX）

在 DRX 中，最大尋呼周期為 20.48 s，平均電流 1.2 mA，對(duì)終端的電量消耗較大。所以在 Rel-13 中新增 eDRX，支持更長周期尋呼監(jiān)聽，達(dá)到節(jié)電目的。在 eDRX 狀態(tài)中，設(shè)置PTW 窗口，在此窗口監(jiān)聽尋呼消息，此窗口外，終端跳過尋呼監(jiān)聽，達(dá)到省電目的。eDRX 原理如圖 4 所示。

eDRX 周期分為 16 種， 有 10 種適用于 NB-IoT 終端，最長周期可達(dá) 2.91 h。長周期相比短周期省電約 50%。不同eDRX 周期平均電流如圖 5 所示。eDRX 相對(duì) PSM 節(jié)電效果稍差，但 eDRX 可大幅度提升下行數(shù)據(jù)的可到達(dá)性（在 PTW窗口內(nèi)）。

引用某芯片數(shù)據(jù)說明 NB-IoT 各狀態(tài)省電效果（信號(hào)強(qiáng)度 -90 dB），見表 1 所列。

3 NB-IoT 低功耗節(jié)電技術(shù)應(yīng)用

包含 eDRX，PSM 等節(jié)電技術(shù)的 NB-IoT 亦有缺點(diǎn)，但通過對(duì) DRX，eDRX，PSM 進(jìn)行應(yīng)用或組合應(yīng)用，可適配各種不同的場(chǎng)景。具體應(yīng)用的配置需要綜合分析應(yīng)用場(chǎng)景的話務(wù)模型、覆蓋及可靠性等，找到一種合理的配置，使節(jié)電效果達(dá)到最優(yōu)。不同分類應(yīng)用的分析見表 2 所列。

分析各種應(yīng)用場(chǎng)景，其業(yè)務(wù)類型分為如下兩類 ：

（1）周期性業(yè)務(wù)，可細(xì)分為長周期與短周期。智能水表、環(huán)境監(jiān)測(cè)等可定義為長周期 ；物流跟蹤、寵物跟蹤等屬于短周期。

（2）隨機(jī)性業(yè)務(wù)（主要指下行業(yè)務(wù)），如共享單車、智能停車。周期性業(yè)務(wù)可明確業(yè)務(wù)周期，知道何時(shí)進(jìn)行下行業(yè)務(wù)或上行業(yè)務(wù)，所以對(duì) PSM，eDRX 可明確配置，保證下行業(yè)務(wù)的可到達(dá)性。PSM 的 TAU 定時(shí)或 eDRX 周期可根據(jù)業(yè)務(wù)的周期長短靈活配置 ；隨機(jī)性業(yè)務(wù)與下行業(yè)務(wù)由于其隨機(jī)性，導(dǎo)致PSM 無法適應(yīng)其業(yè)務(wù)場(chǎng)景（eDRX 短周期和 DRX 可適應(yīng)隨機(jī)業(yè)務(wù)場(chǎng)景）。

3.1 周期性業(yè)務(wù)場(chǎng)景

eDRX，PSM 適用于長周期業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)周期可知，使用合適的參數(shù)與 eDRX 周期或 PSM 的 TAU 定時(shí)器適配。但 PSM更適合超長周期的應(yīng)用，如周期在一天以上。但有特例，根 據(jù) PSM 原理，一些終端廠家甚至完全放棄與網(wǎng)絡(luò)配合，直接對(duì) NB-IoT 模塊進(jìn)行上電和掉電操作，節(jié)省了 PSM 部分電量。 表 3 所列為對(duì)某智能水表在不同網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度下計(jì)算的使用年限，電池為 8 000 mAh，同時(shí)還考慮了電池的自放電率、單片機(jī)功耗等因素。

對(duì)比開關(guān)模式與 PSM 模式，除 PSM 電量外，開關(guān)模式將 RRC-Connected，IDLE DRX 的電量節(jié)省了下來。做業(yè)務(wù)時(shí)，單片機(jī)給 NB-IoT 模塊上電 - 附著 - 聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，完成后立刻掉電，休眠時(shí)的電流約 0.03 mA。圖 6 所示為某水表實(shí)際業(yè)務(wù)功耗監(jiān)測(cè)圖。

3.2 隨機(jī)性業(yè)務(wù)場(chǎng)景

隨機(jī)性業(yè)務(wù)場(chǎng)景主要指下行業(yè)務(wù)的隨機(jī)性。由于上行業(yè)務(wù)可隨時(shí)激活終端進(jìn)行上行傳輸，所以上行業(yè)務(wù)的隨機(jī)性無實(shí)際意義。終端與網(wǎng)絡(luò)協(xié)商的參數(shù)配置必須保證下行業(yè)務(wù)的可到達(dá)性。雖然業(yè)務(wù)具有隨機(jī)性，但也有一定的統(tǒng)計(jì)概率可循。

如共享單車，用戶掃碼后，約 10 s 解鎖屬于用戶可接受范圍，如果解鎖時(shí)間超過 1 min，則用戶可能認(rèn)為出現(xiàn)故障而放棄，一旦用戶放棄后單車解鎖，會(huì)造成用戶和企業(yè)的損失，所以不適合配置 PSM。IDLE DRX 或 eDRX 周期配置不能超過10 s。因此終端使用年限不比智能水表，一塊電池可用10 年以上，經(jīng)計(jì)算，8 000 mAh 電池只能使用約 0.5 年。

4 NB-IoT 產(chǎn)品功耗影響因素

對(duì)于同一款 NB-IoT 產(chǎn)品，用戶反饋使用時(shí)間差別較大。綜合分析，主要基于以下幾方面原因 ：

（1）網(wǎng)絡(luò)配置原因：在網(wǎng)絡(luò)配置中，尋呼周期、重傳次數(shù)、跟蹤區(qū)更新定時(shí)器、MME上下文刪除定時(shí)器等都對(duì)功耗有明顯的影響。特別是跟蹤區(qū)更新定時(shí)器、MME上下文刪除定時(shí)器兩參數(shù)，定時(shí)器超時(shí)會(huì)使終端重新附著 /PDN 建立，功耗甚至超過一次業(yè)務(wù)所用的功耗。

（2）各小區(qū)配置參數(shù)中基站優(yōu)先或 UE 優(yōu)先是不同小區(qū)功耗嚴(yán)重不同的最主要影響因素，也是對(duì) NB-IoT 產(chǎn)品業(yè)務(wù)可靠性產(chǎn)生影響的主要因素?；緝?yōu)先配置是強(qiáng)制 NB-IoT 產(chǎn)品的節(jié)電技術(shù)按照基站的要求配置，其模式可能完全不符合NB-IoT 產(chǎn)品需求中的業(yè)務(wù)模式。

（3）產(chǎn)品所處環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)功耗有較大的影響。信號(hào)強(qiáng)度差，重傳次數(shù)增加。經(jīng)實(shí)際測(cè)試計(jì)算，信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）在 -125 dB 時(shí)，相對(duì)比較強(qiáng)的信號(hào)其使用時(shí)間將減少25%，圖 7 所示為各信號(hào)強(qiáng)度下某水表（電池 8 000 mAh）的使用年限。

（4）NB-IoT 產(chǎn)品 MCU 控制板對(duì)功耗的影響。NB-IoT 產(chǎn)品 MCU 與 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，屬于客戶電路板，其工作電流和休眠電流是 NB-IoT 產(chǎn)品的主要功耗，約占據(jù)整體功耗的 2/3。

上文主要從 NB-IoT 產(chǎn)品本身的節(jié)電技術(shù)方面進(jìn)行分析，闡述了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)功耗的影響。但部分網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置并不屬于節(jié)電策略，恰好與 NB 模塊的低功耗設(shè)計(jì)策略關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致功耗出現(xiàn)大幅變化，如 NPDCCH（窄帶物理下行控制信道）周期 T 配置的影響。

NPDCCH 的周期 T=USS 重復(fù)次數(shù)（Rmax）×USS 開始子幀（G）

在芯片廠家的設(shè)計(jì)中，會(huì)引入一些低功耗設(shè)計(jì)，如規(guī)定芯片中的單元電路出現(xiàn)一定時(shí)長的空閑時(shí)間時(shí)，此單元就會(huì)關(guān)閉。Rmax，G 有多種取值，可形成不同的組合，這些組合使得在一個(gè) NPDCCH 周期 T 內(nèi)出現(xiàn)不同的空閑時(shí)間，如果空閑時(shí)間大于芯片設(shè)計(jì)的低功耗策略時(shí)間，芯片會(huì)關(guān)閉射頻單元，反之，射頻單元不關(guān)閉。對(duì)比圖 8 所示的 NPDCCH 不同周期配置RRC-Connected 電流圖可知，在 32 ms 周期的前提下，由于1×32 只需監(jiān)聽（Rmax）1 次，因此出現(xiàn)了較多空閑時(shí)間，所以射頻單元關(guān)閉，形成如圖所示方波，平均電流為 33 mA（國產(chǎn)芯片為 12 mA）。而 16×2 需要監(jiān)聽 16 次，空閑時(shí)間較少，所以射頻單元不關(guān)閉，形成如圖所示直線，電流為 48 mA。同樣，不同周期也會(huì)由于 G 的取值不同，導(dǎo)致周期空閑時(shí)間不同，影響射頻單元關(guān)閉。

5 結(jié) 語

通過對(duì) NB-IoT 低功耗技術(shù)的分析和應(yīng)用，可以看到低功耗是 NB-IoT 的重要特性，在 3GPP 協(xié)議中雖設(shè)計(jì)了眾多節(jié)電技術(shù)，如 PSM，eDRX 等，但節(jié)電技術(shù)的應(yīng)用需要配合具體的物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品需求與應(yīng)用場(chǎng)景，需要考慮網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置和覆蓋等級(jí)與用戶電路板（MCU）的功耗等。隨著技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見在不久的將來，我們將處于低功耗 NB-IoT 產(chǎn)品的包圍中。