如何啟用NB－IoT和Cat－M的省電模式并評(píng)估預(yù)期能耗

提高物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備的電池壽命是低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN） 技術(shù)的主要目標(biāo)之一。因此，省電功能是蜂窩 LPWAN 技術(shù)、NB-IoT（Cat-NB1 和 Cat-NB2）和 Cat-M（LTE-M，亦稱 Cat M1）的重要組成部分。但是，這些功能是如何使用的，對(duì)電流消耗有怎樣的影響呢？

本文本著解答這些問(wèn)題為目標(biāo)，探討了省電功能的定義、定時(shí)器及其計(jì)算方法，以及啟用這些功能的命令。為了了解對(duì)能源消耗的影響，所有這些內(nèi)容都隨附了電流消耗曲線的可視化顯示。

NB-IoT 和 Cat-M 的省電模式

NB-IoT 和 Cat-M 技術(shù)有兩個(gè)基本的省電功能：省電模式 （PSM） 和擴(kuò)展型非連續(xù)接收 （eDRX）。

PSM 使設(shè)備能夠設(shè)置休眠和活動(dòng)定時(shí)器，并轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)：周期性跟蹤區(qū)更新 （TAU） （T3412） 和活動(dòng)時(shí)間 （T3324）（圖 1）。如果被網(wǎng)絡(luò)接受，網(wǎng)絡(luò)將在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)保留設(shè)備在系統(tǒng)中的注冊(cè)狀態(tài)，如果設(shè)備在這段時(shí)間內(nèi)被喚醒，則不需要再重新執(zhí)行連接程序（分離和重新連接程序能耗會(huì)很高）。在休眠間隔期間，無(wú)法訪問(wèn)設(shè)備，但由于存在定時(shí)器，網(wǎng)絡(luò)知道設(shè)備的下一次喚醒時(shí)間，以及它處于活動(dòng)狀態(tài)以接收尋呼消息的時(shí)長(zhǎng)。設(shè)備的深度休眠模式可以設(shè)置為長(zhǎng)達(dá) 14 天。

相較于目前 LTE 網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的常規(guī) DRX，eDRX 在時(shí)間方面得以延長(zhǎng)。eDRX 延長(zhǎng)了設(shè)備在活動(dòng)時(shí)間段內(nèi)不監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間。對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，在幾秒鐘或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法訪問(wèn)是可以接受的。這樣功耗得以降低，而與應(yīng)用 PSM 相比，設(shè)備仍可訪問(wèn)。所要做出的妥協(xié)是功耗降幅不如 PSM 大。eDRX 可通過(guò)定時(shí)器尋呼周期長(zhǎng)度 （PCL） 和尋呼時(shí)間窗 （PTW） 來(lái)配置（圖 1）。

在蜂窩模塊上設(shè)置 PSM 和 eDRX 定時(shí)器的命令在 3GPP 技術(shù)規(guī)范 TS 27.007 中進(jìn)行了定義，如下所示：

AT+CPSMS=［，，［， ［， ］］］

AT+CEDRXS=［［， ［， ］］］

PTW 是個(gè)例外。本文將介紹一個(gè)由 Thales 創(chuàng)建的 PTW 命令，該命令特定于 Thales 用作受測(cè)設(shè)備 （DUT） 的 Cinterion? 模塊：

AT^SEDRXS=［［， ［， ］［， ］］］

此外，還將引入所謂的掛起模式，這是 Thales 為 Cinterion 模塊提供的另一種專用省電功能，用于進(jìn)一步推動(dòng)模塊進(jìn)入最低能耗狀態(tài)。此命令只需設(shè)置一次。

AT^SCFG=“MEopMode/PowerMgmt/Suspend”，1

圖 1：省電功能、PSM 定時(shí)器（周期性 TAU 和活動(dòng)時(shí)間）和 eDRX 定時(shí)器（PCL 和 PTW）。（圖片來(lái)源： Thales）

設(shè)置

為了使低功耗模式可視化，使用了來(lái)自 Thales 的兩套不同 Cinterion 模塊以及來(lái)自 Qoitech 的 Otii 功率分析儀。

對(duì)于 PSM 定時(shí)器，使用了 Thales 的 DevKit ENS22-E，它已焊接到 NB-IoT 專用模塊上。使用全球通用 MNO SIM 卡在商用網(wǎng)（漫游）中完成了 NB-IoT 中的測(cè)量。

對(duì)于 eDRX 定時(shí)器，使用了 LGA DevKit 上的純 Cat-M 模塊 Cinterion? EMS31。由于測(cè)試所在地德國(guó)沒(méi)有 Cat-M 網(wǎng)絡(luò)，該模塊通過(guò)天線（而非有線）連接到 Amarisoft Cat-M 網(wǎng)絡(luò)仿真器。

Qoitech 的 Otii 是一款多功能功率分析儀，在本例中有三個(gè)目的：

· 用于可視化和功率曲線分析

· 用于控制無(wú)線電模塊（通過(guò) GPIO 引腳）

· 用于功率測(cè)量和 UART 日志同步（通過(guò) RX/TX 引腳和主電源）

布線如表 1 所示。

圖 2：測(cè)量設(shè)置：Thales 帶蜂窩模塊的 LGA 開發(fā)套件以及 Qoitech 的 Otii。（圖片來(lái)源： Thales）

表 1：用于圖 2 設(shè)置的引腳連接。

對(duì)于 PSM 測(cè)量，Cinterion ENS22-E NB-IoT 模塊（范圍 2.8 - 4.2 V）采用 3.6 V 供電（圖 3），以使結(jié)果與模塊硬件接口描述的額定電流消耗相當(dāng)。GPO 的數(shù)字電平需要設(shè)置為 3 V（圖 3）。

圖 3：Otii 項(xiàng)目 SUPPLY 設(shè)置。（圖片來(lái)源： Thales）

VUSB =》 +5 V - 需要此電源為 LGA DevKit 供電。注意！請(qǐng)勿另外通過(guò) USB 為 DevKit 供電。

因此，電路板左下方的 DevKit 開關(guān)設(shè)置為左側(cè) PWR – EXT 和右側(cè) ASC0 – RS232（圖 4）。

圖 4：DevKit 開關(guān)設(shè)置。（圖片來(lái)源： Thales）

根據(jù)測(cè)量設(shè)置，使用了 Otii 應(yīng)用程序中的 UART 命令行。該命令行需要在 Otii 項(xiàng)目設(shè)置的 LOGS 部分中啟用。

默認(rèn)情況下，串行接口 ASC0（RX0/TX0 布線）的傳輸速度為 115200 波特（圖 5）。

圖 5：Otii 項(xiàng)目 LOGS 設(shè)置。（圖片來(lái)源： Thales）

如何計(jì)算 PSM 定時(shí)器？

對(duì)于 PSM，使用 AT+CPSMS 命令來(lái)設(shè)置請(qǐng)求的周期性 TAU （T3412） 周期和請(qǐng)求的活動(dòng)時(shí)間 （T3324）。該值需要以 8 位二進(jìn)制格式輸入，其中前 3 位表示 5 位二進(jìn)制數(shù)的基礎(chǔ)乘數(shù)。這是 3GPP 中的規(guī)定，可在以下規(guī)范中找到：TS 24.008（圖 6）。

圖 6：3GPP TS 24.008 中的周期性 TAU 和活動(dòng)時(shí)間計(jì)算。（圖片來(lái)源： Thales）

作為應(yīng)用示例，該模塊將被配置為每 7 分鐘向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一次跟蹤區(qū)更新消息。這意味著周期性 TAU 將被設(shè)置為 7 分鐘或 420 秒。

對(duì)于 7 分鐘，可以使用 1 分鐘 （101） 乘數(shù)與值 7 （00111） 或 30 秒 （100） 乘數(shù)與二進(jìn)制值 14 （01110）（圖 6）。

活動(dòng)時(shí)間設(shè)置方法相同，但基礎(chǔ)值不同。例如，10 秒活動(dòng)時(shí)間將使用值 000 作為 2 秒基礎(chǔ)乘數(shù)和 00101（等于 5），因此命令為：

at+cpsms=1，，，10001110，00000101

如何設(shè)置 PSM 定時(shí)器？

啟用 Devkit 電源（5 V，見(jiàn)圖 7）和模塊電源（3.6 V，見(jiàn)圖 7）后，通過(guò)將 GPO2（圖 7）打開約 2 秒，然后再關(guān)閉來(lái)開始啟動(dòng)該模擬。

圖 7：Otii 電源開關(guān)。（圖片來(lái)源： Thales）

該模塊啟動(dòng)后將在 UART 日志中使用以下 URC（非請(qǐng)求結(jié)果碼）來(lái)指示這一點(diǎn)：

sHI2115-ssb-codeloaderlesHI2115-codeloader&e

^SYSSTART

現(xiàn)在可以將 AT 命令傳遞給模塊，以便 1） 啟用掛起模式，2） 啟用注冊(cè)狀態(tài)顯示，以及 3） 檢查并設(shè)置 PSM 定時(shí)器：

如前所述，Thales 專用省電功能只需發(fā)送一次配置命令即可啟用。此設(shè)置為非易失性設(shè)置，會(huì)一直保持到更改為止。

at^scfg=“MEOpMode/PowerMgmt/Suspend”，“1”

^SCFG： “MEOpMode/PowerMgmt/Suspend”，“1”

OK

+CIEV： suspendAvailable，1

該模塊將通過(guò) +CIEV URC 來(lái)通知掛起功能現(xiàn)已可用。如果已啟用掛起，則不會(huì)有 suspendAvailable URC。

在發(fā)送“at+cereg=5”之后，該模塊將通過(guò) URC 通知用戶模塊注冊(cè)狀態(tài)的變化。此設(shè)置是易失性設(shè)置，在重啟后必須重新設(shè)置。在模塊已注冊(cè)的情況下，它可能只回復(fù) OK。在這種情況下，可以通過(guò)發(fā)送“at+cereg？”來(lái)請(qǐng)求狀態(tài)。

副本

at+cereg=5

OK

at+cereg？

+CEREG： 5，5，C9F9，00323333，9，，，00001111，10100111

| | | | | |_Periodic-TAU（T3412）： 10m

| | | | |__________Active-Time （T3324）： 30s

| | | |_________________Act:E-UTRAN（NB-S1 mode）

| | |________________________CI - cell ID

| |_____________________________TAC - Tracking Area Code

|_________________________________stat:5 registered roaming

在上面的例子中，模塊在漫游模式下注冊(cè)，并顯示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前配置的 PSM 值（每 10 分鐘 TAU 一次，活動(dòng)時(shí)間為 30 秒）。

現(xiàn)在，可以通過(guò)“at+cpsms”命令設(shè)置請(qǐng)求的值。此命令將觸發(fā)模塊向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送 TAU（跟蹤區(qū)更新）消息。在來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的回復(fù)消息（跟蹤區(qū)更新接受）中，模塊將接收必須執(zhí)行的值。換句話說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)決定采取哪些值。這些值有希望與請(qǐng)求的值相同，但這并不能保證。這取決于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，以及他們是允許請(qǐng)求的值，還是用他們的值（有時(shí)是固定的）替代這些值。

副本

at+cpsms=1，，，10001110，00000101

OK

at+cereg？

+CEREG： 5，5，C9F9，00323333，9，，，00001111，10010100

| | | | | |_Periodic-TAU（T3412）： 7m

| | | | |__________Active-Time （T3324）： 30s

| | | |_________________Act:E-UTRAN（NB-S1 mode）

| | |________________________CI - cell ID

| |_____________________________TAC - Tracking Area Code

|_________________________________stat:5 registered roaming

+CIEV： suspendReady，0

+CIEV： suspendReady，1

該模塊將使用 suspendReady URC 來(lái)指示何時(shí)可以進(jìn)入掛起模式。一旦收到“suspendReady，1”的指示，就可以通過(guò)設(shè)置 RTS0（即 GPO1，圖 7）使模塊進(jìn)入掛起模式 5 秒（5 秒是默認(rèn)值，也可以更改，請(qǐng)參見(jiàn)模塊 AT 規(guī)范文件）。

PSM 定時(shí)器對(duì)能耗有什么影響？

作為參考測(cè)量，圖 8 顯示了默認(rèn)模式（未啟用 PSM、eDRX 或掛起模式）下 Cinterion ENS22-E NB-IoT 的電流曲線。

圖 8：未啟用任何省電模式的參考測(cè)量電流消耗曲線。（圖片來(lái)源： Thales）

標(biāo)記區(qū)域的預(yù)期平均電流消耗約為 16 mA。

啟用 PSM 定時(shí)器后（本例中周期性 TAU 為 7 分鐘，活動(dòng)時(shí)間為 10 秒），且網(wǎng)絡(luò)已接受這些定時(shí)器的情況下，電流消耗降至平均 13 mA（圖 9）。

請(qǐng)注意，網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)忽略 PSM 定時(shí)器的請(qǐng)求，而建議使用其他定時(shí)器。不同的 MNO 和不同的網(wǎng)絡(luò)通常具有迥然不同的允許定時(shí)器集，因此在部署物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之前需要了解這一點(diǎn)。

圖 9：?jiǎn)⒂?PSM 時(shí)的電流消耗曲線。（圖片來(lái)源： Thales）

如果設(shè)置了掛起模式，該模塊將指示它準(zhǔn)備好使用 URC（未經(jīng)請(qǐng)求的結(jié)果代碼）掛起。切換 RTS 信號(hào)后，本例為在 Otii 中設(shè)置為 GPO1（圖 7）后，模塊進(jìn)入掛起模式，平均電流消耗約為 3 μA（圖 10）。

圖 10：?jiǎn)⒂脪炱鹉Ｊ綍r(shí)的電流消耗曲線。（圖片來(lái)源： Thales）

如何計(jì)算 eDRX 定時(shí)器？

在設(shè)置 eDRX 的定時(shí)器值時(shí)，所用的計(jì)算方式非常簡(jiǎn)單。有的定時(shí)器適用于每一種無(wú)線接入技術(shù)，如圖 11 中的表所示。

圖 11：3GPP TS 24.008 中的 eDRX 定時(shí)器定義。（圖片來(lái)源： Thales）

如何設(shè)置 eDRX 定時(shí)器？

使用 eDRX 的影響可以在 LGA DevKit 上通過(guò) Cinterion EMS31 純 Cat-M 模塊來(lái)演示。該 LTE-M 模塊的供電電壓范圍為 3.2 - 5.5 V。Otii 將為其提供 3.8 V 的電源。在 Otii 應(yīng)用程序的項(xiàng)目設(shè)置中，必須調(diào)整主電壓（圖 3）。

模塊啟動(dòng)后，如 ^SYSSTART URC 所示，需要增加 PSM 定時(shí)器，使其具有更長(zhǎng)的活動(dòng)期（5 分鐘），以便更好地看到 eDRX 的影響 ［（設(shè)置 at+cpsms=1，，，00000110，00100101）、禁用 eDRX （at+cedrxs=0） 并通過(guò) at+cereg=4 啟用注冊(cè)狀態(tài)顯示］。

副本

^SYSSTART

+CIEV： prov，1，sbmjp

at+cedrxs=0

OK

at+cpsms=1，，，00000110，00100101

OK

at+cereg=4

OK

要核實(shí) eDRX 是否已按請(qǐng)求禁用，請(qǐng)使用 at+cedrxrdp 命令讀取當(dāng)前的動(dòng)態(tài) eDRX 參數(shù)。

副本

at+cedrxrdp

+CEDRXRDP： 0

模塊注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)后，即應(yīng)收到相關(guān)的 URC，其中顯示具有 5 分鐘活動(dòng)時(shí)間的注冊(cè)狀態(tài)。

副本

+CEREG： 1，“0001”，“01A2D004”，7，，，“00100101”，“00000110”

| |_TAU（T3412）： 60min

|_____Active-Time（T3324）： 5min

使用 Otii 應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在活動(dòng)時(shí)間內(nèi)每 1.25 ms 就可以看到連續(xù)無(wú)線電監(jiān)聽器峰值，如圖 10 中 1 分鐘時(shí)間戳附近區(qū)域所示。

現(xiàn)在，使用 3GPP 命令 at+cedrxs 或使用 Thales 特定命令 at^sedrxs 發(fā)送啟用 eDRX 的命令。3GPP 命令的缺點(diǎn)是無(wú)法設(shè)置尋呼時(shí)間窗 （PTW），而在 Thales Cinterion 模塊上實(shí)現(xiàn)的專用 AT 命令則可以。

根據(jù)圖 10 中的表格，Cat-M 中的 eDRX 值被設(shè)置為 20.48 秒（“0010”），尋呼時(shí)間窗為 5.12 秒（“0011”）。

副本

at^sedrxs=2，4，0010，0011

OK

+CEDRXP： 4，“0010”，“0010”，“0011”

該模塊將通過(guò) +CEDRXP URC 通知用戶 eDRX 值的變化，其中會(huì)顯示所請(qǐng)求的 eDRX （PCL） 值“0010”、從網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置且也必須從模塊中使用的值 ［第 2 個(gè)“0010”］）和 PTW（“0011”）。

該模塊需要一些時(shí)間來(lái)適應(yīng)更改后的周期，并且最終將顯示 eDRX 行為，如圖 12 所示。

eDRX 定時(shí)器對(duì)能耗有什么影響？

eDRX 定時(shí)器僅在活動(dòng)階段有影響。配置的活動(dòng)期越短，eDRX 的影響就越低。

eDRX 適用于需要長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)時(shí)間間隔甚至是全程不訪問(wèn)的設(shè)備。在此時(shí)間內(nèi)，設(shè)備的接收器部分將僅在特定的時(shí)間間隔 （PTW） 內(nèi)啟用，每個(gè) eDRX（PCL） 周期會(huì)重復(fù)該時(shí)間間隔。由于設(shè)置了定時(shí)器，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)知道設(shè)備將在哪些時(shí)間幀中監(jiān)聽尋呼，并且將僅在該時(shí)間幀期間發(fā)送針對(duì)該設(shè)備的尋呼。這也將節(jié)省網(wǎng)絡(luò) （eNodeB） 端的資源。

默認(rèn)設(shè)置為 PTW，設(shè)置為 5 秒，不啟用 eDRX（圖 12）。啟用 eDRX 后，平均電流消耗從 3 mA 降至 2 mA。

圖 12：尋呼時(shí)間窗設(shè)置為 5 秒作為參考，不啟用 eDRX；右側(cè)為相同的 PWT，但啟用了 eDRX。（圖片來(lái)源： Thales）

總結(jié)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用例和可用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不同，可以使用不同的省電功能來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命。

使用 PSM，可以為設(shè)備設(shè)置長(zhǎng)達(dá) 14 天的深度休眠模式。

設(shè)備會(huì)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔定期喚醒，連接至網(wǎng)絡(luò)，并可以選擇發(fā)送數(shù)據(jù)。在進(jìn)入連接狀態(tài)之后一小段時(shí)間，設(shè)備將處于活動(dòng)但空閑的狀態(tài)，并在該活動(dòng)時(shí)間內(nèi)偵聽傳入的數(shù)據(jù)。在這段活動(dòng)時(shí)間內(nèi)，可以使用 eDRX 配置設(shè)備啟用其接收器的時(shí)隙。

所有的設(shè)置都配合網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成。網(wǎng)絡(luò)始終知道設(shè)備能夠接收數(shù)據(jù)的時(shí)間和時(shí)長(zhǎng)。

采用 Cat-M 技術(shù)的設(shè)備將比 NB-IoT 設(shè)備需要更多的電能。設(shè)備休眠的時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)省的電能就越多。設(shè)備偵聽傳入數(shù)據(jù)的時(shí)隙越短越少，其能耗就越優(yōu)化。

因此，在最佳情況下，設(shè)置最大 PSM 和最小活動(dòng)時(shí)間并且只有一個(gè)監(jiān)聽峰值（PTW 最?。r(shí)，NB-IoT 設(shè)備最省電。