NB-IoT模組低功耗研究

何成林，王文超，丁芹，李洋，曹艷艷，劉立森

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)終端有限公司，北京 100053；2.中國移動(dòng)智能硬件創(chuàng)新中心，廣東 深圳 518000；3.中國移動(dòng)通信集團(tuán)北京有限公司，北京 100007）

1 引言

NB-IoT技術(shù)具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居、智慧城市、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)行業(yè)得到了快速應(yīng)用。據(jù)GSMA統(tǒng)計(jì)，截至2018年7月全球32家運(yùn)營(yíng)商已在29個(gè)國家和地區(qū)部署46個(gè)NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)[1]。我國積極推動(dòng)NB-IoT商用，根據(jù)工信部2017年6月6日發(fā)布的《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》，到2017年末實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋直轄市、省會(huì)城市等主要城市，實(shí)現(xiàn)基于NB-IoT的M2M（機(jī)器與機(jī)器）連接超過2 000萬。到2020年，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，總連接數(shù)超過6億[2]。

低功耗是NB-IoT終端核心能力之一，是依靠電池供電的行業(yè)終端長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的關(guān)鍵[3]。文獻(xiàn)[4]提出高能效的電源管理機(jī)制、多時(shí)鐘域、多工作電壓、電壓頻率自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)等芯片低功耗技術(shù)。NB-IoT模組是連接千差萬別的行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)端業(yè)務(wù)服務(wù)器的橋梁，如何基于現(xiàn)有的芯片方案降低模組的功耗，對(duì)降低NB-IoT終端功耗具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值，但目前相關(guān)參考文獻(xiàn)較少。

由于NB-IoT模組和終端的低成本特性，如何快捷、經(jīng)濟(jì)地評(píng)測(cè)NB-IoT模組和終端的功耗性能，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[5]探討了NB-IoT功耗性能的評(píng)價(jià)方法，提出終端每天的功耗E2(J)=每天發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓摹撩刻靷鬏數(shù)拇螖?shù)+每天PSM狀態(tài)功耗。其中，每天發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗為e1(mW×ms)=Tx功耗+Rx功耗+非PSM時(shí)的空閑態(tài)功耗。NB-IoT終端除了數(shù)據(jù)傳輸和PSM，TAU（Tracking Area Update，跟蹤區(qū)更新）也是主要的耗電過程，文獻(xiàn)[5]的功耗性能評(píng)價(jià)方法未統(tǒng)計(jì)該過程。文獻(xiàn)[6]探討了功耗測(cè)試方案，利用綜測(cè)儀模擬商用網(wǎng)絡(luò)，把NB-IoT終端發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的過程分為發(fā)送狀態(tài)Tx、接收狀態(tài)Rx、空閑狀態(tài)Idle和省電模式PSS，測(cè)試NB-IoT各個(gè)狀態(tài)的功耗。一個(gè)收發(fā)周期內(nèi)的能耗E=ETx（發(fā)送期間的能耗）+ERx（接收期間的能耗）+EIdle（空閑狀態(tài)的能耗）+EPSS（省電模式下的能耗），進(jìn)而得到一天內(nèi)的能耗EDay=E×N，其中N為一天內(nèi)的收發(fā)數(shù)據(jù)量。但NB-IoT終端的數(shù)據(jù)傳輸過程以及和網(wǎng)絡(luò)的交互過程，接收和發(fā)送操作總是交替存在的，難以把發(fā)送和接收獨(dú)立和分割開來。

本文首先介紹了PSM（Power Saving Mode，省電模式）和eDRX（extended Discontinues Reception，擴(kuò)展不連續(xù)接收）兩種省電技術(shù)的原理和工作機(jī)制，之后針對(duì)高通MDM9206、海思Boudica120、海思Boudica150、聯(lián)發(fā)科技MT2625、中興微RoseFinch7100、紫光展銳RDA8908A等六款支持NB-IoT的芯片平臺(tái)，各用一款商用模組，在商用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)下評(píng)測(cè)了兩種典型業(yè)務(wù)模型的24小時(shí)累計(jì)功耗，并分析了業(yè)務(wù)傳輸、TAU、PSM各過程和狀態(tài)的功耗特性。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和分析，從終端和網(wǎng)絡(luò)交互過程關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)優(yōu)化、應(yīng)用層和通信層協(xié)同、業(yè)務(wù)傳輸方式優(yōu)化等方面提出了功耗優(yōu)化的方法，并對(duì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)NB-IoT模組和終端的低功耗優(yōu)化提供參考。

2 NB-IoT低功耗的原理

NB-IoT系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)低功耗特性，采用了PSM、eDRX兩種省電技術(shù)，通過增加終端睡眠時(shí)間達(dá)到降低功耗的目的。終端在PSM狀態(tài)下關(guān)閉收發(fā)信機(jī)和接入層相關(guān)功能，減少信號(hào)收發(fā)、信令處理的功耗。eDRX是對(duì)DRX（Discontinues Reception，非連續(xù)接收）技術(shù)的增強(qiáng)，以支持更長(zhǎng)周期的尋呼監(jiān)聽，從而達(dá)到節(jié)電的目的。PSM節(jié)電效果更好，但實(shí)時(shí)性差于eDRX。

2.1 PSM基本原理和工作機(jī)制

PSM是3GPP R12引入的特性，終端通過Attach/TAU過程中獲取的兩個(gè)相關(guān)定時(shí)器控制終端進(jìn)入和退出PSM[7]。PSM使終端可以在一個(gè)較長(zhǎng)的周期內(nèi)關(guān)閉收發(fā)信機(jī)，達(dá)到最高級(jí)別的省電效果。對(duì)功耗敏感但對(duì)下行業(yè)務(wù)時(shí)延要求不高的場(chǎng)景，終端應(yīng)盡可能處在PSM狀態(tài)，以發(fā)揮最優(yōu)的省電特性。

PSM工作機(jī)制如圖1所示，終端進(jìn)入和退出PSM的過程如下：

圖1 PSM工作機(jī)制示意圖

（1）當(dāng)終端與網(wǎng)絡(luò)完成業(yè)務(wù)交互、釋放無線資源時(shí)，T3324（PSM激活定時(shí)器）和T3412 extended（擴(kuò)展TAU周期定時(shí)器）同時(shí)開始計(jì)時(shí)。

（2）在T3324沒有超時(shí)前，終端按照常規(guī)機(jī)制（DRX/eDRX方式）監(jiān)聽尋呼消息。

（3）T3324超時(shí)后，終端進(jìn)入PSM模式：關(guān)閉收發(fā)信機(jī)，不再接收網(wǎng)絡(luò)任何消息，網(wǎng)絡(luò)側(cè)也無法主動(dòng)找到終端，但網(wǎng)絡(luò)側(cè)仍然繼續(xù)保存終端的注冊(cè)狀態(tài)[8]。

（4）直到終端有上行數(shù)據(jù)發(fā)送需求或T3412 extended超時(shí)，終端退出PSM模式。此時(shí)終端不需要重新注冊(cè)和建立PDN，只要重新建立無線連接即可發(fā)送上行數(shù)據(jù)或進(jìn)行周期性TAU[9]。

2.2 eDRX基本原理和工作機(jī)制

eDRX是3GPP R13中新增的功能，通過核心網(wǎng)與終端之間的協(xié)商配合，使終端可以有更長(zhǎng)的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，跳過大部分的尋呼監(jiān)聽，以達(dá)到省電的目的。

eDRX工作機(jī)制如圖2所示。在每個(gè)eDRX周期（取值范圍為20.48 s～2.92 h[10]）內(nèi)，有一個(gè)PTW（Paging Time Window，尋呼時(shí)間窗口），取值范圍為2.56 s～40.96 s[10]，終端只在PTW內(nèi)按照尋呼周期監(jiān)聽尋呼信道，以便接收下行業(yè)務(wù)。PTW外的時(shí)間處于睡眠態(tài)，不監(jiān)聽尋呼信道，也就不能接收下行業(yè)務(wù)。此時(shí)如果網(wǎng)絡(luò)給終端下發(fā)數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)行緩存，當(dāng)再次進(jìn)入PTW時(shí)間窗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)尋呼終端，觸發(fā)終端建立空口連接，然后再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給終端[9]。

圖2 eDRX工作機(jī)制示意圖

3 基于業(yè)務(wù)模型的NB-IoT模組功耗現(xiàn)狀及分析

針對(duì)現(xiàn)有NB-IoT終端功耗性能的評(píng)價(jià)方法和測(cè)試方案的缺陷[5]，根據(jù)對(duì)抄表、智慧城市（智慧路燈、智能井蓋）、智能家居、穿戴設(shè)備、物流追蹤等行業(yè)應(yīng)用的調(diào)研，本文按照行業(yè)終端和業(yè)務(wù)服務(wù)器交互的頻繁度，建立兩種典型的業(yè)務(wù)模型：業(yè)務(wù)模型一是每小時(shí)一次數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（200字節(jié)）傳輸和一次TAU，以擬合業(yè)務(wù)傳輸較頻繁的行業(yè)應(yīng)用；業(yè)務(wù)模型二是24小時(shí)一次數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（200字節(jié)）傳輸和一次TAU，以擬合業(yè)務(wù)傳輸較稀疏的行業(yè)應(yīng)用。

為了全面分析商用NB-IoT模組的功耗現(xiàn)狀，針對(duì)高通MDM9206、海思Boudica120、海思Boudica150、聯(lián)發(fā)科技MT2625、中興微RoseFinch7100、紫光展銳RDA8908A等六款主流NB-IoT芯片平臺(tái)，各選擇一款商用模組（對(duì)應(yīng)芯訊通SIM7000C、移遠(yuǎn)BC95-B8、移遠(yuǎn)BC28、高新興ME3616、廣和通N700-CN、騏俊ML2510等六款商用模組），在NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)下測(cè)試其對(duì)兩種典型業(yè)務(wù)模型的24小時(shí)功耗，并分析業(yè)務(wù)傳輸、TAU、空閑和PSM狀態(tài)的耗電特性。

3.1 基于業(yè)務(wù)模型的NB-IoT模組功耗評(píng)估方法

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。高精度電流表向被測(cè)模組供電并記錄功耗數(shù)據(jù)，全向天線通過射頻線連接被測(cè)模組，被測(cè)模組通過該全向天線實(shí)現(xiàn)和商用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)無線信號(hào)的收發(fā)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程全向天線位置固定。在每款模組測(cè)試前，用一部參考樣機(jī)驗(yàn)證無線信號(hào)質(zhì)量（N-RSRP、SINR）的一致性。

圖3 NB-IoT模組功耗實(shí)驗(yàn)環(huán)境

對(duì)抄表、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧家居、智慧城市等非移動(dòng)性的行業(yè)應(yīng)用，已部署的NB-IoT終端按照是否有和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互、和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商的定時(shí)設(shè)置等，終端處于業(yè)務(wù)交互過程、TAU過程、PSM狀態(tài)等，并在其之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。業(yè)務(wù)交互過程包括業(yè)務(wù)應(yīng)用從PSM喚醒模組、業(yè)務(wù)交互的執(zhí)行、業(yè)務(wù)交互完成后的空閑態(tài)及尋呼監(jiān)聽。TAU過程由周期性跟蹤區(qū)更新定時(shí)器超時(shí)觸發(fā)模組從PSM喚醒、TAU的執(zhí)行、TAU完成后的空閑態(tài)及尋呼監(jiān)聽。NB-IoT終端通過TAU過程通知網(wǎng)絡(luò)其當(dāng)前所在的跟蹤區(qū)，以便網(wǎng)絡(luò)尋呼。NB-IoT終端在沒有業(yè)務(wù)傳輸和信令交互時(shí)，應(yīng)盡可能處于PSM狀態(tài)，以達(dá)到省電的目的。

圖4是一款NB-IoT模組一次典型業(yè)務(wù)交互過程及其功耗情況。業(yè)務(wù)應(yīng)用從PSM狀態(tài)喚醒模組，模組和網(wǎng)絡(luò)連接成功后完成數(shù)據(jù)發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)在RRC不活動(dòng)計(jì)時(shí)器（RRC Inactive Timer）超時(shí)后釋放網(wǎng)絡(luò)和模組的RRC鏈路，模組啟動(dòng)T3324定時(shí)器并進(jìn)入空閑態(tài)，在空閑態(tài)按DRX周期監(jiān)聽尋呼，當(dāng)T3324超時(shí)后模組從空閑態(tài)再次進(jìn)入PSM狀態(tài)。

圖4 NB-IoT模組業(yè)務(wù)交互過程

圖5 是一款NB-IoT模組一次典型TAU過程及其功耗情況。NB-IoT模組的周期性跟蹤區(qū)更新定時(shí)器超時(shí)后，模組從PSM狀態(tài)醒來完成TAU后進(jìn)入空閑態(tài)，在空閑態(tài)按DRX周期監(jiān)聽尋呼，當(dāng)T3324超時(shí)后模組從空閑態(tài)再次進(jìn)入PSM狀態(tài)。

圖5 TAU過程的功耗情況

實(shí)驗(yàn)中每款模組單次業(yè)務(wù)交互過程的功耗和持續(xù)時(shí)間、單次TAU過程的功耗和持續(xù)時(shí)間均是獨(dú)立測(cè)試5次以上的平均值，PSM狀態(tài)下功耗是30分鐘以上PSM過程的平均值，再根據(jù)兩種業(yè)務(wù)模型24小時(shí)內(nèi)業(yè)務(wù)交互過程和TAU過程的次數(shù)及持續(xù)時(shí)間、PSM過程的持續(xù)時(shí)間，推算24小時(shí)的累計(jì)功耗，具體如公式(1)所示：

E(mWh)=[(單次業(yè)務(wù)交互過程的功耗×單次業(yè)務(wù)交互過程的持續(xù)時(shí)間×24小時(shí)內(nèi)業(yè)務(wù)交互過程的次數(shù))+(單次TAU過程的功耗×單次TAU過程的持續(xù)時(shí)間×24小時(shí)內(nèi)TAU過程的次數(shù))+(PSM狀態(tài)的功耗×24小時(shí)內(nèi)PSM狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間)]×模組工作電壓 (1)其中，單次業(yè)務(wù)交互過程的功耗、單次TAU過程的功耗及PSM狀態(tài)的功耗單位為毫安，單次業(yè)務(wù)交互過程的持續(xù)時(shí)間、單次TAU過程的持續(xù)時(shí)間及24小時(shí)內(nèi)PSM狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間單位為小時(shí)，模組工作電壓?jiǎn)挝粸榉?/p>

3.2 業(yè)務(wù)模型一的功耗情況和分析

對(duì)業(yè)務(wù)模型一，六款商用模組24小時(shí)累計(jì)功耗如表1所示（測(cè)試點(diǎn)的N-RSRP為-80 dBm左右，T3324為30 s）。各模組功耗水平差異較大，模組-D的功耗最低（12.438 0 mWh），是功耗最高的模組-A（48.249 9 mWh）的四分之一左右。24小時(shí)中各模組累計(jì)TAU過程時(shí)長(zhǎng)、累計(jì)業(yè)務(wù)傳輸過程時(shí)長(zhǎng)、累計(jì)PSM狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)相當(dāng)，分別約為800 s、1 300 s和84 300 s。雖然97%以上的時(shí)間都處于PSM狀態(tài)，但PSM累計(jì)功耗占比不足3%，業(yè)務(wù)傳輸過程和TAU過程是各模組耗電的主要過程。

表1 六款商用模組對(duì)業(yè)務(wù)模型一的功耗情況

3.3 業(yè)務(wù)模型二的功耗情況和分析

對(duì)業(yè)務(wù)模型二，六款商用模組24小時(shí)累計(jì)功耗如表2所示。累計(jì)功耗最低的模組為模組-D（0.790 4 mWh），累計(jì)功耗最高的模組是模組-A（2.6447 mWh）。業(yè)務(wù)模型二擬合業(yè)務(wù)稀疏的行業(yè)應(yīng)用，模組在24小時(shí)中約99.90%的時(shí)間都處于PSM狀態(tài)，各模組的功耗僅為業(yè)務(wù)模型一下的5%左右。雖然業(yè)務(wù)傳輸過程和TAU過程在24小時(shí)的時(shí)間占比僅為0.10%左右，但這兩類過程仍是主要耗電過程，在24小時(shí)累計(jì)功耗占比從64.11%（模組-D）到89.38%（模組-E）不等。

4 NB-IoT低功耗的優(yōu)化方案及效果

六款NB-IoT模組在兩種典型業(yè)務(wù)模型下的24小時(shí)累計(jì)功耗差異較大，其中業(yè)務(wù)傳輸過程和TAU過程的功耗在24小時(shí)累計(jì)功耗中占比都較高。對(duì)業(yè)務(wù)傳輸和TAU較頻繁的場(chǎng)景（業(yè)務(wù)模型一），這兩類過程累計(jì)功耗占比高達(dá)97%以上；對(duì)業(yè)務(wù)傳輸和TAU較稀疏的場(chǎng)景（業(yè)務(wù)模型二），這兩類過程累計(jì)功耗占比最低的為64.11%（模組-D），最高的達(dá)到89.38%（模組-E）。

4.1 終端和網(wǎng)絡(luò)交互過程關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)優(yōu)化

對(duì)水氣表、智能安防（火警、煙霧、有毒氣體檢測(cè)）、較少或沒有被叫的行業(yè)應(yīng)用，可通過優(yōu)化終端和網(wǎng)絡(luò)交互過程的關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)，如減少T3324配置的時(shí)間，終端在完成TAU或完成數(shù)據(jù)傳輸后盡快進(jìn)入PSM狀態(tài)。而終端的版本升級(jí)通知、充值或資費(fèi)信息等可等待下次TAU或業(yè)務(wù)傳輸過程中告知終端，以減少空閑態(tài)和監(jiān)聽尋呼過程的功耗。

以模組-C做實(shí)驗(yàn)，把T3324從30 s調(diào)整為0 s后，兩種業(yè)務(wù)模型下24小時(shí)累計(jì)功耗分別下降7.20%和8.70%，優(yōu)化前后功耗情況如表3所示。

4.2 應(yīng)用層和通信層協(xié)同優(yōu)化

對(duì)周期性數(shù)據(jù)上報(bào)的行業(yè)應(yīng)用，可協(xié)同優(yōu)化應(yīng)用層數(shù)據(jù)的發(fā)送、通信層周期性TAU的設(shè)置：數(shù)據(jù)上報(bào)的頻率在滿足行業(yè)應(yīng)用的前提下，盡可能減少數(shù)據(jù)上報(bào)頻率；在保障模組和網(wǎng)絡(luò)同步、預(yù)期的下行消息可達(dá)的前提下，盡可能減少周期性TAU的次數(shù)，且周期性TAU的時(shí)間間隔大于數(shù)據(jù)上報(bào)的間隔。

表2 六款商用模組對(duì)業(yè)務(wù)模型二的功耗情況

表3 終端和網(wǎng)絡(luò)交互過程關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)優(yōu)化（數(shù)據(jù)傳輸完成及TAU結(jié)束即進(jìn)入PSM狀態(tài)）前后功耗對(duì)比

以模組-F做實(shí)驗(yàn)：對(duì)業(yè)務(wù)模型一，假設(shè)每小時(shí)一次數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)念l次不可再減少，把TAU周期從50分鐘優(yōu)化為60分鐘；對(duì)業(yè)務(wù)模型二，假設(shè)24小時(shí)一次數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)念l次不可再減少，把TAU周期從23小時(shí)優(yōu)化為24小時(shí)。24小時(shí)累計(jì)功耗分別下降了12.86%和16.42%，優(yōu)化前后功耗情況如表4所示。

4.3 業(yè)務(wù)傳輸方式的優(yōu)化

對(duì)上報(bào)頻繁的非即時(shí)類數(shù)據(jù)，如水氣表上報(bào)的高低峰時(shí)段用量、農(nóng)作物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的檢測(cè)信息、水土及空氣成分的檢測(cè)信息等，可合并發(fā)送一段時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)傳輸方式從采集一次發(fā)送一次，調(diào)整為采集多次后一次合并發(fā)送，減少每次業(yè)務(wù)傳輸時(shí)的無線鏈路建立過程，達(dá)到省電的目的。

以模組-E做實(shí)驗(yàn)：對(duì)業(yè)務(wù)模型一，把24小時(shí)內(nèi)需要傳輸?shù)?4個(gè)數(shù)據(jù)包合并到一次發(fā)送，TAU、PSM等配置保持不變，24小時(shí)累計(jì)功耗下降了85.39%。優(yōu)化前后功耗情況如表5所示：

表5 業(yè)務(wù)傳輸方式的優(yōu)化（合并傳輸非及時(shí)數(shù)據(jù)）前后功耗對(duì)比

5 結(jié)束語

本文首先介紹了NB-IoT低功耗的原理，闡述了PSM和eDRX降低功耗的原理。之后實(shí)測(cè)了六款芯片平臺(tái)商用模組在兩種不同業(yè)務(wù)模型下24小時(shí)的功耗，六款模組的功耗性能差異較大，其中業(yè)務(wù)傳輸過程和TAU過程功耗在24小時(shí)累計(jì)功耗中占比都較高。從終端和網(wǎng)絡(luò)交互過程關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)優(yōu)化、應(yīng)用層和通信層協(xié)同、業(yè)務(wù)傳輸方式的優(yōu)化等三個(gè)方面來探討如何降低模組的功耗，并對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了實(shí)際效果。每種方法雖各用一款商用模組驗(yàn)證了其有效性，但其適用于各芯片平臺(tái)的模組和終端。如何根據(jù)具體行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用各種優(yōu)化方法，從應(yīng)用層和通信層協(xié)同優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗，是后續(xù)研究的重要方向之一。

表4 應(yīng)用層和通信層協(xié)同優(yōu)化（優(yōu)化周期性數(shù)據(jù)傳輸和TAU的配置）前后功耗對(duì)比