劉 峰，張宏偉

（1.民航電信開發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100122；2.中興通訊股份有限公司西安研發(fā)中心，陜西 西安 710065）

0 引 言

得益于移動通信技術(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，即強覆蓋、小功耗、低成本、大連接、低速率?，F(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)部分對功耗要求相對不高的業(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)，對物理層等進行了改造，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；

（5）強覆蓋：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)測終端等。用戶希望安裝一次可長時間使用（使用時間超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（控制或收集數(shù)據(jù)）的平均電流約10 mA，休眠時電流為微安級。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，如信號強度、NPRACH功率控制策略等；

（2）RRC-Connection功耗：UE與eNodeB進行信令交互，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)時間短；

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

針對模塊的工作特性，NB-IoT從物理層進行了優(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)計的DRX（Discontinuous Reception，DRX）可以保證終端在非工作狀態(tài)時功耗較低，但同時又與網(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，終端收發(fā)信機關(guān)閉。DRX波形如圖1所示。

DRX周期在網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)計有多種，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。

圖1 DRX波形

圖2 不同DRX周期平均電流圖

（2）PSM

為了更加節(jié)電，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特點，NB增加了一個更低功耗狀態(tài)——PSM（Power Saving Mode，PSM）。在該狀態(tài)下，終端關(guān)閉射頻模組、AP，只保留一個心跳電路（定時器），相當(dāng)于終端處于關(guān)機狀態(tài)，但核心網(wǎng)側(cè)保留用戶上下文，用戶進入空閑/連接態(tài)時，無須再附著/PDN。進入PSM模式后，設(shè)備仍然注冊在網(wǎng)，但不接收尋呼消息，所以下行業(yè)務(wù)不可達，需等TAU定時器（Extended T3412）超時后才可行。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（個別廠商不支持），發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進入休眠狀態(tài)。PSM原理如圖3所示。

圖3 PSM原理圖

（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，達到省電目的。eDRX原理如圖4所示。

圖4 eDRX原理圖

eDRX周期分為16種，有10種適用于NB-IoT終端，最長周期可達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)的可到達性（在PTW窗口內(nèi)）。

圖5 eDRX不同周期平均電流

引用某芯片數(shù)據(jù)說明NB-IoT各狀態(tài)省電效果（信號強度-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，但通過對DRX，eDRX，PSM進行應(yīng)用或組合應(yīng)用，可適配各種不同的場景。具體應(yīng)用的配置需要綜合分析應(yīng)用場景的話務(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)用場景，其業(yè)務(wù)類型分為如下兩類：

（1）周期性業(yè)務(wù)，可細分為長周期與短周期。智能水表、環(huán)境監(jiān)測等可定義為長周期；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，知道何時進行下行業(yè)務(wù)或上行業(yè)務(wù)，所以對PSM，eDRX可明確配置，保證下行業(yè)務(wù)的可到達性。PSM的TAU定時或eDRX周期可根據(jù)業(yè)務(wù)的周期長短靈活配置；隨機性業(yè)務(wù)與下行業(yè)務(wù)由于其隨機性， 導(dǎo)致PSM無法適應(yīng)其業(yè)務(wù)場景（eDRX短周期和DRX可適應(yīng)隨機業(yè)務(wù)場景）。

表1 NB-IoT各狀態(tài)省電效果

表2 不同分類應(yīng)用的分析

3.1 周期性業(yè)務(wù)場景

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NB-IoT模塊進行上電和掉電操作，節(jié)省了PSM部分電量。表3所列為對某智能水表在不同網(wǎng)絡(luò)信號強度下計算的使用年限，電池為8 000 mAh，同時還考慮了電池的自放電率、單片機功耗等因素。

表3 對某智能水表在不同網(wǎng)絡(luò)信號強度下計算的使用年限

對比開關(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，單片機給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，休眠時的電流約0.03 mA。圖6所示為某水表實際業(yè)務(wù)功耗監(jiān)測圖。

3.2 隨機性業(yè)務(wù)場景

隨機性業(yè)務(wù)場景主要指下行業(yè)務(wù)的隨機性。由于上行業(yè)務(wù)可隨時激活終端進行上行傳輸，所以上行業(yè)務(wù)的隨機性無實際意義。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)的可到達性。雖然業(yè)務(wù)具有隨機性，但也有一定的統(tǒng)計概率可循。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)計算，8 000 mAh電池只能使用約0.5年。

圖6 某水表實際業(yè)務(wù)功耗監(jiān)測圖

4 NB-IoT產(chǎn)品功耗影響因素

對于同一款NB-IoT產(chǎn)品，用戶反饋使用時間差別較大。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)更新定時器、MME上下文刪除定時器等都對功耗有明顯的影響。特別是跟蹤區(qū)更新定時器、MME上下文刪除定時器兩參數(shù)，定時器超時會使終端重新附著/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)信號強度對功耗有較大的影響。信號強度差，重傳次數(shù)增加。經(jīng)實際測試計算，信號強度（RSSI）在-125 dB時，相對比較強的信號其使用時間將減少25%，圖7所示為各信號強度下某水表（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。

圖7 各信號強度下某水表使用年限

上文主要從NB-IoT產(chǎn)品本身的節(jié)電技術(shù)方面進行分析，闡述了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對功耗的影響。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)計中，會引入一些低功耗設(shè)計，如規(guī)定芯片中的單元電路出現(xiàn)一定時長的空閑時間時，此單元就會關(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NPDCCH周期T內(nèi)出現(xiàn)不同的空閑時間，如果空閑時間大于芯片設(shè)計的低功耗策略時間，芯片會關(guān)閉射頻單元，反之，射頻單元不關(guān)閉。對比圖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，不同周期也會由于G的取值不同，導(dǎo)致周期內(nèi)空閑時間不同，影響射頻單元關(guān)閉。

圖8 NPDCCH不同周期RRC-Connected電流圖

5 結(jié) 語

通過對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)用場景，需要考慮網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置和覆蓋等級與用戶電路板（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。