刘 峰1，张宏伟2
（1.民航电信开发有限责任公司，北京 100122；2.中兴通讯股份有限公司西安研发中心，陕西 西安 710065）
摘 要：通过分析NB-IoT 低功耗节电技术PSM ，DRX ，eDRX 的原理，并根据真实产品的测试数据说明了各技术的优点和缺陷。结合真实的测试数据阐述了NB-IoT 产品应用场景的特征，并将应用场景与节电技术相结合，讲述了节电技术的具体应用策略。 关键词：NB-IoT ；PSM ；eDRX ；DRX ；低功耗
中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）
10-0031-04————————————————
收稿日期：2018-05-30 修回日期：2018-06-26
DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.10.007
0 引 言
得益于移动通信技术的发展，当前的网络科技已从人与人的联接，发展到人与物、物与物的连接，迈向万物互联阶段。物联网世界存在海量的传感类、控制类连接需求，且这些需求具有共同的特征要求，即强覆盖、小功耗、低成本、大连接、低速率。现有3G/4G 技术从成本、功耗等方面来看均无法满足需求；目前2G 虽然已在承担部分对功耗要求相对不高的业务，但明显还有大量需求无法得到满足，且非长期发展的优选方案。由此形成了基于FDD LTE 技术的NB-IoT （Narrow Band Internet of Things ，NB-IoT ）技术标准。1 NB-IoT 关键技术及特性 NB-IoT 技术基于FDD-LTE 技术，对物理层等进行了改造，具有如下特性：不锈钢酸洗
（1）窄带180 kHz ，终端单天线（不支持双流），半双工；（2）下行与LTE 相同，OFDMA 、子载波间隔15 Hz ；（3）上行SC-FDMA ，含Single-tone 和Multi-tone 两种配置；
（4）物理层信道重新设计；
（5）强覆盖：
功率谱密度提升+重复传输；（6）低成本：
窄带、单天线、半双工、协议栈简化；（7）大容量：
窄带、低占空比业务模型、小数据包传输优化；（8）低速度：控制面优化、小数据包通过NAS 传输，减少窗口指令；
（9）低功耗：PSM （Power Saving Mode ，PSM ），eDRX （Extended DRX ，eDRX ），长TAU ，空口传输优化，减少测量。
在NB-IoT 五大特性中，用户提出最多的要求是低功耗，如智能抄表、环境监测终端等。用户希望安装一次可长时间使
用（使用时间超10年），无需更换电池。因此NB-IoT 的功耗也是我们必须考虑的要素之一。2 NB-IoT 产品节电技术
数字电视解码器
对于NB-IoT 产品而言，功耗可分为物联网控制器或传感器功耗，无线传输模块（NB-IoT 模块）功耗。控制器或传感器工作时（控制或收集数据）的平均电流约10 mA ，休眠时电流为微安级。NB-IoT 模块功耗如下：
（1）附着或TAU 功耗：模块从上电到与成功联网过程中的功耗。该过程与网络环境关联较大，如信号强度、NPRACH 功率控制策略等；
（2）RRC-Connection 功耗：
UE 与eNodeB 进行信令交互，UE 的基带、射频单元都处于激活状态，平均电流较大，目前市场上的芯片根据网络配置的不同，其平均电流在10～50 mA 之间；
（3）上下行业务功耗：上下行发送数据，数据量小，持续时间短；
（4）休眠：
NB-IoT 产品并非持续工作，无业务时会进入休眠状态，休眠方式多样，但总体要求平均电流越小越好。
针对模块的工作特性，NB-IoT 从物理层进行了优化，并提出了多种节电技术。主要采用以下技术方案：
（1）DRX
通信系统中设计的DRX （Discontinuous Reception ，DRX ）可以保证终端在非工作状态时功耗较低，但同时又与网络保持一定的联系和同步，DRX 包含IDLE DRX 和Connected DRX 。处于IDLE 模式下的终端使用DRX 方式监听寻呼消息，寻呼消息（paging ）的周期与DRX 周期完全耦合。处于IDLE 时，终端收发信机关闭。DRX 波形如图1所示。
DRX 周期在网络侧设计有多种，分别为1.28 s ，2.56 s ，5.12 s ，10.24 s ，20.48 s 等。随着DRX 周期的延长，相应的
平均电流大幅下降，周期为20.48 s 的IDLE DRX 平均电流相比周期为1.28 s 的下降69.8%。不同DRX 周期的平均电流如图2所示。
图1 DRX
波形
图2 不同DRX 周期平均电流图
（2）PSM
为了更加节电，结合物联网业务特点，NB 增加了一个更低功耗状态——PSM （Power Saving Mode ，PSM ）。在该状态下，终端关闭射频模组、AP ，只保留一个心跳电路（定时器），相当于终端处于关机状态，但核心网侧保留用户上下文，用户进入空闲/连接态时，无须再附着/PDN 。进入PSM 模式后，设备仍然注册在网，但不接收寻呼消息，所以下行业务不可达，需等TAU 定时器（Extended T3412）超时后才可行。下行数据需要缓存并延迟触发寻呼。上行业务可正常唤醒终端（个别厂商不支持），
发送数据，然后进入休眠状态。PSM 原理如图3所示
。图3 PSM 原理图
（3）eDRX （Extended DRX ）
在DRX 中，最大寻呼周期为20.48 s ，平均电流1.2 mA ，
对终端的电量消耗较大。所以在Rel-13中新增eDRX ，支持更长周期寻呼监听，达到节电目的。在eDRX 状态中，设置PTW 窗口，在此窗口监听寻呼消息，此窗口外，终端跳过寻呼监听，达到省电目的。eDRX 原理如图4所示。
铁水预处理
图4 eDRX 原理图
eDRX 周期分为16种，有10种适用于NB-IoT 终端，最长周期可达2.91 h 。长周期相比短周期省电约50%。不同eDRX 周期平均电流如图5所示。eDRX 相对PSM 节电效果稍差，但eDRX 可大幅度提升下行数据的可到达性（在PTW 窗口内）。
图5 eDRX 不同周期平均电流
引用某芯片数据说明NB-IoT 各状态省电效果（信号强度-90 dB ），见表1所列。3 NB-IoT 低功耗节电技术应用
包含eDRX ，PSM 等节电技术的NB-IoT 亦有缺点，但通过对DRX ，eDRX ，PSM 进行应用或组合应用，可适配各种不同的场景。具体应用的配置需要综合分析应用场景的话务模型、覆盖及可靠性等，到一种合理的配置，使节电效果达到最优。不同分类应用的分析见表2所列。
分析各种应用场景，其业务类型分为如下两类：（1）周期性业务，可细分为长周期与短周期。智能水表、
环境监测等可定义为长周期；物流跟踪、宠物跟踪等属于短周期。
（2）随机性业务（主要指下行业务），
如共享单车、智能停表1 NB-IoT 各状态省电效果
电 压附 着/TAU RRC-connected paging DRX （=20.48 s ）
T PSM eDRX （=2.91 h ）
T 3.6 V
0.136 mA·h
48 mA （8×2）
36 mA
1.2 mA
7 μA
0.83 mA
车。周期性业务可明确业务周期，知道何时进行下行业务或上行业务，所以对PSM ，eDRX 可明确配置，保证下行业务的可到达性。PSM 的TAU 定时或eDRX 周期可根据业务的周期长短灵活配置；随机性业务与下行业务由于其随机性， 导致PSM 无法适应其业务场景（eDRX 短周期和DRX 可适应随
机业务场景）。3.1 周期性业务场景
eDRX ，PSM 适用于长周期业务，业务周期可知，使用合适的参数与eDRX 周期或PSM 的TAU 定时器适配。但PSM 更适合超长周期的应用，如周期在一天以上。但有特例，根据PSM 原理，一些终端厂家甚至完全放弃与网络配合，直接对NB-IoT 模块进行上电和掉电操作，节省了PSM 部分电量。表3所列为对某智能水表在不同网络信号强度下计算的使用年限，电池为8 000 mAh ，同时还考虑了电池的自放电率、单片机功耗等因素。
表3 对某智能水表在不同网络信号强度下计算的使用年限信号强度/dBm
PSM 模式年限
开关模式年限
-9011.1512.11-10010.9512.14-11011.3211.94-12011.1411.84-1259.089.63-130
6.10
7.13
对比开关模式与PSM 模式，除PSM 电量外，开关模式将RRC-Connected ，IDLE DRX 的电量节省了下来。做业务时，单片机给NB-IoT 模块上电-附着-联网上传数据和接收数据，完成后立刻掉电，休眠时的电流约0.03 mA 。图6所示为某水表实际业务功耗监测图。3.2 随机性业务场景
随机性业务场景主要指下行业务的随机性。由于上行业务可随时激活终端进行上行传输，所以上行业务的随机性无实际意义。终端与网络协商的参数配置必须保证下行业务的可到达性。虽然业务具有随机性，但也有一定的统计概率可循。
如共享单车，用户扫码后，约10 s 解锁属于用户可接受范围，如果解锁时间超过1 min ，则用户可能认为出现故障而放弃，一旦用户放弃后单车解锁，会造成用户和企业的损失，所以不适合配置PSM 。IDLE DRX 或eDRX 周期配置不能超过10 s 。因此终端使用年限不比智能水表，一块电池可用10年以上，经计算，8 000 mAh 电池只能使用约0.5年。
图6 某水表实际业务功耗监测图
4 NB-IoT 产品功耗影响因素
对于同一款NB-IoT 产品，用户反馈使用时间差别较大。综合分析，主要基于以下几方面原因：
乐谱架（1）网络配置原因：
在网络配置中，寻呼周期、重传次数、跟踪区更新定时器、MME 上下文删除定时器等都对功耗有明显的影响。特别是跟踪区更新定时器、MME 上下文删除定时器两参数，定时器超时会使终端重新附着/PDN 建立，功耗甚至超过一次业务所用的功耗。
（2）各小区配置参数中优先或UE 优先是不同小区功耗严重不同的最主要影响因素，也是对NB-IoT 产品业务可靠性产生影响的主要因素。优先配置是强制NB-IoT 产品的节电技术按照的要求配置，其模式可能完全不符合NB-IoT 产品需求中的业务模式。
（3）产品所处环境的网络信号强度对功耗有较大的影响。信号强度差，重传次数增加。经实际测试计算，信号强度（RSSI ）在-125 dB 时，相对比较强的信号其使用时间将减少25%，图7所示为各信号强度下某水表（电池8 000 mAh ）的使用年限。
（4）NB-IoT 产品MCU 控制板对功耗的影响。NB-IoT 产
表2 不同分类应用的分析
分 类应 用话务模型
覆 盖（MCL ）
/
dB 速 率可靠性/%上 行下 行公共事业智能水表水耗200 B ，1次/天应答50 B ，1天/次164无行标UL>250 bps >95共享经济共享单车开关锁，2次/h 状态检查，1次/h 154无行标DL>1 kbps >95智慧城市智能停车车位信息100 B ，12次/天应答50 B ，12次/天154无行标UL>1 kbps >95后勤保障物流跟踪位置信息100 B ，1次/h 参数配置50 B ，1次/月154无行标UL>1 kbps >90消费医疗宠物跟踪位置信息100 B ，1次/h 参数配置50 B ，1次/月154无行标，室外UL>1 kbps >90环境保护
环境监测
监测数据1 kB ，12次/天
参数配置50 B ，1次/月
154
无行标，室外DL>1 kbps
>95
品MCU 与NB-IoT 网络无关，属于客户电路板，其工作电流和休眠电流是NB-IoT 产品的主要功耗，约占据整体功耗的2/3。
擦鞋巾配方
图7 各信号强度下某水表使用年限
上文主要从NB-IoT 产品本身的节电技术方面进行分析，阐述了网络参数对功耗的影响。但部分网络的参数配置并不属于节电策略，恰好与NB 模块的低功耗设计策略关联，导致功耗出现大幅变化，如NPDCCH （窄带物理下行控制信道）周期T 配置的影响。
NPDCCH 的周期=USS 重复次数（T R max ）×USS 开始子帧（G ）
在芯片厂家的设计中，会引入一些低功耗设计，如规定芯片中的单元电路出现一定时长的空闲时间时，此单元就会关闭。R max ，G 有多种取值，可形成不同的组合，这些组合使得在一个NPDCCH 周期T 内出现不同的空闲时间，如果空闲时间大于芯片设计的低功耗策略时间，芯片会关闭射频单元，反之，射频单元不关闭。对比图8所示的NPDCCH 不同周期配置RRC-Connected 电流图可知，在32 ms 周期的前提下，由于1×32只需监听（R max ）1次，因此出现了较多空闲时间，所以射频单元关闭，形成如图所示方波，平均电流为33 mA （国产芯片为12 mA ）。而16×2需要监听16次，空闲时间较少，所以射频单元不关闭，形成如图所示直线，电流为48 mA 。同样，不同周期也会由于G 的取值不同，导致周期内空闲时间不同，影响射频单元关闭。
图8 NPDCCH 不同周期RRC-Connected 电流图5 结 语
高压电线杆
通过对NB-IoT 低功耗技术的分析和应用，可以看到低功耗是NB-IoT 的重要特性，在3GPP 协议中虽设计了众多节电技术，如PSM ，eDRX 等，但节电技术的应用需要配合具体的物联网终端产品需求与应用场景，需要考虑网络参数的配置和覆盖等级与用户电路板（MCU ）的功耗等。随着技术的发展，可以预见在不久的将来，我们将处于低功耗NB-IoT 产品的包围中。
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作者简介： 姜绍君（1974—），
男，辽宁省大连人，硕士，副教授。研究方向为无线传感器网络。王忠健（1996—），
男，辽宁省大连人，本科。研究方向为嵌入式系统开发。（上接第30页）
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