如何啟用NB－IoT和Cat－M的省電模式并評估預期能耗

提高物聯網 （IoT） 設備的電池壽命是低功耗廣域網 （LPWAN） 技術的主要目標之一。因此，省電功能是蜂窩 LPWAN 技術、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，對電流消耗有怎樣的影響呢？

本文本著解答這些問題為目標，探討了省電功能的定義、定時器及其計算方法，以及啟用這些功能的命令。為了了解對能源消耗的影響，所有這些內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 技術有兩個基本的省電功能：省電模式 （PSM） 和擴展型非連續接收 （eDRX）。

PSM 使設備能夠設置休眠和活動定時器，并轉發到網絡：周期性跟蹤區更新 （TAU） （T3412） 和活動時間 （T3324）（圖 1）。如果被網絡接受，網絡將在設定的時間內保留設備在系統中的注冊狀態，如果設備在這段時間內被喚醒，則不需要再重新執行連接程序（分離和重新連接程序能耗會很高）。在休眠間隔期間，無法訪問設備，但由于存在定時器，網絡知道設備的下一次喚醒時間，以及它處于活動狀態以接收尋呼消息的時長。設備的深度休眠模式可以設置為長達 14 天。

相較于目前 LTE 網絡中現有的常規 DRX，eDRX 在時間方面得以延長。eDRX 延長了設備在活動時間段內不監聽網絡的時間。對于許多物聯網設備來說，在幾秒鐘或更長時間內無法訪問是可以接受的。這樣功耗得以降低，而與應用 PSM 相比，設備仍可訪問。所要做出的妥協是功耗降幅不如 PSM 大。eDRX 可通過定時器尋呼周期長度 （PCL） 和尋呼時間窗 （PTW） 來配置（圖 1）。

在蜂窩模塊上設置 PSM 和 eDRX 定時器的命令在 3GPP 技術規范 TS 27.007 中進行了定義，如下所示：

AT+CPSMS=［，，［， ［， ］］］

AT+CEDRXS=［［， ［， ］］］

PTW 是個例外。本文將介紹一個由 Thales 創建的 PTW 命令，該命令特定于 Thales 用作受測設備 （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，用于進一步推動模塊進入最低能耗狀態。此命令只需設置一次。

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

圖 1：省電功能、PSM 定時器（周期性 TAU 和活動時間）和 eDRX 定時器（PCL 和 PTW）。（圖片來源： Thales）

設置

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

對于 PSM 定時器，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（漫游）中完成了 NB-IoT 中的測量。

對于 eDRX 定時器，使用了 LGA DevKit 上的純 Cat-M 模塊 Cinterion? EMS31。由于測試所在地德國沒有 Cat-M 網絡，該模塊通過天線（而非有線）連接到 Amarisoft Cat-M 網絡仿真器。

Qoitech 的 Otii 是一款多功能功率分析儀，在本例中有三個目的：

· 用于可視化和功率曲線分析

· 用于控制無線電模塊（通過 GPIO 引腳）

· 用于功率測量和 UART 日志同步（通過 RX/TX 引腳和主電源）

布線如表 1 所示。

圖 2：測量設置：Thales 帶蜂窩模塊的 LGA 開發套件以及 Qoitech 的 Otii。（圖片來源： Thales）

表 1：用于圖 2 設置的引腳連接。

對于 PSM 測量，Cinterion ENS22-E NB-IoT 模塊（范圍 2.8 - 4.2 V）采用 3.6 V 供電（圖 3），以使結果與模塊硬件接口描述的額定電流消耗相當。GPO 的數字電平需要設置為 3 V（圖 3）。

圖 3：Otii 項目 SUPPLY 設置。（圖片來源： Thales）

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

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

圖 4：DevKit 開關設置。（圖片來源： Thales）

根據測量設置，使用了 Otii 應用程序中的 UART 命令行。該命令行需要在 Otii 項目設置的 LOGS 部分中啟用。

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

圖 5：Otii 項目 LOGS 設置。（圖片來源： Thales）

如何計算 PSM 定時器？

對于 PSM，使用 AT+CPSMS 命令來設置請求的周期性 TAU （T3412） 周期和請求的活動時間 （T3324）。該值需要以 8 位二進制格式輸入，其中前 3 位表示 5 位二進制數的基礎乘數。這是 3GPP 中的規定，可在以下規范中找到：TS 24.008（圖 6）。

圖 6：3GPP TS 24.008 中的周期性 TAU 和活動時間計算。（圖片來源： Thales）

作為應用示例，該模塊將被配置為每 7 分鐘向網絡發送一次跟蹤區更新消息。這意味著周期性 TAU 將被設置為 7 分鐘或 420 秒。

對于 7 分鐘，可以使用 1 分鐘 （101） 乘數與值 7 （00111） 或 30 秒 （100） 乘數與二進制值 14 （01110）（圖 6）。

活動時間設置方法相同，但基礎值不同。例如，10 秒活動時間將使用值 000 作為 2 秒基礎乘數和 00101（等于 5），因此命令為：

at+cpsms=1，，，10001110，00000101

如何設置 PSM 定時器？

啟用 Devkit 電源（5 V，見圖 7）和模塊電源（3.6 V，見圖 7）后，通過將 GPO2（圖 7）打開約 2 秒，然后再關閉來開始啟動該模擬。

圖 7：Otii 電源開關。（圖片來源： Thales）

該模塊啟動后將在 UART 日志中使用以下 URC（非請求結果碼）來指示這一點：

sHI2115-ssb-codeloaderlesHI2115-codeloader&e

^SYSSTART

現在可以將 AT 命令傳遞給模塊，以便 1） 啟用掛起模式，2） 啟用注冊狀態顯示，以及 3） 檢查并設置 PSM 定時器：

如前所述，Thales 專用省電功能只需發送一次配置命令即可啟用。此設置為非易失性設置，會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 +CIEV URC 來通知掛起功能現已可用。如果已啟用掛起，則不會有 suspendAvailable URC。

在發送“at+cereg=5”之后，該模塊將通過 URC 通知用戶模塊注冊狀態的變化。此設置是易失性設置，在重啟后必須重新設置。在模塊已注冊的情況下，它可能只回復 OK。在這種情況下，可以通過發送“at+cereg？”來請求狀態。

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，并顯示網絡當前配置的 PSM 值（每 10 分鐘 TAU 一次，活動時間為 30 秒）。

現在，可以通過“at+cpsms”命令設置請求的值。此命令將觸發模塊向網絡發送 TAU（跟蹤區更新）消息。在來自網絡的回復消息（跟蹤區更新接受）中，模塊將接收必須執行的值。換句話說，網絡決定采取哪些值。這些值有希望與請求的值相同，但這并不能保證。這取決于移動網絡運營商，以及他們是允許請求的值，還是用他們的值（有時是固定的）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 來指示何時可以進入掛起模式。一旦收到“suspendReady，1”的指示，就可以通過設置 RTS0（即 GPO1，圖 7）使模塊進入掛起模式 5 秒（5 秒是默認值，也可以更改，請參見模塊 AT 規范文件）。

PSM 定時器對能耗有什么影響？

作為參考測量，圖 8 顯示了默認模式（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量電流消耗曲線。（圖片來源： Thales）

標記區域的預期平均電流消耗約為 16 mA。

啟用 PSM 定時器后（本例中周期性 TAU 為 7 分鐘，活動時間為 10 秒），且網絡已接受這些定時器的情況下，電流消耗降至平均 13 mA（圖 9）。

請注意，網絡可能會忽略 PSM 定時器的請求，而建議使用其他定時器。不同的 MNO 和不同的網絡通常具有迥然不同的允許定時器集，因此在部署物聯網設備之前需要了解這一點。

圖 9：啟用 PSM 時的電流消耗曲線。（圖片來源： Thales）

如果設置了掛起模式，該模塊將指示它準備好使用 URC（未經請求的結果代碼）掛起。切換 RTS 信號后，本例為在 Otii 中設置為 GPO1（圖 7）后，模塊進入掛起模式，平均電流消耗約為 3 μA（圖 10）。

圖 10：啟用掛起模式時的電流消耗曲線。（圖片來源： Thales）

如何計算 eDRX 定時器？

在設置 eDRX 的定時器值時，所用的計算方式非常簡單。有的定時器適用于每一種無線接入技術，如圖 11 中的表所示。

圖 11：3GPP TS 24.008 中的 eDRX 定時器定義。（圖片來源： Thales）

如何設置 eDRX 定時器？

使用 eDRX 的影響可以在 LGA DevKit 上通過 Cinterion EMS31 純 Cat-M 模塊來演示。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 應用程序的項目設置中，必須調整主電壓（圖 3）。

模塊啟動后，如 ^SYSSTART URC 所示，需要增加 PSM 定時器，使其具有更長的活動期（5 分鐘），以便更好地看到 eDRX 的影響 ［（設置 at+cpsms=1，，，00000110，00100101）、禁用 eDRX （at+cedrxs=0） 并通過 at+cereg=4 啟用注冊狀態顯示］。

副本

^SYSSTART

+CIEV： prov，1，sbmjp

at+cedrxs=0

OK

at+cpsms=1，，，00000110，00100101

OK

at+cereg=4

OK

要核實 eDRX 是否已按請求禁用，請使用 at+cedrxrdp 命令讀取當前的動態 eDRX 參數。

副本

at+cedrxrdp

+CEDRXRDP： 0

模塊注冊到網絡后，即應收到相關的 URC，其中顯示具有 5 分鐘活動時間的注冊狀態。

副本

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

| |_TAU（T3412）： 60min

|_____Active-Time（T3324）： 5min

使用 Otii 應用程序進行測量時，在活動時間內每 1.25 ms 就可以看到連續無線電監聽器峰值，如圖 10 中 1 分鐘時間戳附近區域所示。

現在，使用 3GPP 命令 at+cedrxs 或使用 Thales 特定命令 at^sedrxs 發送啟用 eDRX 的命令。3GPP 命令的缺點是無法設置尋呼時間窗 （PTW），而在 Thales Cinterion 模塊上實現的專用 AT 命令則可以。

根據圖 10 中的表格，Cat-M 中的 eDRX 值被設置為 20.48 秒（“0010”），尋呼時間窗為 5.12 秒（“0011”）。

副本

at^sedrxs=2，4，0010，0011

OK

+CEDRXP： 4，“0010”，“0010”，“0011”

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

該模塊需要一些時間來適應更改后的周期，并且最終將顯示 eDRX 行為，如圖 12 所示。

eDRX 定時器對能耗有什么影響？

eDRX 定時器僅在活動階段有影響。配置的活動期越短，eDRX 的影響就越低。

eDRX 適用于需要長網絡訪問時間間隔甚至是全程不訪問的設備。在此時間內，設備的接收器部分將僅在特定的時間間隔 （PTW） 內啟用，每個 eDRX（PCL） 周期會重復該時間間隔。由于設置了定時器，移動網絡知道設備將在哪些時間幀中監聽尋呼，并且將僅在該時間幀期間發送針對該設備的尋呼。這也將節省網絡 （eNodeB） 端的資源。

默認設置為 PTW，設置為 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：尋呼時間窗設置為 5 秒作為參考，不啟用 eDRX；右側為相同的 PWT，但啟用了 eDRX。（圖片來源： Thales）

總結

根據物聯網設備用例和可用網絡技術的不同，可以使用不同的省電功能來延長設備的電池壽命。

使用 PSM，可以為設備設置長達 14 天的深度休眠模式。

設備會根據設定的時間間隔定期喚醒，連接至網絡，并可以選擇發送數據。在進入連接狀態之后一小段時間，設備將處于活動但空閑的狀態，并在該活動時間內偵聽傳入的數據。在這段活動時間內，可以使用 eDRX 配置設備啟用其接收器的時隙。

所有的設置都配合網絡來完成。網絡始終知道設備能夠接收數據的時間和時長。

采用 Cat-M 技術的設備將比 NB-IoT 設備需要更多的電能。設備休眠的時間越長，節省的電能就越多。設備偵聽傳入數據的時隙越短越少，其能耗就越優化。

因此，在最佳情況下，設置最大 PSM 和最小活動時間并且只有一個監聽峰值（PTW 最?。r，NB-IoT 設備最省電。