物联网低功耗技术研究与实践

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 ：

（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

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 ：模块从上电到与基站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。

（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。

（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。

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）。

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，找到一种合理的配置，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。

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。

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 ：

（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）各小区配置参数中基站优先或 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。基站优先配置是强制 NB-IoT 产品的节电技术按照基站的要求配置，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。

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 T=USS 重复次数（Rmax）×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。Rmax，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（Rmax）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，导致周期空闲时间不同，影响射频单元关闭。

5 结 语

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。