窄带物联网NB-IOT能耗测试浅析

李　娟　中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师胡晓玲　中国信息通信研究院泰尔系统实验室助理工程师李自刚　中国信息通信研究院泰尔终端实验室助理工程师



窄带物联网NB-IOT能耗测试浅析

李娟中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师
胡晓玲中国信息通信研究院泰尔系统实验室助理工程师
李自刚中国信息通信研究院泰尔终端实验室助理工程师

对目前盛行的基于蜂窝的窄带物联网NB-IOT的能耗进行了分析，对其测试方法进行了构想，并阐述了在测试中可能出现的难点和问题。本文能耗的研究，对未来用于NB-IOT的应用有着重要的意义。

能耗；NB-IOT；物联网

1　引言

“物联网”顾名思义，即，把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，即物物相息，以实现智能化识别和管理，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化，旨在“绿色”。

通常所讲的功耗测试，从环境角度来看，主要出发点在于减少对环境和人体健康的影响，有效利用和节约资源、能源，从用户角度来看，则主要在于所使用的产品功耗的多少，是否节电。

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）是IOT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWA）。NB-IOT支持长时间待机的高效连接。具有低功耗、低成本的特点，据说NB-IOT设备电池寿命可以提高至少10年。对于NB-IOT提出的背景之一也是为了弥补传统2G、3G、4G网络不满足物联网设备低功耗、低成本的缺陷，故此“功耗”区别于传统意义，应更侧重于使用过程中的损耗，偏重于能量消耗速度，为产品的实际应用提供真实可靠的数据支撑。

本文对NB-IOT提出一个初步的测试方案，希望通过对NB-IOT功耗的测试，进行一定的数据累计，能够进一步引入能耗限定值，节能评价值以期对产品进行能耗测评和分级。

2　研究意义

NB-IOT技术中低功耗的特点是商业推广的重要一环。在不同的使用场景下，功耗低到多少，如何评判和测试为厂家所关注。

NB-IOT技术，设计用意于例如智能停车业务、智能抄表、智慧农业、智能制造等低功耗广域网领域，甚至应用、安装于更为偏远、操作困难的环境，考虑到对设备后期维护的便利性，小功耗，大电池更具优势。NB-IOT的植入，如若能够准确计算出耗电量，电池的寿命，可将其大范围运用于各种场景。

3　初步方案概述

3.1基本原理

当NB-IOT发送一个数据包时，时序图类似图1移动数据包传输图（实际NB-IOT传输时以其时序为准）。

图1　数据交换中的功耗实例

整个数据交换过程中，共包含4种状态：

（1）发送状态Tx。

（2）接收状态Rx。

（3）空闲状态idle。

（4）省电模式PSS。

处于4种状态的功耗各有不同，处于idle状态时，系统由于需要与网络保持时间和频率更为精确的同步，其功耗可能大于PSS状态。测试NB-IOT的功耗则在于其各个状态的功耗测试。即：W=WTx+WRx+ Widle+WPSS。

3.2测试方案

NB-IOT借助PSM（Power saving mode，节电模式）和DRX（非连续接收）可实现更长待机。其中，PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达。从而使得终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。DRX进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动。从而达到降低功耗的目的。在功耗测试中，应部署两种模式，以检验实际终端模组的收发数据情况。

本文功耗测试基于电池端的输入功率，测试过程中，忽略电池内部损耗。测试连接框图见图2。

（1）综测仪

手机在开机的一瞬间，手机会向基站发送一个类码，告诉基站手机可以使用双频，然后手机接收基站（BCH广播信道）发出射频信号，并在信道中开始搜索信号，一旦发现最强的广播信道，调整内部的频率时序，使手机与最强的广播信道同步。这个过程就是一个手机与基站的同步过程，NB-IOT与综测仪的同步过程也是同一原理。

把一个综测仪当做一个虚拟基站，这样就可以和NB-IOT进行通讯了。

（2）电池 模拟器电池模拟器通过编程，可以调节吸收或输出电流、电压与电阻，可安全地重复模拟电池的充放电特性，并可以随时演示任何需要的状态协助进行其他各项测试。相对真实的电池而言，能够提供更为稳定的各项参数，有利于测试数据的一致性和重复性。进而可以得到一天内的能耗：EDay=E×N。

如果电池的能量E已知，结合NB-IOT一天的能耗值EDay，则该电池的使用寿命（小时数）可以有一个大概的评估：hour=E/（EDay/24）。

图2　测试连接框图

4　目前所面临的瓶颈

本文所述测试方案中，建议使用电池模拟器代替电池供电：

●在DRX配置下，搭配不同的通信模式，模拟NB-IOT各种工作状态，分别检测：NB-IOT终端（a）发送状态Tx（b）接收状态Rx（c）空闲状态idle状态下的功率WTx、WRx、Widle。

●在PSM配置下，检测NB-IOT终端（d）省电模式pss状态下的功率WPSS。

（3）一个收发周期内的能耗可得：

E=ETx+ERx+Eidle+Epss=tTxWTx+tRxWRx+ tidleW idle+tPSSWPSS

其中，tTx为NB-IOT发送信号所用的时间；tRx为NB-IOT接收信号所用的时间；tidle为NB-IOT空闲状态的时间；tPSS为NB-IOT省电模式的时间。

这样，可得到在NB-IOT一个收发数据周期内的能耗。

在已知NB-IOT一天内的收发数据量N的条件下，

（1）由于目前NB-IOT并没有大范围的投入市场，因而NB-IOT的实际应用相对较少，对于NB-IOT工作状态及方法缺少更深入的了解。

（2）NB-IOT在实际使用过程中，吸收电流相对2G、3G工作模式而言，将会更小，那么在实际测量过程中，很小的干扰可能对于整个测量精度会造成非常大的影响，如何有效地规避各种因素带来的误差也是亟待考虑的问题。

（3）NB-IOT以低成本著称，而目前高精度测量仪表的价格很高，测试成本较高，如何引入低成本高精度的检测工具来应对这一矛盾需要进一步验证。

下一步，可结合产品的实际应用，跟进3GPP的最新标准，进行学习和实践，进一步完善测试方法和步骤。

［1］3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network；Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things（CIoT）（Release13）.

［2］戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究［J］.移动通信，2016，07:31-36.

［3］杨俊林.NB-IoT（低功耗广域网）［N］.人民邮电，2016-03-24007.

Primary Introduction of the energy consumption of NB-IOT test method

LI Juan，HU Xiaoling，LI Zigang

Analyzing the energy consumption of NB-IOT， its test mothod is designed，and the problems which may appear during the test are listed. Energy consumption of NB-IOT is important for the future use.

energy consumption；NB-IOT；Internet of Things

2016-08-05）