基于蜂窝物联网技术的业务续航研究

孔露婷，王桂英，曹蕾，马帅

（中国移动通信集团公司通信研究院，北京 100053）

1 引言

随着NB-IoT等蜂窝物联网技术和产业的逐步成熟，基于蜂窝物联网技术的业务应用逐渐增多。蜂窝物联网具有低功耗、广深覆盖、大容量等特点，国际标准组织3GPP在技术研究报告TR 45.820中，针对周期性上报业务提出的需求是续航时长达到10年左右。随着蜂窝物联网技术在各行各业的逐步应用，面向不同应用场景业务所能达到的续航时长已成为产业关注的热点。因此，本文接下来将针对典型物联网业务的续航时长给出评估方法及相应评测结果，并分析影响业务续航的关键因素。

2 基于蜂窝物联网的业务续航时长评估方法研究

2.1 蜂窝物联网终端功耗性能分析

终端在某一状态的耗电量主要由射频链路、基带芯片、主控制芯片等器件的工作状态决定，终端处于不同状态实现的功能不同，耗电量不同。从耗电量及实时性分析，可将终端所处状态分为休眠、待机、数据传输和保持无线链路四种。

休眠状态下，终端基带、射频等主要耗电器件处于关闭状态，仅有时钟仍然工作，因此耗电量极低，休眠电流在10 μA以内，但终端在休眠状态不能被网络寻呼到。待机状态下，终端周期性从睡眠状态唤醒并检测寻呼信道，耗电量比休眠状态高。具体耗电受寻呼周期配置影响，待机电流从百微安到毫安不等。数据传输状态下，终端基带芯片和射频链路处于正常工作状态，平均电流基本在100 mA的量级。无线链路保持状态下，虽然没有数据传输，但终端和基站之间的无线链路还存在，双方随时可以进行数据发送和接收，实时性非常好，平均电流在10 mA的量级。

综上所述，不同状态下业务的实时性和终端的功耗性能差异较大，两者之间存在一定的制约关系，需要结合不同的业务模型对两者进行有效平衡，具体如表1所示：

表1 蜂窝物联网处于不同工作状态的功耗及业务实时性分析

2.2 业务流程分析

在无线通信层面，不同物联网业务终端和网络交互的信令流程存在很大的相似性。本节分析了蜂窝物联网业务三种常规的业务流程：上行触发的业务流程、下行触发的业务流程和心跳包传输流程。

（1）上行触发的业务流程

由终端侧触发，平台不主动发送下行消息，因此终端在空闲状态可以进入休眠。终端在休眠状态，可以通过周期性定时器或者传感器等外部事件唤醒。业务传输过程包含网络接入、业务上报、下行确认、链路保持、链路释放、待机、定时器超时后重新进入休眠。其中，链路保持的时长由RRC链路释放定时器决定，待机时长由休眠模式活动定时器（PSM Active Timer）决定，这两个参数均由网络进行配置。上行触发的业务流程如图1所示：

图1 上行触发的业务流程

（2）下行触发的业务流程

业务平台不定时主动向终端推送下行消息，因此，终端在空闲状态需要时刻监听寻呼消息，无法进入休眠状态。下行业务传输过程包含寻呼、网络接入、下行问询消息、业务上报、链路保持、链路释放，链路释放后重新进入待机状态。其中，在下行业务传输之后，是否需要上行业务上报取决于具体业务应用。下行触发的业务流程如图2所示：

图2 下行触发的业务流程

（3）心跳包传输流程

部分业务平台为掌握所有终端状态，要求终端向业务平台周期性发送心跳。心跳机制的好处在于使业务平台能够及时发现异常终端，同时能够保活外部互联网和运营商内网之间的IP地址映射关系，便于平台下发的消息能够及时推送到终端。心跳机制一般存在于事件触发的上行业务以及时延敏感的下行业务，周期性上报业务中一般不采用心跳机制。

心跳包由终端触发，其业务流程和上行触发的业务流程基本一致，具体如图3所示。

2.3 续航时长计算模型

图3 心跳包传输过程

对于具体的应用业务，首先需分析其包含的业务流程共有哪几种，例如：业务上报、周期性心跳等。假设该应用业务包含M种业务流程，第j种业务流程单位时间内发生频次为Fj，耗电量为Pj，单位时间内下行触发业务的待机耗电量或者上行触发业务的休眠耗电量（以下简称为待机/休眠耗电量）定义为S，则单位时间内总耗电量为：

如图4所示，对每一个业务流程根据电流变化情况进行拆分，假设第j个业务流程共拆分为Nj个状态，第i个状态平均电流为Ii，持续时间为Ti。则第j个业务流程一次业务传输耗电量（以Pj表示）为：

值得注意的是，对于上行触发业务，完整业务流程应定义为终端从休眠状态唤醒到重新进入休眠状态的全过程，因此终端进入休眠之前的待机状态耗电应包含在业务传输耗电量中。

图4 业务流程示意图

待机/休眠状态耗电量由单位时间内待机/休眠时长以及待机/休眠电流决定。在单位时间（T）内排除业务传输占用的时间，得到待机/休眠时长（TS）为：

待机/休眠电流可通过测试得到，设为I0，则待机/休眠状态耗电量为：

续航时间由电池电量和单位时间耗电量决定，假设电池电量为C，则续航时间为:

3 典型业务续航时长评估

本节依据上文业务续航时长评估方法，基于终端功耗性能及关键参数配置，评估了智能表计、智能停车、共享单车三类典型物联网业务的续航时长。

3.1 基本设置

表2中的蜂窝物联网终端各工作状态功耗性能及表3中的关键参数配置，作为业务续航时长评估的数据基础。

表2 终端功耗性能

表3 测试环境参数配置

3.2 典型业务续航时间评估

本节针对低频次周期性上报业务、高频次事件触发上报业务、下行时延敏感业务这三种典型物联网业务类型，分别选择智能表计、智能停车、共享单车智能锁进行业务续航时长评估。

（1）低频次周期上报业务：智能表计

智能表计承载的业务主要为向管理平台周期性上报表计读数，其它时刻处于休眠状态。根据该业务模型，智能表计适合采用PSM节电方案。

以1 500 mAh的电池容量计算，一天传输一次，每次50字节业务包，根据表计所处位置不同，续航时长因信号强度差异从10年到23年不等。

由上可知，对于低频次周期上报类业务，合理设计应用大小和发送频次，在不同覆盖点均能满足10年续航需求，具体如表4所示：

表4 智能表计续航时长评估

（2）高频次事件触发上报业务：智能停车

在智能停车业务中，停车位上部署了智能停车终端，该终端包含蜂窝物联网通信模块以及检测车位变化的传感器，在车辆到达或离开停车位时触发终端向停车管理平台上报车位状态。为实现停车管理平台对终端的监测并及时发现异常终端，智能停车业务可引入心跳包机制，智能停车终端周期性向停车管理平台更新状态。同时，为保证实施检测到车位状态变化，通常传感器持续检测。

根据以上对业务模型的分析，智能停车业务包含的业务过程有：事件触发（车辆到达、车辆离开）的车位状态上报以及心跳包。其它时间通信模块处于休眠状态，传感器需要实时检测车位变化。

以地磁式智能停车终端为例，通信模块休眠电流在5 μA左右，地磁传感器每秒检测一次，平均电流在50 μA左右。结合上文终端每个状态的电流值以及蜂窝物联网数据传输速率，计算得到智能停车进行一次车位状态上报以及心跳的耗电量约为0.06 mAh。假设业务频次为一个车位一天停15辆车，心跳包周期为15分钟，则24小时中包含30次业务传输以及66次心跳。地磁式智能停车终端于埋于地下，对体积大小没有特别要求，可以配置大容量的电池。以产业普遍采用的10 000 mAh容量的电池为例，可得到智能停车终端续航时长为4年左右。智能停车终端续航时长评估如表5所示：

表5 智能停车终端续航时长评估

（3）下行时延敏感业务：共享单车

共享单车智能锁的业务过程主要包含：开锁、关锁、定位和心跳包。

为提升用户感受，简化开锁流程，一种共享单车的开锁方式为扫描开锁，具体流程为用户通过手机APP扫描单车上的开锁码后，手机APP向单车管理平台发送开锁请求，单车管理平台向单车智能锁发送开锁指令，单车智能锁接收到开锁指令后开锁成功。从开锁流程可见，该种开锁方式由下行消息触发，由于智能锁需要实时监听单车管理平台推送的开锁指令，在停车状态无法进入休眠。

关锁流程由用户关锁的动作触发，属于事件触发的业务上报流程。同时，为确定单车位置，一般会在关锁的同时进行一次定位，并将位置信息上报单车管理平台。在骑行过程中，由于不存在下行消息，智能锁可以进入休眠状态。

为保证单车管理平台能够实时推送下行消息到终端上，在终端和单车管理平台之间应确保存在有效的IP层传输链路。为保证互联网IP地址和运营商内网IP地址之间的映射关系，一种方法为引入上行心跳包周期性刷新映射关系。

假设开关锁的业务频次为一天8次（典型业务频次），每次关锁都会进行一次定位，心跳包周期为15分钟，则单车智能锁一天的耗电量为85 mAh左右。在不考虑自主发电的前提下，按5 800 mAh的电池电量计算，共享单车智能锁续航时长约为69天。考虑到共享单车通常装配自发电模块，则实际续航时长应更长。当前GSM智能锁在同等电池容量下，不考虑自发电，续航时长约为51天，NB-IoT智能锁续航时长较GSM提升35%。

共享单车智能锁续航时长评估如表6所示。

表6 共享单车智能锁续航时长评估

4 应用业务续航时长影响因素分析

结合上文不同物联网业务应用的续航时间测评结果可知，业务续航时长和电池容量、业务模型和终端功耗性能均有紧密联系。在终端功耗性能一定的前提下，不同的业务触发方式、业务流程设计、节电模式选择等均会影响续航时长。以下对影响应用业务续航时长的主要因素进行分析。

（1）业务触发方式

以共享单车智能锁为例，开锁由管理平台下发下行指令触发，没有采用物理按键等外部触发方式。该种开锁方式使智能锁全程处于监听下行消息的状态，不能进入休眠，无法应用蜂窝物联网主要的节电技术PSM，因此没有太大的节电优势。从智能锁续航评估数据能够看出，一天当中耗电量最多的是停车状态，占比达到80%以上。

如果将开锁过程进行优化，使智能锁在停车状态进入休眠，开锁方式从下行指令触发优化为终端侧主动触发，则终端不需要监听下行消息，可以在停车状态进入休眠，从而获得大幅度的节电增益。

因此，在不影响用户感受的前提下，业务流程应尽量设计为终端侧触发。终端可以通过传感器触发或者定时器设置自行从休眠状态唤醒，这样可以通过在没有业务传输时采用PSM节电技术，达到省电效果的同时，还不影响上行业务传输的实时性。

（2）心跳机制

心跳包一方面可以使管理平台掌握终端的状态，及时发现异常终端，另一方面可以维持管理平台和终端之间的IP传输链路。通常在事件触发的上报业务和下行时延敏感业务的业务流程中会设计心跳机制。

从业务续航角度分析，每次心跳的耗电量和上行业务上报的耗电量接近，在心跳很频繁的情况下，心跳带来的耗电量远多于业务传输耗电量，很大程度上影响了业务续航，例如：在智能停车和共享单车的耗电量分析中，心跳都占了很大比重。因此，在无法排除心跳的业务中，应尽量降低心跳频率，从而减少整体耗电量。

一种优化方法为，在每次业务传输后重新启动心跳包定时器。以共享单车为例，图5为智能锁按照固定间隔发送心跳包，没有考虑到业务传输的影响。实际上，心跳包的主要作用是告知管理平台终端仍在正常工作并刷新IP地址映射关系，业务包也能达到同样的作用。如图6所示，可将开锁、关锁、位置信息上报等业务包作为心跳包的一种，在每次业务传输后重启心跳包定时器，以减少心跳发送次数。

图6 优化后的心跳机制示意图

（3）节电方式选择

蜂窝物联网为保证低功耗特性，引入了PSM、eDRX（Extended Discontinuous Receptio，扩展的非连续接收）等节电功能。为了同时达到续航和业务性能的最优，终端应根据承载的业务模型，选择合理的节电方式及相关参数配置。如对于上报类业务可选择PSM方式；对于下行业务，如果时延敏感，不建议配置PSM和eDRX；对于下行业务，如果允许一定时延，则可选择采用eDRX方式，并根据具体的时延需求选择相应的eDRX周期。

（4）终端功耗性能

对于下行时延敏感性业务，为保证业务实时性，不能进入休眠，大部分电量耗在待机寻呼监听上，因此降低待机状态耗电是延长续航的重要方式。针对该问题，标准组织一直在优化寻呼监听方案，以降低耗电，如3GPP在R15研究轻寻呼方案。目前采用的寻呼方案中，终端无法预知寻呼位置上是否存在寻呼消息，因此，需要在所有的寻呼位置上尝试接收并解码寻呼消息对应的控制信令（NPDCCH信道）。轻寻呼方案通过引入轻量化的唤醒信号（Wake Up Signal）指示终端相应的寻呼位置上是否存在寻呼消息，如果存在，则终端需要对后续的寻呼消息控制信令进行解码，如果不存在则不做任何操作。由于Wake Up Signal实现复杂度比控制信令低，重复次数更少，终端较容易解码，因此能够降低寻呼监听的耗电量。该方案可以保证终端在不影响下行消息实时性的同时减少终端监听下行寻呼消息的次数，达到降低待机功耗的目的。具体方案目前正在3GPP标准化中。

5 结论

本文首先分析了蜂窝物联网终端功耗性能及关键业务流程，得出了应用业务续航时长评估方法，其次运用该方法，以智能表计、智能停车及共享单车这三种典型物联网应用场景为例，开展了相关业务的续航时长评测，最后分析了业务触发方式、心跳机制、节电方式对蜂窝物联网业务续航时长的影响，并给出了相关优化方向建议。

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