NB-IoT低功耗技术及功率参数配置研究

2018-12-27

移动通信 2018年12期

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

低功耗是物联网应用的一项重要指标，特别对于不能经常更换电池的设备和应用场景。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，终端设备续航时间需要从过去的几个月大幅提升到至少十几年。NB-IoT网络中采用的低功耗技术对终端工作寿命长短、是否能够实现高效连接及是否能够有效降低干扰等都有重要影响。NB-IoT低功耗技术研究以及在不同场景下网络相关参数设置的调整，对NB-IoT业务推广及网络优化有着非常积极的意义。

2 NB-IoT低功耗技术研究

根据物联网业务的特性，NB-IoT芯片及信令整体上采用了低功耗及低成本的设计方式。例如，采用180 kHz窄带系统，降低基带复杂度，减小工作电流；简化协议栈，减少片内FLASH/RAM，降低耗电量；采用半双工模式，比起全双工所需的元件，成本低且降低电池能耗；只支持小区选择和重选的移动性管理，简化空口信令，有效减少单次传送功耗；基于覆盖等级的控制和接入，减少单次传输时间，减少耗电。NB-IoT最主要的节电技术由以下三个方面构成：

（1）PSM（Power Saving Mode，节电模式）；

（2）eDRX（extended Discontinuous Reception，扩展非连续接收）；

（3）长周期TAU/RAU（跟踪区域更新/路由区域更新），减少终端发送位置更新的次数。

下面将详细讨论PSM和eDRX这两种低功耗技术的原理，及其给业务、网络带来的影响。

2.1 PSM技术

PSM的基本原理是允许终端在进入空闲态一段时间后，关闭信号的收发和AS（接入层）相关功能，从而减少天线、射频、信令处理的功耗开销。PSM模式类似于关机，但是终端依旧在网络上进行注册，重新启动不需要重新Attach，不需要重新连接或建立数据包网络（Packet Data Network，PDN）的连接，直到终端需再对外传送数据，或到达TAU周期，才会恢复到连接状态。

处于PSM模式的终端不能被立即寻呼到，数据、短信等业务均不能执行。只有当TAU周期定时器（T3412）超时，或者终端发起业务主动退出时，终端才会退出PSM模式进入连接态处理上下行业务。终端处理完数据之后释放RRC连接，回到空闲模式同时启动定时器Active Timer（T3324），此Timer超时后UE即进入PSM模式。PSM模式下终端耗电量为普通空闲态下耗电量的1/200。

图1为终端模式转换条件。

在接入或监控位置更新过程中，网络能否使用PSM模式由T3324定时器决定，只有在T3324没有被设置成“deactivated”时才能使用。终端在Attach或TAU过程中可以申请使用PSM模式，当终端已经分配了激活的T3324定时器且定时器超时，收到从更低层发来的“Extended wait time”（扩展等待时长）后进入PSM状态。进入PSM状态，除了T3412、T3346、T3396等补偿定时器以及更高级别PLMNs定期搜索的定时器外，所有NAS定时器被停止，相关进程被放弃。

图1 终端模式转换条件

在下列情况下终端不能使用PSM：

（1）在接入紧急承载服务的过程中；

（2）在触发一个紧急承载服务的PDN连接时，并且这个连接类型没有被设置成“EPS紧急连接”；

（3）在追踪位置区更新的过程中当终端正在触发或者已经建立一个紧急承载服务的PDN连接时。

2.2 eDRX技术研究

DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）是3GPP R13引入的新技术。之前在2G系统已经有DRX不连续接收技术，终端不用连续发射，在不发射期间关闭收发信机达到节电的目的。

为减少终端耗电量，设计了三种DRX场景，分别是IDLE DRX、CONNECT DRX、INACTIVE TIMER，下面对这三种场景下的DRX机制进行分析。

（1）IDLE DRX

处于IDLE模式下的终端，可以使用DRX的方式去监听寻呼消息，在一个DRX的周期内，只在相应的寻呼无线帧上的寻呼时刻去监听PDCCH上是否携带有P-RNTI，以判断相应的PDSCH上是否承载寻呼消息。如果在PDCCH上携带有P-RNTI，就根据PDCCH上指示的PDSCH参数去接收PDSCH物理信道上的数据；如果终端在PDCCH上未解析出P-RNTI，则无需再去接收PDSCH物理信道，并根据DRX周期进入休眠。DRX Cycle周期越长，终端就越省电，如将DRX Cycle设置为1 280 ms比设置为320 ms终端空闲态待机时间增加近40%。

（2）CONNECT DRX

CONNECT DRX是连接状态下的DRX，主要应用于数据业务，连接态终端在时间轴上划分为激活期（On Duration）和休眠期（Long Drx Cycle）。一个典型的DRX周期如图2所示，标识“On Duration”的是终端监控下行PDCCH子帧的时间，此时终端处于唤醒状态。在图2中Long Drx Cycle减去On Duration Timer的时间是DRX睡眠时间，此时终端进入睡眠，不监控PDCCH子帧。DRX睡眠时间越长，终端的功率消耗越低，但业务传输时延将会增加。

图2 激活期与休眠期示意图

（3）INACTIVE TIMER

实际网络中可能出现一个比较大的数据还没传完，On Duration Timer到期导致数据传输被停止，直到下一个Long Drx Cycle开始才能继续传输，这就会导致传输时延大大增加。为减少数据传输时延，DRX机制中增加了drx-InactivityTimer。

drx-InactivityTimer参数表示当终端成功解码到一个下行PDCCH之后，还需要继续监测多少个PDCCH子帧。同样以PDCCH子帧个数为基本单位，比如psf80表示终端还需要继续监测80个下行PDCCH子帧才能进入睡眠态。当PDCCH子帧中显示有新的上行或下行传输时，启动该定时器，当收到Go-To-Sleep CE时停止该定时器。如果drx-InactivityTimer正在运行，即使On Duration Timer到期，终端仍然需要继续监听下行PDCCH子帧，直到drx-InactivityTimer超时。

eDRX是对原DRX技术的增强，支持的寻呼周期可以更长，使得终端更省电，工作寿命更长。在NBIoT网络，主要应用于空闲状态下的不连续发射场景。网络中的参数设置“eDRX-Allowed”指示小区中是否开启eDRX模式。eDRX的寻呼周期由网络侧在Attach和TAU消息中指定，可为5 s、12 s、……，最大可达2 621.44 s。网络最大允许4个eDRX寻呼周期合并，即(2621.44×4/60)/60=2.91小时。如图3所示，相比1.28 s、2.56 s等DRX寻呼周期配置，eDRX的时间间隔变长，可大幅降低耗电量。eDRX模式下耗电量为普通DRX模式下耗电量的1/16。

图3 eDRX寻呼周期

3 PSM与eDRX的相互关系

网络侧通知终端同时使用PSM和eDRX这两种技术、使用其中之一、两种技术均不使用，并且这两种技术的使用周期也由网络侧决定。根据对两种技术的研究：

（1）PSM态下，终端大部分时间处于睡眠状态，因此终端可以保持极低的功耗，终端醒来后可以发起接入流程。

（2）eDRX态下，终端会周期性醒来，而且eDRX周期有长短之分，在这个时间窗口内，核心网可以通过基站下发寻呼消息，终端可以响应寻呼消息发起接入。

PSM和eDRX间的主要差别在于允许设备驻留在某种关闭电源模式的时间长度，以及从休眠模式转换至接收模式的切换流程，这两种技术都牺牲了网络业务实时性的要求。PSM省电效果更好但业务实时性差，eDRX省电效果差但业务实时性好些，因此PSM和eDRX都有存在的必要。针对不同的场景采用不同的技术，eDRX适合实时性要求比较高的业务场景，例如远程控制类；而PSM更适用于实时性要求比较低的业务场景，例如智能抄表业务。

4 不同应用场景的功率参数配置讨论

物联网对连接的要求与传统蜂窝网络大不相同。在各种应用场景中，对于通信频次、通信实时性、终端的待机时间、覆盖程度等要求不尽相同，因此所采用的低功耗技术也不同。下面从通信实时性要求角度选取典型场景来分析需要采用PSM还是eDRX来达到节电目的。

4.1 实时性要求低，待机时间及终端寿命要求长的应用场景

抄表是此场景的典型业务。抄表类物联网应用的最主要场景是无外接电源，通信频次极低的上报业务，例如水表、电表、煤气表等抄表类业务，数据上报频次在x小时一次甚至x天一次的量级。考虑到抄表类业务通常与住房建设相关，位置不动且很难更换，对功耗要求极高（表类的更换年限通常为5年～10年），要求终端至少有10年的工作寿命预期。为了延长终端工作寿命，需通过降低通信频次来达到节电的目的。针对此场景，建议将PSM和eDRX两种功能同时激活。

4.2 突发且实时性要求高的应用场景

对通信实时性要求比较高的场景包括远程控制类场景和跟踪类场景等。

远程控制类业务如灯杆、智能家居、摩拜单车中的开锁/寻车铃等；跟踪类业务如宠物跟踪、儿童手表跟踪等。此类场景的特点是一般有外接电源或者可以比较方便地进行充电（例如2周一次），由于业务的特点，通信的随机性很大，对于实时性要求比较高。对于此类场景，建议使用eDRX功能而不使用PSM功能，既可以保证跟踪过程通信的连续性，也可以在空闲时通过非连续接收省电。对于像摩拜单车中的开锁等实时性要求非常高的业务（要求在20 s～30 s以内），建议在使用eDRX功能时，周期配置要短或者放弃eDRX功能而仅仅使用DRX功能，保证业务的正常进行和用户的使用体验。

4.3 其他应用场景讨论

对于某些业务场景，例如终端可能会随机收到来自网络的、频率很低的（例如一天一条）消息，但是要求在很短的时间内给出响应（例如5分钟内）。这个场景对终端响应的实时性要求比较高，如果采用PSM功能，必须以5分钟为间隔执行从PSM退出到IDLE模式、进行TAU或者在空闲模式驻留等的操作；若采用eDRX功能，终端只需要每5分钟进入激活接收模式就可以了。两种方式对比来看，在这种场景下eDRX产生的信令开销更小，更能达到节电的效果，所以应该选择只激活eDRX功能。对于网络下发消息频率很低（例如每天一次）、发送时间固定（例如每天上午10点发送）并且其他时间无需进行通信的场景，PSM功能是最合适的。

PSM和eDRX的差异主要在通信实时性要求方面，如何最高效地利用这些技术，使得节电效果达到最佳。需要深入理解各个不同业务场景下的通信行为特征以及客户感知要求，才能选择对当前业务最有效的方式来达到延长终端工作寿命的目的。

4.4 其他影响终端功耗的因素

在NB-IoT网络中引入了覆盖增强功能，适用于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有较高要求的应用。实现强覆盖能力的关键技术就是窄带、重传和低频，其中重传就是冗余传输。相比传统方式，NB-IoT支持更多次数的重传。重传次数每翻一倍，速率就会减半，同时会带来3 dB的增益。标准中定义上行重传次数最大可达128次，但考虑到边缘场景下的速率以及小区容量，上行重传次数最大一般限为16次，对应9 dB的增益，实际比理论低了约3 dB。多次发送相同数据必然占用更长时间，最终会增加总的功耗，影响电池寿命。因此根据业务场景及实际网络情况来设计覆盖增强应用中的重传次数参数设置，对于延长电池工作寿命也非常重要。