如何启用 NB-IoT 和 Cat-M 的省电模式并评估预期能耗                         

作者：Markus Pihl, Vanja Samuelsson        

               
提高物联网 (IoT) 设备的电池寿命是低功耗广域网 (LPWAN) 技术的主要目标之一。因此，省电功能是蜂窝 LPWAN 技术、NB-IoT（Cat-NB1 和 Cat-NB2）和 Cat-M（LTE-M，亦称 Cat M1）的重要组成部分。但是，这些功能是如何使用的，对电流消耗有怎样的影响呢？
本文本着解答这些问题为目标，探讨了省电功能的定义、定时器及其计算方法，以及启用这些功能的命令。为了了解对能源消耗的影响，所有这些内容都随附了电流消耗曲线的可视化显示。

NB-IoT 和 Cat-M 的省电模式

NB-IoT 和 Cat-M 技术有两个基本的省电功能：省电模式 (PSM) 和扩展型非连续接收 (eDRX)。
PSM 使设备能够设置休眠和活动定时器，并转发到网络：周期性跟踪区更新 (TAU) (T3412) 和活动时间 (T3324)（图 1）。如果被网络接受，网络将在设定的时间内保留设备在系统中的注册状态，如果设备在这段时间内被唤醒，则不需要再重新执行连接程序（分离和重新连接程序能耗会很高）。在休眠间隔期间，无法访问设备，但由于存在定时器，网络知道设备的下一次唤醒时间，以及它处于活动状态以接收寻呼消息的时长。设备的深度休眠模式可以设置为长达 14 天。
相较于目前 LTE 网络中现有的常规 DRX，eDRX 在时间方面得以延长。eDRX 延长了设备在活动时间段内不监听网络的时间。对于许多物联网设备来说，在几秒钟或更长时间内无法访问是可以接受的。这样功耗得以降低，而与应用 PSM 相比，设备仍可访问。所要做出的妥协是功耗降幅不如 PSM 大。eDRX 可通过定时器寻呼周期长度 (PCL) 和寻呼时间窗 (PTW) 来配置（图 1）。
在蜂窝模块上设置 PSM 和 eDRX 定时器的命令在 3GPP 技术规范 TS 27.007 中进行了定义，如下所示：
AT+CPSMS=[<mode>,,[, <RequestedPeriodicTAU>[, <RequestedActiveTime>]]]
AT+CEDRXS=[<mode>[, <AcT-type>[, <Requested_eDRX_value>]]]
PTW 是个例外。本文将介绍一个由 Thales 创建的 PTW 命令，该命令特定于 Thales 用作受测设备 (DUT) 的 Cinterion® 模块：
AT^SEDRXS=[<mode>[, <AcT-type>[, <Requested_eDRX_value>][, <Requested_Paging_time_window>]]]
此外，还将引入所谓的挂起模式，这是 Thales 为 Cinterion 模块提供的另一种专用省电功能，用于进一步推动模块进入最低能耗状态。此命令只需设置一次。
AT^SCFG="MEopMode/PowerMgmt/Suspend",1

设置

为了使低功耗模式可视化，使用了来自 Thales 的两套不同 Cinterion 模块以及来自 Qoitech 的 Otii 功率分析仪。
对于 PSM 定时器，使用了 Thales 的 DevKit ENS22-E，它已焊接到 NB-IoT 专用模块上。使用全球通用 MNO SIM 卡在商用网（漫游）中完成了 NB-IoT 中的测量。
对于 eDRX 定时器，使用了 LGA DevKit 上的纯 Cat-M 模块 Cinterion® EMS31。由于测试所在地德国没有 Cat-M 网络，该模块通过天线（而非有线）连接到 Amarisoft Cat-M 网络仿真器。
Qoitech 的 Otii 是一款多功能功率分析仪，在本例中有三个目的：

• 用于可视化和功率曲线分析
  
• 用于控制无线电模块（通过 GPIO 引脚）
  
• 用于功率测量和 UART 日志同步（通过 RX/TX 引脚和主电源）
  

布线如表 1 所示。

对于 PSM 测量，Cinterion ENS22-E NB-IoT 模块（范围 2.8 - 4.2 V）采用 3.6 V 供电（图 3），以使结果与模块硬件接口描述的额定电流消耗相当。GPO 的数字电平需要设置为 3 V（图 3）。

VUSB => +5 V - 需要此电源为 LGA DevKit 供电。注意！请勿另外通过 USB 为 DevKit 供电。
因此，电路板左下方的 DevKit 开关设置为左侧 PWR – EXT 和右侧 ASC0 – RS232（图 4）。

根据测量设置，使用了 Otii 应用程序中的 UART 命令行。该命令行需要在 Otii 项目设置的 LOGS 部分中启用。
默认情况下，串行接口 ASC0（RX0/TX0 布线）的传输速度为 115200 波特（图 5）。

如何计算 PSM 定时器？

对于 PSM，使用 AT+CPSMS 命令来设置请求的周期性 TAU (T3412) 周期和请求的活动时间 (T3324)。该值需要以 8 位二进制格式输入，其中前 3 位表示 5 位二进制数的基础乘数。这是 3GPP 中的规定，可在以下规范中找到：TS 24.008（图 6）。

作为应用示例，该模块将被配置为每 7 分钟向网络发送一次跟踪区更新消息。这意味着周期性 TAU 将被设置为 7 分钟或 420 秒。
对于 7 分钟，可以使用 1 分钟 (101) 乘数与值 7 (00111) 或 30 秒 (100) 乘数与二进制值 14 (01110)（图 6）。
活动时间设置方法相同，但基础值不同。例如，10 秒活动时间将使用值 000 作为 2 秒基础乘数和 00101（等于 5），因此命令为：
at+cpsms=1,,,10001110,00000101

如何设置 PSM 定时器？

启用 Devkit 电源（5 V，见图 7）和模块电源（3.6 V，见图 7）后，通过将 GPO2（图 7）打开约 2 秒，然后再关闭来开始启动该模拟。

该模块启动后将在 UART 日志中使用以下 URC（非请求结果码）来指示这一点：

现在可以将 AT 命令传递给模块，以便 1) 启用挂起模式，2) 启用注册状态显示，以及 3) 检查并设置 PSM 定时器：

• 如前所述，Thales 专用省电功能只需发送一次配置命令即可启用。此设置为非易失性设置，会一直保持到更改为止。at^scfg="MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"
  1. at^scfg="MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"
  3. ^SCFG: "MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"
  5. OK
  7. +CIEV: suspendAvailable,1
  该模块将通过 +CIEV URC 来通知挂起功能现已可用。如果已启用挂起，则不会有 suspendAvailable URC。
  
• 在发送“at+cereg=5”之后，该模块将通过 URC 通知用户模块注册状态的变化。此设置是易失性设置，在重启后必须重新设置。在模块已注册的情况下，它可能只回复 OK。在这种情况下，可以通过发送“at+cereg?”来请求状态。
  1. at+cereg=5
  2. OK
  4. at+cereg?
  5. +CEREG: 5,5,C9F9,00323333,9,,,00001111,10100111
  6.           |   |    |      |      |        |_Periodic-TAU(T3412): 10m
  7.           |   |    |      |      |__________Active-Time (T3324): 30s
  8.           |   |    |      |_________________Act:E-UTRAN(NB-S1 mode)
  9.           |   |    |________________________CI - cell ID
  10.           |   |_____________________________TAC - Tracking Area Code
  11.           |_________________________________stat:5 registered roaming
  在上面的例子中，模块在漫游模式下注册，并显示网络当前配置的 PSM 值（每 10 分钟 TAU 一次，活动时间为 30 秒）。
  
• 现在，可以通过“at+cpsms”命令设置请求的值。此命令将触发模块向网络发送 TAU（跟踪区更新）消息。在来自网络的回复消息（跟踪区更新接受）中，模块将接收必须执行的值。换句话说，网络决定采取哪些值。这些值有希望与请求的值相同，但这并不能保证。这取决于移动网络运营商，以及他们是允许请求的值，还是用他们的值（有时是固定的）替代这些值。
  

该模块将使用 suspendReady URC 来指示何时可以进入挂起模式。一旦收到“suspendReady,1”的指示，就可以通过设置 RTS0（即 GPO1，图 7）使模块进入挂起模式 5 秒（5 秒是默认值，也可以更改，请参见模块 AT 规范文件）。

PSM 定时器对能耗有什么影响？

作为参考测量，图 8 显示了默认模式（未启用 PSM、eDRX 或挂起模式）下 Cinterion ENS22-E NB-IoT 的电流曲线。

标记区域的预期平均电流消耗约为 16 mA。
启用 PSM 定时器后（本例中周期性 TAU 为 7 分钟，活动时间为 10 秒），且网络已接受这些定时器的情况下，电流消耗降至平均 13 mA（图 9）。
请注意，网络可能会忽略 PSM 定时器的请求，而建议使用其他定时器。不同的 MNO 和不同的网络通常具有迥然不同的允许定时器集，因此在部署物联网设备之前需要了解这一点。

如果设置了挂起模式，该模块将指示它准备好使用 URC（未经请求的结果代码）挂起。切换 RTS 信号后，本例为在 Otii 中设置为 GPO1（图 7）后，模块进入挂起模式，平均电流消耗约为 3 µA（图 10）。

如何计算 eDRX 定时器？

在设置 eDRX 的定时器值时，所用的计算方式非常简单。有的定时器适用于每一种无线接入技术，如图 11 中的表所示。

如何设置 eDRX 定时器？

使用 eDRX 的影响可以在 LGA DevKit 上通过 Cinterion EMS31 纯 Cat-M 模块来演示。该 LTE-M 模块的供电电压范围为 3.2 - 5.5 V。Otii 将为其提供 3.8 V 的电源。在 Otii 应用程序的项目设置中，必须调整主电压（图 3）。
模块启动后，如 ^SYSSTART URC 所示，需要增加 PSM 定时器，使其具有更长的活动期（5 分钟），以便更好地看到 eDRX 的影响 [（设置 at+cpsms=1,,,00000110,00100101）、禁用 eDRX (at+cedrxs=0) 并通过 at+cereg=4 启用注册状态显示]。

要核实 eDRX 是否已按请求禁用，请使用 at+cedrxrdp 命令读取当前的动态 eDRX 参数。

模块注册到网络后，即应收到相关的 URC，其中显示具有 5 分钟活动时间的注册状态。

使用 Otii 应用程序进行测量时，在活动时间内每 1.25 ms 就可以看到连续无线电监听器峰值，如图 10 中 1 分钟时间戳附近区域所示。
现在，使用 3GPP 命令 at+cedrxs 或使用 Thales 特定命令 at^sedrxs 发送启用 eDRX 的命令。3GPP 命令的缺点是无法设置寻呼时间窗 (PTW)，而在 Thales Cinterion 模块上实现的专用 AT 命令则可以。
根据图 10 中的表格，Cat-M 中的 eDRX 值被设置为 20.48 秒（“0010”），寻呼时间窗为 5.12 秒（“0011”）。

该模块将通过 +CEDRXP URC 通知用户 eDRX 值的变化，其中会显示所请求的 eDRX (PCL) 值“0010”、从网络中设置且也必须从模块中使用的值 [第 2 个“0010”]）和 PTW（“0011”）。
该模块需要一些时间来适应更改后的周期，并且最终将显示 eDRX 行为，如图 12 所示。

eDRX 定时器对能耗有什么影响？

eDRX 定时器仅在活动阶段有影响。配置的活动期越短，eDRX 的影响就越低。
eDRX 适用于需要长网络访问时间间隔甚至是全程不访问的设备。在此时间内，设备的接收器部分将仅在特定的时间间隔 (PTW) 内启用，每个 eDRX(PCL) 周期会重复该时间间隔。由于设置了定时器，移动网络知道设备将在哪些时间帧中监听寻呼，并且将仅在该时间帧期间发送针对该设备的寻呼。这也将节省网络 (eNodeB) 端的资源。
默认设置为 PTW，设置为 5 秒，不启用 eDRX（图 12）。启用 eDRX 后，平均电流消耗从 3 mA 降至 2 mA。

总结

根据物联网设备用例和可用网络技术的不同，可以使用不同的省电功能来延长设备的电池寿命。
使用 PSM，可以为设备设置长达 14 天的深度休眠模式。
设备会根据设定的时间间隔定期唤醒，连接至网络，并可以选择发送数据。在进入连接状态之后一小段时间，设备将处于活动但空闲的状态，并在该活动时间内侦听传入的数据。在这段活动时间内，可以使用 eDRX 配置设备启用其接收器的时隙。
所有的设置都配合网络来完成。网络始终知道设备能够接收数据的时间和时长。
采用 Cat-M 技术的设备将比 NB-IoT 设备需要更多的电能。设备休眠的时间越长，节省的电能就越多。设备侦听传入数据的时隙越短越少，其能耗就越优化。
因此，在最佳情况下，设置最大 PSM 和最小活动时间并且只有一个监听峰值（PTW 最小）时，NB-IoT 设备最省电。