吳老師撩NB-IoT（5）| 透過PSM、eDRX技術(shù)，解讀NB-IoT小功耗哲學(xué)

 

下面我們要談的 NB 的節(jié)電技術(shù)，正應(yīng)了太極拳中的虛靈頂勁，最忌用力了。

 

那么 NB 中對(duì)于終端功耗的目標(biāo)是什么呢？答案是：基于 AA（5000mAh）電池，使用壽命可超過 10 年。各位用發(fā)瘋手機(jī)自帶充電寶的的小同學(xué)（愛瘋 7P 電池容量為 2900mAh），看到這個(gè)結(jié)論，你的狗眼有木有被亮瞎？

 

下面吳老師將重點(diǎn)介紹 NB 中主要用到的兩種節(jié)電技術(shù)，分別是 PSM 和 eDRX。正因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)將前戲部分部分做足，咱們今天可以直入主題。

 

1   PSM(Power Saving Mode)

 

 

PSM 的技術(shù)原理非常簡(jiǎn)單，即在 IDLE 態(tài)下再新增加一個(gè)新的狀態(tài) PSM（idle 的子狀態(tài)），在該狀態(tài)下，終端射頻關(guān)閉（吳老司的理解是能關(guān)的都關(guān)，進(jìn)入冬眠狀態(tài)了，而以前的 DRX 狀態(tài)是淺睡狀態(tài)），相當(dāng)于關(guān)機(jī)狀態(tài)（但是核心網(wǎng)側(cè)還保留用戶上下文，用戶進(jìn)入空閑態(tài) / 連接態(tài)時(shí)無(wú)需再附著 /PDN 建立）。此功能在 3GPP 的 Release 12 被引入，相關(guān)協(xié)議規(guī)范在 24.301-5.3.11 Power saving mode and 23.682-4.5.4 UE Power Saving Mode.

 

在 PSM 狀態(tài)時(shí)，下行不可達(dá)，DDN 到達(dá) MME 后，MME 通知 SGW 緩存用戶下行數(shù)據(jù)并延遲觸發(fā)尋呼；上行有數(shù)據(jù) / 信令需要發(fā)送時(shí)，觸發(fā)終端進(jìn)入連接態(tài)。

 

 

 

終端何時(shí)進(jìn)入 PSM 狀態(tài)，以及在 PSM 狀態(tài)駐留的時(shí)長(zhǎng)由核心網(wǎng)和終端協(xié)商。如果設(shè)備支持 PSM（Power Saving Mode），在附著或 TAU（Tracking Area Update）過程中，向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)一個(gè)激活定時(shí)器值。當(dāng)設(shè)備從連接狀態(tài)轉(zhuǎn)移到空閑后，該定時(shí)器開始運(yùn)行。當(dāng)定時(shí)器終止，設(shè)備進(jìn)入省電模式。（PS：這里實(shí)際上是兩個(gè)定時(shí)器起作用，分別為 T3324 和 T3412，想詳聽的請(qǐng)到 601 來下，僅限美女）。

 

進(jìn)入省電模式后設(shè)備不再接收尋呼消息，看起來設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)失聯(lián)，但設(shè)備仍然注冊(cè)在網(wǎng)絡(luò)中。UE 進(jìn)入 PSM 模式后，只有在 UE 需要發(fā)送 MO 數(shù)據(jù)，或者周期 TAU/RAU 定時(shí)器超時(shí)后需要執(zhí)行周期 TAU/RAU 時(shí)，才會(huì)退出 PSM 模式，TAU 最大周期為 310 小時(shí)。

 

這里引用華為的一些數(shù)據(jù)來說明 PSM 模式下的省電效果，從中可見 PSM 模式下耗電量與普通的空閑態(tài)下的耗電量的 1/200，省電效果完勝（終于明白什么是睡美人了吧？）。

 

 

PSM 的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間睡眠，缺點(diǎn)是對(duì) MT（被叫）業(yè)務(wù)響應(yīng)不及時(shí)，主要應(yīng)用于表類等對(duì)下行實(shí)時(shí)性要求不高的業(yè)務(wù)。實(shí)際上，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信需求和手機(jī)是不同的，也正因如此，才可以設(shè)計(jì) PSM 模式。物聯(lián)網(wǎng)通常只會(huì)做上行發(fā)送數(shù)據(jù)包，而且是否發(fā)送數(shù)據(jù)包是由它自身來決定，不需要隨時(shí) standby 的等待其他終端的呼叫，而手機(jī)無(wú)時(shí)不刻的不在等待網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的呼叫請(qǐng)求。如果按照 2G/3G/4G 的方式去設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)的通信，那么意味著物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備的行為也如同手機(jī)一樣，會(huì)浪費(fèi)大量的功耗在監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)可能發(fā)起的請(qǐng)求上，無(wú)法做到低功耗。

 

基于 NB-IoT 技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)終端在發(fā)送數(shù)據(jù)包后，立刻進(jìn)入一種休眠狀態(tài)，不再進(jìn)行任何通信活動(dòng)，等到它有上報(bào)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求的時(shí)刻，它會(huì)喚醒它自己，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)，然后又進(jìn)入睡眠狀態(tài)。按照物聯(lián)網(wǎng)終端的行為習(xí)慣，將會(huì)達(dá)到 99%的時(shí)間在休眠狀態(tài)，使得功耗會(huì)非常低。

 

2   eDRX(Extended DRX)

在 DRX 部分，吳老師已經(jīng)談到，DRX 狀態(tài)被分為空閑態(tài)和連接態(tài)兩種，依次類推 eDRX 也可以分為空閑態(tài) eDRX 和連接態(tài)的 eDRX。不過在 PSM 中已經(jīng)解釋，IOT 終端大部分呆在空閑態(tài)，所以咱們這里主要講解空閑態(tài) eDRX 的實(shí)現(xiàn)原理。

 

eDRX 作為 Rel-13 中新增的功能，主要思想即為支持更長(zhǎng)周期的尋呼監(jiān)聽，從而達(dá)到節(jié)電目的。傳統(tǒng)的 2.56s 的尋呼間隔對(duì) IOT 終端的電量消耗較大，而在下行數(shù)據(jù)發(fā)送頻率小時(shí)，通過核心網(wǎng)和終端的協(xié)商配合，終端跳過大部分的尋呼監(jiān)聽，從而達(dá)到省電的目的。終端和核心網(wǎng)通過 attach 和 TAU 流程來協(xié)商 eDRX 的長(zhǎng)度（up to 2.92h）。

 

 

引用華為的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明：

 

 

可見 eDRX 耗電是 DRX 的 1/16，省電效果也是非常可觀的（這說明早睡晚起對(duì)皮膚好總是有科學(xué)根據(jù)的）。

 

必須要說明的是：雖然在節(jié)電效果與 PSM 相比要差些，但是相對(duì)于 PSM，大幅度提升了下行通信鏈路的可到達(dá)性。

 

3   PSM 和 eDRX 的關(guān)系

?PSM 和 eDRX 都是屬于 3GPP 協(xié)議中的技術(shù)，且對(duì) NB-IOT 和 eMTC 都是適用的，如下所示：

 

 

?我們?cè)谧鐾ㄐ沤鉀Q方案的時(shí)候，一個(gè)基本原理是“沒有免費(fèi)的午餐”，總體資源一定的前提下，任何性能提升都是有代價(jià)的。從上面的分析不管是 PSM 還是 eDRX，都可以看成是把深度睡眠時(shí)間的占比提升以降低功耗，實(shí)際上犧牲了實(shí)時(shí)性要求。相比較而言，eDRX 的省電效果差些，但是實(shí)時(shí)性好些。這也就是為什么在有了 PSM 后還仍需要 eDRX 功能，因?yàn)楦饔兴L(zhǎng)，又各有縮短，他們正好可以用來適配不同的場(chǎng)景，比如 eDRX 可能更適合于寵物追蹤，而 PSM 更適用于智能抄表業(yè)務(wù)。

 

?尤其需要指出的是，NB-IoT 目標(biāo)是對(duì)于典型的低速率、低頻次業(yè)務(wù)模型，等容量電池壽命可達(dá) 10 年以上。對(duì)于這個(gè)十年的使用壽命，它的假設(shè)條件如下：根據(jù) TR45.820 的仿真數(shù)據(jù)，在 PSM 和 eDRX 均部署的情況下，如果終端每天發(fā)送一次 200byte 報(bào)文，5 瓦時(shí)電池壽命可達(dá) 12.8 年。這也就是說終端工作在最慵懶的狀態(tài)下，每天僅僅發(fā)送一次 200 byte 的報(bào)文，這幾乎是不工作的狀態(tài)，所以這也是極端場(chǎng)景。對(duì)于電池壽命的計(jì)算是個(gè)技術(shù)活，以后咱們?cè)賳为?dú)成篇扯個(gè)五毛錢的。

 

?CMCC 目前的策略是 PSM 為必選項(xiàng)，目前現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)中主要開的也是 PSM 技術(shù)。

 

PS：關(guān)于節(jié)電技術(shù)，為了證明自己是個(gè)老司機(jī)，吳老司再補(bǔ)充一個(gè)生活中的例子：大家可以去看下汽車再怠速情況下的自動(dòng)啟停技術(shù)，一樣一樣的。

 

好了，本篇主要介紹了 PSM 和 eDRX 技術(shù)，下篇吳老司給大家聊聊 NB 的低成本。

 

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