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吴老师撩NB-IoT(5)| 透过PSM、eDRX技术,解读NB-IoT小功耗哲学

2017/11/08
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太极拳由张三丰所创。 太极拳这套拳术的诀窍是“虚灵顶劲、涵胸拔背、松腰垂臀、沉肩坠肘”十六个字,纯以意行,最忌用力。形神合一,是这路拳法的要旨。

 
下面我们要谈的 NB 的节电技术,正应了太极拳中的虚灵顶劲,最忌用力了。
 
那么 NB 中对于终端功耗的目标是什么呢?答案是:基于 AA(5000mAh)电池,使用寿命可超过 10 年。各位用发疯手机自带充电宝的的小同学(爱疯 7P 电池容量为 2900mAh),看到这个结论,你的狗眼有木有被亮瞎?
 
下面吴老师将重点介绍 NB 中主要用到的两种节电技术,分别是 PSM 和 eDRX。正因为前面已经将前戏部分部分做足,咱们今天可以直入主题。
 
1   PSM(Power Saving Mode)
 
 
PSM 的技术原理非常简单,即在 IDLE 态下再新增加一个新的状态 PSM(idle 的子状态),在该状态下,终端射频关闭(吴老司的理解是能关的都关,进入冬眠状态了,而以前的 DRX 状态是浅睡状态),相当于关机状态(但是核心网侧还保留用户上下文,用户进入空闲态 / 连接态时无需再附着 /PDN 建立)。此功能在 3GPP 的 Release 12 被引入,相关协议规范在 24.301-5.3.11 Power saving mode and 23.682-4.5.4 UE Power Saving Mode.
 
在 PSM 状态时,下行不可达,DDN 到达 MME 后,MME 通知 SGW 缓存用户下行数据并延迟触发寻呼;上行有数据 / 信令需要发送时,触发终端进入连接态。
 
 
 
终端何时进入 PSM 状态,以及在 PSM 状态驻留的时长由核心网和终端协商。如果设备支持 PSM(Power Saving Mode),在附着或 TAU(Tracking Area Update)过程中,向网络申请一个激活定时器值。当设备从连接状态转移到空闲后,该定时器开始运行。当定时器终止,设备进入省电模式。(PS:这里实际上是两个定时器起作用,分别为 T3324 和 T3412,想详听的请到 601 来下,仅限美女)。
 
进入省电模式后设备不再接收寻呼消息,看起来设备和网络失联,但设备仍然注册在网络中。UE 进入 PSM 模式后,只有在 UE 需要发送 MO 数据,或者周期 TAU/RAU 定时器超时后需要执行周期 TAU/RAU 时,才会退出 PSM 模式,TAU 最大周期为 310 小时。
 
这里引用华为的一些数据来说明 PSM 模式下的省电效果,从中可见 PSM 模式下耗电量与普通的空闲态下的耗电量的 1/200,省电效果完胜(终于明白什么是睡美人了吧?)。
 
 
PSM 的优点是可进行长时间睡眠,缺点是对 MT(被叫)业务响应不及时,主要应用于表类等对下行实时性要求不高的业务。实际上,物联网设备的通信需求和手机是不同的,也正因如此,才可以设计 PSM 模式。物联网通常只会做上行发送数据包,而且是否发送数据包是由它自身来决定,不需要随时 standby 的等待其他终端的呼叫,而手机无时不刻的不在等待网络发起的呼叫请求。如果按照 2G/3G/4G 的方式去设计物联网的通信,那么意味着物联网的设备的行为也如同手机一样,会浪费大量的功耗在监听网络随时可能发起的请求上,无法做到低功耗
 
基于 NB-IoT 技术,物联网终端在发送数据包后,立刻进入一种休眠状态,不再进行任何通信活动,等到它有上报数据的请求的时刻,它会唤醒它自己,随后发送数据,然后又进入睡眠状态。按照物联网终端的行为习惯,将会达到 99%的时间在休眠状态,使得功耗会非常低。
 

 

2   eDRX(Extended DRX)
在 DRX 部分,吴老师已经谈到,DRX 状态被分为空闲态和连接态两种,依次类推 eDRX 也可以分为空闲态 eDRX 和连接态的 eDRX。不过在 PSM 中已经解释,IOT 终端大部分呆在空闲态,所以咱们这里主要讲解空闲态 eDRX 的实现原理。
 
eDRX 作为 Rel-13 中新增的功能,主要思想即为支持更长周期的寻呼监听,从而达到节电目的。传统的 2.56s 的寻呼间隔对 IOT 终端的电量消耗较大,而在下行数据发送频率小时,通过核心网和终端的协商配合,终端跳过大部分的寻呼监听,从而达到省电的目的。终端和核心网通过 attach 和 TAU 流程来协商 eDRX 的长度(up to 2.92h)。
 
 
引用华为的数据进行说明:
 
 
可见 eDRX 耗电是 DRX 的 1/16,省电效果也是非常可观的(这说明早睡晚起对皮肤好总是有科学根据的)。
 
必须要说明的是:虽然在节电效果与 PSM 相比要差些,但是相对于 PSM,大幅度提升了下行通信链路的可到达性。
 
3   PSM 和 eDRX 的关系
❶PSM 和 eDRX 都是属于 3GPP 协议中的技术,且对 NB-IOT 和 eMTC 都是适用的,如下所示:
 
 
❷我们在做通信解决方案的时候,一个基本原理是“没有免费的午餐”,总体资源一定的前提下,任何性能提升都是有代价的。从上面的分析不管是 PSM 还是 eDRX,都可以看成是把深度睡眠时间的占比提升以降低功耗,实际上牺牲了实时性要求。相比较而言,eDRX 的省电效果差些,但是实时性好些。这也就是为什么在有了 PSM 后还仍需要 eDRX 功能,因为各有所长,又各有缩短,他们正好可以用来适配不同的场景,比如 eDRX 可能更适合于宠物追踪,而 PSM 更适用于智能抄表业务。
 
❸尤其需要指出的是,NB-IoT 目标是对于典型的低速率、低频次业务模型,等容量电池寿命可达 10 年以上。对于这个十年的使用寿命,它的假设条件如下:根据 TR45.820 的仿真数据,在 PSM 和 eDRX 均部署的情况下,如果终端每天发送一次 200byte 报文,5 瓦时电池寿命可达 12.8 年。这也就是说终端工作在最慵懒的状态下,每天仅仅发送一次 200 byte 的报文,这几乎是不工作的状态,所以这也是极端场景。对于电池寿命的计算是个技术活,以后咱们再单独成篇扯个五毛钱的。
 
❹CMCC 目前的策略是 PSM 为必选项,目前现网试点中主要开的也是 PSM 技术。
 
PS:关于节电技术,为了证明自己是个老司机,吴老司再补充一个生活中的例子:大家可以去看下汽车再怠速情况下的自动启停技术,一样一样的。
 
好了,本篇主要介绍了 PSM 和 eDRX 技术,下篇吴老司给大家聊聊 NB 的低成本。
 
本文授权转载自“吴老师聊通信”,如需转载请联系“吴老师聊通信”微信公共帐号。
 

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吴细刚,一位在移动通信行业耕耘十年的老兵。创办“吴老师聊通信”微信公号,并将“吴老司撩NB-IoT系列”文章汇集成册,发表《NB-IoT从原理到实践30讲》一书。