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電池用10年?NB-IOT之小功耗分析

網優雇傭軍2021-08-29 08:04:48

引子:太極拳由張三豐所創,訣竅是“虛靈頂勁、涵胸拔背、松腰垂臀、沉肩墜肘”十六個字,純以意行,最忌用力。形神合一,是這路拳法的要旨。

NB的節電技術,正應了太極拳中的虛靈頂勁,最忌用力了。


上篇吳老司談到了強覆蓋的降龍掌,本篇來跟大家伙扯一扯NB的節電技術,響應國家節能環保的號召(實際情況是階梯電價了,傷不起!)。在正式開扯前,咱們得認真做足前戲,為什么?作為一個資深老司機,我可以負責任地告訴你:


前戲很重要,我們不要忽略它。


咱們先深入了解當前主流通信系統LTE的節電技術,重點是DRX,這將直接影響你對NB中的兩大節電技術(就是eDRX、PSM這倆摳貨)的理解學習。同時你也將發現任何一項技術的發展都是具有一定的延續性的,而不是你以為的:大喊一聲呵呵我就現身了。




1 ?LTE DRX技術介紹

在現網任何一個移動通信系統中,終端都不太可能無時無刻都在工作的。這就像人不能時時刻刻上班,需要間隔的休息一樣,系統設計了一套叫做DRX的機制使得終端可以休息,在休息的過程中,因為關閉了收發信機(Tx/Rx),從而達到了節電的目的。


DRX(Discontinuous Reception),又稱不連續接收,它的主要思想有兩個:


通過設計一套定時器,使得終端和網絡具有嚴格的時間同步,以防出現終端在睡覺,但網絡不斷的在call你;或者你在工作日睡覺不定鬧鐘,睡到自然醒,結果上班遲到,簡直是作死的節奏。


網絡側與終端側設計一套溝通機制,方便終端與網絡商量終端是不是可以去睡覺了、什么時候去睡覺。


實際上,老司機還要告訴你,網絡側設計了三種可以讓終端去睡覺的場景,分別是idle DRX、connect DRX、inactive timer(有木有一絲要崩潰的感覺?)。下面重點介紹idle DRX和connect DRX的運行機制。


場景一:IDLE DRX


大家知道,正常情況下咱們早上被鬧鐘叫醒去上班,晚上到點下班回家,更關鍵的是我們還有萬眾期待的雙休日和假期,非常具有規律性。

當然,通信狗、程序猿們除外!(有木有戳中淚點?)

同理,LTE終端會跟網絡側協商好一套工作排班表,好讓終端可以有時間休息。


下面介紹其工作原理:


tips:

文科狗們請自覺準備好枕頭,這樣你可以睡得舒服點。


處于?Idle?模式下的終端,可以使用非連續接收(DRX)的方式去監聽尋呼消息(實際上尋呼消息paging與idle態的DRX是完全耦合在一起的)。終端在一個?DRX?的周期內,可以只在相應的尋呼無線幀上的尋呼時刻先去監聽?PDCCH?上是否攜帶有?P—RNTI,進而去判斷相應的?PDSCH?上是否有承載尋呼消息。如果在?PDCCH?上攜帶有?P—RNTI,就按照?PDCCH?上指示的?PDSCH?的參數去接收?PDSCH?物理信道上的數據;而如果終端在?PDCCH?上未解析出?P—RNTI,則無需再去接收?PDSCH?物理信道,就可以依照?DRX?周期進入休眠。


在一個 DRX 周期內,終端可以只在 PO 出現的時間位置上去接收 PDCCH,然后再根據需要去接收 PDSCH。而在其它時間可以睡眠,以達到省電的目的。在 LTE 的物理層協議中,其無線幀幀號的重復周期是 1024,因此每個無線幀幀號的取值范圍是 0~ 1023。每個無線幀又被分成 10 個子幀,其子幀編號的取值范圍是 0~9。因此終端需要先計算出所監聽的 PDCCH 出現的無線幀幀號,然后再計算出無線幀幀號上的尋呼時刻(PO),就可以精確地知道所監聽的 PDCCH 物理信道的具體位置。


以上圖為例,終端在320ms的周期內,只需要醒來一次,作一次尋呼消息接收和測量,其他時間都在睡覺,這樣就達到了省電的目的。


從中也可以看出如果DRX cycle周期拉得越長,終端也就越省電,如將DRX cycle設置為1280ms比設置為320ms終端空閑態待機時間增加近40%


場景二:CONNECT DRX和inactive timer


在南方(在湖南會發音成蘭芳,請自覺糾正),大部分人在白天工作中也會抽空睡個午覺(北方好像稱為打個盹),正所謂中午不睡,下午崩潰。

同理,這種機制我們稱為C-DRX,即connect態下的DRX,這種休息模式是見縫插針,忙里偷閑,是要終端進行許多條件的判斷后才可以去睡午覺的,比如咱們上班一族,首先得看是否有睡覺的地兒,第二看時間是否充裕,第三看當天的工作能否做得完。


下面介紹連接態最簡單的工作原理(意思是還有難的,為了照顧那些還強撐著沒睡的文科狗,再復雜點的吳老司就不講了,想詳細聽的請來車站北路XXX號601房間):


連接態終端在時間軸上劃分為激活期(On duration Timer控制)和休眠期(Long Drx Cycle 減去 On duration Timer的時間,決定了睡覺時間的長短),轉換間隔毫秒級;


?終端之所以能在工作的狀態下抽空休息是因為數據業務在使用中具有突發性,數據業務發生的時間短,但頻率高,呈梳齒狀;


休眠期不接收PDCCH,不上報CQI/PMI/RI,不發送SRS,從而省電;


終端周期性進入激活期,當業務連續時保持在激活期。也就是說終端如果真的有業務要傳,就不能去睡覺(哪怕你困成狗),除非你干完當前的活后On duration Timer控制的時間內都是沒事可干,才可以再去睡覺。這就是前面所講的,睡午覺也要看當天的工作能否干的完。


對于同時開啟了C-DRX和inactive狀態的終端,使用時間能提升將近50%

tips:

好了,后排睡覺的同學可以醒了!

基于終端耗電量的慮,網絡主要設計了DRX、C-DRX、RRC inactive timer這三種方式讓終端休養生息,能省點電就省點電,沒必要每時每刻跟網絡死磕,死扛。那么我們的節電目標是什么呢,請大家記住:XX空調,每晚低至一度電!


2 ? NB中節電技術概述


做足了前戲,下面老司機可以正式介紹NB的節電技術。


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

下面吳老師將重點介紹NB中主要用到的兩種節電技術,分別是PSM和eDRX。


3 ??PSM(Power Saving Mode)



PSM的技術原理非常簡單,即在IDLE態下再新增加一個新的狀態PSM(idle的子狀態),在該狀態下,終端射頻關閉(吳老司的理解是能關的都關,進入冬眠狀態了,而以前的DRX狀態是淺睡狀態),相當于關機狀態(但是核心網側還保留用戶上下文,用戶進入空閑態/連接態時無需再附著/PDN建立)。此功能在3GPP的Release 12被引入,相關協議規范在24.301-5.3.11 Power saving mode and 23.682-4.5.4 UE Power Saving Mode.


在PSM狀態時,下行不可達,DDN到達MME后,MME通知SGW緩存用戶下行數據并延遲觸發尋呼;上行有數據/信令需要發送時,觸發終端進入連接態。



終端何時進入PSM狀態,以及在PSM狀態駐留的時長由核心網和終端協商。如果設備支持PSM(Power Saving Mode),在附著或TAU(Tracking Area Update)過程中,向網絡申請一個激活定時器值。當設備從連接狀態轉移到空閑后,該定時器開始運行。當定時器終止,設備進入省電模式。(PS:這里實際上是兩個定時器起作用,分別為T3324和T3412,想詳聽的請到601來下,僅限美女)。


進入省電模式后設備不再接收尋呼消息,看起來設備和網絡失聯,但設備仍然注冊在網絡中。UE進入PSM模式后,只有在UE需要發送MO數據,或者周期TAU/RAU定時器超時后需要執行周期TAU/RAU時,才會退出PSM模式,TAU最大周期為310小時。


這里引用華為的一些數據來說明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的優點是可進行長時間睡眠,缺點是對MT(被叫)業務響應不及時,主要應用于表類等對下行實時性要求不高的業務。實際上,物聯網設備的通信需求和手機是不同的,也正因如此,才可以設計PSM模式。物聯網通常只會做上行發送數據包,而且是否發送數據包是由它自身來決定,不需要隨時standby的等待其他終端的呼叫,而手機無時不刻的不在等待網絡發起的呼叫請求。如果按照2G/3G/4G的方式去設計物聯網的通信,那么意味著物聯網的設備的行為也如同手機一樣,會浪費大量的功耗在監聽網絡隨時可能發起的請求上,無法做到低功耗。


基于NB-IoT技術,物聯網終端在發送數據包后,立刻進入一種休眠狀態,不再進行任何通信活動,等到它有上報數據的請求的時刻,它會喚醒它自己,隨后發送數據,然后又進入睡眠狀態。按照物聯網終端的行為習慣,將會達到99%的時間在休眠狀態,使得功耗會非常低。

4 ? eDRX(Extended DRX)


在DRX部分,吳老師已經談到,DRX狀態被分為空閑態和連接態兩種,依次類推eDRX也可以分為空閑態eDRX和連接態的eDRX。不過在PSM中已經解釋,IOT終端大部分呆在空閑態,所以咱們這里主要講解空閑態eDRX的實現原理。


eDRX作為Rel-13中新增的功能,主要思想即為支持更長周期的尋呼監聽,從而達到節電目的。傳統的2.56s的尋呼間隔對IOT終端的電量消耗較大,而在下行數據發送頻率小時,通過核心網和終端的協商配合,終端跳過大部分的尋呼監聽,從而達到省電的目的。終端和核心網通過attach和TAU流程來協商eDRX的長度(up to 2.92h,后續會詳細講解怎么計算出來的)。


引用華為的數據進行說明:

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


必須要說明的是:雖然在節電效果與PSM相比要差些,但是相對于PSM,大幅度提升了下行通信鏈路的可到達性。


5 ??PSM和eDRX的關系


?PSM和eDRX都是屬于3GPP協議中的技術,且對NB-IOT和eMTC都是適用的,如下所示:


?我們在做通信解決方案的時候,一個基本原理是“沒有免費的午餐”,總體資源一定的前提下,任何性能提升都是有代價的。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間的占比提升以降低功耗,實際上犧牲了實時性要求。相比較而言,eDRX的省電效果差些,但是實時性好些。這也就是為什么在有了PSM后還仍需要eDRX功能,因為各有所長,又各有縮短,他們正好可以用來適配不同的場景,比如eDRX可能更適合于寵物追蹤,而PSM更適用于智能抄表業務。


?尤其需要指出的是,NB-IoT目標是對于典型的低速率、低頻次業務模型,等容量電池壽命可達10年以上。對于這個十年的使用壽命,它的假設條件如下:根據TR45.820的仿真數據,在PSM和eDRX均部署的情況下,如果終端每天發送一次200byte報文,5瓦時電池壽命可達12.8年。這也就是說終端工作在最慵懶的狀態下,每天僅僅發送一次200 byte的報文,這幾乎是不工作的狀態,所以這也是極端場景。對于電池壽命的計算是個技術活,以后咱們再單獨成篇扯個五毛錢的。


?CMCC目前的策略是PSM為必選項,目前現網試點中主要開的也是PSM技術。


PS:關于節電技術,為了證明自己是個老司機,吳老司再補充一個生活中的例子:大家可以去看下汽車再怠速情況下的自動啟停技術,一樣一樣的。


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


本文作者:吳老司

來源公眾號:吳老司撩通信(ID:wutongtingyu1213)


網優雇傭軍投稿郵箱:wywd11@126.com

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