0 引 言

得益于移動通信技術的發(fā)展，當前的網(wǎng)絡科技已從人與人的聯(lián)接，發(fā)展到人與物、物與物的連接，邁向萬物互聯(lián)階段。物聯(lián)網(wǎng)世界存在海量的傳感類、控制類連接需求，且這些需求具有共同的特征要求，即強覆蓋、小功耗、低成本、大連接、低速率。現(xiàn)有 3G/4G 技術從成本、功耗等方面來看均無法滿足需求 ；目前 2G 雖然已在承擔部分對功耗要求相對不高的業(yè)務，但明顯還有大量需求無法得到滿足，且非長期發(fā)展的優(yōu)選方案。由此形成了基于 FDD LTE 技術的 NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術標準。

1 NB-IoT 關鍵技術及特性

NB-IoT 技術基于 FDD-LTE 技術，對物理層等進行了改造，具有如下特性 ：

（1）窄帶 180 kHz，終端單天線（不支持雙流），半雙工 ；

（2）下行與 LTE 相同，OFDMA、子載波間隔 15 Hz ；

（3）上行 SC-FDMA，含 Single-tone 和 Multi-tone 兩種

配置 ；

（4）物理層信道重新設計；

（5）強覆蓋 ：功率譜密度提升 + 重復傳輸 ；

（6）低成本 ：窄帶、單天線、半雙工、協(xié)議棧簡化 ；

（7）大容量：窄帶、低占空比業(yè)務模型、小數(shù)據(jù)包傳輸優(yōu)化；

（8）低速度 ：控制面優(yōu)化、小數(shù)據(jù)包通過 NAS 傳輸，減少窗口指令 ；

（9）低功耗 ：PSM（Power Saving Mode，PSM），eDRX（Extended DRX，eDRX），長 TAU，空口傳輸優(yōu)化，減少測量。

在 NB-IoT 五大特性中，用戶提出最多的要求是低功耗，如智能抄表、環(huán)境監(jiān)測終端等。用戶希望安裝一次可長時間使用（使用時間超 10 年），無需更換電池。因此 NB-IoT 的功耗也是我們必須考慮的要素之一。

2 NB-IoT 產(chǎn)品節(jié)電技術

對于 NB-IoT 產(chǎn)品而言，功耗可分為物聯(lián)網(wǎng)控制器或傳感器功耗，無線傳輸模塊（NB-IoT 模塊）功耗?？刂破骰騻鞲衅鞴ぷ鲿r（控制或收集數(shù)據(jù)）的平均電流約 10 mA，休眠時電流為微安級。NB-IoT 模塊功耗如下：

（1）附著或 TAU 功耗 ：模塊從上電到與基站成功聯(lián)網(wǎng)過程中的功耗。該過程與網(wǎng)絡環(huán)境關聯(lián)較大，如信號強度、NPRACH 功率控制策略等 ；

（2）RRC-Connection 功耗 ：UE 與 eNodeB 進行信令交互，UE 的基帶、射頻單元都處于激活狀態(tài)，平均電流較大，目前市場上的芯片根據(jù)網(wǎng)絡配置的不同，其平均電流在 10 ～50 mA 之間 ；

（3）上下行業(yè)務功耗 ：上下行發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小，持續(xù)時間短 ；

（4）休眠 ：NB-IoT 產(chǎn)品并非持續(xù)工作，無業(yè)務時會進入休眠狀態(tài)，休眠方式多樣，但總體要求平均電流越小越好。

針對模塊的工作特性，NB-IoT 從物理層進行了優(yōu)化，并提出了多種節(jié)電技術。主要采用以下技術方案 ：

（1）DRX

通信系統(tǒng)中設計的 DRX（Discontinuous Reception，DRX）可以保證終端在非工作狀態(tài)時功耗較低，但同時又與網(wǎng)絡保持一定的聯(lián)系和同步，DRX 包含 IDLE DRX 和Connected DRX。處于 IDLE 模式下的終端使用 DRX 方式監(jiān)聽尋呼消息，尋呼消息（paging）的周期與 DRX 周期完全耦合。處于 IDLE 時，終端收發(fā)信機關閉。DRX 波形如圖 1 所示。

DRX 周期在網(wǎng)絡側設計有多種，分別為 1.28 s，2.56 s，

5.12 s，10.24 s，20.48 s 等。隨著 DRX 周期的延長，相應的平均電流大幅下降，周期為 20.48 s 的 IDLE DRX 平均電流相比周期為 1.28 s 的下降 69.8%。不同 DRX 周期的平均電流如圖 2 所示。

（2）PSM

為了更加節(jié)電，結合物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務特點，NB 增加了一個更低功耗狀態(tài)——PSM（Power Saving Mode，PSM）。在該狀態(tài)下，終端關閉射頻模組、AP，只保留一個心跳電路（定時器），相當于終端處于關機狀態(tài)，但核心網(wǎng)側保留用戶上下文，用戶進入空閑 / 連接態(tài)時，無須再附著 /PDN。進入 PSM 模式后，設備仍然注冊在網(wǎng)，但不接收尋呼消息，所以下行業(yè)務不可達，需等 TAU 定時器（Extended T3412）超時后才可行。下行數(shù)據(jù)需要緩存并延遲觸發(fā)尋呼。上行業(yè)務可正常喚醒終端（個別廠商不支持），發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進入休眠狀態(tài)。PSM 原理如圖3所示。

（3）eDRX（Extended DRX）

在 DRX 中，最大尋呼周期為 20.48 s，平均電流 1.2 mA，對終端的電量消耗較大。所以在 Rel-13 中新增 eDRX，支持更長周期尋呼監(jiān)聽，達到節(jié)電目的。在 eDRX 狀態(tài)中，設置PTW 窗口，在此窗口監(jiān)聽尋呼消息，此窗口外，終端跳過尋呼監(jiān)聽，達到省電目的。eDRX 原理如圖 4 所示。

eDRX 周期分為 16 種， 有 10 種適用于 NB-IoT 終端，最長周期可達 2.91 h。長周期相比短周期省電約 50%。不同eDRX 周期平均電流如圖 5 所示。eDRX 相對 PSM 節(jié)電效果稍差，但 eDRX 可大幅度提升下行數(shù)據(jù)的可到達性（在 PTW窗口內）。

引用某芯片數(shù)據(jù)說明 NB-IoT 各狀態(tài)省電效果（信號強度 -90 dB），見表 1 所列。

3 NB-IoT 低功耗節(jié)電技術應用

包含 eDRX，PSM 等節(jié)電技術的 NB-IoT 亦有缺點，但通過對 DRX，eDRX，PSM 進行應用或組合應用，可適配各種不同的場景。具體應用的配置需要綜合分析應用場景的話務模型、覆蓋及可靠性等，找到一種合理的配置，使節(jié)電效果達到最優(yōu)。不同分類應用的分析見表 2 所列。

分析各種應用場景，其業(yè)務類型分為如下兩類 ：

（1）周期性業(yè)務，可細分為長周期與短周期。智能水表、環(huán)境監(jiān)測等可定義為長周期 ；物流跟蹤、寵物跟蹤等屬于短周期。

（2）隨機性業(yè)務（主要指下行業(yè)務），如共享單車、智能停車。周期性業(yè)務可明確業(yè)務周期，知道何時進行下行業(yè)務或上行業(yè)務，所以對 PSM，eDRX 可明確配置，保證下行業(yè)務的可到達性。PSM 的 TAU 定時或 eDRX 周期可根據(jù)業(yè)務的周期長短靈活配置 ；隨機性業(yè)務與下行業(yè)務由于其隨機性，導致PSM 無法適應其業(yè)務場景（eDRX 短周期和 DRX 可適應隨機業(yè)務場景）。

3.1 周期性業(yè)務場景

eDRX，PSM 適用于長周期業(yè)務，業(yè)務周期可知，使用合適的參數(shù)與 eDRX 周期或 PSM 的 TAU 定時器適配。但 PSM更適合超長周期的應用，如周期在一天以上。但有特例，根 據(jù) PSM 原理，一些終端廠家甚至完全放棄與網(wǎng)絡配合，直接對 NB-IoT 模塊進行上電和掉電操作，節(jié)省了 PSM 部分電量。 表 3 所列為對某智能水表在不同網(wǎng)絡信號強度下計算的使用年限，電池為 8 000 mAh，同時還考慮了電池的自放電率、單片機功耗等因素。

對比開關模式與 PSM 模式，除 PSM 電量外，開關模式將 RRC-Connected，IDLE DRX 的電量節(jié)省了下來。做業(yè)務時，單片機給 NB-IoT 模塊上電 - 附著 - 聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，完成后立刻掉電，休眠時的電流約 0.03 mA。圖 6 所示為某水表實際業(yè)務功耗監(jiān)測圖。

3.2 隨機性業(yè)務場景

隨機性業(yè)務場景主要指下行業(yè)務的隨機性。由于上行業(yè)務可隨時激活終端進行上行傳輸，所以上行業(yè)務的隨機性無實際意義。終端與網(wǎng)絡協(xié)商的參數(shù)配置必須保證下行業(yè)務的可到達性。雖然業(yè)務具有隨機性，但也有一定的統(tǒng)計概率可循。

如共享單車，用戶掃碼后，約 10 s 解鎖屬于用戶可接受范圍，如果解鎖時間超過 1 min，則用戶可能認為出現(xiàn)故障而放棄，一旦用戶放棄后單車解鎖，會造成用戶和企業(yè)的損失，所以不適合配置 PSM。IDLE DRX 或 eDRX 周期配置不能超過10 s。因此終端使用年限不比智能水表，一塊電池可用10 年以上，經(jīng)計算，8 000 mAh 電池只能使用約 0.5 年。

4 NB-IoT 產(chǎn)品功耗影響因素

對于同一款 NB-IoT 產(chǎn)品，用戶反饋使用時間差別較大。綜合分析，主要基于以下幾方面原因 ：

（1）網(wǎng)絡配置原因：在網(wǎng)絡配置中，尋呼周期、重傳次數(shù)、跟蹤區(qū)更新定時器、MME上下文刪除定時器等都對功耗有明顯的影響。特別是跟蹤區(qū)更新定時器、MME上下文刪除定時器兩參數(shù)，定時器超時會使終端重新附著 /PDN 建立，功耗甚至超過一次業(yè)務所用的功耗。

（2）各小區(qū)配置參數(shù)中基站優(yōu)先或 UE 優(yōu)先是不同小區(qū)功耗嚴重不同的最主要影響因素，也是對 NB-IoT 產(chǎn)品業(yè)務可靠性產(chǎn)生影響的主要因素?；緝?yōu)先配置是強制 NB-IoT 產(chǎn)品的節(jié)電技術按照基站的要求配置，其模式可能完全不符合NB-IoT 產(chǎn)品需求中的業(yè)務模式。

（3）產(chǎn)品所處環(huán)境的網(wǎng)絡信號強度對功耗有較大的影響。信號強度差，重傳次數(shù)增加。經(jīng)實際測試計算，信號強度（RSSI）在 -125 dB 時，相對比較強的信號其使用時間將減少25%，圖 7 所示為各信號強度下某水表（電池 8 000 mAh）的使用年限。

（4）NB-IoT 產(chǎn)品 MCU 控制板對功耗的影響。NB-IoT 產(chǎn)品 MCU 與 NB-IoT 網(wǎng)絡無關，屬于客戶電路板，其工作電流和休眠電流是 NB-IoT 產(chǎn)品的主要功耗，約占據(jù)整體功耗的 2/3。

上文主要從 NB-IoT 產(chǎn)品本身的節(jié)電技術方面進行分析，闡述了網(wǎng)絡參數(shù)對功耗的影響。但部分網(wǎng)絡的參數(shù)配置并不屬于節(jié)電策略，恰好與 NB 模塊的低功耗設計策略關聯(lián)，導致功耗出現(xiàn)大幅變化，如 NPDCCH（窄帶物理下行控制信道）周期 T 配置的影響。

NPDCCH 的周期 T=USS 重復次數(shù)（Rmax）×USS 開始子幀（G）

在芯片廠家的設計中，會引入一些低功耗設計，如規(guī)定芯片中的單元電路出現(xiàn)一定時長的空閑時間時，此單元就會關閉。Rmax，G 有多種取值，可形成不同的組合，這些組合使得在一個 NPDCCH 周期 T 內出現(xiàn)不同的空閑時間，如果空閑時間大于芯片設計的低功耗策略時間，芯片會關閉射頻單元，反之，射頻單元不關閉。對比圖 8 所示的 NPDCCH 不同周期配置RRC-Connected 電流圖可知，在 32 ms 周期的前提下，由于1×32 只需監(jiān)聽（Rmax）1 次，因此出現(xiàn)了較多空閑時間，所以射頻單元關閉，形成如圖所示方波，平均電流為 33 mA（國產(chǎn)芯片為 12 mA）。而 16×2 需要監(jiān)聽 16 次，空閑時間較少，所以射頻單元不關閉，形成如圖所示直線，電流為 48 mA。同樣，不同周期也會由于 G 的取值不同，導致周期空閑時間不同，影響射頻單元關閉。

5 結 語

通過對 NB-IoT 低功耗技術的分析和應用，可以看到低功耗是 NB-IoT 的重要特性，在 3GPP 協(xié)議中雖設計了眾多節(jié)電技術，如 PSM，eDRX 等，但節(jié)電技術的應用需要配合具體的物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品需求與應用場景，需要考慮網(wǎng)絡參數(shù)的配置和覆蓋等級與用戶電路板（MCU）的功耗等。隨著技術的發(fā)展，可以預見在不久的將來，我們將處于低功耗 NB-IoT 產(chǎn)品的包圍中。