蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中（比如LTE-M和NB-IoT）提供了一系列節(jié)能特性，比如PSM（Power Saving Mode，省電模式）和eDRX（extended Discontinuous Reception，擴(kuò)展不連續(xù)接收），專(zhuān)為降低電池供電設(shè)備的電流消耗而設(shè)計(jì)。通過(guò)合理配置，這些機(jī)制可極大延長(zhǎng)野外物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用壽命。

但是也需要權(quán)衡：省電設(shè)置過(guò)于激進(jìn)的話或可導(dǎo)致延遲增加，降低對(duì)下行信息的響應(yīng)性。因此，理解這些模式的行為和對(duì)時(shí)序的影響對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)極為關(guān)鍵。

LTE節(jié)能模式

為了評(píng)估并優(yōu)化以上參數(shù)，開(kāi)發(fā)人員必須能夠控制且實(shí)時(shí)觀察調(diào)制解調(diào)器（Modem）的行為。如Otii Arc和 Otii Ace等測(cè)量工具，允許用戶通過(guò)UART接口發(fā)送AT指令直接控制蜂窩調(diào)制解調(diào)器，同時(shí)測(cè)量電流消耗。這使得分析不同配置對(duì)能耗的影響并識(shí)別應(yīng)用的最優(yōu)設(shè)置變得更加簡(jiǎn)單。在本文案例中，我們演示了具體操作過(guò)程。

測(cè)試設(shè)備選用了Nordic nRF9151-DK開(kāi)發(fā)板，連接到Telia通信商在瑞典隆德市的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。注意，省電功能的可用性和實(shí)際表現(xiàn)，會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和本地基礎(chǔ)設(shè)施（如本地基站配置）等因素的影響。這可能會(huì)限制支持的選項(xiàng)或影響實(shí)際性能。

LTE-M和NB-IoT的低功耗模式

對(duì)于LTE的節(jié)能模式，簡(jiǎn)述如下：

eDRX（擴(kuò)展不連續(xù)接收）是LTE-M和NB-IoT的一種省電功能，首次由3GPP Release 13（2015年）引入。它允許設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間休眠、僅短時(shí)間內(nèi)喚醒以檢查信息，從而降低能耗。原理就是使用預(yù)設(shè)“打盹”的方式進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，因此，設(shè)備會(huì)關(guān)閉接收器不再持續(xù)監(jiān)聽(tīng)，同時(shí)通過(guò)增加延遲來(lái)保持一定的可觸達(dá)性。

PSM（電源節(jié)省模式，也稱(chēng)省電模式）由3GPP Release 12 （2015年）引進(jìn)，允許LTE物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在不完全斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接的情況下進(jìn)入深度睡眠。設(shè)備不需頻繁喚醒以檢查網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面，可協(xié)商更久睡眠間隔。在此期間，射頻會(huì)完全關(guān)閉，僅在需要發(fā)送數(shù)據(jù)或預(yù)設(shè)時(shí)間后才會(huì)喚醒。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)緩沖接收到的數(shù)據(jù)。

測(cè)量設(shè)置

如圖所示是如何連接Otii Ace 和 nRF9151-DK板（下圖中備注文字，是Otii Ace儀器的引腳名稱(chēng)）：

移除連接 Ace+/- 的跳線。 在該設(shè)置中，Otii Ace的主通道會(huì)給nRF9151-DK板的VDD供電并測(cè)量，0-15V的引腳會(huì)給板子上其他部分供電。開(kāi)發(fā)板也可通過(guò)USB電源供電，但如有需要，使用0-15V引腳可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)發(fā)板的斷電重啟。

注意，如果選擇USB供電，切勿連接0-15V電源到5V引腳。

開(kāi)始測(cè)量

我們使用Nordic的 AT Commands應(yīng)用程序，具體操作步驟如下：

在電腦上下載nRF Connect桌面應(yīng)用程序

點(diǎn)擊“Quick Start（快速開(kāi)始）“

設(shè)置開(kāi)發(fā)板名稱(chēng)

挑選AT指令應(yīng)用，并點(diǎn)擊”P(pán)rogram（編程）“

其他步驟對(duì)于此次測(cè)試不重要，可以跳過(guò)

斷開(kāi)開(kāi)發(fā)板上的USB數(shù)據(jù)線，本案例中只使用Otii Ace供電

注意： AT Commands僅將開(kāi)發(fā)板作為一個(gè)調(diào)制解調(diào)器使用，且板載上已實(shí)現(xiàn)了最低功耗節(jié)能特性。本次案例僅聚焦在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)能特性的影響，所以被測(cè)設(shè)備不會(huì)進(jìn)入深睡眠狀態(tài)，也就無(wú)需關(guān)注開(kāi)發(fā)板的功耗。

nRF9151-DK開(kāi)發(fā)板同時(shí)支持LTE-M和NB-IoT兩種模式。

使用Otii Ace Pro開(kāi)始測(cè)量

在Otii桌面應(yīng)用程序中，設(shè)置以下內(nèi)容： 主電壓，3.0V和5.5V之間 過(guò)電流 1A 數(shù)字電壓1.8V 0-15V，設(shè)為5V（不要超過(guò)5.5V） 如果使用了0-15V引腳連接，切記不要使用USB連接。 啟用”主電流“、”主電壓“、”UART日志“ 等通道 設(shè)置波特率為115200

在nRF9151-DK開(kāi)發(fā)板上測(cè)量PSM和eDRX模式

設(shè)置省電模式，并遵循以下步驟開(kāi)始測(cè)量：

在Otii桌面應(yīng)用程序里點(diǎn)擊開(kāi)始錄制

在Otii桌面應(yīng)用程序里打開(kāi)電源

Nordic的nRF9151-DK開(kāi)發(fā)板開(kāi)始啟動(dòng)。當(dāng)它開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候，UART 日志窗口會(huì)顯示“Ready”表示已啟動(dòng)完成。接著，開(kāi)發(fā)板進(jìn)入AT指令的模式，用戶可以通過(guò)Otii軟件上發(fā)送AT指令控制開(kāi)發(fā)板。成功執(zhí)行命令后，設(shè)備會(huì)響應(yīng)“OK”。所有的AT指令詳見(jiàn)該頁(yè)面。

默認(rèn)開(kāi)發(fā)板開(kāi)啟的時(shí)候，無(wú)線電處在關(guān)閉狀態(tài)。用戶可在Otii界面的UART日志上方TX data選項(xiàng)卡處，輸入AT指令并發(fā)送。下方日志窗口會(huì)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備響應(yīng)。

以下為使用 AT 命令配置 LTE-M的 eDRX 節(jié)能模式 時(shí)，在 Otii 應(yīng)用中記錄的 AT 命令執(zhí)行過(guò)程及對(duì)應(yīng)功耗曲線示例。

測(cè)試可以手動(dòng)進(jìn)行，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于本測(cè)試會(huì)涉及到很多配置操作，且自動(dòng)測(cè)試會(huì)使得測(cè)試過(guò)程更加簡(jiǎn)單，因此我們選擇自動(dòng)測(cè)試。我們使用了Otii自動(dòng)化工具箱以及在Qoitech Github網(wǎng)頁(yè)上下載的Python腳本。

配置操作包括如下內(nèi)容：

• LTE-M，無(wú)省電模式
• LTE-M，開(kāi)啟eDRX
• NB-IoT，無(wú)省電模式
• NB-IoT，開(kāi)啟eDRX
• LTE-M， 開(kāi)啟PSM
• NB-IoT， 開(kāi)啟PSM
• LTE-M， 同時(shí)開(kāi)啟eDRX和PSM
• NB-IoT，同時(shí)開(kāi)啟eDRX和PSM

每種配置的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)，累計(jì)錄制32小時(shí)的數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)對(duì)比的數(shù)據(jù)量需求進(jìn)行調(diào)整，但本設(shè)置在測(cè)試深度和整體測(cè)試時(shí)間取得了良好的平衡。

測(cè)試PSM模式更具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗蕾?lài)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商支持的參數(shù)。此次使用的網(wǎng)絡(luò)來(lái)自瑞典隆德本地運(yùn)營(yíng)商Telia，支持的最小PSM間隔為1小時(shí)。部分網(wǎng)絡(luò)也會(huì)同時(shí)支持PSM和eDRX，Telia網(wǎng)絡(luò)正是如此。

測(cè)試結(jié)果

目標(biāo)是演示如何快速分析不同節(jié)能配置的能耗影響，以及確定最佳設(shè)置。以下是基于本次測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)果：請(qǐng)注意：某些客觀條件獲客影響測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試均在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（Telia 瑞典隆德）下進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)行為存在不可控因素。

測(cè)試過(guò)程中未進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，nRF9151-DK 僅作為蜂窩調(diào)制解調(diào)器使用。實(shí)際電流消耗將根據(jù)數(shù)據(jù)量與傳輸頻率不同而變化。

省電模式會(huì)影響調(diào)制解調(diào)器的行為。如果需要持續(xù)接收消息，長(zhǎng)睡眠周期可能不合適，需要在功耗、響應(yīng)速度與可達(dá)性間取得平衡。

測(cè)試期間未將 nRF9151-DK 配置為最低功耗模式，使用時(shí)處于出廠狀態(tài)，導(dǎo)致休眠期電流略高于實(shí)際產(chǎn)品部署時(shí)的水平。本次測(cè)試最低休眠電流約為 590 μA。

LTE-M模式的功耗表現(xiàn)

在錄制曲線的右上角，可看到不同LTE-M配置（無(wú)論是否開(kāi)啟省電模式）下的一小時(shí)內(nèi)平均電流消耗數(shù)據(jù)。

啟用 eDRX 后，平均電流由約1.15mA降至約710μA。

開(kāi)啟 PSM 后，電流進(jìn)一步降至約630μA。

eDRX 與 PSM 同時(shí)啟用后，最低測(cè)得電流約623μA?？赡苡捎诠碳⑽赐耆槍?duì)超低功耗優(yōu)化，因此對(duì)比單獨(dú) PSM 的提升幅度有限。

NB-IoT模式的功耗表現(xiàn)

為觀察啟用省電模式的逐步影響，我們對(duì)NB-IoT的不同配置也進(jìn)行了類(lèi)似的對(duì)比。

開(kāi)啟 eDRX 后，平均電流從約1.36mA降至950μA。

開(kāi)啟 PSM 后，電流進(jìn)一步降低至約640μA。

eDRX 與 PSM 同時(shí)啟用后，反而略有升高至約660μA。放大觀察第二次與第三次的調(diào)制解調(diào)器的喚醒周期，可明顯看到該變化。

本案例并未深入分析此現(xiàn)象原因，而是繼續(xù)原定方向研究。同時(shí)開(kāi)啟 PSM 與 eDRX 模式時(shí)，設(shè)備會(huì)先進(jìn)入 eDRX 模式，周期性喚醒檢查下行消息（見(jiàn)下圖）。待 T3324 活動(dòng)定時(shí)器 超時(shí)后，設(shè)備轉(zhuǎn)入 PSM 深度睡眠狀態(tài)。在該狀態(tài)下設(shè)備不可被網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，但保持注冊(cè)。該狀態(tài)會(huì)一直保持到T3412 周期性TAU 定時(shí)器超時(shí)或設(shè)備需要主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。

這種組合模式可在下行可達(dá)性與實(shí)現(xiàn)最低功耗之間取得平衡。但并非所有網(wǎng)絡(luò)都支持兩者同時(shí)使用。且配置不當(dāng)（如 eDRX 周期過(guò)頻繁）會(huì)導(dǎo)致功耗升高，因此必須在具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中反復(fù)測(cè)試與驗(yàn)證。

結(jié)語(yǔ)：測(cè)試并平衡LTE-M和NB-IOT的低功耗模式

選擇合適的省電模式完全取決于應(yīng)用場(chǎng)景。像表計(jì)或追蹤器等低頻數(shù)據(jù)傳輸、且無(wú)需下行鏈路訪問(wèn)的設(shè)備，最適合PSM模式，因?yàn)榭稍O(shè)置最低功耗。像報(bào)警器或者可穿戴設(shè)備需要時(shí)不時(shí)接收下行信息的設(shè)備，更適合eDRX。兩者結(jié)合時(shí)，eDRX能夠保證設(shè)備在進(jìn)入深度PSM睡眠前保持可觸達(dá)性，但如果調(diào)優(yōu)不當(dāng)，反而可能增加功耗。所以，測(cè)試應(yīng)保證在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)電池壽命和響應(yīng)性之間的平衡。

為精細(xì)調(diào)整PSM 和 eDRX 等省電功能，開(kāi)發(fā)人員必須實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)制解調(diào)器的行為。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，Otii Arc 和 Otii Ace能夠通過(guò)在UART上啟用AT指令控制并同時(shí)測(cè)量電流消耗。當(dāng)自動(dòng)化此類(lèi)測(cè)試時(shí)，該設(shè)置可輕松分析不同配置的能耗影響，并識(shí)別出適用于特定應(yīng)用的最佳設(shè)置。

審核編輯 黃宇