电池用10年？NB-IOT之小功耗分析
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电池用10年？NB-IOT之小功耗分析
引子：太极拳由张三丰所创，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。NB的节电技术，正应了太极拳中的虚灵顶劲，最忌用力了。上篇吴老司谈到了强覆盖的降龙掌，本篇来跟大家伙扯一扯NB的节电技术，响应国家节能环保的号召（实际情况是阶梯电价了，伤不起！）。在正式开扯前，咱们得认真做足前戏，为什么？作为一个资深老司机，我可以负责任地告诉你：前戏很重要，我们不要忽略它。咱们先深入了解当前主流通信系统LTE的节电技术，重点是DRX，这将直接影响你对NB中的两大节电技术（就是eDRX、PSM这俩抠货）的理解学习。同时你也将发现任何一项技术的发展都是具有一定的延续性的，而不是你以为的：大喊一声呵呵我就现身了。1 &LTE DRX技术介绍在现网任何一个移动通信系统中，终端都不太可能无时无刻都在工作的。这就像人不能时时刻刻上班，需要间隔的休息一样，系统设计了一套叫做DRX的机制使得终端可以休息，在休息的过程中，因为关闭了收发信机（Tx/Rx），从而达到了节电的目的。DRX(Discontinuous Reception)，又称不连续接收，它的主要思想有两个：◢通过设计一套定时器，使得终端和网络具有严格的时间同步，以防出现终端在睡觉，但网络不断的在call你；或者你在工作日睡觉不定闹钟，睡到自然醒，结果上班迟到，简直是作死的节奏。◢网络侧与终端侧设计一套沟通机制，方便终端与网络商量终端是不是可以去睡觉了、什么时候去睡觉。实际上，老司机还要告诉你，网络侧设计了三种可以让终端去睡觉的场景，分别是idle DRX、connect DRX、inactive timer（有木有一丝要崩溃的感觉？）。下面重点介绍idle DRX和connect DRX的运行机制。场景一：IDLE DRX大家知道，正常情况下咱们早上被闹钟叫醒去上班，晚上到点下班回家，更关键的是我们还有万众期待的双休日和假期，非常具有规律性。当然，通信狗、程序猿们除外！（有木有戳中泪点？）同理，LTE终端会跟网络侧协商好一套工作排班表，好让终端可以有时间休息。下面介绍其工作原理:tips:文科狗们请自觉准备好枕头，这样你可以睡得舒服点。处于&Idle&模式下的终端，可以使用非连续接收(DRX)的方式去监听寻呼消息（实际上寻呼消息paging与idle态的DRX是完全耦合在一起的）。终端在一个&DRX&的周期内，可以只在相应的寻呼无线帧上的寻呼时刻先去监听&PDCCH&上是否携带有&P—RNTI，进而去判断相应的&PDSCH&上是否有承载寻呼消息。如果在&PDCCH&上携带有&P—RNTI，就按照&PDCCH&上指示的&PDSCH&的参数去接收&PDSCH&物理信道上的数据；而如果终端在&PDCCH&上未解析出&P—RNTI，则无需再去接收&PDSCH&物理信道，就可以依照&DRX&周期进入休眠。在一个 DRX 周期内，终端可以只在 PO 出现的时间位置上去接收 PDCCH，然后再根据需要去接收 PDSCH。而在其它时间可以睡眠，以达到省电的目的。在 LTE 的物理层协议中，其无线帧帧号的重复周期是 1024，因此每个无线帧帧号的取值范围是 0～ 1023。每个无线帧又被分成 10 个子帧，其子帧编号的取值范围是 0～9。因此终端需要先计算出所监听的 PDCCH 出现的无线帧帧号，然后再计算出无线帧帧号上的寻呼时刻(PO)，就可以精确地知道所监听的 PDCCH 物理信道的具体位置。以上图为例，终端在320ms的周期内，只需要醒来一次，作一次寻呼消息接收和测量，其他时间都在睡觉，这样就达到了省电的目的。从中也可以看出如果DRX cycle周期拉得越长，终端也就越省电，如将DRX cycle设置为1280ms比设置为320ms终端空闲态待机时间增加近40%。场景二：CONNECT DRX和inactive timer在南方（在湖南会发音成兰芳，请自觉纠正），大部分人在白天工作中也会抽空睡个午觉（北方好像称为打个盹），正所谓中午不睡，下午崩溃。同理，这种机制我们称为C-DRX，即connect态下的DRX，这种休息模式是见缝插针，忙里偷闲，是要终端进行许多条件的判断后才可以去睡午觉的，比如咱们上班一族，首先得看是否有睡觉的地儿，第二看时间是否充裕，第三看当天的工作能否做得完。下面介绍连接态最简单的工作原理（意思是还有难的，为了照顾那些还强撑着没睡的文科狗，再复杂点的吴老司就不讲了，想详细听的请来车站北路XXX号601房间）:◢连接态终端在时间轴上划分为激活期（On duration Timer控制）和休眠期（Long Drx Cycle 减去 On duration Timer的时间，决定了睡觉时间的长短），转换间隔毫秒级；◢&终端之所以能在工作的状态下抽空休息是因为数据业务在使用中具有突发性，数据业务发生的时间短，但频率高，呈梳齿状；◢休眠期不接收PDCCH，不上报CQI/PMI/RI，不发送SRS，从而省电；◢终端周期性进入激活期，当业务连续时保持在激活期。也就是说终端如果真的有业务要传，就不能去睡觉（哪怕你困成狗），除非你干完当前的活后On duration Timer控制的时间内都是没事可干，才可以再去睡觉。这就是前面所讲的，睡午觉也要看当天的工作能否干的完。此外，LTE系统还设计了RRC inactive timer，主动让终端休息去的机制。简单说来就是：如果你是弹性工作制，该你干的活早就干完，那么领导直接跟你说，陈二狗，你活干完了，可以早点下班休息去了。具体细节不再为难文科狗了，理科狗们请查阅相关资料。对于同时开启了C-DRX和inactive状态的终端，使用时间能提升将近50%。tips:好了，后排睡觉的同学可以醒了！基于终端耗电量的虑，网络主要设计了DRX、C-DRX、RRC inactive timer这三种方式让终端休养生息，能省点电就省点电，没必要每时每刻跟网络死磕，死扛。那么我们的节电目标是什么呢，请大家记住：XX空调，每晚低至一度电！2 & NB中节电技术概述做足了前戏，下面老司机可以正式介绍NB的节电技术。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。3 &&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。4 & 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，后续会详细讲解怎么计算出来的）。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。5 &&PSM和eDRX的关系PSM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：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。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。CMCC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DRX、PSM和eDRX技术，下篇吴老司给大家聊聊NB的低成本。本文作者：吴老司
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喜欢该文的人也喜欢NB-IoT 全称是窄带物联网，可直接在现有的 GSM、UMTS 或 LTE网络中进行部署，占用极低的带宽来连接大量低功耗设备，实现降低成本和平滑过渡的目标，目前已经是万物互联概念中的重要分支。根据规划路线图，5G 将会在 2020年正式商用，而本文将讨论 NB-IoT 的
　　NB-IoT 全称是窄带物联网，可直接在现有的 GSM、UMTS 或 LTE网络中进行部署，占用极低的带宽来连接大量低功耗设备，实现降低成本和平滑过渡的目标，目前已经是万物互联概念中的重要分支。根据规划路线图，5G 将会在 2020年正式商用，而本文将讨论 NB-IoT 的未来，以及相关的技术规格对物联网的重要影响。
　　NB-IoT，也被称为 LTE CatNB1，它可以以更智能的方式来连接数十亿台设备。它具有极高的性价比，支持低成本设备所设备的低功耗连接，并提供更宽广的覆盖范围。作为物联网行业规模经济的有效可行理论，低功耗广域网(LPWA) 技术几乎能够覆盖所有地方，并且能够和现有的移动网络兼容运作。
　　新型MTC(机器型态通讯)应用的主要需求就是，部署低功耗、覆盖更广范围、为低成本设备高效供电、匹配各家运营商不同频段的无线电接入网络。通常情况下，这些 MTC应用包括智能计量、物业监控、农业、船队和物流管理等等领域。虽然这些设备所产生的数据往往非常小，但它们通常安装在信号覆盖的盲区，例如森林、农场或者地下室，现有的短距离通信网络和移动蜂窝网络都无法覆盖这些区域，而NB-IoT就是为解决这一问题而问世的。
　　在授权的频谱下工作，更能确保覆盖率和性能，但运行在未授权频谱下容易出现各种不可控风险，会对网络中运行的诸多设备整体性能产生影响。
　　电池和覆盖性能
　　网点密度和链路预算是影响移动网络覆盖率的两大主要因素。相比较 GPRS、WCDMA 和 LTE 等技术，NB-IoT 的链路预算多20dB，而且能够在更低的数据覆盖情况下运行。
　　通信技术的链路预算对比：
　　20dB 的改进同时也意味着在某些方面做出牺牲，例如降低对 MTC 应用的要求，但也带来了很多的优势。NB-IoT能够满足速率延迟和电池寿命的需求。寿命取决于高效设备如何切换进入「睡眠模式」，从而在闲置状态下关闭电池的部分元件。
　　与 LTE 相同，NB-IoT 使用两个主要的 RRC 协议状态：
　　● RRC_idle：节省用于发送测量报告的电力和资源
　　● RRC_connected：设备直接发送和接收数据
　　NB-IoT 设计灵活性
　　特别需要指出的是，NB-IoT技术能够提供一定范围的数据传输速率。这取决于信道质量，或者信噪比和指定区域(带宽)的资源数量。此外，每个设备也有自己的功率预算，而且数台设备能够整合功率。
　　除了带宽的影响因素之外，在某些情境中 NB-IoT设备更容易受到信号强度的影响。这些设备可以在不损失性能的情况下，通过将传输能量聚集形成更窄的带宽，进而为其他设备节省了更多带宽资源。而且 NB-IoT传输的并非资源块，而是多频传输或者子载波。NB-IoT 的带宽为 15kHz，而资源块的有效带宽为180kHz，它由12个带宽为15kHz的子载波组成，两者存在显著差异，。
　　无论信号强弱，针对信号覆盖范围内的不同情况，我们都可以通过增加带宽的方式来提升数据传输速度。通过给设备分配多频或者子载波，数据传输速度最高可提升 12倍。在这种理想状态下，设备处于强信号覆盖范围内，数据的传输速率也是非常的快。而在现实环境下，最佳状态是 NB-IoT设备周围有密集的基站，或者大部分设备位于原始 LTE 覆盖范围内。
　　值得注意的是，在设计 NB-IoT 的时候就要求良好的复用性，并能适应各种传输速率。3GPP(标准化机构)提出的设计目标容量是每户人家 40台设备，或者是每个小区 个(以伦敦城市为例);而在模拟运行中，每个小区能够连接 200,000 台设备，是原定目标的 4 倍。显然，在正式发布的时候NB-IoT 将会满足数据传输速率的要求。
　　关于设备
　　要部署大规模传感器显然离不开通信模组。不同参数(如温度和湿度)的监测和反馈过程必须要经过优化。对于重度依赖传感器的场景应用，数据传输速率以及延迟都应该更低，NB-IoT能够满足这些需求。NB-IoT 设备已经证明了能够在更低峰值的物理层数据传输(100-200kbps 范围)中工作，甚至能够支持单频传输。此外 NB-IoT设备还有其他优势。例如 LTE MBB 需要两根天线，而 NB-IoT 只需要一根接收天线。
　　窄带(NB-IoT 为 200kHz，而其他技术从 1.4MHZ 到 20MHZ不等)的另一个优势，是数模转换的复杂度、信道估计和更低的缓冲。
　　NB-IoT 要连接万物
　　● 智慧城市：
　　花更少的钱来追踪城市各方面的需求。NB-IoT 和 LTE 让控制路灯、免费停车位、环境条件等成为可能。正如上文中所提及的，NB-IoT通讯模块具备极具竞争力的价格优势。这些模块，售价预估在 5 美元左右。
　　● 智能楼宇：
　　NB-IoT 能够为建筑的宽带连接提供支持。使用 LPWA 网络直接连接传感器到监控系统中，从而增强安全。
　　● 计量：
　　智能计量的主要需求是网络覆盖。有些时候，仪表需要安装到偏远的农村地区或者地下。通过常规和小数据传输，NB-IoT 能够很好的监控燃气表和水表。
　　● 消费市场：
　　Cat M1，有时候称之为 NB-IoT替代者。两项技术都能支持大规模传感器，支持各种活动程度的数据连接。对于消费者来说，可穿戴设备是物联网的基石。物联网的一个主要挑战是如何探索出可持续的商业发展模型。相比较重新生产，传感器和设备的维护费用可能会更贵。
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3秒自动关闭窗口5G很遥远 但NB-IoT已成物联网当红辣子鸡
> 5G很遥远 但NB-IoT已成物联网当红辣子鸡
5G很遥远 但NB-IoT已成物联网当红辣子鸡
编者按：根据规划路线图，5G 将会在 2020 年正式商用，而本文将讨论 NB-IoT 的未来，以及相关的技术规格对物联网的重要影响。
　　 全称是窄带物联网，可直接在现有的 GSM、UMTS 或 LTE 网络中进行部署，占用极低的带宽来连接大量低功耗设备，实现降低成本和平滑过渡的目标，目前已经是万物互联概念中的重要分支。本文引用地址：　　，也被称为 LTE Cat NB1，它可以以更智能的方式来连接数十亿台设备。它具有极高的性价比，支持低成本设备所设备的低功耗连接，并提供更宽广的覆盖范围。作为物联网行业规模经济的有效可行理论，低功耗广域网 (LPWA) 技术几乎能够覆盖所有地方，并且能够和现有的移动网络兼容运作。　　新型 MTC(机器型态通讯)应用的主要需求就是，部署低功耗、覆盖更广范围、为低成本设备高效供电、匹配各家运营商不同频段的无线电接入网络。通常情况下，这些 MTC 应用包括智能计量、物业监控、农业、船队和物流管理等等领域。虽然这些设备所产生的数据往往非常小，但它们通常安装在信号覆盖的盲区，例如森林、农场或者地下室，现有的短距离通信网络和移动蜂窝网络都无法覆盖这些区域，而就是为解决这一问题而问世的。　　在授权的频谱下工作，更能确保覆盖率和性能，但运行在未授权频谱下容易出现各种不可控风险，会对网络中运行的诸多设备整体性能产生影响。　　电池和覆盖性能　　网点密度和链路预算是影响移动网络覆盖率的两大主要因素。相比较 GPRS、WCDMA 和 LTE 等技术，NB-IoT 的链路预算多 20dB，而且能够在更低的数据覆盖情况下运行。　　通信技术的链路预算对比：　　20dB 的改进同时也意味着在某些方面做出牺牲，例如降低对 MTC 应用的要求，但也带来了很多的优势。NB-IoT 能够满足速率延迟和电池寿命的需求。寿命取决于高效设备如何切换进入「睡眠模式」，从而在闲置状态下关闭电池的部分元件。　　与 LTE 相同，NB-IoT 使用两个主要的 RRC 协议状态：　　● RRC_idle：节省用于发送测量报告的电力和资源　　● RRC_connected：设备直接发送和接收数据　　NB-IoT 设计灵活性　　特别需要指出的是，NB-IoT 技术能够提供一定范围的数据传输速率。这取决于信道质量，或者信噪比和指定区域(带宽)的资源数量。此外，每个设备也有自己的功率预算，而且数台设备能够整合功率。　　除了带宽的影响因素之外，在某些情境中 NB-IoT 设备更容易受到信号强度的影响。这些设备可以在不损失性能的情况下，通过将传输能量聚集形成更窄的带宽，进而为其他设备节省了更多带宽资源。而且 NB-IoT 传输的并非资源块，而是多频传输或者子载波。NB-IoT 的带宽为 15kHz，而资源块的有效带宽为 180kHz，它由12个带宽为15kHz的子载波组成，两者存在显著差异，。　　无论信号强弱，针对信号覆盖范围内的不同情况，我们都可以通过增加带宽的方式来提升数据传输速度。通过给设备分配多频或者子载波，数据传输速度最高可提升 12 倍。在这种理想状态下，设备处于强信号覆盖范围内，数据的传输速率也是非常的快。而在现实环境下，最佳状态是 NB-IoT 设备周围有密集的基站，或者大部分设备位于原始 LTE 覆盖范围内。　　值得注意的是，在设计 NB-IoT 的时候就要求良好的复用性，并能适应各种传输速率。3GPP(标准化机构)提出的设计目标容量是每户人家 40 台设备，或者是每个小区 52200 个(以伦敦城市为例);而在模拟运行中，每个小区能够连接 200，000 台设备，是原定目标的 4 倍。显然，在正式发布的时候 NB-IoT 将会满足数据传输速率的要求。　　关于设备　　要部署大规模传感器显然离不开通信模组。不同参数(如温度和湿度)的监测和反馈过程必须要经过优化。对于重度依赖传感器的场景应用，数据传输速率以及延迟都应该更低，NB-IoT 能够满足这些需求。NB-IoT 设备已经证明了能够在更低峰值的物理层数据传输(100-200kbps 范围)中工作，甚至能够支持单频传输。此外 NB-IoT 设备还有其他优势。例如 LTE MBB 需要两根天线，而 NB-IoT 只需要一根接收天线。　　窄带(NB-IoT 为 200kHz，而其他技术从 1.4MHZ 到 20MHZ 不等)的另一个优势，是数模转换的复杂度、信道估计和更低的缓冲。　　NB-IoT 要连接万物　　● 智慧城市：　　花更少的钱来追踪城市各方面的需求。NB-IoT 和 LTE 让控制路灯、免费停车位、环境条件等成为可能。正如上文中所提及的，NB-IoT 通讯模块具备极具竞争力的价格优势。这些模块，售价预估在 5 美元左右。　　● 智能楼宇：　　NB-IoT 能够为建筑的宽带连接提供支持。使用 LPWA 网络直接连接传感器到监控系统中，从而增强安全。　　● 计量：　　智能计量的主要需求是网络覆盖。有些时候，仪表需要安装到偏远的农村地区或者地下。通过常规和小数据传输，NB-IoT 能够很好的监控燃气表和水表。　　● 消费市场：　　Cat M1，有时候称之为 NB-IoT 替代者。两项技术都能支持大规模传感器，支持各种活动程度的数据连接。对于消费者来说，可穿戴设备是物联网的基石。物联网的一个主要挑战是如何探索出可持续的商业发展模型。相比较重新生产，传感器和设备的维护费用可能会更贵。　　小结　　希望到这里你已经对 NB-IoT 有了更深入的了解，知道它是如何运作，又和其他 LPWAN 的技术有什么差别。全新的物联网规划将会在更好的网络和设备下启动，帮助创造一个极具吸引力的业务。
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