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最大限度延长蜂窝物联网的电池寿命:对 eDRX、PSM 和 AS-RAI 的分析 2024-01-17

NB-IoT(窄带物联网)和 LTE-M(用于机器类型通信的 LTE)的推出彻底改变了物联网的格局,使 3GPP(第三代合作伙伴计划)成为物联网领域的关键角色。这些技术统称为蜂窝物联网。NB-IoT 和 LTE-M 之所以能改变游戏规则,是因为它们的设计不再针对人类类型的流量进行优化,而是针对大规模部署物联网设备发送相对少量的数据和低功耗进行优化。

NB-IoT(窄带物联网)和 LTE-M(用于机器类型通信的 LTE)的推出彻底改变了物联网的格局,使 3GPP(第三代合作伙伴计划)成为物联网领域的关键角色。这些技术统称为蜂窝物联网。NB-IoT 和 LTE-M 之所以能改变游戏规则,是因为它们的设计不再针对人类类型的流量进行优化,而是针对大规模部署物联网设备发送相对少量的数据和低功耗进行优化。

蜂窝技术具有覆盖范围广、移动性高、漫游能力强等特点,最重要的是,它已经部署了基础设施,因此很容易被视为低功耗广域网(LPWAN)的完美推动者。但是,如果不清楚省电功能以及如何使用这些功能最大限度地降低功耗,使用蜂窝物联网的设备就会出现电池寿命问题。

在这篇博文中,我们将介绍蜂窝通信中无线电活动的基础知识及其不同模式,以便研究蜂窝物联网中的省电模式。随后,我们将简要介绍扩展不连续接收(eDRX)和省电模式(PSM),并解释它们如何工作和降低功耗。

这一背景知识将为介绍用于接入的释放辅助指示(AS-RAI)奠定基础。我们将讨论 AS-RAI 的重要性,以及它如何与 PSM 和 eDRX 配合使用,进一步降低蜂窝物联网的功耗。此外,我们还将介绍使用 nRF9160 DK 进行的功耗测试结果,以突出 eDRX、PSM 和 AS-RAI 的工作原理,以及这些功能在多大程度上降低了蜂窝物联网应用的功耗。

在随后的章节中,我们将了解 RAI 如何通过帮助用户设备(UE)更快地释放无线电资源来降低功耗,从而节省电能。如果释放无线电资源的决定来自接入层的无线网络,则称为 AS-RAI。而如果决定来自核心网络的非接入层(控制平面),则称为 CP-RAI。在本博文中,当提到 RAI 时,我们指的是 AS-RAI,因为 CP-RAI 不属于本博文的讨论范围。

蜂窝物联网中的无线电活动模式

UE 在其整个生命周期中可以处于各种模式。UE 的两种主要运行模式是无线电资源控制(RRC)连接模式和 RRC 空闲模式,分别指活动模式和空闲模式。最后,UE 还可能处于关闭模式。

RRC 连接模式

RRC 连接模式是 UE 的无线电处于活动状态并与 eNB(LTE 基站)及时进行双向通信的模式,如执行相邻单元测量和同步任务等。因此,由于无线电传输和信令活动,这种模式消耗的功率最大。

在 RRC 连接模式下执行的常见任务:

  • 从 UE 向 eNB 发送上行链路 (UL) 信息,即报告传感器值
  • 接收来自 eNB 的下行链路 (DL),即配置更新
  • 相邻单元测量和同步任务

在 RRC 连接模式下,数据传输结束后,UE 会在一段由 RRC 非活动定时器决定的时间内保持连接。这就使设备保持在 RRC 连接状态,等待未来可能的短期数据传输,从而避免了消耗资源的状态转换。如果 UE 在定时器周期内有更多数据要发送或接收,则无需从空闲状态返回即可发送或接收数据。但是,当 RRC 闲置定时器耗尽时,允许 UE 过渡到空闲模式。

RRC 空闲模式

RRC 空闲模式是指 UE 处于打开状态,但无线电不执行高电池消耗任务。在 RRC 空闲模式下,UE 通过与网络保持同步,从而保持与网络连接的最低限度。因此,与 RRC 连接模式相比,电池消耗量较低,但还可以进一步降低,我们将在后续章节中介绍。

在 RRC 空闲模式下,无线电执行保持接收活动,例如:

  • 监听寻呼消息,以便在 eNB 需要状态更新或数值报告时获得通知
  • 执行跟踪区域更新 (TAU),以更新 eNB 有关 UE 位置的可达性信息

蜂窝物联网的省电功能

尽管存在一些差异,但 LTE-M 和 NB-IoT 都需要省电功能,以进一步降低功耗,并让用户能够控制可用性和电池寿命之间的权衡。因此,3GPP 第 12 版为 LTE-M 和 NB-IoT 引入了 PSM(省电模式)和 eDRX(扩展不连续接收)等省电功能。

采用省电技术而不是直接关闭调制解调器的原因是,UE 可以保持与网络的同步,不必通过耗电的连接程序来重新建立连接。省电技术允许 UE 关闭无线电,同时仍保持与网络的连接和同步,从而减少了重新建立连接程序的需要。

不连续接收

省电的基本形式之一是不连续接收(DRX),简单地说就是在两次收听间隔之间短暂关闭无线电。UE 有几种 DRX 运行方式。

cDRX

在 RRC 连接模式下,数据传输结束后,UE 应保持 RRC 连接模式,直到 RRC 非活动定时器耗尽。在此期间,UE 可以短暂关闭无线电,而不是持续监听,而是间隔监听传入的无线电活动。这被称为连接模式 DRX (cDRX),因为它发生在 RRC 连接模式期间。

iDRX

在 RRC 空闲模式下,UE 预计不会有太多无线电活动,因此会关闭无线电以节省电能,并在特定时间间隔内监听传入的下行链路无线电信息。这被称为空闲模式 DRX (iDRX),是一种基本的省电功能。

eDRX

延长 iDRX 周期似乎是为了让 UE 睡眠更长、更省电,对吗?这正是 eDRX 的前提,即延长 DRX 周期以进一步缩短 UE 处于唤醒状态的时间。

在 eDRX 阶段,UE 可以减少监测网络下行链路寻呼信息的频率,从而通过不定期打开无线电来节省电能。但是,UE 仍然连接并注册到网络;它所做的只是减少收听下行链路寻呼信息的频率并延长睡眠时间。

在 UE 未主动监听寻呼的时刻,网络无法连接到 UE。这里需要权衡的是 UE 可用性与 eDRX 周期之间可接受的延迟,也就是省电。

图 1 显示了 eDRX 连接状态的两种不同情况。左图中,UE 在没有任何寻呼信息的情况下唤醒以监控寻呼信息。右图中,UE 被需要传输数据的寻呼事件唤醒。因此,UE 会切换到 RRC 连接模式,进行所需的数据传输。然后启动 RRC 非活动计时器。如果在 RRC 闲置计时器耗尽之前 UE 没有收到更多信息,则 UE 将转换到 RRC 空闲模式,并再次以 eDRX 模式运行。

图 1:显示 RRC 不活动计时器、eDRX 周期和寻呼时间窗口的插图

图 1: 显示 RRC 不活动计时器、eDRX 周期和寻呼时间窗口的插图

PSM

PSM 使 UE 进入深度睡眠状态,从而将省电提升到一个新的水平。这意味着 PSM 模式下的 UE 不会像 eDRX 模式那样定期监控 RX 寻呼信息。相反,它将进入较长时间的深度睡眠状态。

但是,UE 会保持注册并连接到网络,以便在唤醒时进行数据传输。为此,UE 必须定期唤醒并向网络发送跟踪区域更新(TAU)。这个周期由定期 TAU 定时器决定。PSM 中的 UE 会因两种原因之一而唤醒,一种是由周期 TAU 定时器触发发送 TAU,另一种是由应用程序触发发送 UL 消息。尽管设备可以在定期 TAU 间隔之外唤醒并发送 UL 信息,但等到下一个间隔再发送 UL 数据会更省电。

UE 可与网络协商一个名为 "活动定时器 "的定时器。在 RRC 连接一段时间后,当 RRC 非活动定时器耗尽时,UE 将进入空闲模式。但是,如果启用了 PSM,一旦 UE 进入空闲模式,活动定时器就会启动。当活动定时器超时时,UE 将进入 PSM。如果启用了 eDRX,则 UE 可在主动计时器计时期间以 eDRX 模式运行。

图 2 解释了这一过程。

图 2. 活动定时器、PSM 和周期性 TAU 的图示

图 2: 活动定时器、PSM 和周期性 TAU 的图示

什么是 AS-RAI 及其工作原理

在了解了蜂窝物联网省电技术的工作原理后,让我们来看看 "接入层释放辅助指示"(AS-RAI)如何优化无线电活动以节省更多电能。

如前所述,无论采用何种省电技术,处于 RRC 连接模式的 UE 都将执行数据传输,然后等待 RRC 闲置定时器周期后再进入 RRC 空闲模式。

RRC 空闲定时器周期由网络决定,UE 无法协商。因此,如果该计时器值较长,在等待切换到 RRC 空闲模式时会不必要地增加功耗。该计时器可持续 5 秒,最长可达 60 秒,如果 UE 在 RRC 连接模式下每次都需要额外开启无线电 60 秒,则会严重降低电池寿命。

AS-RAI 使 UE 能够通知网络它已完成数据传输(不再有上行链路数据),并请求网络释放无线电资源(RRC 释放),从而使 UE 更快地过渡到 RRC 空闲模式。这意味着 UE 将跳过对网络寻呼消息(RRC 空闲定时器)的监控期。

这极大地影响了功耗,因为如果不使用 AS-RAI,UE 就需要在 RRC 不活动计时器期间不必要地保持无线电开启。

3GPP 第 14 版为 LTE-M 和 NB-IoT 引入了 AS-RAI,如果网络支持,它可以节省大量功耗。

让我们借助下面的插图更仔细地研究一下 AS-RAI。

图 3. 禁用 AS-RAI 时的功耗

图 3:禁用 AS-RAI 时的功耗

图 3 显示了不使用 AS-RAI 时的连接阶段和每个阶段对应的功耗百分比。蓝色条描述了网络同步和 RRC 设置阶段,然后是数据传输。数据传输后,UE 进入 cDRX 阶段。如图顶部的百分比图例所示,在此测试场景中,cDRX 模式消耗了约 60% 的功耗。

只有在 RRC 不活动计时器计时结束后,RRC 才会被释放,UE 才能进入空闲模式(eDRX 和/或 PSM)。AS-RAI 的意义在于,它允许在 RRC 不活动定时器耗尽之前释放 RRC,因此在本例中可有效减少约 60% 的功耗。如下图 4 所示。

请注意,结果会因网络运营商和使用的参数不同而有所差异。

图 4:启用 AS-RAI 时的功耗

图 4:启用 AS-RAI 时的功耗

如图 4 所示,使用 AS-RAI,整个 cDRX 周期被跳过,UE 可以在完成数据传输后立即进入空闲模式。

请注意,这些计算结果只是根据我们的 LTE 在线功率剖析器的计算结果得出的粗略估计。

测量结果

本节显示的测量结果使用 nRF9160 DK 执行。DK 的功耗是通过 Nordic 的 Power Profiler Kit 2 采集的,您可以点击其名称了解更多信息,或者观看我们的网络研讨会中有关如何使用它的部分。

eDRX 测量结果

测试目的

本测试的目的是显示 eDRX 如何影响功耗,并检查两种不同 eDRX 间隔之间的功耗差异。

测试场景

使用 LTE-M 和寻呼时间窗口 = 2.52 秒

  • 步骤 1:测量 eDRX 禁用时的耗电量(使用间隔时间= 640 毫秒的普通 iDRX)
  • 步骤 2:当 eDRX 间隔设置为 81.2 秒时,测量两个 eDRX 事件之间消耗的功率
  • 步骤 3:当 eDRX 间隔设置为 163.64 秒时,测量两个 eDRX 事件之间消耗的功率

预期观察结果

禁用 eDRX 时,UE 应在 iDRX 中运行,经常(每 640 毫秒)监测 RX 寻呼,因此功耗较高。

当启用 eDRX 时,我们会发现 RX 寻呼监测的频率会降低,同时功耗也会降低。当 UE 设置较长的 eDRX 间隔时,我们还能观察到较少的功耗。

测试结果

如图 5 所示,当 eDRX 禁用时,UE 会使用普通 iDRX 频繁监控无线电以获取传入信息。

图 5: iDRX 的功耗

图 5:iDRX 的功耗

很明显,当 eDRX 禁用时,在空闲模式下,UE 仍会定期监控无线电信道以接收信息,从而导致 10 秒内平均消耗 750 µA 电流。

然而,启用 eDRX 并将其设置为 81.2 秒后,图 6显示,尽管也处于无线电不活动期,但 eDRX 使 UE 监测 RX 寻呼的频率降低,从而大大降低了功耗。

图 6:启用 eDRX,间隔时间=81.2 秒,PTW=2.56 秒

图 6:启用 eDRX,间隔时间 =81.2 秒,PTW=2.56 秒

图 6 显示,eDRX 在 10 秒内平均消耗 750 µA 电流,而 UE 在 81.2 秒内仅消耗 132 µA 电流。请注意,这些测量值包括 SIM 卡时钟停止电流(见 eDRX 事件之间的 3 个尖峰,这是 SIM 卡同步),在这种情况下,平均额外消耗约 40 µA。如果 SIM 卡支持挂起/恢复功能,由于 SIM 卡将挂起 eDRX 间隔中的活动,因此额外功耗将得到缓解。当您向运营商订购 SIM 卡时,可以而且应该要求提供这种功能。

此外,请注意在每个 eDRX 事件开始时,您可以看到 4 个寻呼事件 (PO) 和一个网络同步尖峰。这些数字因所连接的网络而异。

现在,我们来看看进一步延长 eDRX 时间间隔的效果,从 81.2 秒延长到 163.64 秒(2 分 43 秒)。

图 7. 启用 eDRX,间隔时间=81.2 秒,PTW=2.56 秒

图 7:启用 eDRX,间隔时间 = 81.2 秒, PTW=2.56 秒

如图 7 所示,延长 eDRX 间隔可进一步降低功耗。与 81.2 秒内消耗 132 µA 相比,这种 eDRX 设置在 163.64 秒内消耗 92.64 µA。这大大降低了功耗,并显著延长了蜂窝设备的电池寿命。同样,由于 SIM 卡不支持挂起/恢复功能,因此这些测量值包括约 40µA 的 SIM 卡时钟停止电流。

PSM 测量结果

测试目的

该测试的目的是通过比较禁用 PSM 和启用 PSM 时 10 秒钟内传输所消耗的电量,展示 PSM 如何节省电量。

测试场景

为了测试 PSM 如何帮助降低功耗,我们使用 LTE-M 设置了以下测试:

  • 步骤 1:在禁用 PSM 的情况下,测量两次传输之间 10 秒钟的耗电量。在这种情况下,只启用 iDRX。
  • 步骤 2:在启用 PSM 的情况下,测量两次传输之间 10 秒钟的耗电量。

预期观察结果

我们预计在启用 PSM 后的 10 秒钟内,功耗会大幅降低,因为 PSM 会让 UE 进入深度睡眠状态,同时与网络保持同步,从而避免了设备定期打开无线电检查 RX 寻呼事件所消耗的电量。

测试结果

如图 8 所示,当 PSM 禁用时,UE 的无线电会定期监听传入的 RX 寻呼事件。这就解释了为什么在图 8 所示的两个主要传输事件之间的阴影时间段会出现电流消耗峰值。

图 8: 禁用 PSM 的 10 秒钟

图8:禁用 PSM 的 10 秒钟*

如底栏所示,这 10 秒钟内消耗的平均电流约为 750 µA,产生的电荷约为 7.5 mC。

另一方面,图 9 显示了启用 PSM 后类似的 10 秒钟内的功耗。图 9 显示了与图 8的明显不同,因为 PSM 使 UE 现在处于深度睡眠模式,所以电流消耗大大降低。

图 9: 启用 PSM 时的 10 秒钟

图 9: 启用 PSM 时的 10 秒钟

如底栏所示,消耗的平均电流从 750 µA 左右降至 2.4 µA,导致消耗的电荷从 7.51 mC 大幅降至 24 µC 左右。

结论

这些测量结果证明了 PSM 在使 UE 长时间处于深度睡眠模式以节省电池寿命方面的巨大重要性和影响。

值得注意的是,尽管 PSM 和 eDRX 可以共存,但这并不总是最佳情况。在某些情况下,只使用这两种功能中的一种对特定用例更有利。例如:

  • 对于 UE 不需要接收 DL 数据,只需要很少发送 UL 数据(如每隔一天发送一次)的应用,在这些 UL 信息之间关闭调制解调器最为有利。
  • 对于 UE 不需要接收 DL 数据,但需要每小时或每天发送一次 UL 数据或 TAU 的应用,使用 PSM 最为有利。
  • 对于 UE 期望接收 DL 数据但需要经常监控 RX 寻呼的应用,eDRX 则更为有利。这可以通过将 eDRX 间隔设置为应用所能容纳的最大延迟来优化。

RAI 测量结果

测试目的

本测试的目的是通过比较 UE 在禁用 AS-RAI 和启用 AS-RAI 的情况下发送 UDP 数据包所需的时间和消耗的电流,来展示 AS-RAI 如何节省功耗。

我们将测量发送 UDP 数据包整个过程所消耗的时间和功率。

测试场景

为了测试 RAI 如何影响功耗,我们使用 NB-IoT 设置了以下测试:

  • 步骤 1:禁用 AS-RAI,UE 设置为发送 UDP 数据包
  • 步骤 2:启用 AS-RAI,然后再发送一个 UDP 数据包

预期观察结果

我们预计,在没有 AS-RAI 的情况下,UE 的无线电活动会因发送 UDP 数据包而激增,然后无线电会在 RRC 非活动定时器期间保持打开状态,之后进入 PSM。

然而,在启用 AS-RAI 后,我们预计 UE 的无线电将在发送 UDP 数据包后直接进入 PSM,从而节省 UE 在不活动定时器期间保持 RRC 连接模式所消耗的功率。

测试结果

图 10:禁用 AS-RAI 的 UDP 事件

图 10:禁用 AS-RAI 的 UDP 事件

图 10 显示了在禁用 AS-RAI 的情况下发送 UDP 数据包时观察到的时间和电流消耗数据。这里的 UDP 事件包括连接设置、发送 UDP 数据包,然后是 RRC 非活动计时器周期。我们可以看到,该事件耗时 6.4 秒,整个事件消耗的平均电流约为 30 mA,电池消耗量为 191 mC。如图所示,在 RRC 闲置计时器超时后,UE 进入 PSM 时电流消耗下降。

现在,让我们检查启用 AS-RAI 后的 UDP 数据包事件,看看 UE 是否会更快地进入 PSM。

图 11. 启用 AS-RAI 的 UDP 事件

图 11:启用 AS-RAI 的 UDP 事件

如图 11 所示,AS-RAI 使 UE 跳过 RRC 不活动定时器,从而将事件的总时间从 6.4 秒减少到 1.4 秒,平均电流消耗仅为 17.75 mA,电池消耗从 191 mC 减少到 24.3 mC。

结论

这些结果表明,AS-RAI 减少了 UDP 数据包事件所消耗的时间和功率,使 UE 发送 UDP 数据包所消耗的电量减少了 87.3%,从长远来看,这可以大大延长电池的使用寿命,具体取决于 UE 需要多长时间进入 RRC 连接模式。

Network State Average power consumption % change
iDRX @ 640 ms 750.80 µA  
eDRX @ 81.2 s 131.92 µA 82.4 % decrease vs iDRX
eDRX @ 163.64 s 92.64 µA 87.7 % decrease vs iDRX
PSM enabled 2.40 µA 99.7 % decrease vs iDRX
AS-RAI disabled 29.83 mA  
AS-RAI enabled 17.75 mA 40.5 % decrease vs AS-RAI disabled

结语

蜂窝物联网技术具有巨大的潜力,可以彻底改变我们对低功耗物联网应用的看法。其广泛的基础设施和覆盖范围有望推动我们对低功耗物联网应用的思考,为未来无缝、无处不在的连接铺平道路。

然而,通过优化蜂窝物联网设备的电池寿命,可以进一步推动这一巨大潜力。利用 eDRX、PSM 和 RAI 等省电功能,我们有能力应对这一挑战。这篇博文的目的是解释省电功能背后的理论,并借助我们的测量结果,展示这些功能在节约电能和大幅延长电池寿命方面的有效性。

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