物联网技术发展趋势是LPWAN,其中尤其以NB-IoT和eMTC最为代表。NB-IoT和eMTC各有优劣,使用场景互有不同。
低功耗可以说是物联网技术的核心,本着关注低功耗的方向,适当了解NB IoT在整个LTE中的位置,NB-IoT的协议,重点关注NB-IoT低功耗部分。
1.NB-IoT背景
NB-IoT属于LPWAN技术的一种,是一种为物联网而设计的窄带无线技术。NB-IoT是由3GPP规范的,类似的技术还包括eMTC。NB-IoT技术规格在3GPP的R13被冻结。
NB-IoT主要关注indoor coverage、low cost、long battery life、enabling a large number of connected devices。
NB-IoT属于LTE一部分,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式。
2.NB-IOT协议
从Rel.10开始,3GPP就开始针对物联网引入新功能。
物联网设计原则:一大(大规模连接)、一强(覆盖增强)、三低(低功耗、低成本、低流量)。
Rel.10和Rel.11,解决“一大”问题。
Rel.12开始,主要解决“三低”问题,主要引入了PSM/DRX省电模式和LTE Cat 0。
Rel.13引入了LTE Cat M1和LTE Cat NB1,还引入了eDRX。
《一文看懂蜂窝物联网进化史,NB-IoT带来新突破》- 介绍了NB-IoT技术规范的演变,且重点介绍了PSM(Rel.12)/eDRX(Rel.13)省电技术。
《物联网LTE R13版强化MTC技术 新增Cat.M/NB-IoT规格》- 重点介绍Rel.13中eMTC/NB-Iot技术各方面实现。
3.NB-IoT之PSM/eDRX技术
《下一代物联网技术:原来NB-IoT与eMTC的低功耗技术是这样实现的》- 着重讲解了PSM和eDRX技术。
PSM
PSM状态下特性
PSM即低功耗模式,是3GPP R12引入的技术,其原理是允许UE在空闲态一段时间后,关闭信号的收发和AS(接入层)相关功能,相当于部分关机,从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗。
UE在PSM期间,不接收任何网络寻呼,对于网络侧来说,UE此时是不可达的,数据、短信、电话均进不来。
PSM模式下,终端处于休眠模式,近乎关机状态,可大幅度省电。在PSM器件,终端不再监听寻呼,但终端还是注册在网络中,因此,要发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接。
连接态:进行数据收发;由TAU定时器T3412超时或者
空闲态:T3324启动,RRC释放;空闲状态,监听寻呼。
PSM:T3324超时;启动T3412;不监听寻呼。
何时进入PSM?
那么UE处理完数据后,什么时候进入PSM模式呢?
这是由另一个定时器Active Timer(T3324,0-255秒)决定的。
UE处理完数据之后,RRC连接会被释放、进入空闲态,与此同时启动Active Timer,此Timer超时后,UE即进入上述PSM模式。
PSM在数据连接终止或周期性TAU完成后启动。数据连接终止后,终端首先进入空闲模式,并进入不连续接收(DRX)状态,此时,终端监听寻呼(Paging)。
当DRX定时器T3324超时后,终端进入PSM模式。
数据态(RRC释放)-->空闲态(DRX,T3324超时)-->PSM模式
何时退出PSM?
只有当(1)TAU周期请求定时器(T3412)超时,或者(2)UE有MO业务要处理而主动退出时,UE才会退出PSM模式-->进入空闲态-->进而进入连接态处理上下行业务。
TAU周期请求定时器(T3412)由网络侧在ATTACH和TAU消息中指定,3GPP协议规定默认为54min,最大可达310H。
PSM模式(TAU T3412超时/MO业务)-->空闲模式-->数据态
转换状态如下:
UE和NW两侧的交互流程如下:
PSM适用于那些反应迟钝的,通常由终端主动发起和网络通信的物联网场景,否则,它可能要很久才回应你。
当然,我们在网络设计时,也一定要考虑实际应用需求,合理设置空闲模式和PSM模式的时间间隔。
eDRX
eDRX即非连续接收,是3GPP R13引入的技术。R13之前已经有DRX技术,eDRX是对原DRX技术的增强:支持更长周期的寻呼,从而达到省电目的。如图:
eDRX的寻呼周期由网络侧在ATTACH和TAU消息中指定(UE可以指定建议值),可为20s、40s、80s...最大可达40min。相比DRX的1.28/2.56s循序周期,eDRX显然更省电。
eDRX与PSM周期的不同
Rel. 13还引入了eDRX(增强型非连续接收),就是延长了原来DRX的时间,减少了终端的DRX次数和频率,以达到省电的目的。
之前DRX的最小间隔为2.56秒,这对于隔很长一段时间才发送数据的物联网设备来说,实在是太频繁了。
eDRX可工作于空闲模式和连接模式。在连接模式下,eDRX把接收间隔扩展至10.24秒;在空闲模式下,eDRX将寻呼监测和TAU更新间隔扩展至超过40分钟。
eDRX与PSM模式切换的不同
PSM和eDRX之间的不同之处在于,终端从休眠模式进入可接收模式这个时间间隔的长短。
在PSM模式下,终端需要首先从休眠模式进入激活模式,然后才进入空闲模式。
在eDRX模式下,终端本身就处于空闲模式,可以更快速的进入接收模式,无需额外信令。
PSM和eDRX虽然让终端耗电量大大降低,但都是通过长时间的“罢工”来换取的,付出了实时性的代价。
对于有远程不定期监控(如远程定位,电话呼入,配置管理等)需求且实时性要求很高的场景,不适合开启PSM功能;如果允许一定的时延,最好采用eDRX技术、并将eDRX寻呼周期设的尽量短些(根据可接受的时延要求,最短为20s,…)。
UE可在ATTACH和TAU中请求开启PSM或(和)eDRX,但最终开启哪一种或两种均开启、以及周期是多少均由网络侧决定。
相关缩写
LPWAN - Low Power Wide Area Network
NB-IoT - Narrow Band Internet of Thing
RRC - Radio Resource Control
PSM - Power Saving Mode
TAU - Tracking Area Update
DRX - Discontinuous Reception
eDRX - Extended Discontinuous Reception
eMTC - ehanced Machine Type Communication