NB-IOT:系列专题1:低功耗能力

参考:

https://my.oschina.net/u/4419100/blog/4281756
 

介绍


  NB-IoT 支持三种省电模式:PSM (Power Saving Mode,省电模式)、DRX(Discontinuous Reception,不连续接收模式),eDRX(Extended DRX,扩展不连续接收模式)。
  NB 中采用了 PSM(power saving mode)和 eDRX(extended Discontinuous Reception)来节省功耗。在 PSM 模式下,终端无需接收 paging 以检测是否有下行服务,而 eDRX 模式相对于 DRX,具有更长的寻呼检测周期,因此可能导致更长的时间延时,对于数据的实时性有影响。
  PSM 和 eDRX 是否使用取决于终端和网络的能力及配置,在能力方面,终端不支持的能力网络必不会配置,而终端支持的能力在网络不同情况下,配置亦可以不同。






 

关于PSM


  PSM技术在3GPP R12中引入的一种独立的状态,支持PSM的UE终端在空闲态持续一段时间后,会进入到PSM状态;此时UE终端的PA(射频部分)停止工作,终端AS(接入层)停止部分相关功能,以减少射频、信令处理等部分功耗消耗,从而达到低功耗的目的。
  由于UE终端射频部分停止工作,接收不到任何寻呼及调度,对于网络侧来说,UE终端此时处于不可达的状态,数据、短信均无法到达终端。但此时,终端在网络中还是标记为注册状态(Registered);因此,从PSM唤醒后,无需重新建立PDN连接,可以直接发送数据。


 

NB-IOT:系列专题1:低功耗能力


  上图的绿色部分即为UE的PSM状态,可以看到UE在IDLE态持续一段时间后,如果没有再次进入Active态,就会直接进入PSM状态,这段等待时间即为T3324定时器时长。
  通过上图还可以看出,一个完整的TAU周期为IDLE+PSM时间之和,一个TAU周期的时长定义为T3412定时器时长。
  T3412为TAU(Tracking Area Update)时间,而T3324为在IDLE模式下进入PSM的定时器。
  在某些特定APN下,UE可以通过3GPP协议规定的标准指令AT+CPSMS对T3412及T3324定时器进行修改。







 

关于eDRX


  eDRX即增强型非连续接收,是3GPP R13中引入的一种状态,在此之前已经有DRX技术存在。通过字面意思即可知道,eDRX是对DRX技术的一种扩展。
  eDRX是DRX的增强,支持更长的寻呼周期,减少接收单元不必要的启动,以达到节省功耗的目的。PTW(Paging Time Window)窗口期是eDRX的一个状态,在PTW窗口内可以接收寻呼,一旦PTW窗口过去,设备就进入eDRX,并且直到下一个周期性的PTW窗口才能接收寻呼。


 

NB-IOT:系列专题1:低功耗能力


  上图粉红色部分即为IDLE时间窗,灰色柱状即为寻呼时间窗,在寻呼时间窗内,终端会监听网络侧下发的寻呼消息,并作出响应。
  为了进一步降低监听寻呼带来的功耗,NB-IoT引入了eDRX技术,在一次PTW后,进入沉默状态,等待eDRX周期完毕后再次进入PTW监听寻呼。
  通过这种技术,终端在IDLE下间歇性监听寻呼,降低了功耗;可以看到当寻呼落在PTW时间窗之外时,终端依旧不能响应寻呼,需要等待网络侧缓存的寻呼再次下发落到PTW时间窗内,即可成功响应。






 

三种模式区别

  DRX:能够随时随地找到设备。
  eDRX:需要花几分钟甚至一两个小时才能找到设备。
  PSM:可能要一两天才能找到设备。



 

PSM

PSM唤醒

  PSM唤醒条件
   - T3412定时器超时
   - WakeUp引脚拉低
 

PSM相关指令

AT指令 功能描述
AT+CPSMS PSM参数设置
AT+ECPMUCFG PMU单元使能(必要)
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”, time 唤醒UE后,模组保活时间,单位ms(time)
AT+ECPSMR PSM状态URC
部分发送数据的AT指令 大部分发送数据的AT指令都携带RAI Flag,在发送数据时,可携带此flag,用以释放RRC以快速进入PSM

  *在Socket、OneNET_LWM2M、CTWing_LWM2M等协议与平台数据交互的指令中均带有RAI Flag标志
  *若需使用PSM,则必须设置AT+ECPMUCFG使能PMU与模组唤醒后的保活时间。

  这里不再对AT指令详细说明,有意者可联系作者索取(肝不动了画表格)。。。
  (主要是对上述几个AT指令的详细说明)。




 

PSM特性

  AT+CPSMS指令可以用来设置PSM的相关参数,其中Requested_Periodic-RAU和Requested_GPRS-READY-timer无需设置,Requested_Periodic-TAU代表3412定时器,Requested_Active-Time代表3324定时器。都是以8位二进制数来表示,其中高三位为Unit,低五位为value,换算方法如下:

   Requested_Periodic-RAU

Unit 基数 可表示的最小值 可表示的最大值
0 10min 2400 18600
1 1h 21600 11160
2 10h 14400 1116000
3 2sec 2 62
4 30sec 90 930
5 1min 690 1860
6 320h 1150000 35712000

  *例:00111000计算方法如下
  Unit=1(001), value=24(11000),时间即为24h(1*24)。

   Requested_Active-Time

Unit 基数 可表示的最小值 可表示的最大值
0 2sec 2 62
1 1min 120 1860
2 6min 2160 11160

说明

1. 当模组退出PSM模式后,如果没有其他指令操作,模组会在计时AT+ECPCFG=“slpWaitTime”,time设置的time时间后再次进入PSM。此过程可以被AT可以被AT指令打断,每次敲击AT会从新计时time时间,计时结束后,若无其他不可进入PSM的状态,则模组重新进入PSM模式。

2. 目前T3324和T3412实际值为运营商下发的值,使用AT+CPSMS命令手动配置的T3324和T3412参数可能无法在实际情况中生效。

3. 只通过AT+CPSMS指令开启PSM可依进入PSM模式,但可能无法真正降低功耗,必须通过AT+ECPMUCFG指定PMU等级,根据不同的PMU等级其进入PSM的功耗也不同。

4. 开启PSM后,建议通过AT+ECPCFG=“slpWaitTime”,time来设置模组唤醒后的保活时间,否则可能会发生唤醒模组后来不及发送数据再次进入PSM的情况。

5. 在设置PMU等级时,高于SLEEP1(含)的睡眠深度仅支持Pad Wakeup,若将模组Pad Wakeup与串口相连,则需要发送两次AT指令,第一次为唤醒模组,第二次为真正可发出的数据(也可不断的发送AT,等待模组返回OK,继而发送业务数据)。


 

eDRX

eDRX简介

eDRX模式

  eDRX模式作为Rel-13中新增的功能,主要目的是支持更长周期的寻呼监听,从而达到省电的目的。传统的2.56s寻呼时间间隔对UE的电量消耗过大,而下行数据发送频率较小时,通过核心网和用户的协商配合,用户终端跳过大部分的寻呼监听,从而达到省电的目睹。
  eDRX模式的节电效果比PSM模式要差一点,但是相对于PSM模式,大幅提升了下行通信链路的可达性。
  eDRX周期如上图所示,用户可通过查阅相关AT指令(AT+CEDRXS)进行eDRX周期设置。


 

PTW

  在每个eDRX周期内,都有一个寻呼时间窗口(Paging Time Window,PTW),UE只能在PTW内按照DRX周期监听寻呼信道,以便接收下行业务,PTW外的时间处于睡眠状态,不监听寻呼信道,不能接收下行业务。
 

eDRX配置相关指令

  如下命令可以设置不同的 eDRX 参数,以实现不同应用场景下的多样应用需求。

AT指令 功能描述
AT+CEDRXS eDRX参数设置
AT+CEDRXRDP 读取动态eDRX参数
AT+ECPTWEDRXS PTW和eDRX参数设置
AT+ECPMUCFG PMU单元使能(必要)
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”, time 唤醒UE后,模组保活时间,单位ms(time)

  这里不再对AT指令详细说明,有意者可联系作者索取(肝不动了画表格)。。。
  (主要是对上述几个AT指令的详细说明)。

 


 

应用示例

PSM模式

开启/关闭PSM模式

AT指令 指令响应 事件描述
AT+ECPSMR=1 OK 开启PSM事件上报
AT+ECPMUCFG=1,4 OK 使能PMU为Hibernate等级
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000 OK 设置UE唤醒保活时间为5s
AT+CEREG=4 OK  
AT+CEREG? +CEREG: 4,1,“4644”,“046AC853”,9,“00000001”,
“00111000”

OK

 
 
AT+CPSMS=1,“00111000”,
“00100001”
OK

+CEREG: 4,1,“3a59”,“0a14ff60”,9,“00011110”,“00111000”

+ECPSMR: 1


 
开启PSM模式,并设置T3412_ext和T3324定时器
AT+CEREG=0 OK  
AT+ECPMUCFG=0 OK 失能PMU
AT+CPSMS=0 OK

+ECPSMR: 0
 
关闭PSM

PSM和UDP测试示例

AT指令 指令响应 事件描述
AT+ECPSMR=1 OK 开启PSM事件上报
AT+ECPMUCFG=1,4 OK 使能PMU为Hibernate等级
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000 OK 设置UE唤醒保活时间为5s
AT+CPSMS=1,“00111000”,
“00100001”
OK 开启PSM模式,并设置T3412_ext和T3324定时器
AT+SKTCREATE=1,2,17 +SKTCREATE: 1

OK
 
创建Socket
AT+SKTCONNECT=1,“ip”,port OK 绑定UDP服务器
AT+SKTSEND=1,6,303132333435 OK 发送数据到UDP服务器
  +SKTRECV: 1,3 “313233” 从UDP服务器接收数据
  +ECPSMR: 1 如果数据传输完毕,UE将自动进行PSM模式

PSM和UDP测试示例(RAI Flag)

AT指令 指令响应 事件描述
AT+ECPSMR=1 OK 开启PSM事件上报
AT+ECPMUCFG=1,4 OK 使能PMU为Hibernate等级
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000 OK 设置UE唤醒保活时间为5s
AT+CPSMS=1,“00111000”,
“00100001”
OK 开启PSM模式,并设置T3412_ext和T3324定时器
AT+SKTCREATE=1,2,17 +SKTCREATE: 1

OK
 
创建Socket
AT+SKTCONNECT=1,“ip”,port OK 绑定UDP服务器
(17:31:19.532)

AT+SKTSEND=1,6,303132333435,1
 
OK


(17:31:23.816)

+ECPSMR: 1



 
发送数据到UDP服务器

如果数据传输完毕,UE将自动进入PSM模式

可以看出,携带RAI Flag后UE可以非常快速
的进入PSM模式



 

eDRX模式

  使能eDRX模式时,需打开PMU电源管理单元及sleepwaitTime,下面不再叙述。

开启eDRX模式

AT指令 指令响应 事件描述
AT+COPS? +COPS: 0,2,“46000”,9

OK
 
查询网络信息,运营商及网络制式
AT+CEDRXS=? +CEDRX: (0,1,2,3),(5),(“0010”-“1111”)

OK
 
查询eDRX参数范围
AT+CEDRXS=1,5 OK 开启eDRX模式,配置自动保存
AT+CEDRXRDP +CEDRXRDP: 5,“0010”,“0010”,“0011”

OK
 
如果eDRX支持:
第一个0010为UE请求的eDRX周期
第二个0010为网络下发的eDRX周期
第三个0011为网络下发的PTW周期

 
AT+CEDRXRDP +CEDRXRDP:0

OK
 
如果不支持eDRX模式,返回0

设置eDRX周期为指定值

AT指令 指令响应 事件描述
AT+CEDRXS=1,5,“0011” OK 开启eDRX模式,eDRX周期为40.96s
AT+CEDRXRDP +CEDRXRDP: 5,“0011”,“0011”,“0011”

OK
 
如果eDRX支持:
第一个0010为UE请求的eDRX周期
第二个0010为网络下发的eDRX周期
第三个0011为网络下发的PTW周期

 

设置eDRX周期为20.48s,PTW为10.24s

AT指令 指令响应 事件描述
AT+ECPTWEDRXS=1,5,0011,0010 OK  
AT+CEDRXRDP +CEDRXRDP: 5,“0010”,“0010”,“0011”

OK
 
如果eDRX支持:
第一个0010为UE请求的eDRX周期
第二个0010为网络下发的eDRX周期
第三个0011为网络下发的PTW周期

 

关闭eDRX模式

AT指令 指令响应 事件描述
AT+CEDRXS=0 OK 关闭eDRX模式
AT+CEDRXRDP CEDRXRDP: 0

OK
 
关闭eDRX模式

 

结语

  首次更新的内容不多,算是练手吧!后面会逐步更新出模组与云平台通信方面的教程,顺带也会加入平台侧操作。对NB-IOT有兴趣的小伙伴可在下方留言或私聊博主,共同进步!!!

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