窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT能耗測(cè)試淺析

李　娟　中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師胡曉玲　中國(guó)信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室助理工程師李自剛　中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室助理工程師

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窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT能耗測(cè)試淺析

李娟中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師
胡曉玲中國(guó)信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室助理工程師
李自剛中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室助理工程師

對(duì)目前盛行的基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT的能耗進(jìn)行了分析，對(duì)其測(cè)試方法進(jìn)行了構(gòu)想，并闡述了在測(cè)試中可能出現(xiàn)的難點(diǎn)和問(wèn)題。本文能耗的研究，對(duì)未來(lái)用于NB-IOT的應(yīng)用有著重要的意義。

能耗；NB-IOT；物聯(lián)網(wǎng)

1　引言

“物聯(lián)網(wǎng)”顧名思義，即，把所有物品通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換，即物物相息，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬(wàn)物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮堋⒖?、營(yíng)”一體化，旨在“綠色”。

通常所講的功耗測(cè)試，從環(huán)境角度來(lái)看，主要出發(fā)點(diǎn)在于減少對(duì)環(huán)境和人體健康的影響，有效利用和節(jié)約資源、能源，從用戶角度來(lái)看，則主要在于所使用的產(chǎn)品功耗的多少，是否節(jié)電。

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）是IOT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IOT支持長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的高效連接。具有低功耗、低成本的特點(diǎn)，據(jù)說(shuō)NB-IOT設(shè)備電池壽命可以提高至少10年。對(duì)于NB-IOT提出的背景之一也是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)不滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗、低成本的缺陷，故此“功耗”區(qū)別于傳統(tǒng)意義，應(yīng)更側(cè)重于使用過(guò)程中的損耗，偏重于能量消耗速度，為產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

本文對(duì)NB-IOT提出一個(gè)初步的測(cè)試方案，希望通過(guò)對(duì)NB-IOT功耗的測(cè)試，進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)累計(jì)，能夠進(jìn)一步引入能耗限定值，節(jié)能評(píng)價(jià)值以期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行能耗測(cè)評(píng)和分級(jí)。

2　研究意義

NB-IOT技術(shù)中低功耗的特點(diǎn)是商業(yè)推廣的重要一環(huán)。在不同的使用場(chǎng)景下，功耗低到多少，如何評(píng)判和測(cè)試為廠家所關(guān)注。

NB-IOT技術(shù)，設(shè)計(jì)用意于例如智能停車業(yè)務(wù)、智能抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智能制造等低功耗廣域網(wǎng)領(lǐng)域，甚至應(yīng)用、安裝于更為偏遠(yuǎn)、操作困難的環(huán)境，考慮到對(duì)設(shè)備后期維護(hù)的便利性，小功耗，大電池更具優(yōu)勢(shì)。NB-IOT的植入，如若能夠準(zhǔn)確計(jì)算出耗電量，電池的壽命，可將其大范圍運(yùn)用于各種場(chǎng)景。

3　初步方案概述

3.1基本原理

當(dāng)NB-IOT發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，時(shí)序圖類似圖1移動(dòng)數(shù)據(jù)包傳輸圖（實(shí)際NB-IOT傳輸時(shí)以其時(shí)序?yàn)闇?zhǔn)）。

圖1　數(shù)據(jù)交換中的功耗實(shí)例

整個(gè)數(shù)據(jù)交換過(guò)程中，共包含4種狀態(tài)：

（1）發(fā)送狀態(tài)Tx。

（2）接收狀態(tài)Rx。

（3）空閑狀態(tài)idle。

（4）省電模式PSS。

處于4種狀態(tài)的功耗各有不同，處于idle狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)由于需要與網(wǎng)絡(luò)保持時(shí)間和頻率更為精確的同步，其功耗可能大于PSS狀態(tài)。測(cè)試NB-IOT的功耗則在于其各個(gè)狀態(tài)的功耗測(cè)試。即：W=WTx+WRx+ Widle+WPSS。

3.2測(cè)試方案

NB-IOT借助PSM（Power saving mode，節(jié)電模式）和DRX（非連續(xù)接收）可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)待機(jī)。其中，PSM模式下，終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)，但信令不可達(dá)。從而使得終端更長(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的。DRX進(jìn)一步延長(zhǎng)終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動(dòng)。從而達(dá)到降低功耗的目的。在功耗測(cè)試中，應(yīng)部署兩種模式，以檢驗(yàn)實(shí)際終端模組的收發(fā)數(shù)據(jù)情況。

本文功耗測(cè)試基于電池端的輸入功率，測(cè)試過(guò)程中，忽略電池內(nèi)部損耗。測(cè)試連接框圖見(jiàn)圖2。

（1）綜測(cè)儀

手機(jī)在開機(jī)的一瞬間，手機(jī)會(huì)向基站發(fā)送一個(gè)類碼，告訴基站手機(jī)可以使用雙頻，然后手機(jī)接收基站（BCH廣播信道）發(fā)出射頻信號(hào)，并在信道中開始搜索信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的廣播信道，調(diào)整內(nèi)部的頻率時(shí)序，使手機(jī)與最強(qiáng)的廣播信道同步。這個(gè)過(guò)程就是一個(gè)手機(jī)與基站的同步過(guò)程，NB-IOT與綜測(cè)儀的同步過(guò)程也是同一原理。

把一個(gè)綜測(cè)儀當(dāng)做一個(gè)虛擬基站，這樣就可以和NB-IOT進(jìn)行通訊了。

（2）電池 模擬器電池模擬器通過(guò)編程，可以調(diào)節(jié)吸收或輸出電流、電壓與電阻，可安全地重復(fù)模擬電池的充放電特性，并可以隨時(shí)演示任何需要的狀態(tài)協(xié)助進(jìn)行其他各項(xiàng)測(cè)試。相對(duì)真實(shí)的電池而言，能夠提供更為穩(wěn)定的各項(xiàng)參數(shù)，有利于測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性和重復(fù)性。進(jìn)而可以得到一天內(nèi)的能耗：EDay=E×N。

如果電池的能量E已知，結(jié)合NB-IOT一天的能耗值EDay，則該電池的使用壽命（小時(shí)數(shù)）可以有一個(gè)大概的評(píng)估：hour=E/（EDay/24）。

圖2　測(cè)試連接框圖

4　目前所面臨的瓶頸

本文所述測(cè)試方案中，建議使用電池模擬器代替電池供電：

●在DRX配置下，搭配不同的通信模式，模擬NB-IOT各種工作狀態(tài)，分別檢測(cè)：NB-IOT終端（a）發(fā)送狀態(tài)Tx（b）接收狀態(tài)Rx（c）空閑狀態(tài)idle狀態(tài)下的功率WTx、WRx、Widle。

●在PSM配置下，檢測(cè)NB-IOT終端（d）省電模式pss狀態(tài)下的功率WPSS。

（3）一個(gè)收發(fā)周期內(nèi)的能耗可得：

E=ETx+ERx+Eidle+Epss=tTxWTx+tRxWRx+ tidleW idle+tPSSWPSS

其中，tTx為NB-IOT發(fā)送信號(hào)所用的時(shí)間；tRx為NB-IOT接收信號(hào)所用的時(shí)間；tidle為NB-IOT空閑狀態(tài)的時(shí)間；tPSS為NB-IOT省電模式的時(shí)間。

這樣，可得到在NB-IOT一個(gè)收發(fā)數(shù)據(jù)周期內(nèi)的能耗。

在已知NB-IOT一天內(nèi)的收發(fā)數(shù)據(jù)量N的條件下，

（1）由于目前NB-IOT并沒(méi)有大范圍的投入市場(chǎng)，因而NB-IOT的實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少，對(duì)于NB-IOT工作狀態(tài)及方法缺少更深入的了解。

（2）NB-IOT在實(shí)際使用過(guò)程中，吸收電流相對(duì)2G、3G工作模式而言，將會(huì)更小，那么在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，很小的干擾可能對(duì)于整個(gè)測(cè)量精度會(huì)造成非常大的影響，如何有效地規(guī)避各種因素帶來(lái)的誤差也是亟待考慮的問(wèn)題。

（3）NB-IOT以低成本著稱，而目前高精度測(cè)量?jī)x表的價(jià)格很高，測(cè)試成本較高，如何引入低成本高精度的檢測(cè)工具來(lái)應(yīng)對(duì)這一矛盾需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

下一步，可結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，跟進(jìn)3GPP的最新標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐，進(jìn)一步完善測(cè)試方法和步驟。

［1］3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network；Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things（CIoT）（Release13）.

［2］戴國(guó)華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究［J］.移動(dòng)通信，2016，07:31-36.

［3］楊俊林.NB-IoT（低功耗廣域網(wǎng)）［N］.人民郵電，2016-03-24007.

Primary Introduction of the energy consumption of NB-IOT test method

LI Juan，HU Xiaoling，LI Zigang

Analyzing the energy consumption of NB-IOT， its test mothod is designed，and the problems which may appear during the test are listed. Energy consumption of NB-IOT is important for the future use.

energy consumption；NB-IOT；Internet of Things

2016-08-05）