1 低功耗的必要性

為滿足安裝環境沒有電源供電，需要使用電池，同時為了滿足電池達到 5 到 10 年壽命的需求，NB-IoT 網路引入了 PSM 和 eDRX ，PSM和eDRX技術極大降低了終端功耗，使得NB設備在生命周期絕大部分時間處於極地功耗狀態，從而保證電池的使用壽命。

NB低功耗需要從三種工作模式來描述：

• DRX模式

  ：傳統技術模式，終端時刻在線，例如我們的手機，只要開機，就可以時刻被呼叫。

• eDRX模式

  ：DRX模式的擴展，將網路先開一會，再停一會（休眠），開的時候可以收到數據，停的時候收不到數據。

• PSM模式

  ：可以理解為把eDRX模式中的休眠時間拉的更長，從幾小時到幾天時間，功耗大幅下降，從而能做到「一節電池用5年」。

2 DRX模式說明

DRX的意思是不連續接收Discontinuous Reception的簡稱，但對硬體產品通信時的宏觀層面來看，是「連續接收」，隨時可以收到數據，因此功耗也最高（DRX待機功耗大概在1mA左右）。

從下圖可以看出，在時域上，時間被劃分成一個個聯繫的DRX周期，在這些周期里，終端尋呼監聽網路，網路側的數據隨時可以下達。

對於時延特別敏感的客戶應用，可以考慮只使用傳統的 DRX 模式（DRX 尋呼周期最短 1.28 秒），從而縮短數據下發到終端的時延。但是如果大量終端採用 DRX 模式，平台同時下發數據到大量終端時，會導致NB 網路資源耗盡，出現無法正常下發數據到終端的情況。因此，平台在對終端下發數據時，應充分考慮分散下發時間點，避免集中下發。

從NB-IOT的設計初衷就可以看出，NB網路中很少使用該中工作模式，因此，NB-IOT主要以eDRX和PSM兩種模式為主。

3 eDRX模式說明

eDRX是擴展不連續接收，為進一步減少終端在空閑狀態監聽網路的尋呼次數，通過擴展尋呼網路的周期，減少終端監聽網路尋呼的時間，從而降低終端功耗。

為了適應物聯網更低功耗、時延更不敏感的業務特點，在省電方面提出了 eDRX 技術，通過擴展現有 DRX 周期可以達到分鐘、小時級別（eDRX 周期為 20.48s ~ 10.24s*210，最大約為 2.92小時）。使用 eDRX 功能的終端只需要在eDRX尋呼周期內的尋呼時間窗口（PTW）才需要監聽網路下發尋呼消息。如果eDRX周期越大，PTW尋呼時間窗口越小，那麼終端大部分時間中都不需要監聽網路，從而達到省電的效果。

處於eDRX狀態下，終端是支持下行數據的接收，如果平台再尋呼窗口內下發數據，終端可以很快的接收到數據。

如果平台下發數據時刻，終端尋呼時間串口（PTW）尚未到來，核心網網關（SGW）可緩存10個數據包（超過丟棄，注意，實際緩存的數量請聯繫運營商確認）。直到終端尋呼窗口時間到達時，核心網才會尋呼終端並下發數據。因此平台數據下發到終端接收到數據的最大時延為一個eDRX尋呼周期。因此，eDRX模式適宜具備一定時延容忍度，又有節電需求的場景。所以eDRX的尋呼周期設置，需與業務場景匹配，以平衡功耗和實時性。

• 一個TAU周期內，包含一個連接態和一個Idle空閑態。
• Idle空閑態中包含了多個eDRX尋呼周期。eDRX周期最小值為20.48秒，最大值2.92小時。
• 每個eDRX尋呼周期中又包含了一個PTW周期和一個PSM周期。PTW周期最小值為2.56秒，最大的值為40.96秒
• 在PTW周期內，DRX周期的最小值為1.28秒，最大值為10.24秒。

PTW和PSM的狀態會周期性的出現在TAU中，使得終端能夠間歇性地處於待機的狀態，等待網路對其的呼叫。

TAU是LTE中的「位置更新（也叫跟蹤區更新）」每當位置更新周期到來時，終端會主動尋呼網路。在PSM中，我們會詳細描述。

4 PSM模式說明

PSM 狀態是指終端進入功率節省狀態（Power Saving Mode），處於 PSM 狀態終端關閉收發信號機，不監聽無線側尋呼，與網路沒有任何消息交互，最大程度降低功耗。當終端處於 PSM 狀態時，平台發送給終端任何數據，網路都不會立即下發給終端。只有當用戶終端離開 PSM 狀態進入到連接狀態時，平台側下發的數據才會發送給終端。因此，對於使用 PSM 模式終端，如果平台需要下發數據，需等待終端主動上傳數據時，才能進行數據下發。

進入 PSM 狀態：

當終端上傳數據完成後，無線基站啟動「不活動計時器」（默認 20 秒），如果終端在這個定時器時間內一直沒有接收和發送數據，基站將釋放終端無線連接（核心網用戶會話信息保持，終端 IP 地址不變），終端進 入 Idle 狀態並啟動激活定時器（ActiveTime），當激活定時器超時後，終端才會進 入 PSM 狀態。若下圖所示，20s不活動定時器的狀態被省略。

在PSM模式下，平台有數據下發需求時，應在終端上報數據發生後、尚未進入PSM狀態時可以進行下行通信，下行通信時段為：不活動定時器時長（默認20s）+激活定時器（ActiveTime）時長。因此可以設置ActiveTime來實現快速進入PSM或者延緩進入PSM狀態的時間，如若應用場景僅須上傳數據無下行需求，則ActiveTime設置最小值2秒；若應用場景有上傳數據也有下行通信需求，則可ActiveTime設置大一些（ActiveTime設置範圍：2秒到186分鐘）。一般ActiveTime不超過30分鐘。

退出PSM狀態：

終端離開PSM狀態條件有兩個原因：

• 終端主動上報數據，用戶有數據上報時，可以立即激活網路連接並離開PSM狀態，進入連接狀態，傳輸數據。
• TAU周期到達（位置周期更新定時器）。每當位置更新定時器超時後，終端都會離開PSM狀態，進入連接狀態（上報終端位置信息）。通過增加TAU周期時長，可降低終端功耗。TAU周期最小值54分鐘，最大值310小時，一般設置為24小時。

5 電流消耗

如下圖是各個狀態的電流消耗情況：

終端發送一次數據的時候一次需要建立連接發送數據-》監聽網路數據-》進入Idle-》進入PSM狀態。

首先，連接狀態中數據傳輸對應Connect發射電流，數據發送完成後進入無數據傳輸的連接狀態，此時對應Connect接收電流，這部分存在一個不活動定時器，該定時器由核心網配置，默認默認值為20s，隨後進入Idel狀態，在該模式中存在一個激活定時器（ActiveTime），該定時器上面章節有描述過，由運營商通過APN來配置，該定時器超時後進入PSM狀態。

連接結束的時候啟動T3412定時器，該定時器超時後會觸發TAU更新，再次進入連接態，終端上報相關數據並且尋呼網路是否有數據下發。

TAU周期中的T3412時長和T3323（也就是ActiveTime）時長均由運營商配置。電信默認的APN，TAU周期為24小時，下圖是TAU周期引起的電流消耗。

6 適用場景

根據前面的NB-IOT低功耗特點，以下幾種業務需求不適宜NB網路承載：

• 由於 NB 速率只有 15kbps 左右，帶寬型大速率的業務是不能使用 NB 承載。
• 由於 NB 不支持切換，對於高速移動（大於30Km/h）數據業務是不能使用 NB 承載。
• 由於 NB 傳輸時延普遍較長，對於時延特別敏感類業務是不適宜使用 NB 承載，應充分測試評估。

NB-IOT適用場景：

• 公共事業，例如水表電錶氣表，以及路燈、井蓋監控等。
• 一般工業，例如光伏發電、貨物跟蹤，能耗監測等。
• 智能應用，例如商用公調，醫療健康等領域。

結合NB-IOT技術的特點，我們將業務場景分類兩類：

• 監控上報類。
• 下發控制類。

6.1 監控上報

監測上報類應用場景以上行通信為主，下行通信為輔，可細分為長周期、短周期等2類。

• 長周期監測上報類應用場景為：井蓋、消防栓、煙霧報警、建築傾斜等。其場景特點為：
• 1）偶爾事件上報+每日簽到；
• 2）主要以終端上行通信為主，下行通信為輔；
• 短周期監測上報類應用場景為：抄表、動物監測、停車、環境監測等，其場景特點為：
• 1）小時級別的周期或離散數據上報；
• 2）上行通信為主，下行通信為輔

6.1.1 上行通信配置思路

終端主動上報數據，數據傳送結束後進入Idle空閑態，ActiveTime定時器到時後，終端直接進入PSM狀態。終端離開PSM狀態條件：1）終端主動上報數據；2）位置周期更新定時器；

若TAU位置更新周期大於用戶數據上報周期，可節省一次TAU位置更新導致的終端喚醒和網路連接，從而節省空口資源、增加網路容量。建議周期性TAU的周期時長盡量大於終端上報數據周期時長，例如周期性TAU時長=終端上報周期時長+10分鐘，假如水表每個24小時上報一次讀數，則TAU周期設置為24h+10min。

6.1.2 下行通信配置思路

平台有數據下發需求時，應在終端有上報數據發生後、尚未進入PSM狀態時下發，下行通信的時段為：不活動定時器時長+ ActiveTime時長。

因此可通過設置ActiveTime來實現快速進入PSM或者延緩進入PSM狀態的時間，如若應用場景僅須上傳數據無下行需求，則ActiveTime設置為最小值2秒；若應用場景有上傳數據也有下行通信需求，則可ActiveTime設置大一些（ActiveTime設置範圍：2秒到186分鐘）。一般ActiveTime不超過30分鐘。

6.2 下發控制

下發控制類的應用場景主要為：路燈開關、家電開關、共享單車開鎖等。

命令下發：雲端應用對終端實時發送指令，要求終端立即執行所需動作。

通信特點：終端不僅有周期性上報數據，還需相對快的接收到網路側消息。即上下行通信並重模式。

應用舉例：

• 路燈：雲端應用可隨時向路燈下髮指令（開、關、亮度30%、亮度50%等），路燈在幾十秒內執行該指令所要求的動作。路燈定時或按需上報路燈終端的數據（電流、電壓、外掛感測器數據）。
• 空調：雲端應用可隨時向空調下髮指令（狀態查詢、開、關、溫度、風向等），空調在幾十秒內或立即執行該指令所要求的動作。空調定時上報終端的數據。
• 共享單車：雲端應用可隨時向自行車下髮指令（開鎖等），自行車立即執行該指令所要求的動作。

6.2.1 通信配置思路

下發控制類應用場景主要提出了下行控制的實時性，為了保障終端能夠相對快地接收到網路側消息，不啟用PSM模式，確保上下行通信均可滿足需求。

下行控制的實時性等級取決於尋呼周期的長短。尋呼周期主要有：空閑態DRX、IDLE態eDRX。其中空閑態DRX為基站側全局配置；而IDLE態eDRX則以核心網MME基於APN配置實施。因此在NB-IOT的下行控制實時性主要以eDRX尋呼周期的長短為主。

對於時延敏感的應用場景，使用較小的eDRX尋呼周期，甚至可不啟用eDRX。對於控制實時性要求不高的場景，設置較大的eDRX尋呼周期，達到降低功耗的目的。eDRX尋呼周期越大，越有利於終端省電。

7 運營商配置

運營商配置是指運營商提供的NB網路APN，APN可以理解是預設定的網路環境參數模板，用戶在開卡時選擇合適的APN來簽約。

7.1 中國電信

電信NB卡默認簽約APN為「ctnb」，終端不需要設置，由網路附著時下發，不同的APN對應不同的定時器參數，根據業務需要選擇合適的定時器參數。詳情請聯繫電信公司。

7.2 中國移動

中國移動默認簽約APN為cmnbiot，下圖中雖然說PSM和eDRX由終端控制，但是在開卡時仍然需要由移動來設置低功耗模式和定時器時長。詳情請聯繫移動公司

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