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NB-IoT 的低功耗分析,我们是怎么做的

2017-10-17 18:37 来源:是德科技 编辑:澳门巴黎人注册

人与人之间的通讯规模已近天花板,物与物(IoT)的则刚刚进入增长快车道。随着可穿戴、车联网、智能手表等新兴市场的开启,工业4.0、智慧城市、智慧农业等理念照进现实,万物互联的时代正加速到来。预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。

目前已经出现了大量物与物的联接,然而这些联接大多通过ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等短距通信技术承载,并没有统一的物联网标准。以传统运营商为主导的NB-IoT凭借覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点,受到业界的极大关注。

NB-IoT覆盖更广

在同样的频段下,NB-IoT比现有网络增益20dB,覆盖面积扩大100倍。其次是对海量连接的支撑能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接。目前全球有约500万个物理站点,假设全部部署NB-IoT、每个站点三个扇区,那么可以接入的物联网终端数将高达4500亿个。

NB-IoT的功耗更低

NB-IoT的功耗,仅为2G的1/10,终端模块的待机时间可长达10年。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。终端模块成本方面、现阶段有望降至5美元之内,未来随着市场发展带来的规模效应和技术演进,成本还有望进一步降低。

大数据支持

NB-IoT连接所收集的数据可以直接上传云端,而蓝牙、Wi-Fi等技术则没有这样的便利。目前包括我国运营商在内诸多运营商在开展NB-IoT的标准制定和技术研究,包括高通、沃达丰、德国电信、中国移动、中国联通、Bell等主流运营商、芯片商及设备系统产业链上下游等。

NB-IoT功耗测试项及过程分析

物联网终端或模块,可以说低功耗是最基础、也是最重要的指标。以NB-IoT为例,除了无线射频(RF),通信及无线资源管理(RRM)等常规的指标认证测试,运营商制定严格的功耗测试规范。以下举例列举了一些低功耗测试的项目:

低功耗功能测试:

1.PSM 寻呼测试

2.PSM 上行数据测试

3.eDRX上行数据测试

4.PSM+ eDRX寻呼测试

5.PSM+eDRX上行数据测试

功耗性能测试:

1.模块非发射状态功耗要求

2.模块发射状态功耗要求

NB-IoT终端或模块在不同工作模式下的功耗都有较为明确的要求,主要分为低功耗运行模式和数据接收或发送模式下的功耗。在认证实验室或运营商的研究院,如下图所示是德科技UXM NB-IoT基站模拟器及N6705B直流电源分析仪随处可见。

如果你是第一次接触这种测试环境,肯定会说:“UXM NB-IoT基站模拟器”是什么东东?它和功耗测试又有什么关系?

相信大家都注意到手机屏幕右上角有一个信号强弱指示,有时满格,有时一格或者干脆无信号,也就是我们常所说的手机没服务,无网络。真实的原因就是手机接收不到或接收到的基站(铁塔)信号太小,无法识别了。通常基站天线都安装在楼顶,铁塔等固定的位置,手机能接收到的基站的信号强度和手机与基站天线的距离,方位和是否有遮挡有关。如果距离远或有物体遮挡,手机收到的信号就小,同样,你的发射信号功率就要大。如下图所示,手机在位置1时,距离基站天线近,收到其信号就强(-65),发射也较小(8);而在位置2时,距离基站天线更远,接收信号就弱(-93),因此发射功率也就要更大(20)。

就功耗而言,接收的信号小,发射的功率就大,消耗的电量就多。

因此,在进行模块的功耗测试时,需要一个完全可控,替代实际网络的设备,UXM NB-IoT基站模拟器就是这样的设备。

接下来我们通过两个功耗实测的案例,来看一下NB-IoT模块的功耗测试流程,及其重要参数设置和评估标准。

PSM模式进驻和功耗测试条件和步骤

预置条件

1、使用N6705B电源分析仪 对模块供电,电压设置为模块使用的电压;

2、UXM NB-IoT基站模拟器 发射功率为-114.8dBm,无噪声,无衰落,室内常温状态;

3、设置 RRC RELEASE 超时定时器为10秒;

4、不限制上行子载波个数 (single-tone 或 multi-tone),不限制上行子载波间隔;

5、RRC_IDLE 态 DRX 周期为1.28秒,T3324 定时器为10秒,不使用eDRX;

6、TAU 周期为10分钟

测试步骤

1、测试模块成功附着网络;

2、模块不收发数据,进入IDLE态,并等待T3324超时,进入PSM模式;

3、I1 向模块发送寻呼,检查模块是否收到寻呼;

预期结果

步骤3后,模块不应收到寻呼。


在详细分析功耗是否合理之前,必须先了解NB-IoT 中的PSM(省电模式)的定义,及其关键参数设定:

1.  PSM(Power Saving Mode):即低功耗模式,是3GPP R12引入的技术,其原理是允许UE在进入空闲态一段时间后,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。只有当TAU周期请求定时器(T3412)超时,或者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。

2.TAU周期请求定时器(T3412):由网络侧在ATTCH和TAU消息中指定,3GPP协议规定默认为54min,最大可达310hr。那么UE处理完数据之后,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处理完成数据之后,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。

上图为从N6705B直流电源分析仪的DataLogger上观察的该测试过程,NB-IoT模块开机,通过发送和接收消息与UXMNB-IoT基站模拟器通信,完成上网注册,接收系统消息T3412(TAU=10 Min)和T3324(ActiveTimer=10 Sec),DRX(1.28Sec)上图光标Marker1至Marker2间隔为10秒,在此期间每1.28秒(约8个接收寻呼的电流脉冲)。最后正常进入PSM省电模式,电流仅仅1.167uA,顺利完成PSM模式进驻,并T3412的10分钟到达时唤醒一次。

另外一个值得注意的信息是:虽然PSM模式耗电仅仅1.67uA,但模块在进行系统注册时,最大电流为61.89mA,为PSM模式的6.2万倍!

模块发射状态功耗测试测试条件及步骤举例

预置条件

1、使用N6705B直流源分析仪 对模块供电,电压设置为模块使用的电压;

2、UXM NB-IoT 基站模拟器 发射功率为-124.8dBm,无噪声,无哀落,室内常温状态:

3、UXM NB-IoT 基站模拟器 设置 RRC RELEASE 超时定时器为10秒;

4、不限制上行子载波个数(single-tone 或 multi-tone),不限制上行子载波间隔,根据模组自身支持情况选择;

5、RRC_IDLE 态 DRX 周期为1.28秒,T3324 定时器为10秒,不使用eDRX;

6、延长版的TAU 周期(即T3412 extended)设置为2分钟

测试步骤

1、被测模块上电,I2开始记录电流波形,开始测试;

2、被测模块成功完成 Attach 附着过程,进入PSM,T3412 extended 定时器超时,模块发起并完成TAU,进入PSM,I2停止记录电流波形;

3、从所记录的电流波形中截取TAU过程电流的平均值,分别乘以电压,算出TAU过程的平均功率;

TAU过程:模块完成附着后进入PSM,等待 T3412 extended 定时器超时,I1收到模块离开PSM发出的第一个PRACH作为测量起点,I1收到TAU Accepte 消息作为测试终点。


与分析低功耗模式相同,使用N6705B直流分析仪的数据记录仪功能连续获取模块在不同工作状态的消耗电流(耗电)。如下图所示:

与之前不同的时,按照约定的T3324(TAU为2 Min)时间,模块从PSM低功耗模式唤醒,重新与网络进行系统更新,获取网络的寻呼消息。但由于网络信号强度由-114.8dBm下降为-124.8dBm,因此 发送功率也相应的增大10dB,所以最大电流增大到206mA, 是刚才62mA的3倍多。

上图是局部放大的电流波形

可以看到模块在更新时的工作电流为45mA(功耗),而发射信号时高达ms级的电流脉冲,范围从几个mA到200mA。

如果没有充足的预算购买N6705C,您如何能测试您产品的低功耗特性?

方法一:与是德科技的销售人员联系,预约是德科技在北京、成都、深圳、上海的开放实验室,我们准备好测试条件后,您可以带产品来实验室进行1天的免费测试。

方法二:我们的合作伙伴可以为您提供仪器租赁服务。

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