NB-IOT為何比其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更省電

近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)這一概念越來越火爆。為了給物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)支持，中國移動已在全國346個城市啟動NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。截至2017年底，中國移動已經(jīng)在重點城市對NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進行商用。2017年已成為物聯(lián)網(wǎng)商用元年，期待越來越豐富、新穎的物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品在中國移動NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)商用。

NB-IOT具有低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接的技術(shù)優(yōu)點，很多之前難以連接到網(wǎng)絡(luò)的終端產(chǎn)品現(xiàn)在都可以通過加裝NB-IOT模組連接到網(wǎng)絡(luò)。NB-IOT的眾多優(yōu)點也吸引著過去使用GSM網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)終端逐步轉(zhuǎn)向NB-IOT網(wǎng)絡(luò)。

在NB-IOT眾多優(yōu)勢中，“低功耗”是最引人注意的一個，那么NB-IOT到底是如何做到相較于其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更省電的呢？

現(xiàn)在，我們就來具體了解一下NB-IOT系統(tǒng)中使用到的三種省電技術(shù)：DRX，eDRX，PSM。

省電技術(shù)之一：

DRX

DRX（Discontinuous Reception，不連續(xù)接收）在以往的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中就有使用，在NB-IOT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中又有所改進。DRX分為“空閑態(tài)”和“連接態(tài)”兩種應(yīng)用場景，本文只介紹與NB-IOT待機省電相關(guān)的“空閑態(tài)”DRX。

DRX提供了一種方式，使終端可以周期性的交替處于睡眠狀態(tài)和工作狀態(tài)。

睡眠狀態(tài)：終端關(guān)閉接收機，不能收到網(wǎng)絡(luò)的任何通知。

工作狀態(tài)：終端從睡眠狀態(tài)被喚醒去監(jiān)聽尋呼消息。

工作狀態(tài)的時間一般是遠小于睡眠狀態(tài)的，更多的時間讓終端在睡眠中保存體力，也就達到了省電的目的。這樣做雖然會產(chǎn)生一定的下行數(shù)據(jù)延時，但DRX的周期相對還是很短的，并不會對用戶體驗帶來明顯影響。

DRX的兩個關(guān)鍵參數(shù)

兩個參數(shù)都在Sib2消息帶給終端。

1. defaultPagingCycle， 表示默認尋呼周期，即為T值，取值為{ 128, 256, 512, 1024}，單位： 無線幀（radio frame）。在終端附著或跟蹤區(qū)更新消息中也可能會攜帶一個DRX尋呼周期參數(shù)，終端最終使用的DRX尋呼周期為兩者比較的較小值。

2. nB，表示尋呼密度，取值為{4T，2T，T，T/2，T/4，T/8，T/16，T/32，T/64，T/128，T/256，T/512，T/1024}，其中T表示每個無線幀有一個子幀用于尋呼，T/32表示每32個無線幀 有一個子幀用于尋呼，2T表示每個無線幀有兩個子幀用于尋呼。

nB的取值也可以表征尋呼組的數(shù)量，如T值取128，nB值取T，則相當于將所有用戶分成128個尋呼組。如T值取64，nB值取T/4，則分為16個尋呼組，尋呼組越多每組中的用戶數(shù)就越少。

DRX是如何工作的呢？

我們先來認識一下這幾個詞：

PO（Paging Occasion，尋呼時刻）可能包含尋呼消息的子幀（1ms）。

PF（Paging Frame，尋呼幀）可能包含尋呼時刻的無線幀（10ms）

Pagingcycle（尋呼周期），一個周期內(nèi)有一個需要終端監(jiān)聽的尋呼時刻。

“空閑態(tài)”不連續(xù)接收要求終端在需要接收尋呼消息時（尋呼周期到達自己的尋呼時刻），才會去監(jiān)聽尋呼信道（P-RNTI加擾的NPDCCH子幀），解出尋呼消息。相對應(yīng)的，網(wǎng)絡(luò)側(cè)也不需要在每個下行子幀都去發(fā)送尋呼消息，只需為某一終端在特定的尋呼時刻下發(fā)即可。

如下圖所示，網(wǎng)絡(luò)只可能在時刻1、2、3、4下發(fā)尋呼消息，終端A只在自己的尋呼時刻1、3去監(jiān)聽尋呼消息，終端B只在自己的尋呼時刻即2、4去監(jiān)聽尋呼消息。

計算PF，PO

NB-IOT終端通過系統(tǒng)消息中得到的T，nB值，結(jié)合終端自己的IMSI可以計算出需要監(jiān)聽的尋呼時刻。

兩個公式

公式中用到的相關(guān)參數(shù)

PF：滿足公式1的SFN即為尋呼幀PF

PO：根據(jù)公式2計算得到的i_s，和響應(yīng)的Ns值，通過查表可以確定PO位置

PO所在位置查找表

省電技術(shù)之二：

eDRX

eDRX(extended DRX，擴展不連續(xù)接收)是3gpp在R13中新增的功能。eDRX是在DRX模式的基礎(chǔ)上進行擴展和增強，通過核心網(wǎng)和終端之間的協(xié)商配合，使終端可以有更長的時間處于睡眠狀態(tài)，跳過大部分的尋呼監(jiān)聽，已達到省電的目的。

eDRX的兩個關(guān)鍵參數(shù)：

1. eDRX周期，取值為{hf2，hf4，hf6，hf8，hf10，hf12，hf14，hf16，hf32，hf64，hf128，hf256，hf512，hf1024}，單位hf為超幀，1超幀=1024個SFN（系統(tǒng)幀）的時間，即10.24s。所以eDRX周期可取的時間范圍為{20.48s~2.92h}。

2. PTW（Paging Time Window）尋呼時間窗，取值為{s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8，s9，s10，s11，s12，s13，s14，s15，s16}，單位s=2.56s。所以PTW可取值的范圍為{2.56s~40.96s}。

eDRX周期長度和PTW窗口長度由終端和網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)商決定，終端可以通過Attach request/TAU request消息將一組eDRX參數(shù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)以告知網(wǎng)絡(luò)本終端可以支持eDRX和期望的eDRX參數(shù)配置，最終使用的eDRX參數(shù)由網(wǎng)絡(luò)配置決定，網(wǎng)絡(luò)可以參考終端上報的eDRX請求參數(shù)、APN 和IMSI為不同的終端配置不同的值，在Attach accept/TAU accept消息中攜帶給終端。這種方式更方便的讓不同應(yīng)用場景下的NB-IOT終端可以使用不同的eDRX參數(shù)配置。

eDRX是如何工作的呢？

在每個eDRX周期內(nèi)，有一個PTW（Paging Time Window，尋呼時間窗口），終端只能在PTW內(nèi)按DRX周期監(jiān)聽尋呼信道，以便接收下行業(yè)務(wù)，PTW外的時間處于睡眠態(tài)，不監(jiān)聽尋呼信道，也就不能接收下行業(yè)務(wù)。此時如果有需要下發(fā)給終端的下行數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)會進行緩存（對每個終端只能緩存一條），當再次進入PTW時間窗時，網(wǎng)絡(luò)會尋呼終端，觸發(fā)終端建立空口連接，然后再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給終端。

NB-IOT省電技術(shù)暫時為大家介紹到這里，PSM技術(shù)以及NB-IOT實際業(yè)務(wù)耗電情況會在“下篇”中來介紹。

以上內(nèi)容來源：中國移動終端實驗室

目前，中國移動已構(gòu)建了NB-IoT端到端的產(chǎn)業(yè)測試評估體系，從無線/核心網(wǎng)、終端/用戶卡、SDK/開放平臺、典型業(yè)務(wù)、測試儀表等多方面入手，推進M-IoT產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

在2017年的公開場合，中國移動曾透露了一組關(guān)于功耗優(yōu)化的案例數(shù)據(jù)：將原本一天耗電量48mAh的NB-IoT業(yè)務(wù)通過休眠電流、連接釋放、參數(shù)配置等方面進行重點優(yōu)化，使得耗電量降至一天7.75mAh，終端續(xù)航時長由0.6年提升至3.5年。

comobs認為，NB-IoT的功耗優(yōu)化和規(guī)模商用是一個長期過程，以物為中心的連接更需要注重根據(jù)場景的差異化需求進行配置與優(yōu)化，這些方面與以人為中心的設(shè)計理念（芯片、終端、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)）完全不同。

因此，業(yè)界經(jīng)常會誤讀，大多觀點認為，NB-IoT提供的是為了滿足偽需求而存在的技術(shù)。同時，商業(yè)模式與技術(shù)本身并不相干，現(xiàn)階段，NB-IoT的商用進展與案例，并不代表NB-IoT最終、真實的價值。