深入NB-IoT VI——NB-IoT节电特性

在详述节电特性之前,先来看下普通终端和NB终端在节电方面的区别:NB-IoT终端,与普通终端相比较,在部分物联网行业应用中,移动性较低并且实时性要求较低的终端,频繁地接收网络侧的寻呼会缩短其电池寿命、且增加网络的信令负荷。基于上述原因,本特性通过网元间eDRX信元的传递并计算出合理的寻呼时机来缩短M2M终端的监控寻呼信道时长,达到减少网络信令负荷,节省终端耗电量。

为了适应物联网更低功耗、时延更不敏感的业务,标准在省电方面又提出eDRX(extended Discontinuous Reception:增强的非连续接收)的技术,eDRX特性是通过扩展现有普通终端所使用的DRX与寻呼机制使终端的DRX周期可以达到分钟、小时(eDRX周期为10.24s~10.24s*2^10,最大约为2.912小时)级别,达到终端既省电又满足一定时延的应用要求(例如手环、跟踪、街灯控制等交互式应用),在省电和时延之间取得平衡。传统网络中使用的DRX技术节省功耗,其寻呼周期最大为秒级(最大寻呼周期为2.56S)。

对使用电池供电、实时性要求较低的M2M终端可开启eDRX模式,如:智能抄表业务中的电表、智能工业中的传感器、智能宠物健康中的颈环等。

一、关键特性 1:空闲态 eDRX

3GPP协议定义空闲态eDRX功能,将寻呼周期从传统的2.56S扩展到最大2.92小时,减少空闲态UE周期监听寻呼信道的次数。相比传统寻呼DRX,UE休眠周期更长,更节电。

二、关键特性 2:PSM

IoT终端设备尤其是智能抄表类业务,需长时间工作。由于大多LPWA类终端是电池供电且无人值守,故终端节电成为一个重要诉求。PSM(Power Saving Mode):配合长TAU定时器,终端最长可进入310小时深度睡眠。终端深度休眠期间不接收下行数据,适合对下行业务时延无要求的场景。TAU定时器超时唤醒,或终端主动发数据时唤醒。PSM状态下只有平时工作1%的功耗。

问题 1:终端何时进入 PSM 状态,以及在 PSM 状态驻留的时长由核心网和终端协商?

如果设备支持 PSM,在附着或 TAU(Tracking Area Update)过程中,向网络申请 T3324 激活定时器。当设备从连接状态转移到空闲后,定时器启动,当定时器终止,设备进入 PSM 模式。PSM 在 IDLE 态下再新增加一个新的状态 PSM,终端射频关闭,核心网保留用户上下文。

UE 想要开启 PSM 模式需要在 ATTACH REQ 或者 TAU REQ 中携带 T3324 定时器和期望获得的时长。若网络侧接受 UE 开启 PSM 模式的请求,则在对应的 ATTACH ACP 或 TAU ACP 中携带 T3324 定时器和分配的时长,并且时长不为「deactivated」。当 UE 进入 IDLE 态后,T3324 定时器启动,T3324 定时器超时后 UE 进入 PSM 模式。

问题 2:在 PSM 状态时,下行数据不可达,那下行数据如何到达终端?

DDN 到达 MME 后,MME 通知 SGW 缓存用户下行数据并延迟触发寻呼,看下下面的流程:

问题 3:UE 何时退出 PSM 状态?

有两种情况:

1.UE 主动发送 MO 数据

2.T3412 定时器超时(最大周期为 310 小时),主动发起 TAU

三、关键特性 3:长周期TAU定时器

降低周期 TAU 次数,从而降低功耗,一般与 PSM 同时配置。

四、关键特性 4:扩展寻呼

NB-IoT 终端大部分是低移动性终端。为了节省空口资源,减少 UE 耗电,优先在用户上次所在小区进行寻呼。如果寻呼失败,然后再扩大寻呼范围,保证寻呼成功率。

MME 根据 eNB 推荐的小区范围进行精准寻呼,减少 UE 接收的不必要消息。

扩展寻呼的流程如下图所示:

  • 在UE释放连接时,eNodeB 在 UE 上下文释放完成消息中,将以下信息发送给 MME:UE 当前所在小区和覆盖等级信息。推荐的小区列表和 eNodeB 列表,推荐的小区列表为当前小区的同频邻区,eNodeB 列表为推荐小区列表中小区对应的 eNodeB
  • MME 保存 eNodeB 提供的信息。在下发寻呼时,可携带覆盖等级信息和推荐小区列表给 eNodeB。
  • 接收到寻呼消息的 eNodeB,根据消息中携带的当前寻呼次数,计划寻呼次数和小区覆盖等级,确定寻呼策略。
  • 注:MME 需要开启「精准寻呼」特性。
  • 扩展寻呼特性由两个主要功能组成:

    eNB 在 UE 上下文释放消息中上报寻呼辅助信息

    MME 的 paging 消息中携带寻呼辅助信息

eNB 在 UE 上下文释放消息中上报寻呼辅助信息:携带当前小区的 ECGI 和覆盖等级。

MME 的 paging 消息中携带寻呼辅助信息:

MME 寻呼策略(MME 侧的寻呼策略可以配置,默认如下):

1、上次接入的 eNB(attempt count 为 1)

2、推荐的 eNB 和小区(attempt count 为 2)

3、最近访问的 TA(attempt count 为 3)

4、UE 的 TA LIST(attempt count 为 4)

五、小结

NB-IoT节电的四大法宝:eDRX、PSM、长周期TAU,扩展寻呼都是相辅相成的,而eDRX和PSM是根据终端的应用场景选择使用。

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