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以单一电池为NB-IoT连网提供十年电源支持
 

【作者: Phil Ware】2019年04月11日 星期四

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图一
图一

NB IoT,亦即窄频物联网(Narrowband IoT)技术,一直以来都被视为是超低功耗物联网应用的促成技术,能以单一电池实现长达十年的网路连接性。此技术已针对少量数据的不频繁传输进行了最隹化设计,可支援包括智慧量表、智慧城市、物流和资产追?各种使用案例,以及农业和环境观测等广泛应用。现在,全球各地的NB-IoT网路正迅速建置中,已有50个国家的网路已完成部署,而且这个数量仍在持续增加中。


能以单一电池提供十年的网路连接效能是一个强而有力的销售卖点;也就是说,一旦部署後,感测器便能运作多年,无需更换电池。对於需要在诸如地表下等不易到达的位置应用,可以显着降低大量装置的维护成本。不仅如此,NB-IoT除了低功耗,可将装置的供电效能延长多年之外,它还具备其他的优势,包括装置成本低、传输距离长、而且频谱效率高等。


这一切听起来都很不错,但实际上开发一款能够透过单一电池可靠地提供十年网路连接的装置却是一大挑战。在3G网路中,功耗是确定的:你可以根据特定的使用情境事先计算好。但在NB-IoT就不是这样了,它是由行动网路业者(mobile network operator, MNO)来决定━通常是自动调整的━而其间的差异可以从整整十年到仅能运作几年都有可能。


自从u-blox在2016年透过现场网路发送了全球第一个预标准(pre-standard)的NB-IoT讯息以来,我们一直在最隹化NB-IoT模组并建立专业知识,以实现对客户提供十年网路连接性的承诺。


要实现10年的网路连接性目标,必须牢记以下五点:

明智地设定PSM叁数

与其他的LPWA(低功耗广域)技术一样,NB-IoT透过尽量延长装置的休眠时间来节省耗电量。省电模式(Power save mode, PSM)提供了一种有效的方法,可以完全关闭数据机。当装置处於PSM模式时,可被唤醒以与网路通讯;但是,网路无法存取装置。


PSM模式可把电流消耗降至3微安培以下。它使用释放辅助(release assistance)向网路发出讯号,而模组不会对其上行链路(uplink)讯息产生下行链路(downlink)回应。如此一来,它可以立即从网路「释放」出来,无需因为活动休止而等待6到20秒後才中断连接。


此外,PSM模式允许装置在进入休眠状态时保持其登录的详细资料,因此每次有新的通讯时,无需再经历非常耗电的重新连网程序。


省电模式使用T3324和T3412这两个+CPSMS定时器来进行叁数化,装置会在初始化时向行动网路业者请求这两个叁数。T3324指定了在进入PSM模式之前网路可以存取装置的时间。每个PSM模式间隔的时间是由这两个叁数之间的差异来决定。



图二 : NB-IoT数据机登录网路後的状态。
图二 : NB-IoT数据机登录网路後的状态。

你无法强制执行PSM计时器。

假设你已经找到最隹的+CPSMS计时器叁数,可以完美地平衡电源自主性和应用程式的需求。但是,这就算大功告成了吗?


才没那麽容易呢!行动网路业者会把从装置接收到的+ CPSMS定时器视为请求。它没有义务根据此请求进行设定,或是在它们超出范围时覆盖它们。所以,在你厌祝大功告成之前,请务必先利用合适的AT指令检查网路为你的装置指派的计时器。此外,由於计时器可能会随时改变,因此最好能持续追踪它们,才能在行动网路业者重置计时器时,迅速做出回应。


eDRX可让装置更长时间监听网路

正如我们之前看到的,透过T3324计时器,你可以要求装置在一段时间内监听网路讯息。扩展不连续接收模式(Extended discontinuous reception, eDRX)仍是由行动网路业者设定,它可以让你的装置延长监听网路讯息的时间,但仅略微增加电力需求。基本上,它是透过切换进入和退出低功率状态来运作,使电流消耗降至约3微安培。


采用eDRX模式时,行动网路业者的IoT平台会储存装置处於低功耗状态时所有进来的讯息,并在装置唤醒时将讯息转发给装置。值得一提的是,eDRX也可以在没有PSM的情况下使用,特别是对於需要在未知时间内接收讯息的应用程式而言。


你无法控制覆盖范围等级

NB-IoT节省电力的其中一种方式是透过电波轻声地传送讯息,而不是大力放送出去。为了确保在NB-IoT基地台范围内的所有讯息都能被接收到,NB-IoT会对每个讯息,甚至是每个讯息的每个区块,根据它量测到的讯噪比(signal to noise ratio)来设定其覆盖范围的等级。


能通过噪音轻易被接收的讯息属於覆盖等级0(CO0)。不太清楚的讯息则属於覆盖等级1(CO1),将由具备10dB覆盖增强的装置发出。最极端的情况是覆盖等级2(CO2),这类讯息会以20 dB覆盖增强发送出去。


被归类为CO1或CO2的装置讯息或许还是能妥善地传递给基地台,但这是需要付出代价的。因为它们需要以更大的功率发射并重复多次,因此与CO0相比,它们会耗费更多的电池电流。


覆盖等级的问题在於,尽管它们是决定自主性的主要因素,但是你无法控制它们。针对装置讯息是属於何种覆盖等级,行动网路业者通常无法提供明确的指标。唯一可以确定的方法,就是当装置在现场部署後,便需开始随时监控其功耗。


终究,这是一种必需考量权衡的产品设计

假设你正在设计采用NB-IoT把数据传输到云端的智慧水表,让市政机构或自来水公司可以即时监控自来水供应的状态和消耗。对此使用情境,若电表仅以覆盖等级0和1来传输资料,你可能不会把你的产品宣传为能够以单一电池提供十年的网路连接性。


实际的情况是,电池寿命和覆盖范围之间存在着无可避免的权衡。正如我们前面所提的,许多会影响装置效能的关键因素都不是你能掌控的。当然,你可以采用更大容量的电池,但这却是部分客户不能接受的。设计物联网装置终归到底是一种考量权衡的工作,对於透过NB-IoT网路进行通讯的装置也是如此。


u-blox针对NB-IoT网路连接性开发了一系列具备扩充性的蜂巢式模组,对於各种要求超低功耗与最隹化效能的IoT应用,能支援装置厂商在最大化电池自主性与优化性能方面给予适当工具,让产品设计更轻松。


其中,有的模组是具备全球覆盖率的LTE Cat M1、NB-IoT和四频2G(EGPRS)模组,能以单一设计同时提供LTE与四频EGPRS 支援。有的模组是多频段NB-IoT模组,可支援3GPP Release 14功能集与5G,并能透过uFOTA进行关键韧体的升级。也有功率最隹化的NB-IoT模组,支援-400C到850C的宽广温度范围,并采用非常精巧的SARA LGA外型尺寸,易於制造。


这些模组都能在u-blox的2G、3G和4G模组间轻松升级,让产品设计更具灵活性。这些丰富的产品组合与功能特性,将能协助装置厂商实现创新的NB-IoT应用,让长达十年的电池寿命目标不再遥不可及。


(本文作者Phil Ware为u-blox蜂巢式产品中心资深应用工程师)


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