李　娟　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師胡曉玲　中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室助理工程師李自剛　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師

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窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT能耗測試淺析

李娟中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
胡曉玲中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室助理工程師
李自剛中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師

對目前盛行的基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT的能耗進行了分析，對其測試方法進行了構想，并闡述了在測試中可能出現(xiàn)的難點和問題。本文能耗的研究，對未來用于NB-IOT的應用有著重要的意義。

能耗；NB-IOT；物聯(lián)網(wǎng)

1　引言

“物聯(lián)網(wǎng)”顧名思義，即，把所有物品通過信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換，即物物相息，以實現(xiàn)智能化識別和管理，實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營”一體化，旨在“綠色”。

通常所講的功耗測試，從環(huán)境角度來看，主要出發(fā)點在于減少對環(huán)境和人體健康的影響，有效利用和節(jié)約資源、能源，從用戶角度來看，則主要在于所使用的產(chǎn)品功耗的多少，是否節(jié)電。

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）是IOT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IOT支持長時間待機的高效連接。具有低功耗、低成本的特點，據(jù)說NB-IOT設備電池壽命可以提高至少10年。對于NB-IOT提出的背景之一也是為了彌補傳統(tǒng)2G、3G、4G網(wǎng)絡不滿足物聯(lián)網(wǎng)設備低功耗、低成本的缺陷，故此“功耗”區(qū)別于傳統(tǒng)意義，應更側重于使用過程中的損耗，偏重于能量消耗速度，為產(chǎn)品的實際應用提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐。

本文對NB-IOT提出一個初步的測試方案，希望通過對NB-IOT功耗的測試，進行一定的數(shù)據(jù)累計，能夠進一步引入能耗限定值，節(jié)能評價值以期對產(chǎn)品進行能耗測評和分級。

2　研究意義

NB-IOT技術中低功耗的特點是商業(yè)推廣的重要一環(huán)。在不同的使用場景下，功耗低到多少，如何評判和測試為廠家所關注。

NB-IOT技術，設計用意于例如智能停車業(yè)務、智能抄表、智慧農業(yè)、智能制造等低功耗廣域網(wǎng)領域，甚至應用、安裝于更為偏遠、操作困難的環(huán)境，考慮到對設備后期維護的便利性，小功耗，大電池更具優(yōu)勢。NB-IOT的植入，如若能夠準確計算出耗電量，電池的壽命，可將其大范圍運用于各種場景。

3　初步方案概述

3.1基本原理

當NB-IOT發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，時序圖類似圖1移動數(shù)據(jù)包傳輸圖（實際NB-IOT傳輸時以其時序為準）。

圖1　數(shù)據(jù)交換中的功耗實例

整個數(shù)據(jù)交換過程中，共包含4種狀態(tài)：

（1）發(fā)送狀態(tài)Tx。

（2）接收狀態(tài)Rx。

（3）空閑狀態(tài)idle。

（4）省電模式PSS。

處于4種狀態(tài)的功耗各有不同，處于idle狀態(tài)時，系統(tǒng)由于需要與網(wǎng)絡保持時間和頻率更為精確的同步，其功耗可能大于PSS狀態(tài)。測試NB-IOT的功耗則在于其各個狀態(tài)的功耗測試。即：W=WTx+WRx+ Widle+WPSS。

3.2測試方案

NB-IOT借助PSM（Power saving mode，節(jié)電模式）和DRX（非連續(xù)接收）可實現(xiàn)更長待機。其中，PSM模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)，但信令不可達。從而使得終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。DRX進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動。從而達到降低功耗的目的。在功耗測試中，應部署兩種模式，以檢驗實際終端模組的收發(fā)數(shù)據(jù)情況。

本文功耗測試基于電池端的輸入功率，測試過程中，忽略電池內部損耗。測試連接框圖見圖2。

（1）綜測儀

手機在開機的一瞬間，手機會向基站發(fā)送一個類碼，告訴基站手機可以使用雙頻，然后手機接收基站（BCH廣播信道）發(fā)出射頻信號，并在信道中開始搜索信號，一旦發(fā)現(xiàn)最強的廣播信道，調整內部的頻率時序，使手機與最強的廣播信道同步。這個過程就是一個手機與基站的同步過程，NB-IOT與綜測儀的同步過程也是同一原理。

把一個綜測儀當做一個虛擬基站，這樣就可以和NB-IOT進行通訊了。

（2）電池 模擬器電池模擬器通過編程，可以調節(jié)吸收或輸出電流、電壓與電阻，可安全地重復模擬電池的充放電特性，并可以隨時演示任何需要的狀態(tài)協(xié)助進行其他各項測試。相對真實的電池而言，能夠提供更為穩(wěn)定的各項參數(shù)，有利于測試數(shù)據(jù)的一致性和重復性。進而可以得到一天內的能耗：EDay=E×N。

如果電池的能量E已知，結合NB-IOT一天的能耗值EDay，則該電池的使用壽命（小時數(shù)）可以有一個大概的評估：hour=E/（EDay/24）。

圖2　測試連接框圖

4　目前所面臨的瓶頸

本文所述測試方案中，建議使用電池模擬器代替電池供電：

●在DRX配置下，搭配不同的通信模式，模擬NB-IOT各種工作狀態(tài)，分別檢測：NB-IOT終端（a）發(fā)送狀態(tài)Tx（b）接收狀態(tài)Rx（c）空閑狀態(tài)idle狀態(tài)下的功率WTx、WRx、Widle。

●在PSM配置下，檢測NB-IOT終端（d）省電模式pss狀態(tài)下的功率WPSS。

（3）一個收發(fā)周期內的能耗可得：

E=ETx+ERx+Eidle+Epss=tTxWTx+tRxWRx+ tidleW idle+tPSSWPSS

其中，tTx為NB-IOT發(fā)送信號所用的時間；tRx為NB-IOT接收信號所用的時間；tidle為NB-IOT空閑狀態(tài)的時間；tPSS為NB-IOT省電模式的時間。

這樣，可得到在NB-IOT一個收發(fā)數(shù)據(jù)周期內的能耗。

在已知NB-IOT一天內的收發(fā)數(shù)據(jù)量N的條件下，

（1）由于目前NB-IOT并沒有大范圍的投入市場，因而NB-IOT的實際應用相對較少，對于NB-IOT工作狀態(tài)及方法缺少更深入的了解。

（2）NB-IOT在實際使用過程中，吸收電流相對2G、3G工作模式而言，將會更小，那么在實際測量過程中，很小的干擾可能對于整個測量精度會造成非常大的影響，如何有效地規(guī)避各種因素帶來的誤差也是亟待考慮的問題。

（3）NB-IOT以低成本著稱，而目前高精度測量儀表的價格很高，測試成本較高，如何引入低成本高精度的檢測工具來應對這一矛盾需要進一步驗證。

下一步，可結合產(chǎn)品的實際應用，跟進3GPP的最新標準，進行學習和實踐，進一步完善測試方法和步驟。

［1］3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network；Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things（CIoT）（Release13）.

［2］戴國華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務研究［J］.移動通信，2016，07:31-36.

［3］楊俊林.NB-IoT（低功耗廣域網(wǎng)）［N］.人民郵電，2016-03-24007.

Primary Introduction of the energy consumption of NB-IOT test method

LI Juan，HU Xiaoling，LI Zigang

Analyzing the energy consumption of NB-IOT， its test mothod is designed，and the problems which may appear during the test are listed. Energy consumption of NB-IOT is important for the future use.

energy consumption；NB-IOT；Internet of Things

2016-08-05）