NB-IOT系列專題1：低功耗能力

   友情提示，博主第一篇正式文章，在文字排版上可能有些不足之處，目前優化了電腦觀看體驗，手機端等我熟悉了Markdown語法會再次優化！！！

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   本文主要介紹靈龍芯NB-IOT通訊模組的低功耗能力，下文中涉及到的知識除AT指令外，基本通用於任何NB模組。

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介紹

  NB-IoT 支持三種省電模式：PSM (Power Saving Mode，省電模式)、DRX（Discontinuous Reception，不連續接收模式），eDRX（Extended DRX，擴展不連續接收模式）。
  NB 中採用了 PSM(power saving mode)和 eDRX(extended Discontinuous Reception)來節省功耗。在 PSM 模式下，終端無需接收 paging 以檢測是否有下行服務，而 eDRX 模式相對於 DRX，具有更長的尋呼檢測週期，因此可能導致更長的時間延時，對於數據的實時性有影響。
  PSM 和 eDRX 是否使用取決於終端和網絡的能力及配置，在能力方面，終端不支持的能力網絡必不會配置，而終端支持的能力在網絡不同情況下，配置亦可以不同。

關於PSM

  PSM技術在3GPP R12中引入的一種獨立的狀態，支持PSM的UE終端在空閒態持續一段時間後，會進入到PSM狀態；此時UE終端的PA(射頻部分)停止工作，終端AS(接入層)停止部分相關功能，以減少射頻、信令處理等部分功耗消耗，從而達到低功耗的目的。
  由於UE終端射頻部分停止工作，接收不到任何尋呼及調度，對於網絡側來說，UE終端此時處於不可達的狀態，數據、短信均無法到達終端。但此時，終端在網絡中還是標記爲註冊狀態（Registered）；因此，從PSM喚醒後，無需重新建立PDN連接，可以直接發送數據。

  上圖的綠色部分即爲UE的PSM狀態，可以看到UE在IDLE態持續一段時間後，如果沒有再次進入Active態，就會直接進入PSM狀態，這段等待時間即爲T3324定時器時長。
  通過上圖還可以看出，一個完整的TAU週期爲IDLE+PSM時間之和，一個TAU週期的時長定義爲T3412定時器時長。
  T3412爲TAU(Tracking Area Update)時間，而T3324爲在IDLE模式下進入PSM的定時器。
  在某些特定APN下，UE可以通過3GPP協議規定的標準指令AT+CPSMS對T3412及T3324定時器進行修改。

關於eDRX

  eDRX即增強型非連續接收，是3GPP R13中引入的一種狀態，在此之前已經有DRX技術存在。通過字面意思即可知道，eDRX是對DRX技術的一種擴展。
  eDRX是DRX的增強，支持更長的尋呼週期，減少接收單元不必要的啓動，以達到節省功耗的目的。PTW(Paging Time Window)窗口期是eDRX的一個狀態，在PTW窗口內可以接收尋呼，一旦PTW窗口過去，設備就進入eDRX，並且直到下一個週期性的PTW窗口才能接收尋呼。

  上圖粉紅色部分即爲IDLE時間窗，灰色柱狀即爲尋呼時間窗，在尋呼時間窗內，終端會監聽網絡側下發的尋呼消息，並作出響應。
  爲了進一步降低監聽尋呼帶來的功耗，NB-IoT引入了eDRX技術，在一次PTW後，進入沉默狀態，等待eDRX週期完畢後再次進入PTW監聽尋呼。
  通過這種技術，終端在IDLE下間歇性監聽尋呼，降低了功耗；可以看到當尋呼落在PTW時間窗之外時，終端依舊不能響應尋呼，需要等待網絡側緩存的尋呼再次下發落到PTW時間窗內，即可成功響應。

三種模式區別

  DRX：能夠隨時隨地找到設備。
  eDRX：需要花幾分鐘甚至一兩個小時才能找到設備。
  PSM：可能要一兩天才能找到設備。

PSM

PSM喚醒

  PSM喚醒條件
   - T3412定時器超時
   - WakeUp引腳拉低

PSM相關指令

AT指令	功能描述
AT+CPSMS	PSM參數設置
AT+ECPMUCFG	PMU單元使能(必要)
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”, time	喚醒UE後,模組保活時間,單位ms(time)
AT+ECPSMR	PSM狀態URC
部分發送數據的AT指令	大部分發送數據的AT指令都攜帶RAI Flag，在發送數據時，可攜帶此flag，用以釋放RRC以快速進入PSM

  *在Socket、OneNET_LWM2M、CTWing_LWM2M等協議與平臺數據交互的指令中均帶有RAI Flag標誌
  *若需使用PSM，則必須設置AT+ECPMUCFG使能PMU與模組喚醒後的保活時間。

  這裏不再對AT指令詳細說明，有意者可聯繫作者索取(肝不動了畫表格)。。。
  (主要是對上述幾個AT指令的詳細說明)。

PSM特性

  AT+CPSMS指令可以用來設置PSM的相關參數，其中Requested_Periodic-RAU和Requested_GPRS-READY-timer無需設置，Requested_Periodic-TAU代表3412定時器，Requested_Active-Time代表3324定時器。都是以8位二進制數來表示，其中高三位爲Unit，低五位爲value，換算方法如下：

   Requested_Periodic-RAU

Unit	基數	可表示的最小值	可表示的最大值
0	10min	2400	18600
1	1h	21600	11160
2	10h	14400	1116000
3	2sec	2	62
4	30sec	90	930
5	1min	690	1860
6	320h	1150000	35712000

  *例：00111000計算方法如下
  Unit=1(001), value=24(11000),時間即爲24h（1*24）。

   Requested_Active-Time

Unit	基數	可表示的最小值	可表示的最大值
0	2sec	2	62
1	1min	120	1860
2	6min	2160	11160

說明

1. 當模組退出PSM模式後，如果沒有其他指令操作，模組會在計時AT+ECPCFG=“slpWaitTime”,time設置的time時間後再次進入PSM。此過程可以被AT可以被AT指令打斷，每次敲擊AT會從新計時time時間，計時結束後，若無其他不可進入PSM的狀態，則模組重新進入PSM模式。

2. 目前T3324和T3412實際值爲運營商下發的值，使用AT+CPSMS命令手動配置的T3324和T3412參數可能無法在實際情況中生效。

3. 只通過AT+CPSMS指令開啓PSM可依進入PSM模式，但可能無法真正降低功耗，必須通過AT+ECPMUCFG指定PMU等級，根據不同的PMU等級其進入PSM的功耗也不同。

4. 開啓PSM後，建議通過AT+ECPCFG=“slpWaitTime”,time來設置模組喚醒後的保活時間,否則可能會發生喚醒模組後來不及發送數據再次進入PSM的情況。

5. 在設置PMU等級時，高於SLEEP1(含)的睡眠深度僅支持Pad Wakeup，若將模組Pad Wakeup與串口相連，則需要發送兩次AT指令，第一次爲喚醒模組，第二次爲真正可發出的數據(也可不斷的發送AT，等待模組返回OK，繼而發送業務數據)。

eDRX

eDRX簡介

eDRX模式

  eDRX模式作爲Rel-13中新增的功能，主要目的是支持更長週期的尋呼監聽，從而達到省電的目的。傳統的2.56s尋呼時間間隔對UE的電量消耗過大，而下行數據發送頻率較小時，通過核心網和用戶的協商配合，用戶終端跳過大部分的尋呼監聽，從而達到省電的目睹。
  eDRX模式的節電效果比PSM模式要差一點，但是相對於PSM模式，大幅提升了下行通信鏈路的可達性。
  eDRX週期如上圖所示，用戶可通過查閱相關AT指令(AT+CEDRXS)進行eDRX週期設置。

PTW

  在每個eDRX週期內，都有一個尋呼時間窗口(Paging Time Window,PTW),UE只能在PTW內按照DRX週期監聽尋呼信道，以便接收下行業務，PTW外的時間處於睡眠狀態，不監聽尋呼信道，不能接收下行業務。

eDRX配置相關指令

  如下命令可以設置不同的 eDRX 參數，以實現不同應用場景下的多樣應用需求。

AT指令	功能描述
AT+CEDRXS	eDRX參數設置
AT+CEDRXRDP	讀取動態eDRX參數
AT+ECPTWEDRXS	PTW和eDRX參數設置
AT+ECPMUCFG	PMU單元使能(必要)
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”, time	喚醒UE後,模組保活時間,單位ms(time)

  這裏不再對AT指令詳細說明，有意者可聯繫作者索取(肝不動了畫表格)。。。
  (主要是對上述幾個AT指令的詳細說明)。

應用示例

PSM模式

開啓/關閉PSM模式

AT指令	指令響應	事件描述
AT+ECPSMR=1	OK	開啓PSM事件上報
AT+ECPMUCFG=1,4	OK	使能PMU爲Hibernate等級
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000	OK	設置UE喚醒保活時間爲5s
AT+CEREG=4	OK
AT+CEREG?	+CEREG: 4,1,“4644”,“046AC853”,9,“00000001”, “00111000” OK
AT+CPSMS=1,“00111000”, “00100001”	OK +CEREG: 4,1,“3a59”,“0a14ff60”,9,“00011110”,“00111000” +ECPSMR: 1	開啓PSM模式,並設置T3412_ext和T3324定時器
AT+CEREG=0	OK
AT+ECPMUCFG=0	OK	失能PMU
AT+CPSMS=0	OK +ECPSMR: 0	關閉PSM

PSM和UDP測試示例

AT指令	指令響應	事件描述
AT+ECPSMR=1	OK	開啓PSM事件上報
AT+ECPMUCFG=1,4	OK	使能PMU爲Hibernate等級
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000	OK	設置UE喚醒保活時間爲5s
AT+CPSMS=1,“00111000”, “00100001”	OK	開啓PSM模式,並設置T3412_ext和T3324定時器
AT+SKTCREATE=1,2,17	+SKTCREATE: 1 OK	創建Socket
AT+SKTCONNECT=1,“ip”,port	OK	綁定UDP服務器
AT+SKTSEND=1,6,303132333435	OK	發送數據到UDP服務器
	+SKTRECV: 1,3 “313233”	從UDP服務器接收數據
	+ECPSMR: 1	如果數據傳輸完畢,UE將自動進行PSM模式

PSM和UDP測試示例(RAI Flag)

AT指令	指令響應	事件描述
AT+ECPSMR=1	OK	開啓PSM事件上報
AT+ECPMUCFG=1,4	OK	使能PMU爲Hibernate等級
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000	OK	設置UE喚醒保活時間爲5s
AT+CPSMS=1,“00111000”, “00100001”	OK	開啓PSM模式,並設置T3412_ext和T3324定時器
AT+SKTCREATE=1,2,17	+SKTCREATE: 1 OK	創建Socket
AT+SKTCONNECT=1,“ip”,port	OK	綁定UDP服務器
(17:31:19.532) AT+SKTSEND=1,6,303132333435，1	OK (17:31:23.816) +ECPSMR: 1	發送數據到UDP服務器 如果數據傳輸完畢,UE將自動進入PSM模式 可以看出,攜帶RAI Flag後UE可以非常快速 的進入PSM模式

eDRX模式

  使能eDRX模式時,需打開PMU電源管理單元及sleepwaitTime，下面不再敘述。

開啓eDRX模式

AT指令	指令響應	事件描述
AT+COPS?	+COPS: 0,2,“46000”,9 OK	查詢網絡信息，運營商及網絡制式
AT+CEDRXS=?	+CEDRX: (0,1,2,3),(5),(“0010”-“1111”) OK	查詢eDRX參數範圍
AT+CEDRXS=1，5	OK	開啓eDRX模式，配置自動保存
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP: 5,“0010”,“0010”,“0011” OK	如果eDRX支持： 第一個0010爲UE請求的eDRX週期 第二個0010爲網絡下發的eDRX週期 第三個0011爲網絡下發的PTW週期
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP:0 OK	如果不支持eDRX模式，返回0

設置eDRX週期爲指定值

AT指令	指令響應	事件描述
AT+CEDRXS=1，5,“0011”	OK	開啓eDRX模式，eDRX週期爲40.96s
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP: 5,“0011”,“0011”,“0011” OK	如果eDRX支持： 第一個0010爲UE請求的eDRX週期 第二個0010爲網絡下發的eDRX週期 第三個0011爲網絡下發的PTW週期

設置eDRX週期爲20.48s,PTW爲10.24s

AT指令	指令響應	事件描述
AT+ECPTWEDRXS=1，5,0011,0010	OK
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP: 5,“0010”,“0010”,“0011” OK	如果eDRX支持： 第一個0010爲UE請求的eDRX週期 第二個0010爲網絡下發的eDRX週期 第三個0011爲網絡下發的PTW週期

關閉eDRX模式

AT指令	指令響應	事件描述
AT+CEDRXS=0	OK	關閉eDRX模式
AT+CEDRXRDP	CEDRXRDP: 0 OK	關閉eDRX模式

結語

  首次更新的內容不多，算是練手吧！後面會逐步更新出模組與雲平臺通信方面的教程，順帶也會加入平臺側操作。對NB-IOT有興趣的小夥伴可在下方留言或私聊博主，共同進步！！！