NB-IOT系列专题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处，目前优化了电脑观看体验，手机端等我熟悉了Markdown语法会再次优化！！！

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   本文主要介绍灵龙芯NB-IOT通讯模组的低功耗能力，下文中涉及到的知识除AT指令外，基本通用于任何NB模组。

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介绍

  NB-IoT 支持三种省电模式：PSM (Power Saving Mode，省电模式)、DRX（Discontinuous Reception，不连续接收模式），eDRX（Extended DRX，扩展不连续接收模式）。
  NB 中采用了 PSM(power saving mode)和 eDRX(extended Discontinuous Reception)来节省功耗。在 PSM 模式下，终端无需接收 paging 以检测是否有下行服务，而 eDRX 模式相对于 DRX，具有更长的寻呼检测周期，因此可能导致更长的时间延时，对于数据的实时性有影响。
  PSM 和 eDRX 是否使用取决于终端和网络的能力及配置，在能力方面，终端不支持的能力网络必不会配置，而终端支持的能力在网络不同情况下，配置亦可以不同。

关于PSM

  PSM技术在3GPP R12中引入的一种独立的状态，支持PSM的UE终端在空闲态持续一段时间后，会进入到PSM状态；此时UE终端的PA(射频部分)停止工作，终端AS(接入层)停止部分相关功能，以减少射频、信令处理等部分功耗消耗，从而达到低功耗的目的。
  由于UE终端射频部分停止工作，接收不到任何寻呼及调度，对于网络侧来说，UE终端此时处于不可达的状态，数据、短信均无法到达终端。但此时，终端在网络中还是标记为注册状态（Registered）；因此，从PSM唤醒后，无需重新建立PDN连接，可以直接发送数据。

  上图的绿色部分即为UE的PSM状态，可以看到UE在IDLE态持续一段时间后，如果没有再次进入Active态，就会直接进入PSM状态，这段等待时间即为T3324定时器时长。
  通过上图还可以看出，一个完整的TAU周期为IDLE+PSM时间之和，一个TAU周期的时长定义为T3412定时器时长。
  T3412为TAU(Tracking Area Update)时间，而T3324为在IDLE模式下进入PSM的定时器。
  在某些特定APN下，UE可以通过3GPP协议规定的标准指令AT+CPSMS对T3412及T3324定时器进行修改。

关于eDRX

  eDRX即增强型非连续接收，是3GPP R13中引入的一种状态，在此之前已经有DRX技术存在。通过字面意思即可知道，eDRX是对DRX技术的一种扩展。
  eDRX是DRX的增强，支持更长的寻呼周期，减少接收单元不必要的启动，以达到节省功耗的目的。PTW(Paging Time Window)窗口期是eDRX的一个状态，在PTW窗口内可以接收寻呼，一旦PTW窗口过去，设备就进入eDRX，并且直到下一个周期性的PTW窗口才能接收寻呼。

  上图粉红色部分即为IDLE时间窗，灰色柱状即为寻呼时间窗，在寻呼时间窗内，终端会监听网络侧下发的寻呼消息，并作出响应。
  为了进一步降低监听寻呼带来的功耗，NB-IoT引入了eDRX技术，在一次PTW后，进入沉默状态，等待eDRX周期完毕后再次进入PTW监听寻呼。
  通过这种技术，终端在IDLE下间歇性监听寻呼，降低了功耗；可以看到当寻呼落在PTW时间窗之外时，终端依旧不能响应寻呼，需要等待网络侧缓存的寻呼再次下发落到PTW时间窗内，即可成功响应。

三种模式区别

  DRX：能够随时随地找到设备。
  eDRX：需要花几分钟甚至一两个小时才能找到设备。
  PSM：可能要一两天才能找到设备。

PSM

PSM唤醒

  PSM唤醒条件
   - T3412定时器超时
   - WakeUp引脚拉低

PSM相关指令

AT指令	功能描述
AT+CPSMS	PSM参数设置
AT+ECPMUCFG	PMU单元使能(必要)
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”, time	唤醒UE后,模组保活时间,单位ms(time)
AT+ECPSMR	PSM状态URC
部分发送数据的AT指令	大部分发送数据的AT指令都携带RAI Flag，在发送数据时，可携带此flag，用以释放RRC以快速进入PSM

  *在Socket、OneNET_LWM2M、CTWing_LWM2M等协议与平台数据交互的指令中均带有RAI Flag标志
  *若需使用PSM，则必须设置AT+ECPMUCFG使能PMU与模组唤醒后的保活时间。

  这里不再对AT指令详细说明，有意者可联系作者索取(肝不动了画表格)。。。
  (主要是对上述几个AT指令的详细说明)。

PSM特性

  AT+CPSMS指令可以用来设置PSM的相关参数，其中Requested_Periodic-RAU和Requested_GPRS-READY-timer无需设置，Requested_Periodic-TAU代表3412定时器，Requested_Active-Time代表3324定时器。都是以8位二进制数来表示，其中高三位为Unit，低五位为value，换算方法如下：

   Requested_Periodic-RAU

Unit	基数	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计算方法如下
  Unit=1(001), value=24(11000),时间即为24h（1*24）。

   Requested_Active-Time

Unit	基数	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

说明

1. 当模组退出PSM模式后，如果没有其他指令操作，模组会在计时AT+ECPCFG=“slpWaitTime”,time设置的time时间后再次进入PSM。此过程可以被AT可以被AT指令打断，每次敲击AT会从新计时time时间，计时结束后，若无其他不可进入PSM的状态，则模组重新进入PSM模式。

2. 目前T3324和T3412实际值为运营商下发的值，使用AT+CPSMS命令手动配置的T3324和T3412参数可能无法在实际情况中生效。

3. 只通过AT+CPSMS指令开启PSM可依进入PSM模式，但可能无法真正降低功耗，必须通过AT+ECPMUCFG指定PMU等级，根据不同的PMU等级其进入PSM的功耗也不同。

4. 开启PSM后，建议通过AT+ECPCFG=“slpWaitTime”,time来设置模组唤醒后的保活时间,否则可能会发生唤醒模组后来不及发送数据再次进入PSM的情况。

5. 在设置PMU等级时，高于SLEEP1(含)的睡眠深度仅支持Pad Wakeup，若将模组Pad Wakeup与串口相连，则需要发送两次AT指令，第一次为唤醒模组，第二次为真正可发出的数据(也可不断的发送AT，等待模组返回OK，继而发送业务数据)。

eDRX

eDRX简介

eDRX模式

  eDRX模式作为Rel-13中新增的功能，主要目的是支持更长周期的寻呼监听，从而达到省电的目的。传统的2.56s寻呼时间间隔对UE的电量消耗过大，而下行数据发送频率较小时，通过核心网和用户的协商配合，用户终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电的目睹。
  eDRX模式的节电效果比PSM模式要差一点，但是相对于PSM模式，大幅提升了下行通信链路的可达性。
  eDRX周期如上图所示，用户可通过查阅相关AT指令(AT+CEDRXS)进行eDRX周期设置。

PTW

  在每个eDRX周期内，都有一个寻呼时间窗口(Paging Time Window,PTW),UE只能在PTW内按照DRX周期监听寻呼信道，以便接收下行业务，PTW外的时间处于睡眠状态，不监听寻呼信道，不能接收下行业务。

eDRX配置相关指令

  如下命令可以设置不同的 eDRX 参数，以实现不同应用场景下的多样应用需求。

AT指令	功能描述
AT+CEDRXS	eDRX参数设置
AT+CEDRXRDP	读取动态eDRX参数
AT+ECPTWEDRXS	PTW和eDRX参数设置
AT+ECPMUCFG	PMU单元使能(必要)
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”, time	唤醒UE后,模组保活时间,单位ms(time)

  这里不再对AT指令详细说明，有意者可联系作者索取(肝不动了画表格)。。。
  (主要是对上述几个AT指令的详细说明)。

应用示例

PSM模式

开启/关闭PSM模式

AT指令	指令响应	事件描述
AT+ECPSMR=1	OK	开启PSM事件上报
AT+ECPMUCFG=1,4	OK	使能PMU为Hibernate等级
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000	OK	设置UE唤醒保活时间为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	开启PSM模式,并设置T3412_ext和T3324定时器
AT+CEREG=0	OK
AT+ECPMUCFG=0	OK	失能PMU
AT+CPSMS=0	OK +ECPSMR: 0	关闭PSM

PSM和UDP测试示例

AT指令	指令响应	事件描述
AT+ECPSMR=1	OK	开启PSM事件上报
AT+ECPMUCFG=1,4	OK	使能PMU为Hibernate等级
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000	OK	设置UE唤醒保活时间为5s
AT+CPSMS=1,“00111000”, “00100001”	OK	开启PSM模式,并设置T3412_ext和T3324定时器
AT+SKTCREATE=1,2,17	+SKTCREATE: 1 OK	创建Socket
AT+SKTCONNECT=1,“ip”,port	OK	绑定UDP服务器
AT+SKTSEND=1,6,303132333435	OK	发送数据到UDP服务器
	+SKTRECV: 1,3 “313233”	从UDP服务器接收数据
	+ECPSMR: 1	如果数据传输完毕,UE将自动进行PSM模式

PSM和UDP测试示例(RAI Flag)

AT指令	指令响应	事件描述
AT+ECPSMR=1	OK	开启PSM事件上报
AT+ECPMUCFG=1,4	OK	使能PMU为Hibernate等级
AT+ECPCFG=“sleepWaitTime”,5000	OK	设置UE唤醒保活时间为5s
AT+CPSMS=1,“00111000”, “00100001”	OK	开启PSM模式,并设置T3412_ext和T3324定时器
AT+SKTCREATE=1,2,17	+SKTCREATE: 1 OK	创建Socket
AT+SKTCONNECT=1,“ip”,port	OK	绑定UDP服务器
(17:31:19.532) AT+SKTSEND=1,6,303132333435，1	OK (17:31:23.816) +ECPSMR: 1	发送数据到UDP服务器 如果数据传输完毕,UE将自动进入PSM模式 可以看出,携带RAI Flag后UE可以非常快速 的进入PSM模式

eDRX模式

  使能eDRX模式时,需打开PMU电源管理单元及sleepwaitTime，下面不再叙述。

开启eDRX模式

AT指令	指令响应	事件描述
AT+COPS?	+COPS: 0,2,“46000”,9 OK	查询网络信息，运营商及网络制式
AT+CEDRXS=?	+CEDRX: (0,1,2,3),(5),(“0010”-“1111”) OK	查询eDRX参数范围
AT+CEDRXS=1，5	OK	开启eDRX模式，配置自动保存
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP: 5,“0010”,“0010”,“0011” OK	如果eDRX支持： 第一个0010为UE请求的eDRX周期 第二个0010为网络下发的eDRX周期 第三个0011为网络下发的PTW周期
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP:0 OK	如果不支持eDRX模式，返回0

设置eDRX周期为指定值

AT指令	指令响应	事件描述
AT+CEDRXS=1，5,“0011”	OK	开启eDRX模式，eDRX周期为40.96s
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP: 5,“0011”,“0011”,“0011” OK	如果eDRX支持： 第一个0010为UE请求的eDRX周期 第二个0010为网络下发的eDRX周期 第三个0011为网络下发的PTW周期

设置eDRX周期为20.48s,PTW为10.24s

AT指令	指令响应	事件描述
AT+ECPTWEDRXS=1，5,0011,0010	OK
AT+CEDRXRDP	+CEDRXRDP: 5,“0010”,“0010”,“0011” OK	如果eDRX支持： 第一个0010为UE请求的eDRX周期 第二个0010为网络下发的eDRX周期 第三个0011为网络下发的PTW周期

关闭eDRX模式

AT指令	指令响应	事件描述
AT+CEDRXS=0	OK	关闭eDRX模式
AT+CEDRXRDP	CEDRXRDP: 0 OK	关闭eDRX模式

结语

  首次更新的内容不多，算是练手吧！后面会逐步更新出模组与云平台通信方面的教程，顺带也会加入平台侧操作。对NB-IOT有兴趣的小伙伴可在下方留言或私聊博主，共同进步！！！