NB-IOT为何比其他网络系统更省电

近几年来，物联网这一概念越来越火爆。为了给物联网产业提供优良的网络支持，中国移动已在全国346个城市启动NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）网络建设。截至2017年底，中国移动已经在重点城市对NB-IOT网络进行商用。2017年已成为物联网商用元年，期待越来越丰富、新颖的物联网终端产品在中国移动NB-IOT网络上实现商用。

NB-IOT具有低功耗、低成本、广覆盖、大连接的技术优点，很多之前难以连接到网络的终端产品现在都可以通过加装NB-IOT模组连接到网络。NB-IOT的众多优点也吸引着过去使用GSM网络的物联网终端逐步转向NB-IOT网络。

在NB-IOT众多优势中，“低功耗”是最引人注意的一个，那么NB-IOT到底是如何做到相较于其他网络系统更省电的呢？

现在，我们就来具体了解一下NB-IOT系统中使用到的三种省电技术：DRX，eDRX，PSM。

省电技术之一：

DRX

DRX（Discontinuous Reception，不连续接收）在以往的网络系统中就有使用，在NB-IOT网络系统中又有所改进。DRX分为“空闲态”和“连接态”两种应用场景，本文只介绍与NB-IOT待机省电相关的“空闲态”DRX。

DRX提供了一种方式，使终端可以周期性的交替处于睡眠状态和工作状态。

睡眠状态：终端关闭接收机，不能收到网络的任何通知。

工作状态：终端从睡眠状态被唤醒去监听寻呼消息。

工作状态的时间一般是远小于睡眠状态的，更多的时间让终端在睡眠中保存体力，也就达到了省电的目的。这样做虽然会产生一定的下行数据延时，但DRX的周期相对还是很短的，并不会对用户体验带来明显影响。

DRX的两个关键参数

两个参数都在Sib2消息带给终端。

1. defaultPagingCycle， 表示默认寻呼周期，即为T值，取值为{ 128, 256, 512, 1024}，单位： 无线帧（radio frame）。在终端附着或跟踪区更新消息中也可能会携带一个DRX寻呼周期参数，终端最终使用的DRX寻呼周期为两者比较的较小值。

2. nB，表示寻呼密度，取值为{4T，2T，T，T/2，T/4，T/8，T/16，T/32，T/64，T/128，T/256，T/512，T/1024}，其中T表示每个无线帧有一个子帧用于寻呼，T/32表示每32个无线帧 有一个子帧用于寻呼，2T表示每个无线帧有两个子帧用于寻呼。

nB的取值也可以表征寻呼组的数量，如T值取128，nB值取T，则相当于将所有用户分成128个寻呼组。如T值取64，nB值取T/4，则分为16个寻呼组，寻呼组越多每组中的用户数就越少。

DRX是如何工作的呢？

我们先来认识一下这几个词：

PO（Paging Occasion，寻呼时刻）可能包含寻呼消息的子帧（1ms）。

PF（Paging Frame，寻呼帧）可能包含寻呼时刻的无线帧（10ms）

Pagingcycle（寻呼周期），一个周期内有一个需要终端监听的寻呼时刻。

“空闲态”不连续接收要求终端在需要接收寻呼消息时（寻呼周期到达自己的寻呼时刻），才会去监听寻呼信道（P-RNTI加扰的NPDCCH子帧），解出寻呼消息。相对应的，网络侧也不需要在每个下行子帧都去发送寻呼消息，只需为某一终端在特定的寻呼时刻下发即可。

如下图所示，网络只可能在时刻1、2、3、4下发寻呼消息，终端A只在自己的寻呼时刻1、3去监听寻呼消息，终端B只在自己的寻呼时刻即2、4去监听寻呼消息。

计算PF，PO

NB-IOT终端通过系统消息中得到的T，nB值，结合终端自己的IMSI可以计算出需要监听的寻呼时刻。

两个公式

公式中用到的相关参数

PF：满足公式1的SFN即为寻呼帧PF

PO：根据公式2计算得到的i_s，和响应的Ns值，通过查表可以确定PO位置

PO所在位置查找表

省电技术之二：

eDRX

eDRX(extended DRX，扩展不连续接收)是3gpp在R13中新增的功能。eDRX是在DRX模式的基础上进行扩展和增强，通过核心网和终端之间的协商配合，使终端可以有更长的时间处于睡眠状态，跳过大部分的寻呼监听，已达到省电的目的。

eDRX的两个关键参数：

1. eDRX周期，取值为{hf2，hf4，hf6，hf8，hf10，hf12，hf14，hf16，hf32，hf64，hf128，hf256，hf512，hf1024}，单位hf为超帧，1超帧=1024个SFN（系统帧）的时间，即10.24s。所以eDRX周期可取的时间范围为{20.48s~2.92h}。

2. PTW（Paging Time Window）寻呼时间窗，取值为{s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8，s9，s10，s11，s12，s13，s14，s15，s16}，单位s=2.56s。所以PTW可取值的范围为{2.56s~40.96s}。

eDRX周期长度和PTW窗口长度由终端和网络之间协商决定，终端可以通过Attach request/TAU request消息将一组eDRX参数发送给网络以告知网络本终端可以支持eDRX和期望的eDRX参数配置，最终使用的eDRX参数由网络配置决定，网络可以参考终端上报的eDRX请求参数、APN 和IMSI为不同的终端配置不同的值，在Attach accept/TAU accept消息中携带给终端。这种方式更方便的让不同应用场景下的NB-IOT终端可以使用不同的eDRX参数配置。

eDRX是如何工作的呢？

在每个eDRX周期内，有一个PTW（Paging Time Window，寻呼时间窗口），终端只能在PTW内按DRX周期监听寻呼信道，以便接收下行业务，PTW外的时间处于睡眠态，不监听寻呼信道，也就不能接收下行业务。此时如果有需要下发给终端的下行数据包，网络会进行缓存（对每个终端只能缓存一条），当再次进入PTW时间窗时，网络会寻呼终端，触发终端建立空口连接，然后再转发数据包给终端。

NB-IOT省电技术暂时为大家介绍到这里，PSM技术以及NB-IOT实际业务耗电情况会在“下篇”中来介绍。

以上内容来源：中国移动终端实验室

目前，中国移动已构建了NB-IoT端到端的产业测试评估体系，从无线/核心网、终端/用户卡、SDK/开放平台、典型业务、测试仪表等多方面入手，推进M-IoT产业健康发展。

在2017年的公开场合，中国移动曾透露了一组关于功耗优化的案例数据：将原本一天耗电量48mAh的NB-IoT业务通过休眠电流、连接释放、参数配置等方面进行重点优化，使得耗电量降至一天7.75mAh，终端续航时长由0.6年提升至3.5年。

comobs认为，NB-IoT的功耗优化和规模商用是一个长期过程，以物为中心的连接更需要注重根据场景的差异化需求进行配置与优化，这些方面与以人为中心的设计理念（芯片、终端、网络、业务）完全不同。

因此，业界经常会误读，大多观点认为，NB-IoT提供的是为了满足伪需求而存在的技术。同时，商业模式与技术本身并不相干，现阶段，NB-IoT的商用进展与案例，并不代表NB-IoT最终、真实的价值。