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以單一電池為NB-IoT連網提供十年電源支持
 

【作者: Phil Ware】   2019年04月11日 星期四

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圖一
圖一

NB IoT,亦即窄頻物聯網(Narrowband IoT)技術,一直以來都被視為是超低功耗物聯網應用的促成技術,能以單一電池實現長達十年的網路連接性。此技術已針對少量數據的不頻繁傳輸進行了最佳化設計,可支援包括智慧量錶、智慧城市、物流和資產追?各種使用案例,以及農業和環境觀測等廣泛應用。現在,全球各地的NB-IoT網路正迅速建置中,已有50個國家的網路已完成部署,而且這個數量仍在持續增加中。


能以單一電池提供十年的網路連接效能是一個強而有力的銷售賣點;也就是說,一旦部署後,感測器便能運作多年,無需更換電池。對於需要在諸如地表下等不易到達的位置應用,可以顯著降低大量裝置的維護成本。不僅如此,NB-IoT除了低功耗,可將裝置的供電效能延長多年之外,它還具備其他的優勢,包括裝置成本低、傳輸距離長、而且頻譜效率高等。


這一切聽起來都很不錯,但實際上開發一款能夠透過單一電池可靠地提供十年網路連接的裝置卻是一大挑戰。在3G網路中,功耗是確定的:你可以根據特定的使用情境事先計算好。但在NB-IoT就不是這樣了,它是由行動網路業者(mobile network operator, MNO)來決定-通常是自動調整的-而其間的差異可以從整整十年到僅能運作幾年都有可能。


自從u-blox在2016年透過現場網路發送了全球第一個預標準(pre-standard)的NB-IoT訊息以來,我們一直在最佳化NB-IoT模組並建立專業知識,以實現對客戶提供十年網路連接性的承諾。


要實現10年的網路連接性目標,必須牢記以下五點:

1.明智地設定PSM參數

與其他的LPWA(低功耗廣域)技術一樣,NB-IoT透過盡量延長裝置的休眠時間來節省耗電量。省電模式(Power save mode, PSM)提供了一種有效的方法,可以完全關閉數據機。當裝置處於PSM模式時,可被喚醒以與網路通訊;但是,網路無法存取裝置。


PSM模式可把電流消耗降至3微安培以下。它使用釋放輔助(release assistance)向網路發出訊號,而模組不會對其上行鏈路(uplink)訊息產生下行鏈路(downlink)回應。如此一來,它可以立即從網路「釋放」出來,無需因為活動休止而等待6到20秒後才中斷連接。


此外,PSM模式允許裝置在進入休眠狀態時保持其登錄的詳細資料,因此每次有新的通訊時,無需再經歷非常耗電的重新連網程序。



圖二 : NB-IoT數據機登錄網路後的狀態。
圖二 : NB-IoT數據機登錄網路後的狀態。

省電模式使用T3324和T3412這兩個+CPSMS定時器來進行參數化,裝置會在初始化時向行動網路業者請求這兩個參數。T3324指定了在進入PSM模式之前網路可以存取裝置的時間。每個PSM模式間隔的時間是由這兩個參數之間的差異來決定。


2.你無法強制執行PSM計時器。

假設你已經找到最佳的+CPSMS計時器參數,可以完美地平衡電源自主性和應用程式的需求。但是,這就算大功告成了嗎?


才沒那麼容易呢!行動網路業者會把從裝置接收到的+ CPSMS定時器視為請求。它沒有義務根據此請求進行設定,或是在它們超出範圍時覆蓋它們。所以,在你慶祝大功告成之前,請務必先利用合適的AT指令檢查網路為你的裝置指派的計時器。此外,由於計時器可能會隨時改變,因此最好能持續追蹤它們,才能在行動網路業者重置計時器時,迅速做出回應。


3.eDRX可讓裝置更長時間監聽網路

正如我們之前看到的,透過T3324計時器,你可以要求裝置在一段時間內監聽網路訊息。擴展不連續接收模式(Extended discontinuous reception, eDRX)仍是由行動網路業者設定,它可以讓你的裝置延長監聽網路訊息的時間,但僅略微增加電力需求。基本上,它是透過切換進入和退出低功率狀態來運作,使電流消耗降至約3微安培。


採用eDRX模式時,行動網路業者的IoT平台會儲存裝置處於低功耗狀態時所有進來的訊息,並在裝置喚醒時將訊息轉發給裝置。值得一提的是,eDRX也可以在沒有PSM的情況下使用,特別是對於需要在未知時間內接收訊息的應用程式而言。


4.你無法控制覆蓋範圍等級

NB-IoT節省電力的其中一種方式是透過電波輕聲地傳送訊息,而不是大力放送出去。為了確保在NB-IoT基地台範圍內的所有訊息都能被接收到,NB-IoT會對每個訊息,甚至是每個訊息的每個區塊,根據它量測到的訊噪比(signal to noise ratio)來設定其覆蓋範圍的等級。


能通過噪音輕易被接收的訊息屬於覆蓋等級0(CO0)。不太清楚的訊息則屬於覆蓋等級1(CO1),將由具備10dB覆蓋增強的裝置發出。最極端的情況是覆蓋等級2(CO2),這類訊息會以20 dB覆蓋增強發送出去。


被歸類為CO1或CO2的裝置訊息或許還是能妥善地傳遞給基地台,但這是需要付出代價的。因為它們需要以更大的功率發射並重複多次,因此與CO0相比,它們會耗費更多的電池電流。


覆蓋等級的問題在於,儘管它們是決定自主性的主要因素,但是你無法控制它們。針對裝置訊息是屬於何種覆蓋等級,行動網路業者通常無法提供明確的指標。唯一可以確定的方法,就是當裝置在現場部署後,便需開始隨時監控其功耗。


5.終究,這是一種必需考量權衡的產品設計

假設你正在設計採用NB-IoT把數據傳輸到雲端的智慧水錶,讓市政機構或自來水公司可以即時監控自來水供應的狀態和消耗。對此使用情境,若電錶僅以覆蓋等級0和1來傳輸資料,你可能不會把你的產品宣傳為能夠以單一電池提供十年的網路連接性。


實際的情況是,電池壽命和覆蓋範圍之間存在著無可避免的權衡。正如我們前面所提的,許多會影響裝置效能的關鍵因素都不是你能掌控的。當然,你可以採用更大容量的電池,但這卻是部分客戶不能接受的。設計物聯網裝置終歸到底是一種考量權衡的工作,對於透過NB-IoT網路進行通訊的裝置也是如此。


u-blox針對NB-IoT網路連接性開發了一系列具備擴充性的蜂巢式模組,對於各種要求超低功耗與最佳化效能的IoT應用,能支援裝置廠商在最大化電池自主性與優化性能方面給予適當工具,讓產品設計更輕鬆。


其中,有的模組是具備全球覆蓋率的LTE Cat M1、NB-IoT和四頻2G(EGPRS)模組,能以單一設計同時提供LTE與四頻EGPRS 支援。有的模組是多頻段NB-IoT模組,可支援3GPP Release 14功能集與5G,並能透過uFOTA進行關鍵韌體的升級。也有功率最佳化的NB-IoT模組,支援-400C到850C的寬廣溫度範圍,並採用非常精巧的SARA LGA外型尺寸,易於製造。


這些模組都能在u-blox的2G、3G和4G模組間輕鬆升級,讓產品設計更具靈活性。這些豐富的產品組合與功能特性,將能協助裝置廠商實現創新的NB-IoT應用,讓長達十年的電池壽命目標不再遙不可及。


(本文作者Phil Ware為u-blox蜂巢式產品中心資深應用工程師)


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