新 Cat-M1 和 Cat-NB1 协议如何实现超低能耗？
随着对定义物联网协议竞争的展开，3GPP 的蜂窝物联网 (C-IoT) 绝对是一个强有力的竞争者。3GPP 版本 13 包括针对 C-IoT 使用情况的重要增强内容。这些内容通常的特征在于对延迟不是特别敏感的低容量数据传输，例如智能网格传感器或资产跟踪器。另一方面，功耗在这些使用过程中至关重要。一些情况需要部署电池供电的物联网设备十年，而无需维护，这意味着一节或两节 AA 电池必须在不充电的情况下持续供电至少十年。
为了处理这些情况，3GPP 版本 13 为物联网连接引入了两个新的用户设备 (UE) 类别：
1. 类别 M1 (eMTC) – 指定在 1.4 MHz 窄带中提供高达 1 Mbps 的可变速率
2. 类别-NB1 (NB-IoT) – 指定在 200kHz 窄带中提供 <100Kbps 的速率
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标准定义的节能技术
为了满足这些严格的功耗要求，新类别的规范利用了一些现有的省电技术，同时引入了一些新的省电技术。总之，这些技术将 UE 电池寿命提高到十年或更长时间，同时相对于常规蜂窝服务支持 15 至 20dB 的扩展覆盖。我们将在这里回顾目前在 Cat-M1 和 Cat-NB1 中指定的最重要的节能技术。
1. 省电模式 (PSM)
UE PSM 在版本 12 中引入。为了最大化 UE 的停机时间，其执行周期性跟踪区更新 (TAU)，之后，在空闲时间的可配置窗口期间，保持可用于寻呼。一旦空闲时间窗口过去，设备就进入休眠状态，并且直到下一个周期性 TAU 才能访问。这种省电方法对于需要稀疏周期性报告的使用情形尤为重要，例如每天一次。
2. 扩展不连续接收 (eDRX)
不连续接收 (DRX) 在寻呼周期之间指定高达 10.24 秒的睡眠周期，以减少功耗。新的扩展版本 eDRX 现在使得 UE 能够在变为可用于从网络接收流量之前睡眠预定义数量的 10.24 秒的超帧 (HF)。设备可以请求的 HF 的最大数量对于 Cat-M1 的延长睡眠加起来约有 40 分钟，对于 Cat-NB1 约有 3 小时。
使用 eDRX 描述延长的睡眠时间（来源：CEVA）
3. 较低的 UE 功率等级
新规范定义了 20dBm 的功率等级，传统 LTE 相比为 23dBm。该功能可显著降低功耗，因为 PA 功率到目前为止是蜂窝物联网 (IoT) 系统中的主要功率驱动器，但它也通过允许功率放大器集成在单芯片 CMOS 解决方案中而降低了总体 BOM。
4. 基于有限移动性而减少报告
此优化利用有限的移动性场景。这些是假设 UE 被固定或以非常低的速度移动的情况。在这些假设下，规范允许放松相邻单元测量和报告周期。这减少了需要 RF 资源和消耗功率的过程。
5. 上层优化
a. 最小化信令开销
简化的信令减少了 UE 和基站之间的流量，通过减少“RF 启动”周期节省了大量的功率。
i. 用户面 CIoT EPS 优化 –
该功能允许暂停和恢复无线资源控制 (RRC) 连接。在传统 LTE 中，当 UE 从空闲模式变为连接模式时，必须建立新的 RRC 背景。重建背景只需要大约一百毫秒，但对于只发送几个字节的物联网 (IoT) 设备，这是一项非常重大的开销。因此，已经指定该方法以保持 RRC 连接的背景并将其暂停在移动设备和网络侧而不是释放。
ii. 控制面 CIoT EPS 优化
在 LTE 中，信令面用于诸如认证和通信建立等管理任务，而数据在用户面传输。对于高数据速率传输，在信令面上建立连接的开销可以忽略不计。但是，当处理极小的数据包时，建立用于短传输的连接对总体通信时间具有显著影响，因此对功耗就产生重大影响。为了减少这种开销，控制面 CIoT EPS 优化指定了在信令消息中包括用户数据包的方式。通过在信令消息中包括有效载荷，消除了开销。
b. 稳健头标压缩 (RoHC)
这一优化还针对小的周期性数据传输。由于互联网协议（例如 UDP 或 TCP）需要头标，因此它们显著增加了几百字节的典型 IoT 包的大小。同样，如在先前的优化中，开销还增加了功耗（“发送更多位需要更多功率”）。RoHC（通常由 VoIP 应用使用）在这些情况下非常有用。通过压缩头标，整体传输明显变小，从而导致功耗显著降低。
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面向 UE 设计人员的额外节能优化
上述优化内置于 3GPP 标准中，以实现 IoT 使用情形的显著功率降低。除了这些，UE 设计人员部署的实施和算法也对总功耗具有相当大的影响。下面是一些可以进一步降低功耗的优化示例。
1. 重复“提前终止”
用于增强覆盖（这是 3GPP 的目标之一）的主要方法之一是重复。单个传输块 (TB) 被重复若干次，UE 可以组合所接收的 TB 以增加信噪比 (SNR)，并适当地对其进行解码。由于重复的粒度和预测所需重复次数的能力是有限的，因此 3GPP 确保该标准支持“提前终止”的选项。在这种情况下，UE 可以在重复结束之前尝试解码 TB。一旦正确解码，UE 可以关闭 RF，并停止解码剩余的重复。通过在接收器侧实施优越的算法，UE 将能够更快地解码，并且更早地关闭 RF，从而节省功率。
2. 单元同步
在长时间睡眠持续时间（基于 PSS 和 SSS 序列）之后，每次在帧定时发生时进行同步。在这种情况下，UE 可能需要几十到几百毫秒来同步，这取决于覆盖条件（长同步意味着准备唤醒的长“RF 启动”周期）。复杂的算法可以减少同步持续时间，并且在对总功耗具有巨大影响的设计之间产生显著差异。
显然，为小型、周期性数据流量设计的这些优化是 C-IoT UE 要求的精髓，应该采取与高数据速率使用情形不同的处理方式。串流大数据有效载荷的情况不关心小头标或短暂睡眠时间，因为它们变得相对不重要。相反，当处理大量部署的微型设备以支持智能城市基础设施、智能电网和许多其他用途时，小数量总计加起来，每毫瓦都计算在内。
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有效协议必须在高效架构上运行
当然，所有这些协议和算法优化必须在能够利用其所有优点以尽可能地降低功率的架构上实施。以与 3GPP 分析 C-IoT 使用情形的特定需求并相应地调整协议相同的方式，设计设备时还必须对使用情形和协议有深入理解，以到达最优效率。该架构的设计必须考虑到超低成本和超低功耗。基于新的 CEVA-X 架构框架 的 CEVA-X1 物联网 (IoT) 处理器是第一个以不懈的性能和超低功耗在单个内核中提供 DSP 和 CPU 功能的首款产品。
来源：http://news.eeworld.com.cn/xfdz/article_2017013160402.html
