深扒 NB-IoT（6）| NB-IoT 节电特性

本期我们在看节电特性之前, 先来看下普通终端和 NB 终端在节电方面的区别：

一.NB-IoT 节电背景

普通终端，为了节省功耗终端就可以使用 DRX 技术，在一个 DRX 周期，终端仅需监控一个寻呼时刻（PO，paging opportunity，注意寻呼时刻实际上也是一段时间即 duration，只是比较小，可以是 ms 级别），终端只在寻呼时刻监控寻呼指示信道，其他的时刻终端是不监控寻呼指示信道的，这样就节省了终端的功耗。由于传统网络除了要考虑终端低功耗的要求，还要兼容业务及时性以便在一定周期内响应终端业务，所以在传统网络中这个 DRX 周期为 20ms/640ms/1280ms/2560ms 等。对终端而言，DRX 周期长度越短，终端的待机功耗越大，下行可达性越好，被叫建立时间越短；DRX 周期长度越长，终端的待机功耗越小，下行可达性越差，被叫建立时间越长。

NB-IOT 终端，与普通终端相比较，在部分物联网行业应用中，移动性较低并且实时性要求较低的终端，频繁地接收网络侧的寻呼会缩短其电池寿命、且增加网络的信令负荷。基于上述原因，本特性通过网元间 eDRX 信元的传递并计算出合理的寻呼时机来缩短 M2M 终端的监控寻呼信道时长，达到减少网络信令负荷，节省终端耗电量。

为了适应物联网更低功耗、时延更不敏感的业务，标准在省电方面又提出 eDRX(extended Discontinuous Reception; 增强的非连续接收) 的技术，eDRX 特性是通过扩展现有 DRX 与寻呼机制使终端的 DRX 周期可以达到分钟、小时（eDRX 周期为 10.24s ~ 10.24s*2^10，最大约为 2.912 小时）级别, 达到终端既省电又满足一定时延的应用要求 (例如手环/跟踪/街灯控制等交互式应用)，在省电和时延之间取得平衡。

普通终端节能功能与eDRX模式对比图

如上图所示，传统网络中使用的DRX技术节省功耗，其寻呼周期最大为秒级（最大寻呼周期2.56s）。如右上图所示，为了适应物联网更低功耗、时延不敏的业务，采用eDRX模式，寻呼周期可以达到分钟、小时级别，达到终端即省电又满足时延的应用要求。

对使用电池供电、实时性要求较低的M2M终端可开启eDRX模式，如：智能抄表业务中的电表、智能工业中的传感器、智能宠物健康中的颈环等。

二. 关键特性 1：空闲态 eDRX：

3GPP 协议定义空闲态 eDRX 功能，将寻呼周期从传统的 2.56 秒扩展到最大 2.92 小时，减少空闲态 UE 周期监听寻呼信道的次数。相比传统寻呼 DRX，UE 休眠周期更长，更节电。

• 增益：

       相比传统寻呼 DRX，UE 休眠周期更长，更省电。

• 场景：

      适用于使用 LTE UE 进行 IoT 业务且对于UE有节能需求的场景，比如 Smart Meter、下水道监测、老年人及儿童守护；

      小区下有支持空闲态 eDRX 能力的UE接入；

若UE需要节省功耗并且对被叫业务时延有一定要求，需要和核心网协商使用空闲态 eDRX（Extend Discontinuous Reception）的方式间歇性接收寻呼消息，eDRX 协商和寻呼的信令交互流程如下图所示。

上图的信令大致解释下：

1.eNodeB 在 MIB 和 SIB1 广播 Hyper-SFN 超帧号（eDRX 周期的单位，长度为 10.24s，简称 H-SFN），UE 获取超帧号。

2.UE 根据自身能力决定使用 DRX 还是 eDRX，当 UE 使用 eDRX 时，UE 在 Attach Request/TAU Request 中携带 eDRX 周期长度，发送给 MME。 

3.若 MME 接受 UE 的 eDRX 请求，根据本地策略可给 UE 配置不同的 eDRX 周期和 PTW 寻呼时间窗口长度，在 Attach Accept/TAU Accept 中发送给 UE。如果 MME 拒绝 UE 的 eDRX 请求，UE 将使用传统的 DRX 寻呼机制。 

4.UE 和 MME 保存协商的 Extend DRX Parameters 作为寻呼周期。 

5.当 MME 有寻呼消息下发时，MME 根据与 UE 协商的 eDRX 周期计算出 UE 接收寻呼的超帧 Hyper-SFN 和寻呼帧 PH。 

6.在 UE 的寻呼帧时间到达之前，将寻呼消息下发给 eNodeB。 

7.eNodeB 接收到寻呼消息后，根据消息中包含的 eDRX 周期计算出超帧 H-SFN 和寻呼帧 PH 的时间，根据基站配置的寻呼周期计算出 UE 接收寻呼的时间（寻呼机会 PO），然后在此时间将寻呼消息下发给 UE。 UE 使用和 eNodeB 相同的方法，计算出寻呼消息的下发时间，在此时间内监听并接收寻呼消息。

三. 关键特性 2：PSM：

IoT 终端设备尤其是智能抄表类业务，需长时间工作。由于大多 LPWA 类终端是电池供电且无人值守，所以终端节电成为一个重要诉求。

PSM (Power Saving Mode）：配合长 TAU 定时器，终端最长可进入 310 小时的深度睡眠。终端深度休眠期 间不接收下行数据，适合对下行业务时延无要求的场景。TAU 定时器超时唤醒，或终端主动发数据时唤醒。

PSM 状态下只有平时工作 1% 的功耗。

问题 1：终端何时进入 PSM 状态，以及在 PSM 状态驻留的时长由核心网和终端协商？

如果设备支持 PSM，在附着或 TAU（Tracking Area Update）过程中，向网络申请 T3324 激活定时器。当设备从连接状态转移到空闲后，定时器启动，当定时器终止，设备进入 PSM 模式。

PSM 在 IDLE 态下再新增加一个新的状态 PSM，终端射频关闭，核心网保留用户上下文。

UE 想要开启 PSM 模式需要在 ATTACH REQ 或者 TAU REQ 中携带 T3324 定时器和期望获得的时长。若网络侧接受 UE 开启 PSM 模式的请求，则在对应的 ATTACH ACP 或 TAU ACP 中携带 T3324 定时器和分配的时长，并且时长不为「deactivated」。

当 UE 进入 IDLE 态后，T3324 定时器启动，T3324 定时器超时后 UE 进入 PSM 模式。

问题 2：在 PSM 状态时，下行数据不可达，那下行数据如何到达终端？

DDN 到达 MME 后，MME 通知 SGW 缓存用户下行数据并延迟触发寻呼，看下下面的流程：

问题 3：UE 何时退出 PSM 状态？

有两种情况：

1.UE 主动发送 MO 数据

2.T3412 定时器超时（最大周期为 310 小时），主动发起 TAU

四. 关键特性 3：长周期 TAU 定时器

降低周期 TAU 次数，从而降低功耗，一般与 PSM 同时配置。

五. 关键特性 4：扩展寻呼

NB-IoT 终端大部分是低移动性终端。为了节省空口资源，减少 UE 耗电，优先在用户上次所在小区进行寻呼。如果寻呼失败，然后再扩大寻呼范围，保证寻呼成功率。

MME 根据 eNB 推荐的小区范围进行精准寻呼，减少 UE 接收的不必要消息。

扩展寻呼的流程如下图所示：

• 在UE释放连接时，eNodeB 在 UE 上下文释放完成消息中，将以下信息发送给 MME：

           UE 当前所在小区和覆盖等级信息。

           推荐的小区列表和 eNodeB 列表，推荐的小区列表为当前小区的同频邻区，eNodeB 列表为推荐小区列表中小区对应的 eNodeB

• MME 保存 eNodeB 提供的信息。在下发寻呼时，可携带覆盖等级信息和推荐小区列表给 eNodeB。

• 接收到寻呼消息的 eNodeB，根据消息中携带的当前寻呼次数，计划寻呼次数和小区覆盖等级，确定寻呼策略。

• 注：MME 需要开启「精准寻呼」特性。

• 扩展寻呼特性由两个主要功能组成：

      eNB 在 UE 上下文释放消息中上报寻呼辅助信息

      MME 的 paging 消息中携带寻呼辅助信息

eNB 在 UE 上下文释放消息中上报寻呼辅助信息：携带当前小区的 ECGI 和覆盖等级。

MME 的 paging 消息中携带寻呼辅助信息：

MME 寻呼策略（MME 侧的寻呼策略可以配置，默认如下）：

1、上次接入的 eNB（attempt count 为 1）

2、推荐的 eNB 和小区（attempt count 为 2）

3、最近访问的 TA（attempt count 为 3）

4、UE 的 TA LIST（attempt count 为 4）

总结：NB-IoT 节电的四个法宝：eDRX，PSM，长周期 TAU，扩展寻呼都是相辅相成的，而 eDRX 和 PSM 是根据终端的应用场景选择使用。