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Come attivare le modalità di risparmio energetico di NB-IoT e Cat-M e il consumo energetico previsto

Di Markus Pihl, Vanja Samuelsson

L'aumento della durata della batteria dei dispositivi Internet delle cose (IoT) è uno degli obiettivi chiave delle tecnologie LPWAN (rete a bassa potenza e ampio raggio). Per questo motivo, le caratteristiche di risparmio energetico sono una parte essenziale delle tecnologie cellulari LPWAN, NB-IoT (Cat-NB1 e Cat-NB2) e Cat-M (LTE-M, anche detto Cat M1). Ma come vengono utilizzati e quali effetti si possono osservare sul consumo di corrente?

Questo articolo tenta di rispondere a queste domande, esaminando le definizioni delle funzioni di risparmio energetico, i timer e come vengono calcolati, così come i comandi che li abilitano. Tutto ciò è accompagnato dalla visualizzazione del profilo di consumo attuale per comprendere l'impatto sul consumo energetico.

Modalità di risparmio energetico di NB-IoT e Cat-M

Ci sono due caratteristiche essenziali del risparmio energetico per le tecnologie NB-IoT e Cat-M: modalità di risparmio energetico (PSM) e ricezione discontinua estesa (eDRX).

PSM consente all'apparecchio di impostare i timer di riposo e i timer attivi che vengono inoltrati alla rete: aggiornamento periodico dell'area di monitoraggio (TAU) (T3412) e tempo attivo (T3324) (Figura 1). Se accettati dalla rete, questa manterrà il dispositivo registrato nel sistema per il tempo impostato e se il dispositivo si riattiva durante questo tempo, non è necessaria alcuna procedura di riattacco (la procedura di stacco e riattacco può essere molto dispendiosa in termini di energia). Durante l'intervallo di sospensione, il dispositivo non è raggiungibile, ma grazie ai timer, la rete sa il successivo orario di risveglio del dispositivo e per quanto tempo sarà attivo per ricevere i messaggi di paginazione. È possibile impostare un dispositivo in modalità di sospensione profonda per un massimo di 14 giorni.

eDRX sta prolungando il tempo del normale DRX che già oggi è presente nelle reti LTE e accetta un tempo più lungo durante il quale il dispositivo non ascolta la rete durante la fase di tempo attivo. Per molti dispositivi IoT, essere irraggiungibile per diversi secondi o più a lungo è accettabile. Il consumo energetico si riduce, ma il dispositivo è ancora raggiungibile rispetto a quando viene applicato il PSM. Il compromesso è che la diminuzione del consumo energetico non è così grande come per PSM. eDRX può essere configurato con i timer di lunghezza del ciclo di paginazione (PCL) e di finestra temporale di paginazione (PTW) (Figura 1).

I comandi per impostare sia i timer PSM che eDRX su un modulo cellulare sono definiti nella specifica tecnica 3GPP TS 27.007, come segue:

AT+CPSMS=[<mode>,,[, <RequestedPeriodicTAU>[, <RequestedActiveTime>]]]

AT+CEDRXS=[<mode>[, <AcT-type>[, <Requested_eDRX_value>]]]

PTW è l'eccezione. Questo articolo introduce un comando per PTW creato da Thales e specifico per i moduli Cinterion® di Thales utilizzati come dispositivi sotto test (DUT):

AT^SEDRXS=[<mode>[, <AcT-type>[, <Requested_eDRX_value>][, <Requested_Paging_time_window>]]]

Inoltre, verrà introdotta la cosiddetta modalità di sospensione, un'altra funzione di risparmio energetico specifica di Thales per i moduli Cinterion, per spingere ulteriormente il modulo nello stato di minor consumo energetico. Questo comando deve essere impostato una sola volta.

AT^SCFG="MEopMode/PowerMgmt/Suspend",1

Schema delle funzioni di risparmio energetico, timer PSM e timer eDRX (fare clic per ingrandire)Figura 1: Funzioni di risparmio energetico, timer PSM (TAU periodico e tempo attivo) e timer eDRX (PCL e PTW) (Immagine per gentile concessione di Thales)

La configurazione

Al fine di visualizzare le modalità a bassa potenza, sono stati utilizzati due diversi set di moduli Cinterion di Thales e l'analizzatore di potenza Otii di Qoitech.

Per i timer PSM è stato utilizzato il kit ENS22-E di Thales, fornito già saldato in un modulo solo NB-IoT. Le misurazioni sono state effettuate in rete live (roaming) in NB-IoT con una scheda SIM MNO globale.

Per i timer eDRX è stato utilizzato il modulo Cinterion® EMS31, solo Cat-M su un kit LGA. A causa della mancanza di una rete Cat-M in Germania, dove sono stati effettuati i test, questo modulo è stato collegato tramite antenna (non cablata) a un simulatore di rete Cat-M di Amarisoft.

Otii di Qoitech è un analizzatore di potenza interessante, utilizzato in questo caso per tre scopi:

  • Visualizzazione e analisi del profilo di potenza
  • Controllo dei moduli radio (tramite pin GPIO)
  • Misurazione della potenza e sincronizzazione dei registri UART (tramite i pin RX/TX e la rete)

Il cablaggio è riportato nella Tabella 1.

Immagine del kit LGA con modulo cellulare di Thales e Otii di QoitechFigura 2: La configurazione: kit LGA con modulo cellulare di Thales e Otii di Qoitech (Immagine per gentile concessione di Thales)

Pin del kit LGA Pin Otii
On GP02
RTS0 GP01
TXD0 TX
RXD0 RX
GND DGND
VUSB 5 V
PWR(A) +
GND -

Tabella 1: Connessioni dei pin per la configurazione in Figura 2

Per la misurazione PSM, il modulo Cinterion ENS22-E NB-IoT (2,8 ~ 4,2 V) è stato alimentato a 3,6 V (Figura 3) per rendere il risultato paragonabile ai valori di consumo di corrente della descrizione dell'interfaccia hardware del modulo. Il livello di tensione digitale per i GPO deve essere impostato su 3 V (Figura 3).

Immagine della configurazione SUPPLY del progetto OtiiFigura 3: Configurazione SUPPLY del progetto Otii (Immagine per gentile concessione di Thales)

VUSB => +5 V - Questa è necessaria per alimentare il kit LGA. Nota! Non alimentare il kit anche tramite USB.

Gli interruttori del kit sul lato inferiore sinistro della scheda sono impostati su PWR - EXT sinistra e ASC0 - RS232 sinistra (Figura 4).

Immagine della configurazione degli interruttori del kitFigura 4: Configurazione degli interruttori del kit (Immagine per gentile concessione di Thales)

Secondo la configurazione di misurazione, è stata usata la riga di comando UART all'interno dell'applicazione Otii. Questa deve essere abilitata nelle impostazioni del progetto Otii nella sezione LOGS.

L'interfaccia seriale ASC0 (cablaggio RX0/TX0) funziona di default con una velocità di 115200 baud (Figura 5).

Immagine della configurazione LOGS del progetto OtiiFigura 5: Configurazione LOGS del progetto Otii (Immagine per gentile concessione di Thales)

Come calcolare i timer PSM?

Per il PSM, il comando AT+CPSMS è stato utilizzato per impostare il ciclo periodico TAU richiesto (T3412) e il tempo attivo richiesto (T3324). Il valore deve essere inserito in un formato binario a 8 bit, dove i primi 3 bit rappresentano il moltiplicatore di base di un numero binario a 5 bit. Questo riflette quanto specificato in 3GPP ed è riportato nella specifica TS 24.008 (Figura 6).

Immagine di calcolo del TAU periodico e del tempo attivo da 3GPP TS 24.008Figura 6: Calcolo del TAU periodico e del tempo attivo da 3GPP TS 24.008 (Immagine per gentile concessione di Thales)

Come esempio di applicazione, il modulo sarà configurato per inviare alla rete un messaggio di aggiornamento dell'area di monitoraggio ogni 7 minuti. Ciò significa che il TAU periodico sarà impostato a 7 minuti o 420 secondi.

Per 7 minuti si può utilizzare un moltiplicatore di 1 minuto (101) con un valore di 7 (00111) o un moltiplicatore di 30 secondi (100) e il valore binario 14 (01110) (Figura 6).

Il tempo attivo funziona di conseguenza, ma con valori di base diversi. Ad esempio, un tempo attivo di 10 secondi avrebbe i valori di 000 come moltiplicatore di base di 2 secondi e 00101, uguale a 5, risultando nel comando:

at+cpsms=1,,,10001110,00000101

Come impostare i timer PSM?

Dopo aver abilitato l'alimentazione del kit (5 V, Figura 7) e la potenza del modulo (3,6 V, Figura 7), l'avviamento si inizializza attivando GPO2 (Figura 7) per circa 2 secondi e disattivandolo nuovamente.

Immagine degli interruttori di alimentazione OtiiFigura 7: Interruttori di alimentazione Otii (Immagine per gentile concessione di Thales)

Il modulo si avvierà e lo indicherà con il seguente URC (codice di risultato non richiesto) nel registro UART:

\sHI2115-ssb-codeloaderl\e\sHI2115-codeloader&\e

^SYSSTART

Ora i comandi "at-" possono essere passati al modulo per 1) abilitare la modalità di sospensione, 2) abilitare la visualizzazione dello stato di registrazione e 3) controllare e impostare i timer PSM:

  1. Come già detto in precedenza, la funzione di risparmio energetico specifica di Thales deve essere abilitata inviando un solo comando di configurazione. Questa impostazione è non volatile e rimarrà valida fino a nuova modifica.

    at^scfg="MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"

    ^SCFG: "MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"

    OK

    +CIEV: suspendAvailable,1

    Il modulo annuncerà con un URC +CIEV che la funzionalità di sospensione è ora disponibile. Nel caso in cui la sospensione fosse già abilitata, non si verificherà un URC suspendAvailable.

  2. Dopo l'invio di "at+cereg=5", il modulo informerà l'utente con altri URC sulle modifiche dello stato di registrazione. Questa impostazione è volatile e deve essere ripetuta dopo ogni riavvio. Nel caso in cui il modulo sia già registrato, potrebbe rispondere solo con OK. In tal caso, lo stato può essere richiesto inviando "at+cereg?".
    Copy
    at+cereg=5
    OK
     
    at+cereg?
    +CEREG: 5,5,C9F9,00323333,9,,,00001111,10100111
              |   |    |      |      |        |_Periodic-TAU(T3412): 10m
              |   |    |      |      |__________Active-Time (T3324): 30s
              |   |    |      |_________________Act:E-UTRAN(NB-S1 mode)
              |   |    |________________________CI - cell ID
              |   |_____________________________TAC - Tracking Area Code
              |_________________________________stat:5 registered roaming
    

    Nell'esempio sopra riportato, il modulo è registrato in modalità roaming e mostra i valori PSM attualmente configurati della rete (TAU ogni 10 minuti con un tempo attivo di 30 secondi).

  3. Ora, i valori richiesti possono essere impostati con il comando "at+cpsms". Questo comando attiverà il modulo per inviare un messaggio TAU (aggiornamento dell'area di monitoraggio ) alla rete. Nel messaggio di risposta (accetta aggiornamento dell'area di monitoraggio) dalla rete, il modulo riceverà i valori che deve utilizzare. In altre parole, la rete decide quali valori prelevare. Si spera che i valori siano quelli richiesti, ma c'è garanzia. Dipende dall'operatore di rete mobile e se questi consente i valori richiesti o li sovrascrive con valori propri, a volte fissi.
Copyat+cpsms=1,,,10001110,00000101
OK
 
at+cereg?
+CEREG: 5,5,C9F9,00323333,9,,,00001111,10010100
          |   |    |      |      |        |_Periodic-TAU(T3412):  7m
          |   |    |      |      |__________Active-Time (T3324): 30s
          |   |    |      |_________________Act:E-UTRAN(NB-S1 mode)
          |   |    |________________________CI - cell ID
          |   |_____________________________TAC - Tracking Area Code
          |_________________________________stat:5 registered roaming
 
+CIEV: suspendReady,0
 
+CIEV: suspendReady,1

Il modulo indicherà con un URC suspendReady quando potrà entrare in modalità di sospensione. Non appena viene indicato "suspendReady,1", è possibile mettere il modulo in modalità di sospensione impostando RTS0, ovvero GPO1 (Figura 7), per 5 secondi (5 secondi è il valore predefinito e può essere modificato, vedere il documento delle specifiche dei moduli).

Che effetto hanno i timer PSM sul consumo energetico?

Come misura di riferimento, la Figura 8 mostra il profilo di corrente per il modulo Cinterion ENS22-E NB-IoT in modalità predefinita, quindi nessun PSM, nessun eDRX e modalità di sospensione non abilitata.

Immagine del profilo del consumo di corrente per la misurazione di riferimento (fare clic per ingrandire)Figura 8: Profilo del consumo di corrente per la misurazione di riferimento senza modalità di risparmio energetico abilitata. (Immagine per gentile concessione di Thales)

Il consumo medio di corrente previsto nell'area contrassegnata è di circa 16 mA.

Una volta che i timer PSM sono abilitati, in questo caso il TAU periodico di 7 minuti e 10 sec di tempo attivo, e la rete li ha accettati, il consumo di corrente diminuisce a una media di 13 mA (Figura 9).

Si noti che la rete avrebbe potuto ignorare la richiesta dei timer PSM e suggerirne altri. MNO diversi e reti diverse in generale accettano timer molto diversi, e questo è un aspetto da conoscere bene prima di implementare i dispositivi IoT.

Immagine del profilo del consumo di corrente quando PSM è abilitato (fare clic per ingrandire)Figura 9: Profilo del consumo di corrente quando PSM è abilitato (Immagine per gentile concessione di Thales)

Se è impostata la modalità di sospensione, il modulo indica che è pronto per la sospensione con un URC (codice di risultato non richiesto). Dopo aver attivato il segnale RTS, in questo caso impostato su GPO1 (Figura 7) in Otii, il modulo entra in modalità di sospensione con un consumo medio di circa 3 µA (Figura 10).

Immagine del profilo del consumo corrente quando la modalità di sospensione è abilitata (fare clic per ingrandire)Figura 10: Profilo del consumo di corrente quando è abilitata la modalità di sospensione (Immagine per gentile concessione di Thales)

Come calcolare i timer eDRX?

I valori del timer per l'impostazione di eDRX sono calcolati con un approccio diretto. Vi sono timer per ogni tecnologia di accesso radio, come mostrato nella tabella della Figura 11.

Immagine della definizione dei timer eDRX da 3GPP TS 24.008Figura 11: Definizione dei timer eDRX da 3GPP TS 24.008 (Immagine per gentile concessione di Thales)

Come impostare i timer eDRX?

L'effetto dell'uso di eDRX può essere dimostrato con il modulo Cinterion EMS31 Cat-M solo su un kit LGA. Questo modulo LTE-M ha un intervallo di alimentazione da 3,2 a 5,5 V. Otii lo alimenterà con 3,8 V. La tensione principale deve essere adattata nelle impostazioni di progetto dell'applicazione Otii (Figura 3).

Dopo l'avvio del modulo, indicato con l'URC ^SYSSTART, i timer PSM devono essere aumentati per avere una fase attiva più lunga (5 min) per vedere meglio l'effetto eDRX [(impostato at+cpsms=1,,,,00000110,00100101), disabilitare eDRX (at+cedrxs=0) e abilitare la visualizzazione dello stato di registrazione con at+cereg=4].

Copy
^SYSSTART
 
+CIEV: prov,1,sbmjp
 
at+cedrxs=0
OK
 
at+cpsms=1,,,00000110,00100101
OK
 
at+cereg=4
OK 

Per verificare se eDRX è stato disabilitato come richiesto, usare il comando at+cedrxrdp che legge i parametri dinamici eDRX correnti.

Copy
at+cedrxrdp
 
+CEDRXRDP: 0

Non appena il modulo viene registrato sulla rete, deve essere ricevuto il relativo URC che mostra lo stato di registrazione con un tempo attivo di 5 minuti.

Copy
+CEREG: 1,"0001","01A2D004",7,,,"00100101","00000110"
      |         |_TAU(T3412):  60min
                                   |_____Active-Time(T3324): 5min

Misurando con l'applicazione Otii, i picchi dell'ascoltatore radio continuo sono visibili ogni 1,25 ms durante il tempo attivo, come mostra la Figura 10, nell'area intorno all'indicatore di data e ora di 1 minuto.

Ora il comando per abilitare eDRX viene inviato alternativamente usando il comando 3GPP at+cedrxs o il comando specifico di Thales at^sedrxs. Lo svantaggio del comando 3GPP è che non dà la possibilità di impostare la finestra temporale di paginazione (PTW), cosa possibile con il comando AT dedicato implementato sul modulo Cinterion di Thales.

Secondo la tabella della Figura 10, il valore eDRX in Cat-M è stato impostato a 20,48 secondi ("0010") con una finestra temporale di paginazione di 5,12 secondi ("0011").

Copy
at^sedrxs=2,4,0010,0011
 
OK
 
+CEDRXP: 4,"0010","0010","0011"

Il modulo informa l'utente sulla modifica del valore eDRX con l'URC +CEDRXP che mostra il valore eDRX richiesto (PCL) di "0010", quello impostato dalla rete e che deve essere usato anche dal modulo (2o "0010") e il PTW ("0011").

Il modulo impiega un po' di tempo per adattarsi ai cicli modificati e infine mostrerà il comportamento eDRX come indica la Figura 12.

Che effetto hanno i timer eDRX sul consumo energetico?

I timer eDRX hanno effetto solo nella fase attiva. Più breve è la configurazione di una fase attiva, più basso è l'effetto eDRX.

eDRX è adatto per i dispositivi che devono essere raggiungibili dalla rete per un lungo intervallo di tempo o addirittura per tutto il tempo. Entro questo lasso temporale, la parte ricevente del dispositivo sarà abilitata solo per un determinato intervallo di tempo (PTW) che viene ripetuto a ogni ciclo eDRX (PCL). Grazie ai timer impostati, la rete di telefonia mobile sa in quali intervalli di tempo il dispositivo ascolterà le paginazioni e invierà una paginazione per questo dispositivo solo durante questo intervallo di tempo. In questo modo si risparmiano anche le risorse sul lato della rete (eNodeB).

Il default è PTW, impostato a 5 sec con eDRX non abilitato (Figura 12). Una volta abilitato l'eDRX, il consumo medio di corrente scende da 3 mA a 2 mA.

Immagine della finestra temporale di paginazione impostata a 5 sec come riferimento con eDRX non abilitato (fare clic per ingrandire)Figura 12: Finestra temporale di paginazione, impostata a 5 sec come riferimento con eDRX non abilitato e lo stesso PWT ma con eDRX abilitato a destra, segnato (Immagine per gentile concessione di Thales)

Riepilogo

A seconda del caso di utilizzo del dispositivo IoT e della tecnologia di rete disponibile, è possibile utilizzare diverse funzioni di risparmio energetico per prolungare la durata della batteria di un dispositivo.

Con l'uso di PSM, è possibile impostare un dispositivo in modalità di sospensione profonda per un massimo di 14 giorni.

Il dispositivo, secondo l'intervallo impostato, si riattiverà periodicamente, si collegherà alla rete e avrà la possibilità di inviare dati. Poco dopo lo stato connesso, il dispositivo sarà attivo ma "al minimo" e ascolterà i dati in entrata durante il tempo attivo. All'interno di questo tempo attivo, si possono configurare gli intervalli in cui il dispositivo abilita il suo ricevitore utilizzando eDRX.

Tutte le impostazioni vengono effettuate in collaborazione con la rete. La rete sa sempre quando e per quanto tempo un dispositivo è in grado di ricevere dati.

Un dispositivo che funziona in Cat-M avrà bisogno di più potenza di un dispositivo NB-IoT. Più a lungo un dispositivo è in sospensione, più energia potrebbe risparmiare. Quanto più brevi e minori sono gli intervalli temporali in cui un dispositivo rimane in ascolto per rilevare dati in entrata, tanto più ottimizzato è il suo consumo.

Pertanto, nel migliore dei casi, un dispositivo NB-IoT con un PSM massimo e un tempo attivo minimo con un solo picco di ascolto (PTW minimo) è l'approccio più ottimizzato in termini di potenza.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Markus Pihl

Markus Pihl is a Senior Application Engineer at Thales with an Engineering degree in Telecommunication Technologies. He has 20 years of experience in the telecom industry with a focus on mobile networks. The last 4 years he has moved to work in depth with mobile devices, and in specific the cellular LPWAN Cinterion modules for Thales DIS.

Vanja Samuelsson

Vanja Samuelsson is the Founder of Qoitech. Her background is in product development for the telecom industry and most recently research and innovation on 5G, cellular IoT connectivity and low power IoT at Sony. Vanja has a Master of Science degree and a PhD in Electrical Engineering from Lund University, Sweden.