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——   【导读】   ——

本文基于物联网低功耗需求及部分业务场景,针对物联网终端侧提出一些低功耗设计方法论,并列举应用场景实例及相应的解决方案。

 物联网终端产品低功耗设计方法论

(概要)


背景概述

近来物联网LPWA(低功耗广域网络)技术备受瞩目,在全球范围开展了积极部署。目前来看, LPWA是未来最适应物联网低功耗需求的网络技术,但现阶段其产业链发展尚未成熟,以NB-IoT为例,就存在成本高居不下、覆盖率不够广泛等问题。

本文基于物联网低功耗需求及部分业务场景,针对物联网终端侧提出一些低功耗设计方法论,并列举应用场景实例及相应的解决方案。


▊低功耗应用场景及方法论概述

▶ 1、LPWA低功耗实现

LPWA是专为物联网应用场景服务的网络技术,从终端自身功耗、网络参数、数据传输协议等维度均进行了低功耗设计。

以NB-IoT为例,其低功耗实现途径中最主要的是采用了两个关键技术,PSM(Power saving mode,省电模式)和eDRX(扩展的非连续接收模式)。设备处在PSM态时的功耗非常低,而NB-IoT正是长期让设备处于PSM态。另一方面NB-IoT采用的eDRX技术增加了设备空闲状态下的睡眠周期,从而进一步降低整体功耗。

由上可见,目前实现低功耗技术的最有效方式,是让终端在不进行数据交互时尽可能减小电量消耗。


▶ 2、 几种低功耗业务模型及场景应用

据上文分析,LPWA主要的低功耗实现技术非常适用于数据发送低频次、低吞吐率的业务场景,基于数据发送周期分类,对此类低功耗场景建立几种基本的业务模型:

几种常见低功耗业务模型


需要说明,以上三种为常见低功耗场景下分解出来的独立业务模型,许多情况下是三种模型的复合场景。

针对以上三种业务模型列举出实际场景,给出以NB-IoT为LPWA代表的方案,以及基于传统蜂窝网络设计的终端低功耗技术架构,从功耗维度来对两种技术进行对比分析。

(1)业务模型一场景:燃气表抄表

业务需求:表计数据发送周期为24h,数据包大小为50Bytes

    LPWA方案:采用NB-IoT网络。TAU(tracking area update)周期设为24h,作为业务数据上行周期;PSM active timer和RRC链路释放定时器根据业务模型具体配置;

    ● 传统蜂窝网终端方案:2G-eSIM模组(eSIM是中移物联网有限公司自主研发的芯片和模组产品,直接集成了移动公司SIM卡功能,支持2G/ 3G/4G以及5G/NB-IoT,可自动接入中移物联网的设备云OneNET)+RTC(定时控制单元)方案。

业务模型一:eSIM模组+RTC(固定周期)方案


(2)业务模型二场景:物流托盘定位(详细方案见【阅读原文】)

(3)业务模型三场景:农业大棚环境监测(详细方案见【阅读原文】)

(4)各业务模型功耗对比

对各业务模型下两种方案的功耗进行对比,其余因素影响在此不作考虑(如对比的网络信号强度假设相同)。数据源于中国移动通信研究院和中移物联网有限公司。

各业务模型下两种方案功耗对比


对比结果表明,在三种低功耗业务场景中,基于传统蜂窝网络采用了一些低功耗技术架构进行终端优化的方案,其功耗与NB-IoT方案差距不大,二者基本相当。


▶ 3、物联网终端低功耗设计方法论

为了最终向客户提供合适的低功耗整体解决方案,总结提出了终端侧低功耗设计方法论的关键思路,应从以下几个方面综合考虑和开展设计:

(1)根据具体业务场景的数据发送周期和数据量要求,确定终端工作模式、采用合适的通讯技术,选择合理的数据发送周期控制方式,是让终端在不进行数据交互时尽可能减小电量消耗,最大化节省功耗。以本文介绍的低功耗2G技术和NB-IoT技术为例,仅从功耗维度来进行通讯技术的选择,可简单参考以下推荐的矩阵对比关系。

场景需求与终端通讯模式适配矩阵


(2)在满足低功耗的方案中,综合比较方案的成本,包含终端成本、网络部署成本、开发成本、后期维护成本等;

(3)综合考虑比较其他方面因素,如可靠性、安全性、覆盖率等。


低功耗应用场景及解决方案实例

场景需求:对某国际铁路运输项目的集装箱在运输过程中的位置监测。列车行驶时位置发送周期为2小时,列车停驻时位置发送周期为1天,位置精度小于200m。

根据业务模型分析和终端低功耗设计方法论,给出基于传统蜂窝网络终端和NB-IoT的解决方案对比。(详细方案见【阅读原文】)


▶ 1、功耗对比

根据上述测试和计算数据分析,对基于2G蜂窝技术和NB-IoT的方案进行功耗指标的对比,对比情况见表2 。


两种方案的功耗对比


综上,在不考虑成本、可靠性等其他因素的前提下,仅对比分析终端功耗,基于2G并采用低功耗设计架构优化的终端方案,与NB-IoT方案的理论指标相比,二者功耗相当。


▶ 2、成本对比

下面再对两种方案的终端成本进行对比,定位器数量需求为10000套,主要成本项见表3 ,因为两种方案终端主要是通讯模组的差异,所以定位器硬件成本仅考虑模组和电池成本。

2G与NB-IoT方案的成本对比分析


▶ 3、其他因素考虑

从信号覆盖角度考虑,铁路运输场景的移动地域非常广阔,就NB-IoT目前的网络覆盖率甚至不能满足覆盖广度需求。


▶ 4、最终方案选择

两种方案的终端功耗基本相当,在满足同等工作年限(1年)的前提下,所损耗的电池成本相同;但由于2G模组、研发等成本较低,综合核算2G方案成本比NB-IoT方案约低45%,最终选择向用户提供2G方案。


▊结束语

本文提供了物联网终端侧的低功耗设计方法论。物联网的一个重要问题是解决海量连接下的低功耗,实际上功耗优化是个复杂的逐步积累的过程,需要从终端自身、业务模型、网络参数、成本、可靠性等各个方面综合考虑,提供整体的解决方案。

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