NB-IoT: 10 лет на одной батарейке

Многие слышали о том, что основным преимуществом NB-IoT является низкое энергопотребление, но слова «низкое энергопотребление» сами по себе мало о чем говорят, и это самое потребление надо с чем­-то сравнивать. Чтобы проверить это свойство на практике, возьмем модули компании SIMCom. Сначала рассмотрим энергопотребление SIM800C, а потом сравним полученные значения с характеристиками SIM7020E/G (SIM800C и SIM7020 совместимы pin­to­pin, за исключением некоторых выводов, поэтому есть смысл рассматривать именно эти модули).

Как можно управлять энергопотреблением SIM800C?

• Выключить модуль физически (Power Off).
• Перевести модуль в режим минимальной функциональности (модуль теряет регистрацию в сети).
• Перевести модуль в режим низкого энергопотребления без потери регистрации в сети (Sleep).

Казалось бы, для достижения максимальной продолжительности жизни батарейки наиболее оптимальным будет режим № 1 — выключение модуля. Многие производители оборудования так и делают, если речь идет о GSM/GPRS-технологии, однако этот подход не всегда оправдан. Дело в том, что при подаче питания на модуль и включении его при помощи PowerKey устройство «тестирует» батарейку (или блок питания), искусственно нагружая ее током 2 А, то есть каждое включение модуля приводит к небольшому разряду батарейки. Максимальное потребление модуля в режиме передачи данных в условиях плохого покрытия может составлять до 2 А. Если блок питания не сможет обеспечить требуемой силы тока, то произойдет падение напряжения и модуль выключится (перезагрузится) из­за низкого напряжения питания. Для того чтобы этого избежать, модуль сразу же после включения тестирует блок питания на способность обеспечить необходимую ему мощность. После успешного включения модуль начинает процедуру регистрации в сети.

Теперь рассмотрим режим № 2 — режим минимальной функциональности с потерей регистрации в сети. Разница с режимом 1 заключается в том, что модуль не выключается (а следовательно, и не включается, в связи с чем мы каждый раз не нагружаем батарейку током в 2 А), но в данном режиме модуль уже частично функционирует, а значит, потребляет энергию аккумулятора. В зависимости от режима (CFUN = 0 или CFUN = 4) модуль потребляет 0,6 или 0,64 мА соответственно.

Общим для этих двух режимов является то, что каждый раз, когда мы либо включаем, либо «пробуждаем» модуль, он не имеет регистрации в сети, а следовательно, каждое такое пробуждение сопровождается поиском сети, что само по себе процедура достаточно энергоемкая. Сколько именно будет потреблять модуль в момент регистрации и как долго она будет продолжаться, зависит лишь от качества сети.

Режим № 3 — режим низкого энергопотребления без потери регистрации в сети (Sleep). Здесь модуль находится в спящем режиме, но изредка просыпается для обмена служебной информацией с сетью. В этом случае модуль все еще в сети (может принимать звонки и СМС), но потребление снижается до 0,9–1,5 мА в зависимости от параметра BS­PA­MFRMS (он задается сетью, и мы не можем на него влиять). Естественно, что при получении СМС или входящего звонка модуль автоматически выходит из спящего режима.

Таким образом, устройства, выполненные на базе GSM-модемов, могут находиться в трех состояниях:

• Модем выключен. Для нормальной работы необходимо его включить (пиковое потребление 2 А) и зарегистрировать в сети.
• Модем в режиме минимальной функциональности с потерей регистрации в сети и потреблением 0,6–0,64 мА. Для нормальной работы модем необходимо разбудить и зарегистрировать в сети.
• Модем в режиме Sleep без потери регистрации в сети и потреблением 0,.9–1,5 мА. Для нормальной работы необходимо всего лишь разбудить модем.

Несложно догадаться, что разработка автономного устройства на основе GSM/GPRS-модуля — это поиск баланса между выключенным модулем и модулем в режиме пониженного энергопотребления с регистрацией в сети. Например, если устройство должно передавать данные раз в неделю, то оставлять его включенным на все это время, пусть даже и с потреблением 0,9 мА, не имеет смысла, но, с другой стороны, если вам надо передавать данные раз в 4 ч, то и выключать модуль не следует, поскольку включение модуля и его последующая регистрация в сети отберет у устройства больше энергии, чем пребывание в режиме Sleep.

С GSM разобрались. Теперь поговорим о NB-IoT:

• NB-IoT-модуль потребляет меньше энергии просто потому, что данная технология изначально разрабатывалась для M2M-устройств и автономных датчиков. Максимальный ток VBAT SIM7020E/G составляет 500 мА, а при наличии 1000-мкФ конденсатора пиковые токи блока питания снизятся до 320 мА (можно сравнить с током 2 А у SIM800C).
• NB-IoT-модуль имеет несколько режимов работы, а значит, и несколько сценариев энергопотребления. В дополнение к стандартным режимам, имевшим аналоги в GSM/GPRS-сети, добавлено несколько новых режимов работы, отвечающих за пониженное энергопотребление.

Стандартные режимы работы модуля SIM7020E

LTE Sleep

В этом режиме энергопотребления модуля снижено до минимального значения, но он будет принимать пейджинг-сообщения и СМС. Для перехода в Sleep необходимо соблюдение нескольких условий, таких как, например, отсутствие USB/USART-активности.

Энергопотребление: 236 мкА.

LTE Idle

Модуль включен, подключен к сети и готов к обмену данными.

Энергопотребление: 5,6 мА.

LTE Standby

Модуль готов к приему либо передаче данных, но в данный момент нет такой активности. Энергопотребление модуля будет зависеть от настроек сети.

LTE Data Transmission

Происходит обмен данными с сетью. Энергопотребление зависит от настроек сети (уровень сигнала, uplink/downlink, data rates и т. д.). Усредненные значения потребления энергии приведены в таблице 1.

Дополнительные режимы работы модуля SIM7020E

Режим минимальной функциональности

Для перевода модуля в режим минимальной функциональности без снятия питания используются AT-команды AT+CFUN=0 и AT+CSCLK=1. В этом режиме SIM-карта и RF-часть отключены, но UART и USB доступны пользователю. Энергопотребление в этом режиме значительно ниже, чем в стандартных режимах работы, но для перехода в стандартные режимы работы требуется регистрация в сети.

Flight Mode (режим полета)

AT-команда AT+CFUN=4 используется для перевода модуля в Flight mode. RF-часть отключена, но UART и USB доступны пользователю. Энергопотребление в этом режиме значительно ниже, чем в стандартных режимах работы.

PSM Mode

Режим работы с наименьшим энергопотреблением. LDO и DCDC внутри модуля отключены, питание подается только на RTC (Real Time Clock). Весь функционал, за исключением RTC, отключен. В режиме PSM вывод RTC_GPIO0 изменит свое состояние с логической 1 на логический 0. Выйти из этого режима можно либо по RTC_EINT, либо при помощи PWRKEY.

Энергопотребление: 3,4 мкА.

Power Off

В этом режим можно перейти подачей команды AT+CPOWD либо при помощи вывода PWRKEY (притягивание вывода к «земле»). Питание модуля выключено, ПО выключено, UART и USB недоступны.

Как видно из приведенных выше данных, мы действительно можем получить 5–10 лет работы NB-IoT-модуля от одной 5­-Вт батарейки. Но как же получаются такие цифры, ведь физику пока еще никому не удалось обмануть?

Ответ прост: устройство не потребляет энергию только тогда, когда оно выключено. На этом и основаны оба режима: и режим PSM, и режим eDRX. И если все устройство полностью мы отключить не можем, то RF-часть — запросто. Потеряем ли мы при этом регистрацию в сети? Нет!

Для проверки регистрации в сети существует процедура пейджинга. Сеть посылает «пинг» на устройство, и если устройство на него ответило, то считается, что оно в сети и начинается отсчет времени до нового «пинга». Что происходит с RF-частью между этими посылками, сеть, грубо говоря, не интересует, и если на это время отключить RF-часть, то можно сэкономить чуть­чуть энергии. Примерно так и работает режим Sleep.

eDRX

Стандартное время между сообщениями пейджинга равно 2,56 с. С точки зрения энергосбережения выходить на связь каждые 3 с слишком накладно, и с Rel­13 внедрили новую «фишку» — режим extended discontinuous reception, или eDRX. Суть его заключается в том, что и сеть, и модуль, совершая обмен пейджинговыми сообщениями, договариваются о том, когда они снова выйдут на связь.

Время, в течение которого модуль слушает эфир и обменивается информацией с сетью, называется Paging Time Window (PTW) и в свою очередь также разделено на отрезки, длина которых называется DRX. По окончании PTW модуль отключает RF-часть и не взаимодействует с сетью. Сумма первого и второго отрезков времени называется eDRX cycle (рис. 1).

Рис. 1. Временная диаграмма работы eDRX

Для перехода в режим eDRX модуль должен сообщить сети о желании работать в режиме eDRX и передает в сеть желаемые значения PTW и eDRX cycle, а сеть либо принимает эти значения, либо «навязывает» модулю свои (значения PTW и eDRX cycle, предлагаемые сетью, всегда имеют более высокий приоритет, нежели значения, предлагаемые модулем), либо вообще запрещает модулю переходить в режим eDRX (были случаи, когда оператор на момент тестирования сети временно отключал энергосберегающие режимы).

Процедуры согласования режимов работы называются Attach request и Attach accept.

В настоящее время модуль SIM7020 может работать со значениями PTW, находящимися в диапазоне 1,28–20,48 с, в то время как eDRX cycle может составлять 5,12–10485,76 с (что равно примерно 3 ч). Но параметры реальной сети могут быть как меньше, так и больше этих значений, и до начала тестирования режима eDRX мы настоятельно рекомендуем пообщаться с оператором и обговорить установленные рамки, а также узнать о поддержке eDRX/PSM конкретной базовой станцией.

Энергопотребление модуля в режиме eDRX приведено в таблице 2.

Естественно, что чем большее значение eDRX cycle мы установим, тем меньшее интегральное потребление получим, но надо учитывать то, что между PTW модуль отключает RF-часть и достучаться до него в это время будет невозможно. Другими словами, если установить eDRX cycle на 3 ч, запустить режим eDRX, подождать пару минут и потом послать запрос на прибор, то ответ будет лишь спустя 3 ч (оборудование провайдера зачастую может накапливать пакеты и пересылать их модулю в моменты PTW, так что нет необходимости синхронизовать время, но, опять­таки, ответ от модуля придет лишь после начала PTW).

Как уже отмечалось выше, режим с PTW, равным 20,48 с, и eDRX cycle, равным 162,8 с, обеспечивает интегральное потребление 77,5 мкА. Хотите получать/передавать данные чаще — будет большее потребление, хотите меньшее потребление —задержка между сеансами обмена данными будет продолжительнее, но надо помнить, что выбор всегда за вами и чудес не бывает (и, напоминаем, 0,07 мА — это при том, что модуль «в сети»).

PSM

Если же надо еще снизить энергопотребление и устройство работает в основном «в одну сторону» (например, счетчик воды, который только отправляет данные и не принимает ничего взамен), то существует режим PSM (Power Save Mode) с током потребления 3,4 мкА.

Режим PSM во многом схож с режимом eDRX, но в отличии от режима eDRX ориентирован больше на передачу данных (из модуля в сеть), чем на прием (из сети в модуль). Временнáя диаграмма работы модуля в режиме PSM приведена на рис. 2.

Рис. 2. Временная диаграмма работы PSM-режима

Процедуры подключения так же, как и в режиме eDRX, называются Attach request и Attach accept, а синхронизация — TAU (Tracking Area Update).

После синхронизации с сетью (TAU) модуль переходит в режим LTE Idle, длительность которого задается таймером T3324 (Active Timer). В этот момент модуль может принимать данные из сети. По окончании данного периода модуль отключает RF-часть и переходит в режим сверхнизкого энергопотребления, в котором будет пребывать до следующей процедуры TAU. Период процедуры TAU определяется таймером T4312 (TAU Timer). Если необходимо разработать устройство с ультранизким энергопотреблением и феноменальным сроком службы, то хорошая новость заключатся в том, что максимальное значение таймера T4312 может составлять аж 35 712 000 с (или 413 дней). Значения таймеров T3324 и T4312 задаются при помощи соответствующих АТ-команд, но, как и в случае с eDRX, модуль должен согласовать эти значения с сетью, а вы, соответственно, с оператором мобильной связи.

Также следует отметить, что как в PSM-режиме, так и в режиме eDRX устройство всегда может выйти из режима Sleep по команде управляющего микроконтроллера, передать данные (то есть перейти в режим LTE Data Transmission) и снова заснуть, так что в экстренных случаях задержка важных данных будет минимальной.

Подведем итоги:

• Среднее/максимальное потребление модуля SIM7020 в режиме передачи данных (LTE Data Transmission) снизилось в несколько раз (минимум в 4 раза) по сравнению c SIM800C (было 2 А, стало 500 мА).
• Среднее потребление в режиме Sleep снизилось в несколько раз (было 0,9–1,5 мА, стало 236 мкА).
• Появились режимы eDRX и PSM, позволяющие оставаться в сети, но надолго выключать RF-часть модуля (именно об этих режимах говорят производители, когда заявляют время жизни устройства 5–10 лет от одной батарейки).
• Время пробуждения синхронизировано с сетью, так что модуль вообще не тратит энергию на синхронизацию с удаленным сервером и тратит минимум энергии на обмен данными с сетью.
• Хотя модули SIM7020/SIM7000 дороже своих «старших братьев» (SIM800C/SIM800), но операторы мобильной связи уже предлагают специальные NB-IoT-пакеты, так что суммарная стоимость приобретения и дальнейшей эксплуатации этих модулей будет ниже, чем у GSM/GPRS-предшественников.