窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）能耗測試淺析

潘旭暉 房超

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）能耗測試淺析

潘旭暉 房超

浪潮樂金數(shù)字移動通信有限公司，山東 煙臺 264006

當前窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比較盛行，很多方面都在應(yīng)用。因此，闡述了窄帶物聯(lián)網(wǎng)的概念，隨后基于蜂窩工作原理，對其進行了能耗分析并構(gòu)思了測試方法，分析了測試過程中可能出現(xiàn)的難點或問題，希望未來對應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）能起到積極有效的啟發(fā)意義。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）；能耗；測試方法

1 概念分析

當前社會發(fā)展進程加快，在相關(guān)技術(shù)的深刻影響下，呈現(xiàn)出更大的變革?；诨ヂ?lián)網(wǎng)，把所有資源連接在一起，借助于信息傳感設(shè)備的作用，交換相關(guān)信息，從而推進智能化識別和管理，最終實現(xiàn)對所有資源的綠色管理，以滿足安全、環(huán)保、高效、節(jié)能的一體化發(fā)展需求。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），是該領(lǐng)域里的新興技術(shù)，是世間萬物互聯(lián)互通的一個重要分支，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)搭建，寬帶消耗很小，因此也被稱為代功耗廣域網(wǎng)。此技術(shù)支持較長時間的待機命令，可以高效連接。根據(jù)理論研究，此技術(shù)下的電池使用期限至少可延長10年。這樣一來，可以最大限度彌補以往2代、3代、4代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗高、成本高的缺陷。因此，其低功耗更側(cè)重于使用過程中的能耗，更具體地講應(yīng)是能量消耗速度的提升，可以直接部署在網(wǎng)絡(luò)中，從而降低成本、平滑升級，為在實際中應(yīng)用此類產(chǎn)品提供了真實可行的數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。

本文要研究的能耗測試，主要從該技術(shù)對環(huán)境、人體的影響程度出發(fā)，基于生態(tài)環(huán)境的概念，有效利用資源、節(jié)約能源。從用戶的角度來講，則具體體現(xiàn)在使用的產(chǎn)品是否能夠達到節(jié)電、降低消耗的目的。

2 研究意義

本文針對NB-IoT，提出了一個測試方案，希望通過測試功耗，累計足夠的數(shù)據(jù)，并進一步引入限定數(shù)值，在節(jié)能測定后對產(chǎn)品進行能耗測試，并分級評估管理。

NB-IoT技術(shù)特點直接影響著實際推廣的程度。因此，在各類場景下，NB-IoT技術(shù)功耗低的特點受到了用戶的直接關(guān)注，特別是其具體功耗能低到多少，都是用戶、廠家評判測試的主要焦點。在設(shè)計之初，此技術(shù)被考慮運用在智能化領(lǐng)域，比如停車、抄表、農(nóng)業(yè)、制造等功耗較低的廣大域網(wǎng)中，特別是應(yīng)用安裝于偏遠地區(qū)、操作困難的環(huán)境中?？紤]到后期維護的可操作性，在此技術(shù)中應(yīng)用小功耗的大電池將更具有優(yōu)勢。如果在相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中應(yīng)用NB-IoT技術(shù)，就能夠準確計算耗電量、準確預(yù)估電池使用期限。

3 初步方案概述

3.1 基本原理

在具體的工作中，NB-IoT技術(shù)的工作原理，是指在發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，按照一定的順序來傳輸。實際上，NB-IoT技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時是以時間順序為準的。

在整個數(shù)據(jù)交換的過程中，包括發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)及節(jié)電狀態(tài)四種狀態(tài)。在設(shè)備處于這四種狀態(tài)中的任意一種時，功耗也都各有不同。當處于空閑狀態(tài)時，系統(tǒng)由于需要與網(wǎng)絡(luò)保持時間、節(jié)奏和頻率上的精準同步，因此功耗可能會大于節(jié)電狀態(tài)。可以確定的是，測試NB-IoT技術(shù)的功耗，需要測試其在不同狀態(tài)下的功耗，并合并計算各次功耗。

3.2 測試方案

借助節(jié)電模式、間斷式接收模式的作用，NB-IoT技術(shù)可以實現(xiàn)更長時間的待機工作。其中在節(jié)電模式下，技術(shù)設(shè)備終端依舊駐留在網(wǎng)絡(luò)上，但信息命令不能傳輸?shù)?。這樣一來，可以達到使終端設(shè)備有更長時間停留在深度睡眠狀態(tài)中進而節(jié)約電能降低功耗的目的。同時，間斷式接收模式，也可以提高空閑狀態(tài)下的工作效率，延長睡眠周期，特別是減少非必要的啟動信號指令，從而達到降低功耗的效果。因此，在具體的功耗測試中，需要按照這兩種模式的具體實施，檢驗終端部分在實際工作中的數(shù)據(jù)交換情況。

本文的測試研究以手機為例進行測試。同時，基于電池端的輸入功率較低，忽略了電池內(nèi)部的功耗。

3.2.1 綜測儀

在打開手機的一瞬間，手機會將一個類碼發(fā)送到基站?；驹诮邮蘸竺鞔_手機可以使用雙頻。隨后，基站將廣播信道的射步信號發(fā)送給手機，同時在信道中搜索信號。在搜索到最強廣播信道時，就可以調(diào)整內(nèi)部的頻率時間順序，使手機與其同步。這個過程就是手機與基站的同步過程。本次研究中使用的綜測儀與NB-IoT技術(shù)的同步過程，原理相同。也就是說在測試中，將綜測儀視作一個虛擬的基站，就可以和NB-IoT進行數(shù)據(jù)交換[2]。

3.2.2 電池模擬器

通過程序編輯，電池模擬器可以調(diào)節(jié)電流、電壓或電阻的出入情況，安全重復(fù)地模擬電池的充放電特點，根據(jù)任何需要隨時演示，協(xié)助測試進行。這個思路相對于真實的電池而講，能夠提供更加穩(wěn)定的參數(shù)，為測試數(shù)據(jù)的一致原則提供了便利。

在本次研究的測試方案中，建議使用電池模擬器代替電池，為測試提供電源。

在間斷接收的模式下，根據(jù)不同的通信模式，需要NB-IoT模擬發(fā)送、接收、空閑等不同的工作狀態(tài)，以進行獨立的檢測。在節(jié)電模式下，還可以檢測到終端設(shè)備的電力運行功率。

3.2.3 一個收發(fā)周期內(nèi)的能耗

在收發(fā)數(shù)據(jù)的一個時間階段內(nèi)，發(fā)送信號需要一定的時間，接收信號需要一定的時間，空閑狀態(tài)也會有時間產(chǎn)生，節(jié)電模式下也有相應(yīng)的時間消耗。因此通過計算，就可以得到一個數(shù)據(jù)收發(fā)周期內(nèi)的能耗。

在NB-IoT技術(shù)環(huán)境下，在一個單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)量已經(jīng)明確的情況下，將能耗數(shù)值與數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)量相乘就可以計算出這個單位時間內(nèi)的能耗。同時，如果電池能量也明確的話，結(jié)合一個單位時間內(nèi)的能耗，將具體能耗除以單位時間內(nèi)的小時量，就可以預(yù)算評估得到電池的使用壽命。

4 目前面臨的瓶頸

當前，由于NB-IoT正在進行各項測試及小范圍試點，還沒有大范圍推廣，遠遠沒有形成市場化的效果。因此實際應(yīng)用中，NB-IoT技術(shù)的使用還較少，其工作狀態(tài)、方法、效果反饋等還需要更進一步了解與總結(jié)。

在使用過程中，NB-IoT技術(shù)在很多方面，相對于傳統(tǒng)的通信模式更小。在實際測量中，很小的干擾也會影響整體測量精度。因此，如何有效地規(guī)避各類影響因素，進而減少誤差，也是急需要考慮并解決的技術(shù)問題。

從NB-IoT技術(shù)面世開始，一直以成本低廉而著稱，然而許多精度較高的測量儀器卻又都價格高昂，測試成本較高。這樣一來，就拉高了此技術(shù)的測量研究成本，看起來這也是一對矛盾，需要進一步驗證解決。

5 結(jié)語

在技術(shù)發(fā)展迅速的今天，技術(shù)創(chuàng)新促進NB-IoT的完善，同時很多產(chǎn)品的實際應(yīng)用，也將更進一步地落實相應(yīng)的技術(shù)標準，強化學習實踐，優(yōu)化測試方案，最終全面升級NB-IoT技術(shù)。

[1]戴國華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J].移動通信，2016（7）：31-36.

[2]楊俊林.NB-IoT(低功耗廣域網(wǎng))[N].人民郵電，2016-03-24（7）.

A Brief Analysis of the (NB-IoT) Energy Consumption Test of Narrow Band Internet of Things

Pan Xuhui Fang Chao

Wave LG Digital Mobile Communications Co., Ltd., Shandong Yantai 264006

The current technology of narrow-band Internet of Things is very popular, and it is used in many aspects. Concept of the Narrow Band Internet of Things is elaborated in the paper, and then based on the principle of cellular, the paper carries out energy consumption analysis and designs the test method, and then analyzes the possible difficulties or problems in the testing process. Through the analysis of this research, we hope that the future application of NB-IoT can be of positive and effective significance.

Narrow Band Internet of Things(NB-IoT); Energy consumption;test method

TN929.5；TP391.4

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