NB IoT，亦即窄頻物聯(lián)網(wǎng)（Narrowband IoT）技術(shù)，一直以來都被視為是超低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的促成技術(shù)，能以單一電池實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)十年的網(wǎng)路連接性。此技術(shù)已針對(duì)少量數(shù)據(jù)的不頻繁傳輸進(jìn)行了最佳化設(shè)計(jì)，可支援包括智慧量錶、智慧城市、物流和資產(chǎn)追?各種使用案例，以及農(nóng)業(yè)和環(huán)境觀測(cè)等廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在，全球各地的NB-IoT網(wǎng)路正迅速建置中，已有50個(gè)國(guó)家的網(wǎng)路已完成部署，而且這個(gè)數(shù)量仍在持續(xù)增加中。
能以單一電池提供十年的網(wǎng)路連接效能是一個(gè)強(qiáng)而有力的銷售賣點(diǎn)；也就是說，一旦部署後，感測(cè)器便能運(yùn)作多年，無(wú)需更換電池。對(duì)於需要在諸如地表下等不易到達(dá)的位置應(yīng)用，可以顯著降低大量裝置的維護(hù)成本。不僅如此，NB-IoT除了低功耗，可將裝置的供電效能延長(zhǎng)多年之外，它還具備其他的優(yōu)勢(shì)，包括裝置成本低、傳輸距離長(zhǎng)、而且頻譜效率高等。
這一切聽起來都很不錯(cuò)，但實(shí)際上開發(fā)一款能夠透過單一電池可靠地提供十年網(wǎng)路連接的裝置卻是一大挑戰(zhàn)。在3G網(wǎng)路中，功耗是確定的：你可以根據(jù)特定的使用情境事先計(jì)算好。但在NB-IoT就不是這樣了，它是由行動(dòng)網(wǎng)路業(yè)者（mobile network operator, MNO）來決定－通常是自動(dòng)調(diào)整的－而其間的差異可以從整整十年到僅能運(yùn)作幾年都有可能。
自從u-blox在2016年透過現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)路發(fā)送了全球第一個(gè)預(yù)標(biāo)準(zhǔn)（pre-standard）的NB-IoT訊息以來，我們一直在最佳化NB-IoT模組並建立專業(yè)知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶提供十年網(wǎng)路連接性的承諾。
要實(shí)現(xiàn)10年的網(wǎng)路連接性目標(biāo)，必須牢記以下五點(diǎn)：
1.明智地設(shè)定PSM參數(shù)
與其他的LPWA（低功耗廣域）技術(shù)一樣，NB-IoT透過盡量延長(zhǎng)裝置的休眠時(shí)間來節(jié)省耗電量。省電模式（Power save mode, PSM）提供了一種有效的方法，可以完全關(guān)閉數(shù)據(jù)機(jī)。當(dāng)裝置處?kù)禤SM模式時(shí)，可被喚醒以與網(wǎng)路通訊；但是，網(wǎng)路無(wú)法存取裝置。
PSM模式可把電流消耗降至3微安培以下。它使用釋放輔助（release assistance）向網(wǎng)路發(fā)出訊號(hào)，而模組不會(huì)對(duì)其上行鏈路（uplink）訊息產(chǎn)生下行鏈路（downlink）回應(yīng)。如此一來，它可以立即從網(wǎng)路「釋放」出來，無(wú)需因?yàn)榛顒?dòng)休止而等待6到20秒後才中斷連接。
此外，PSM模式允許裝置在進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)保持其登錄的詳細(xì)資料，因此每次有新的通訊時(shí)，無(wú)需再經(jīng)歷非常耗電的重新連網(wǎng)程序。
| 圖二 : NB-IoT數(shù)據(jù)機(jī)登錄網(wǎng)路後的狀態(tài)。 |
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省電模式使用T3324和T3412這兩個(gè)+CPSMS定時(shí)器來進(jìn)行參數(shù)化，裝置會(huì)在初始化時(shí)向行動(dòng)網(wǎng)路業(yè)者請(qǐng)求這兩個(gè)參數(shù)。T3324指定了在進(jìn)入PSM模式之前網(wǎng)路可以存取裝置的時(shí)間。每個(gè)PSM模式間隔的時(shí)間是由這兩個(gè)參數(shù)之間的差異來決定。
2.你無(wú)法強(qiáng)制執(zhí)行PSM計(jì)時(shí)器。
假設(shè)你已經(jīng)找到最佳的+CPSMS計(jì)時(shí)器參數(shù)，可以完美地平衡電源自主性和應(yīng)用程式的需求。但是，這就算大功告成了嗎?
才沒那麼容易呢！行動(dòng)網(wǎng)路業(yè)者會(huì)把從裝置接收到的+ CPSMS定時(shí)器視為請(qǐng)求。它沒有義務(wù)根據(jù)此請(qǐng)求進(jìn)行設(shè)定，或是在它們超出範(fàn)圍時(shí)覆蓋它們。所以，在你慶祝大功告成之前，請(qǐng)務(wù)必先利用合適的AT指令檢查網(wǎng)路為你的裝置指派的計(jì)時(shí)器。此外，由於計(jì)時(shí)器可能會(huì)隨時(shí)改變，因此最好能持續(xù)追蹤它們，才能在行動(dòng)網(wǎng)路業(yè)者重置計(jì)時(shí)器時(shí)，迅速做出回應(yīng)。
3.eDRX可讓裝置更長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)聽網(wǎng)路
正如我們之前看到的，透過T3324計(jì)時(shí)器，你可以要求裝置在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)聽網(wǎng)路訊息。擴(kuò)展不連續(xù)接收模式（Extended discontinuous reception, eDRX）仍是由行動(dòng)網(wǎng)路業(yè)者設(shè)定，它可以讓你的裝置延長(zhǎng)監(jiān)聽網(wǎng)路訊息的時(shí)間，但僅略微增加電力需求。基本上，它是透過切換進(jìn)入和退出低功率狀態(tài)來運(yùn)作，使電流消耗降至約3微安培。
採(cǎi)用eDRX模式時(shí)，行動(dòng)網(wǎng)路業(yè)者的IoT平臺(tái)會(huì)儲(chǔ)存裝置處?kù)兜凸臓顟B(tài)時(shí)所有進(jìn)來的訊息，並在裝置喚醒時(shí)將訊息轉(zhuǎn)發(fā)給裝置。值得一提的是，eDRX也可以在沒有PSM的情況下使用，特別是對(duì)於需要在未知時(shí)間內(nèi)接收訊息的應(yīng)用程式而言。
4.你無(wú)法控制覆蓋範(fàn)圍等級(jí)
NB-IoT節(jié)省電力的其中一種方式是透過電波輕聲地傳送訊息，而不是大力放送出去。為了確保在NB-IoT基地臺(tái)範(fàn)圍內(nèi)的所有訊息都能被接收到，NB-IoT會(huì)對(duì)每個(gè)訊息，甚至是每個(gè)訊息的每個(gè)區(qū)塊，根據(jù)它量測(cè)到的訊噪比（signal to noise ratio）來設(shè)定其覆蓋範(fàn)圍的等級(jí)。
能通過噪音輕易被接收的訊息屬於覆蓋等級(jí)0（CO0）。不太清楚的訊息則屬於覆蓋等級(jí)1（CO1），將由具備10dB覆蓋增強(qiáng)的裝置發(fā)出。最極端的情況是覆蓋等級(jí)2（CO2），這類訊息會(huì)以20 dB覆蓋增強(qiáng)發(fā)送出去。
被歸類為CO1或CO2的裝置訊息或許還是能妥善地傳遞給基地臺(tái)，但這是需要付出代價(jià)的。因?yàn)樗鼈冃枰愿蟮墓β拾l(fā)射並重複多次，因此與CO0相比，它們會(huì)耗費(fèi)更多的電池電流。
覆蓋等級(jí)的問題在於，儘管它們是決定自主性的主要因素，但是你無(wú)法控制它們。針對(duì)裝置訊息是屬於何種覆蓋等級(jí)，行動(dòng)網(wǎng)路業(yè)者通常無(wú)法提供明確的指標(biāo)。唯一可以確定的方法，就是當(dāng)裝置在現(xiàn)場(chǎng)部署後，便需開始隨時(shí)監(jiān)控其功耗。
5.終究，這是一種必需考量權(quán)衡的產(chǎn)品設(shè)計(jì)
假設(shè)你正在設(shè)計(jì)採(cǎi)用NB-IoT把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫?yún)端的智慧水錶，讓市政機(jī)構(gòu)或自來水公司可以即時(shí)監(jiān)控自來水供應(yīng)的狀態(tài)和消耗。對(duì)此使用情境，若電錶僅以覆蓋等級(jí)0和1來傳輸資料，你可能不會(huì)把你的產(chǎn)品宣傳為能夠以單一電池提供十年的網(wǎng)路連接性。
實(shí)際的情況是，電池壽命和覆蓋範(fàn)圍之間存在著無(wú)可避免的權(quán)衡。正如我們前面所提的，許多會(huì)影響裝置效能的關(guān)鍵因素都不是你能掌控的。當(dāng)然，你可以採(cǎi)用更大容量的電池，但這卻是部分客戶不能接受的。設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)裝置終歸到底是一種考量權(quán)衡的工作，對(duì)於透過NB-IoT網(wǎng)路進(jìn)行通訊的裝置也是如此。
u-blox針對(duì)NB-IoT網(wǎng)路連接性開發(fā)了一系列具備擴(kuò)充性的蜂巢式模組，對(duì)於各種要求超低功耗與最佳化效能的IoT應(yīng)用，能支援裝置廠商在最大化電池自主性與優(yōu)化性能方面給予適當(dāng)工具，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)更輕鬆。
其中，有的模組是具備全球覆蓋率的LTE Cat M1、NB-IoT和四頻2G（EGPRS）模組，能以單一設(shè)計(jì)同時(shí)提供LTE與四頻EGPRS 支援。有的模組是多頻段NB-IoT模組，可支援3GPP Release 14功能集與5G，並能透過uFOTA進(jìn)行關(guān)鍵韌體的升級(jí)。也有功率最佳化的NB-IoT模組，支援-400C到850C的寬廣溫度範(fàn)圍，並採(cǎi)用非常精巧的SARA LGA外型尺寸，易於製造。
這些模組都能在u-blox的2G、3G和4G模組間輕鬆升級(jí)，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具靈活性。這些豐富的產(chǎn)品組合與功能特性，將能協(xié)助裝置廠商實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的NB-IoT應(yīng)用，讓長(zhǎng)達(dá)十年的電池壽命目標(biāo)不再遙不可及。
（本文作者Phil Ware為u-blox蜂巢式產(chǎn)品中心資深應(yīng)用工程師）
