物聯網終端產品低功耗設計方法論（概要）

------ 【導讀】 ------

本文基於物聯網低功耗需求及部分業務場景，針對物聯網終端側提出一些低功耗設計方法論，並列舉應用場景實例及相應的解決方案。

物聯網終端產品低功耗設計方法論

（概要）

▊背景概述

近來物聯網LPWA（低功耗廣域網路）技術備受矚目，在全球範圍開展了積極部署。目前來看， LPWA是未來最適應物聯網低功耗需求的網路技術，但現階段其產業鏈發展尚未成熟，以NB-IoT為例，就存在成本高居不下、覆蓋率不夠廣泛等問題。

▊低功耗應用場景及方法論概述

▶ 1、LPWA低功耗實現

LPWA是專為物聯網應用場景服務的網路技術，從終端自身功耗、網路參數、數據傳輸協議等維度均進行了低功耗設計。

以NB-IoT為例，其低功耗實現途徑中最主要的是採用了兩個關鍵技術，PSM（Power saving mode，省電模式）和eDRX（擴展的非連續接收模式）。設備處在PSM態時的功耗非常低，而NB-IoT正是長期讓設備處於PSM態。另一方面NB-IoT採用的eDRX技術增加了設備空閑狀態下的睡眠周期，從而進一步降低整體功耗。

由上可見，目前實現低功耗技術的最有效方式，是讓終端在不進行數據交互時儘可能減小電量消耗。

▶ 2、 幾種低功耗業務模型及場景應用

據上文分析，LPWA主要的低功耗實現技術非常適用於數據發送低頻次、低吞吐率的業務場景，基於數據發送周期分類，對此類低功耗場景建立幾種基本的業務模型：

幾種常見低功耗業務模型

需要說明，以上三種為常見低功耗場景下分解出來的獨立業務模型，許多情況下是三種模型的複合場景。

針對以上三種業務模型列舉出實際場景，給出以NB-IoT為LPWA代表的方案，以及基於傳統蜂窩網路設計的終端低功耗技術架構，從功耗維度來對兩種技術進行對比分析。

（1）業務模型一場景：燃氣表抄表

業務需求：表計數據發送周期為24h，數據包大小為50Bytes

● LPWA方案：採用NB-IoT網路。TAU（tracking area update）周期設為24h，作為業務數據上行周期；PSM active timer和RRC鏈路釋放定時器根據業務模型具體配置；

● 傳統蜂窩網終端方案：2G-eSIM模組（eSIM是中移物聯網有限公司自主研發的晶元和模組產品，直接集成了移動公司SIM卡功能，支持2G/ 3G/4G以及5G/NB-IoT，可自動接入中移物聯網的設備雲OneNET）+RTC（定時控制單元）方案。

業務模型一：eSIM模組+RTC（固定周期）方案

（2）業務模型二場景：物流托盤定位（詳細方案見【閱讀原文】）

（3）業務模型三場景：農業大棚環境監測（詳細方案見【閱讀原文】）

（4）各業務模型功耗對比

對各業務模型下兩種方案的功耗進行對比，其餘因素影響在此不作考慮（如對比的網路信號強度假設相同）。數據源於移動通信研究院和中移物聯網有限公司。

各業務模型下兩種方案功耗對比

對比結果表明，在三種低功耗業務場景中，基於傳統蜂窩網路採用了一些低功耗技術架構進行終端優化的方案，其功耗與NB-IoT方案差距不大，二者基本相當。

▶ 3、物聯網終端低功耗設計方法論

為了最終向客戶提供合適的低功耗整體解決方案，總結提出了終端側低功耗設計方法論的關鍵思路，應從以下幾個方面綜合考慮和開展設計：

（1）根據具體業務場景的數據發送周期和數據量要求，確定終端工作模式、採用合適的通訊技術，選擇合理的數據發送周期控制方式，是讓終端在不進行數據交互時儘可能減小電量消耗，最大化節省功耗。以本文介紹的低功耗2G技術和NB-IoT技術為例，僅從功耗維度來進行通訊技術的選擇，可簡單參考以下推薦的矩陣對比關係。

場景需求與終端通訊模式適配矩陣

（2）在滿足低功耗的方案中，綜合比較方案的成本，包含終端成本、網路部署成本、開發成本、後期維護成本等；

（3）綜合考慮比較其他方面因素，如可靠性、安全性、覆蓋率等。

▊低功耗應用場景及解決方案實例

場景需求：對某國際鐵路運輸項目的集裝箱在運輸過程中的位置監測。列車行駛時位置發送周期為2小時，列車停駐時位置發送周期為1天，位置精度小於200m。

根據業務模型分析和終端低功耗設計方法論，給出基於傳統蜂窩網路終端和NB-IoT的解決方案對比。（詳細方案見【閱讀原文】）

▶ 1、功耗對比

根據上述測試和計算數據分析，對基於2G蜂窩技術和NB-IoT的方案進行功耗指標的對比，對比情況見表2 。

兩種方案的功耗對比

綜上，在不考慮成本、可靠性等其他因素的前提下，僅對比分析終端功耗，基於2G並採用低功耗設計架構優化的終端方案，與NB-IoT方案的理論指標相比，二者功耗相當。

▶ 2、成本對比

下面再對兩種方案的終端成本進行對比，定位器數量需求為10000套，主要成本項見表3 ，因為兩種方案終端主要是通訊模組的差異，所以定位器硬體成本僅考慮模組和電池成本。

2G與NB-IoT方案的成本對比分析

▶ 3、其他因素考慮

從信號覆蓋角度考慮，鐵路運輸場景的移動地域非常廣闊，就NB-IoT目前的網路覆蓋率甚至不能滿足覆蓋廣度需求。

▶ 4、最終方案選擇

兩種方案的終端功耗基本相當，在滿足同等工作年限（1年）的前提下，所損耗的電池成本相同；但由於2G模組、研發等成本較低，綜合核算2G方案成本比NB-IoT方案約低45%，最終選擇向用戶提供2G方案。

▊結束語

本文提供了物聯網終端側的低功耗設計方法論。物聯網的一個重要問題是解決海量連接下的低功耗，實際上功耗優化是個複雜的逐步積累的過程，需要從終端自身、業務模型、網路參數、成本、可靠性等各個方面綜合考慮，提供整體的解決方案。

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