NB-IoT协议及其PSM

物联网技术发展趋势是LPWAN，其中尤其以NB-IoT和eMTC最为代表。NB-IoT和eMTC各有优劣，使用场景互有不同。

低功耗可以说是物联网技术的核心，本着关注低功耗的方向，适当了解NB IoT在整个LTE中的位置，NB-IoT的协议，重点关注NB-IoT低功耗部分。

1.NB-IoT背景

NB-IoT属于LPWAN技术的一种，是一种为物联网而设计的窄带无线技术。NB-IoT是由3GPP规范的，类似的技术还包括eMTC。NB-IoT技术规格在3GPP的R13被冻结。

NB-IoT主要关注indoor coverage、low cost、long battery life、enabling a large number of connected devices。

NB-IoT属于LTE一部分，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式。

2.NB-IOT协议

从Rel.10开始，3GPP就开始针对物联网引入新功能。

物联网设计原则：一大(大规模连接)、一强(覆盖增强)、三低(低功耗、低成本、低流量)。

Rel.10和Rel.11，解决“一大”问题。

Rel.12开始，主要解决“三低”问题，主要引入了PSM/DRX省电模式和LTE Cat 0。

Rel.13引入了LTE Cat M1和LTE Cat NB1，还引入了eDRX。

《一文看懂蜂窝物联网进化史，NB-IoT带来新突破》- 介绍了NB-IoT技术规范的演变，且重点介绍了PSM(Rel.12)/eDRX(Rel.13)省电技术。

《物联网LTE R13版强化MTC技术 新增Cat.M/NB-IoT规格》- 重点介绍Rel.13中eMTC/NB-Iot技术各方面实现。

3.NB-IoT之PSM/eDRX技术

《下一代物联网技术：原来NB-IoT与eMTC的低功耗技术是这样实现的》- 着重讲解了PSM和eDRX技术。

PSM

PSM状态下特性

PSM即低功耗模式，是3GPP R12引入的技术，其原理是允许UE在空闲态一段时间后，关闭信号的收发和AS(接入层)相关功能，相当于部分关机，从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗。

UE在PSM期间，不接收任何网络寻呼，对于网络侧来说，UE此时是不可达的，数据、短信、电话均进不来。

PSM模式下，终端处于休眠模式，近乎关机状态，可大幅度省电。在PSM器件，终端不再监听寻呼，但终端还是注册在网络中，因此，要发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接。

连接态：进行数据收发；由TAU定时器T3412超时或者

空闲态：T3324启动，RRC释放；空闲状态，监听寻呼。

PSM：T3324超时；启动T3412；不监听寻呼。

何时进入PSM？

那么UE处理完数据后，什么时候进入PSM模式呢？

这是由另一个定时器Active Timer(T3324，0-255秒)决定的。

UE处理完数据之后，RRC连接会被释放、进入空闲态，与此同时启动Active Timer，此Timer超时后，UE即进入上述PSM模式。

PSM在数据连接终止或周期性TAU完成后启动。数据连接终止后，终端首先进入空闲模式，并进入不连续接收（DRX）状态，此时，终端监听寻呼（Paging）。

当DRX定时器T3324超时后，终端进入PSM模式。

 数据态(RRC释放)-->空闲态(DRX，T3324超时)-->PSM模式

何时退出PSM？

只有当(1)TAU周期请求定时器(T3412)超时，或者(2)UE有MO业务要处理而主动退出时，UE才会退出PSM模式-->进入空闲态-->进而进入连接态处理上下行业务。

TAU周期请求定时器(T3412)由网络侧在ATTACH和TAU消息中指定，3GPP协议规定默认为54min，最大可达310H。

PSM模式(TAU T3412超时/MO业务)-->空闲模式-->数据态

转换状态如下：

UE和NW两侧的交互流程如下：

PSM适用于那些反应迟钝的，通常由终端主动发起和网络通信的物联网场景，否则，它可能要很久才回应你。

当然，我们在网络设计时，也一定要考虑实际应用需求，合理设置空闲模式和PSM模式的时间间隔。

eDRX

eDRX即非连续接收，是3GPP R13引入的技术。R13之前已经有DRX技术，eDRX是对原DRX技术的增强：支持更长周期的寻呼，从而达到省电目的。如图：

eDRX的寻呼周期由网络侧在ATTACH和TAU消息中指定(UE可以指定建议值)，可为20s、40s、80s...最大可达40min。相比DRX的1.28/2.56s循序周期，eDRX显然更省电。

eDRX与PSM周期的不同

Rel. 13还引入了eDRX（增强型非连续接收），就是延长了原来DRX的时间，减少了终端的DRX次数和频率，以达到省电的目的。

之前DRX的最小间隔为2.56秒，这对于隔很长一段时间才发送数据的物联网设备来说，实在是太频繁了。

eDRX可工作于空闲模式和连接模式。在连接模式下，eDRX把接收间隔扩展至10.24秒；在空闲模式下，eDRX将寻呼监测和TAU更新间隔扩展至超过40分钟。

eDRX与PSM模式切换的不同

PSM和eDRX之间的不同之处在于，终端从休眠模式进入可接收模式这个时间间隔的长短。

在PSM模式下，终端需要首先从休眠模式进入激活模式，然后才进入空闲模式。

在eDRX模式下，终端本身就处于空闲模式，可以更快速的进入接收模式，无需额外信令。

PSM和eDRX虽然让终端耗电量大大降低，但都是通过长时间的“罢工”来换取的，付出了实时性的代价。

对于有远程不定期监控（如远程定位，电话呼入，配置管理等）需求且实时性要求很高的场景，不适合开启PSM功能；如果允许一定的时延，最好采用eDRX技术、并将eDRX寻呼周期设的尽量短些（根据可接受的时延要求，最短为20s，…）。

UE可在ATTACH和TAU中请求开启PSM或（和）eDRX，但最终开启哪一种或两种均开启、以及周期是多少均由网络侧决定。

相关缩写

LPWAN - Low Power Wide Area Network

NB-IoT - Narrow Band Internet of Thing

RRC - Radio Resource Control

PSM - Power Saving Mode

TAU - Tracking Area Update

DRX - Discontinuous Reception

eDRX - Extended Discontinuous Reception

eMTC - ehanced Machine Type Communication