物联网低功耗评估方法分析_钟华彧.pdf

ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY物联网低功耗评估方法分析钟华彧（福建省产品质量检验研究院，福建 福州350015）摘 要：传统功耗检测方法是利用功率计对样品进行瞬时功率评估或者积分评估。由于智能物联网无线产品工作状态时间短、电流动态波动数量级差异大、连接公共基站时无法精确地控制样品的工作状态等因素，传统功耗检测方法无法正确地评估物联网低功耗问题，也无法评估电池在产品耗电特征下的有效容量和有效使用时间。根据智能物联网无线产品的特点，介绍了物联网产品低功耗和电池续航时间的评估方法，并对主流评估方法进行了分析总结，以期为物联网低功耗评估方法的选择与优化提供一定的参考作用。关键词：物联网；低功耗；下载功耗；上传功耗；电池寿命中国分类号：TN 98文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）02-0092-04doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.02.020Analysis of Low-power Evaluation Methods for the Internet of ThingsZHONG Huayu（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality，Fuzhou 350015，China）Abstract：The traditional power consumption detection method is to use power meter to evaluate the instantaneouspower or integral of the sample.Because of the short working time of IoT wireless products，the great difference ofcurrent dynamic fluctuation，and the inability to control the working state of samples when connecting to common basestations，the traditional power detection methods can not evaluate the low power problem of IoT，also cannot evaluatethe effective capacity and the effective life time of the battery under the power consumption characteristics.Accordingto the characteristics of IoT wireless products，the evaluation methods of low power consumption and battery life areintroduced，and the main evaluation methods are analyzed and summarized so as to provide a certain reference rolefor the selection and optimization of IoT low-power evaluation methods.Keywords：Internet of Things；low power consumption；download power consumption；upload power consumption；battery life基金项目：国家市场监督管理总局科技计划项目（2020MK054）资助。收稿日期：2022-10-08修回日期：2022-12-04作者简介：钟华彧（1984），男，福建福州人，福建省产品质量检验研究院工程师，从事EMC、射频检测工作。0引言随着物联网技术的发展，越来越多的物联网技术被运用到传统行业中，使得传统行业智能化率大幅上升，如建筑自动化领域的智能家居智能监控、能源与公共事业领域的自动抄表、交通运输领域的智能交通和智能物流等等。由于物联网终端与内置电池大多一体化设计无法拆卸，或因安装环境限制而不能经常更换电池，因而要求智能物联网技术具有低功耗、低成本等特点，也就是说低功耗技术的运用具有很高的工程应用价值。物联网终端经常宣称其可使用时长按年计算，如922023.02ELECTRONICS QUALITY何精确地测量物联网终端的耗电特性，评估终端电池的工作时长就显得十分的重要。传统功耗检测方法是利用功率计对样品进行瞬时功率评估或者积分评估，该方法可准确地评估传统电器产品。然而由于智能物联网无线产品具有工作状态时间短、电流动态波动数量级差异大1和连接公共基站时无法精确地控制样品的工作状态等缺点2，因而传统功耗检测方法无法正确地评估物联网的低功耗问题，也无法评估电池在产品耗电特征下的有效容量和电池的有效使用时间。本文针对物联网的技术特征介绍了几种低功耗评估方法，为物联网低功耗功耗评估方法的选择提供了一定的参考作用。1功耗评估1.1 理论评估理论评估即参考终端研发各个模块电路的理论工作时长、理论工作电流来评估工作电流，计算终端总功耗。多模低功耗产品理论评估案例如表1所示。由于利用理论评估方法得到的是各个模块电路工作电流、工作时长的理论值，故与实际使用环境存在偏差。1.2 试验评估a）试验方法参考窄带物联网特性，根据窄带物联网的不同工作状态分别测试功耗3，通过系统模拟器评估在指定要求下的功耗情况4。由于符合3GPP要求的工作状态功耗测量数据可重复性高，因而其成为了业内重要的功耗测量方法。根据IoT工作模式涉及的功耗状态包含待机功耗、休眠功耗、下载功耗测试（CP控制面模式）、上传功耗测试（CP控制面模式）、下载功耗测试（UP用户面模式）和上传功耗测试（UP用户面模式）5。b)测试设备包括被测终端、假电池、NB-IoT系统模拟器、直流源和电流测试仪。NB-IoT功耗测试系统连接示意图如图1所示。直流源和电流测量仪可以是同一台设备，既能提供直流供电，又能测量显示当前被测终端的电流值。直流源推荐具备以下两个特点：1）输出电压可调，分辨率为0.01 V或者更小；2）直流源有足够的电流输出能力，包括持续性和峰值供电，以满足被测终端各种测试的电流需要；电流测量仪具备足够的测量精度，其测量需求如表2所示。表1多模低功耗产品理论评估案例终端模块电路工作方式工作电流/mA工作时间/h每小时耗能/mAhCPU主控休眠状态0.501.000 000.500 0双模定位模块每小时定位2次（每次开启5 s）31.000.002 780.086 1专网模块待机连续工作0.501.000 000.500 0专网模块发射每小时发射2包（每包发射时间为26.67 ms）1 200.000.000 010.017 8公网模块值守每小时扫描2次（每次值守2 s）15.000.001 110.016 7公网模块传输每小时传输2包（每包传输时间为90 ms）400.000.000 050.020 0其他电路连续工作0.751.000 000.750 0每小时总耗能1.891 0终端每天耗能=每小时耗能24 h=1.8912445.384 0表2电流测量仪的测量需求参数取样率分辨率测量误差/%待机模式测量需求50 ksps0.1 mA10传输模式测量需求50 ksps0.1 mA10休眠模式测量需求50 Msps0.1 A10图1 NB-IoT功耗测试系统连接示意理 论 与 研 究Theory&Research93ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY1.2.1待机功耗测试a）测试目的测试终端在未配置扩展非连续接收（eDRX）和省电模式（PSM）功能下空闲态（RRC_IDLE）待机电流。b）测试步骤1）确认小区环境正常；2）电流计电压设置为终端额定工作电压；3）UE上电开机；4）UE发起注册过程，UE在Attach Request消息中不携带“T3324 value”IE，不携带“ExtendedDRX parameters”IE；5）UE发送Attach Complete完成附着；6）UE释放RRC连接，进入RRC_IDLE状态；7）关闭终端除蜂窝无线通信以外其他可能会引起功耗增加的功能；8）等待3 min；9）待电流计上显示的电流曲线平稳后，开始电流测试，测试5 min后停止，保存电流计log，记录平均电流；10）UE关机，发起去激活过程。1.2.2休眠功耗测试a）测试目的测试终端在配置PSM功能下空闲态待机电流。b）测试步骤同待机功耗测试，其中：1）步骤4 UE发起注册过程，UE在Attach Re-quest消 息 中 携 带“T3324 value”IE申 请PSM，T3324 value=001 000 11（即Active Time=3 min）；携带“Extended DRX parameters”IE，eDRX周期设置为4HFN；2）步骤8、步骤9开始电流测试，测试10 min后停止，需保证电流测试中包含Active Time状态和PSM状态电流，保持电流计log，记录Active状态平均电流、PSM状态平均电流。1.2.3下载功耗测试（CP模式）a）测试目的测试终端接收一个200 B数据包的耗电量。b）测试步骤同待机功耗测试，其中：1）步骤4UE发送Attach Request驻留网络，消息中携带的EPS network feature support值为Controlplane CIoT EPS optimization supported；2）步骤8开始电流测试，从服务器端向终端发送一个200 B大小的数据包；3）步骤9网络发送Paging消息寻呼UE；4）步骤10 UE接收寻呼消息后，建立RRC链路，发送CONTROL PLANE SERVICE REQUEST启动业务请求流程；5）步骤11网络通过下发ESM DATA TRANS-PORT消息将下行数据发送给UE；6）步骤12终端数据接收完成后重新进入空闲态，停止电流测试，UE关机，发起去附着过程。1.2.4上传功耗测试（CP模式）a）测试目的测试终端发送一个200 B数据包的耗电量。b）测试步骤同下载功耗测试（CP模式），其中：1）步骤8开始电流测试，触发终端发送一次数据上报200 B数据包，UE通过发送CONTROLPLANE SERVICE REQUEST启动业务请求流程，并在其中携带的ESM DATA TRANSPORT消息中携带用户数据；2）步骤9终端数据传输完成后重新进入空闲态；停止电流测试，UE关机，发起去附着过程。1.2.5下载功耗测试（UP模式）a）测试目的试终端UP模式数据下载时的耗电量。b）测试步骤同待机功耗测试，其中1）步骤4网络通过SUSPEND过程让终端进入EMM-IDLE mode with suspend indication状态；2）步骤8开始电流测试，从服务器端向终端发送数据包；3）步骤9网络发送Paging消息寻呼UE；4）步骤10 UE接收寻呼消息后，发送RRCConnection Resume过程恢复RRC连接；5）步 骤11终 端 数 据 接 收 完 成 后 重 新 进 入SUSPEND状态；6）步骤12停止电流测试，UE关机，发起去附着过程。1.2.6上传功耗测试（UP模式）a）测试目的测试终端UP模式数据上传时的耗电量。b）测试步骤同下载功耗测试（UP模式），其中：942023.02ELECTRONICS QUALITY1）步骤8开始电流测试，触发终端发送数据上传，UE发起RRC Connection Resume过程恢复RRC连接；2）步骤9终端数据接收完成后重新进入SUS-PEND状态；3）步骤12停止电流测试，UE关机，发起去附着过程。以上试验通过综测仪模拟器控制样品工作状态，高精度电流测量仪测量对应工况功耗，可以较客观地评估出IoT在不同工作模式的功耗概况。2电池续航时间评估除了评估样品功耗情况，用户一般还比较关心在实际工作场景下的电池续航时间，电池续航评估也成为物联网产品低功耗评估的一种手段。电池续航时间评估有以下3种方法6：a）根据评估功耗结果，按照电池总容量计算终端可工作时长；b）利 用 常 规 测 试 验 证 方 法 验 证 电 池 续 航时间7；c）加速电池续航时间验证方法8。由于常规测试周期可达几个月甚至几年，加速电池续航时间验证就显得极为迫切。加速电池续航时间评估采用既可以做电源又可以做负载的二象限电源分析仪进行测试。首先，模拟实际工作状态，捕获电流工作状态，记录电流消耗；接着，将电流波形镜像反转，变成负载工作时的吸收电流波形，接上需要验证的电池，回放电流消耗，使用获得的电流波形模拟产品的耗电，即可测试电池的续航时间。编辑电流波形，例如将UE实际工作状态的休眠状态时间2 min编辑为1 s，则可使测试过程加快120倍。如果休眠唤醒周期调整为100 ms，对于预测10年工作时间的设备来说，1周内即可完成评估。加速电池续航时间测试需注意以下细节。a）由于需模拟实际工作状态，因此终端联网功能不能使用3 GPP理论标准评估方法NB-IoT系统模拟器进行评估。需连接到公网与后台联网，而公网信号强度会影响功耗结果，结合标准测试方法和实际使用时的信号灵敏度要求，建议UE终 端放入屏蔽箱，调节衰减器使信号强度值为-110 dBm附近，作为最严酷环境的功耗测试。b）测试电池的持续续航时间，压缩样品正常休眠状态时间，加快测试进程时需注意电池典型放电特征，使得最大持续放电电流与实际评价放电电流相符。物联网终端所使用的电池主要有锂亚硫酰氯电池，电池容量与放电电流有关。若加速测试的最大持续放电电流与实际工作放电电流明显不相符，电池容量会急剧变化，导致评估结果出现偏差。3结束语国内外行业协会大多数采用评估不同工作状态的功耗来评估验证低功耗，加速电池寿命评估方法也越来越被行业认可。不过需要注意的是电池耗电情况还与环境温度等因素有关，因此如何更加客观合理地评估出电池使用寿命还需做更多的研究。参考文献：1刘锋，夏琼.低功耗广域网（LPWAN）技术分析J.电子测试，2021（21）：92-93；104.2杨观止，陈鹏飞，催新凯，等.NB-IOT综述及性能测试J.计算机工程，2020，46（1）：1-14.3樊稚洋.浅谈窄带物联网用户终端测试方法J.通信设计与应用，2019，26（4）：137-138.4电信终端产业协会.面向窄带物联网（NB-IoT）终端模组 功 耗 测 试 方 法：TAF-WG5-AS0019-V1.0.0：2018S.5中 国通 信 标 准 化协会.面向 物 联网 的 蜂窝 窄带 接入（NB-IoT）终端设备测试方法：YD/T 3338-2018 S.北京：人民邮电出版社，2018.6罗伟林，张立强，吕超，等.锂离子电池寿命预测国外研究现状综述J.电源学报，2013（1）：140-144.7楼亮亮，金彦亮，周苗，等.物联网节点功耗测量及电池寿命分析J.自动化仪表，2015，36（12）：52-55.8王平松，杨拓宇，王科.物联网终端功耗评估方法研究J.电子质量，2020（10）：9-13.图2加速电池续航时间验证方法示意图理 论 与 研 究Theory&Research95