隨著定義物聯網(IoT)之通訊協定之間的競爭拉開帷幕，第三代合作夥伴計畫(3GPP)的蜂巢式物聯網(C-IoT)成為絕對的強勁競爭者。3GPP Release 13包括以C-IoT使用案例為目標的巨大提升。彼等之特點通常係對延遲尤其不敏感的少量資料傳輸，例如智慧型柵極感應器或資產追蹤器。另一方面，功耗對這些使用案例舉足輕重。
一些狀況需要電池供電物聯網裝置之部署長達十年不維護，這意味著一個或兩個AA電池必須至少十年不充電。為了滿足這些狀況需要，3GPP Release 13針對IoT連結推出了兩種新款使用者設備(UE)類別。
標準定義節電技術
如需滿足這些嚴苛的功耗要求，新類別之規格充分利用了當前節電技術的優勢，並推出了新技術。總之，這些技術延長了UE的電池使用壽命，使其長達十年或更久，同時還在普通行動電話服務方面支援15至20dB的延展覆蓋範圍。本文將探討當前於Cat-M1和Cat-NB1中指定的最重要之節電技術。
節電模式
於Release 12中引進了UE節電模式(PSM)。為了最大程度減少UE停機時間，該模式執行了周期性追蹤區更新(TAU)，在此之後，其可在閒置時間的可設定視窗中保持正常通訊。一旦閒置時間之視窗通過，該裝置將處於休眠狀態，在下一個周期性TAU之前無法正常通訊。該節電方法對需要極少周期性報告(例如，一天一次)的使用案例極其重要。
擴展型非連續接收
非連續接收(DRX)規定了一個在兩次呼叫周期之間長達10.24s的睡眠時間，以此減少功耗。新式擴展型版本eDRX現在可使UE在可有效接收網路流量之前，睡眠10.24s的預定義數量超高幀。一台裝置所需的最大數量HF之擴展型睡眠時間對於Cat-M1總計大約可達40分鐘，對於Cat-NB1幾乎可達三個小時(圖1)。
更低之UE功率等級
相對於傳統LTE中的23dBm，新規格定義了20dBm的功率等級。由於目前PA功率是蜂巢式IoT系統中的主要功率驅動器，該功能可大幅降低功率，但同時也會因將功率放大器整合於單晶片互補式金屬氧化物半導體(CMOS)解決方案而減少總體物料清單(BOM)。
基於有限行動性減少報告
該優化充分利用了有限行動性方案。在這些案例中，假設UE為靜態或以非常低的速度移動。在這種假設中，此種規格可使相鄰單元測量和報告周期得到弛緩。這可減少需要射頻(RF)資源和消耗功率之程序。
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| 圖1 使用eDRX描述擴展型睡眠時間 |
上層優化
簡化之訊號可減少UE和基站之間的流量，以此透過減少「RF On」周期而節省大量功率。
a.使用者平面CIoT演進封包系統(Evolved Packet System, EPS)優化--該功能可使無線資源控制(RRC)連結暫停以及重新開始。
在傳統LTE中，當UE從空閒模式轉變為連結模式時，必須建立新的RRC上下文。重新建立上下文僅需一百毫秒，但是對於IoT裝置，僅需傳送幾個位元組，所以這是一種非常重要的開銷。因此，已指定了一種保留RRC連結上下文的方法，並使其中繼於行動型裝置和網路側，而不是將其釋放。
b.控制面板CIoT EPS優化--在LTE中，訊號面用於管理任務，例如驗證和建立通訊，同時透過使用者面板傳輸資料。對於高資料速率傳輸，可忽略在訊號面上設定連結之開支。
但是當處理極小的資料包時，為短傳輸設定連結可對總體通訊時間產生極大影響，因此也會對功耗產生極大影響。為了減少此種開銷，控制面板CIoT EPS優化指定了一種將使用者資料包包含於訊號消息的方法。透過將淨負荷包含於訊號消息避免了此開銷。
該優化也以小型周期性資料傳輸為目標。由於互聯網通訊協定(例如資料封包協議(UDP)或傳輸控制協定(TCP))需要標頭，彼等可大幅增加數百個位元組典型IoT封包之尺寸。此外，與上文所述優化一樣，開銷也會增加功耗(「傳送更多位元需要更多電能」)。強健標頭壓縮(RoHC)(通常由網路電話(VoIP)應用程式使用)在此案例中非常有用。透過壓縮標頭，整體傳輸量顯著減少，從而實現功耗大幅降低。
UE設計者量身訂做額外節電優化
將上述優化內置於3GPP標準，以此實現IoT使用案例之顯著節電。除此之外，UE設計者部署的實現和算法也對總功耗具有可觀影響。下面是一些可以進一步降低功耗的優化示例。
重複「提前終止」
用於增強覆蓋範圍(是3GPP的目標之一)的主要方法之一即重複。將單個傳輸塊(TB)重複若干次，並且UE可籍由組合所接收的TB增加信噪比(SNR)，同時對其進行適當解碼。由於重複粒度和預測所需重複次數的能力有限，3GPP可確保該標準支援「提前終止」之選項。在此種情況下，UE可以在重複結束之前嘗試解碼TB。一旦解碼正確，UE就可以關閉RF並停止解碼剩餘之重複。透過在接收機側實施高級算法，UE將能更快解碼，並且更早關閉RF，從而達到節電目的。
小區同步
在長時間睡眠(基於PSS和SSS序列)之後，每次均可出現幀定時同步。在此種情況下，UE同步可能需要幾十到幾百毫秒，這取決於覆蓋條件(長同步意味著準備喚醒的「RF On」週期長)。複雜的算法可以減少同步持續時間，並且在對總功耗具有巨大影響的設計之間存在顯著差異。
顯然，針對小型週期性資料業務設計的這些優化(係C-IoT UE要求的實質)應與高資料速率使用案例的處理方式不同。
流重資料有效載荷的情況不關注小標頭或短暫睡眠時間，原因是彼等變得相對不重要。相反，當處理大量部署的微型裝置以支援智慧型城市基礎設施、智慧型電網和許多其他用途時，小物件累計相加，每毫瓦均可發揮作用。
有效通訊協定必須在高效架構上運行
當然，所有這些通訊協定和算法優化必須應用於在能夠充分利用所有這些優點以盡可能降低能耗之架構。
以與3GPP分析C-IoT使用案例的特定需求以及相應調整通訊協定之方式大致相同，設計裝置時還必須深入理解使用案例和通訊協定，從而最大程度提高效率。架構之設計必須兼顧超低成本和超低功耗。
(本文作者任職於CEVA)